Wenn Nerven­zellen im Labor mitein­ander spre­chen

Ein Affe sitzt in einem Raum. An seinem Kopf messen Sensoren elek­tri­sche Akti­vi­täten, die entstehen, wenn Nerven­zellen Infor­ma­tionen weiter­geben. Im Nach­bar­raum beginnt ein Robo­terarm sich zu bewegen. Kein Mensch steuert ihn. Es sind die Signale aus dem Affen­ge­hirn, über­setzt in Bewe­gungen.

Bei Dr. Udo Kraus­haar, Leiter der Elek­tro­phy­sio­logie-Gruppe am NMI Natur­wis­sen­schaft­li­ches und Medi­zi­ni­sches Institut an der Univer­sität Tübingen, löste dieses wissen­schaft­liche Expe­ri­ment Faszi­na­tion aus. Kennen­ge­lernt hatte er es während seines Biolo­gie­stu­diums. Die daraus resul­tie­rende Vorstel­lung, dass Gedanken, Bewe­gungen und Entschei­dungen auf mess­baren biolo­gi­schen Prozessen beruhen, beein­druckte ihn. Damals, im Biolo­gie­stu­dium, beschäf­tigte ihn die Frage, die ihn bis heute begleitet: Wie funk­tio­niert das mensch­liche Gehirn eigent­lich?

An kaum einem Organ wird so viel geforscht – und gleich­zeitig so wenig verstanden – wie am mensch­li­chen Gehirn. Während Menschen Gene entschlüs­seln, Organe trans­plan­tieren und künst­liche Intel­li­genzen entwi­ckeln können, bleibt die zentrale Schalt­stelle unseres Denkens voller Rätsel. ​„Das Faszi­nie­rende und Frus­trie­rende am Gehirn ist seine enorme Komple­xität“, sagt Kraus­haar.

Das Gehirn im Modell

Die Frage lautet deshalb nicht nur: Wie funk­tio­niert das Gehirn? Die Frage lautet auch, wie ein so komplexes Organ über­haupt erforscht werden kann. Genau hier setzen moderne Zell­mo­delle an.

In Laboren wachsen kleine Verbände aus Nerven­zellen, die außer­halb eines Körpers über­leben und mitein­ander kommu­ni­zieren. Um ein solches Zell­mo­dell zu entwi­ckeln, werden soge­nannte Stamm­zellen benö­tigt. Sie können beispiels­weise aus Haut- oder Blut­zellen gewonnen werden, die im Labor in einen stamm­zell­ähn­li­chen Zustand zurück­pro­gram­miert werden. Diese Zellen sind Ausgangs­zellen, aus denen verschie­dene Zell­typen mit spezi­fi­schen Aufgaben gezüchtet werden können. Beispiels­weise können sich die Stamm­zellen in Herz­zellen entwi­ckeln, die wie im Herzen schlagen oder Nerven­zellen, die im Gehirn Signale weiter­leiten. 

Wenn Nerven­zellen zu spre­chen beginnen

Haben Forschende die Stamm­zellen dazu gebracht, sich in Nerven­zellen zu diffe­ren­zieren, bilden die Zellen ein Netz­werk und beginnen durch elek­tri­sche Signale mitein­ander zu kommu­ni­zieren, ähnlich wie die Nerven­zellen im Gehirn. Um diese Kommu­ni­ka­tion sichtbar zu machen, setzen Wissen­schaftler winzige Sensoren ein. Man kann sie sich wie empfind­liche Mikro­fone vorstellen, die den elek­tri­schen ​„Gesprä­chen“ der Nerven­zellen zuhören. So können Forschende beob­achten, wie sich Netz­werke bilden und Zellen auf Reize reagieren. 

Zwischen Modell und Wirk­lich­keit

Doch wie nah kommen solche Zell­mo­delle dem echten Gehirn? Die Antwort von Kraus­haar fällt über­ra­schend deut­lich aus: ​„Gar nicht.“ Zumin­dest nicht, wenn man das Gehirn als Ganzes betrachtet. Denn das mensch­liche Gehirn besteht aus unter­schied­li­chen Gehirn­re­gionen, rund 86 Milli­arden Nerven­zellen und etwa ebenso vielen anderen Zell­typen mit ganz unter­schied­li­chen Aufgaben. Von der Versor­gung der Nerven­zellen mit Nähr­stoffen, über das Bestärken oder Ausbremsen der Kommu­ni­ka­tion zwischen den Zellen bis hin zur Immun­ab­wehr. Das Gehirn ist also weit mehr als ein Netz­werk aus Zellen, das Infor­ma­tionen weiter­leitet. Es gleicht eher einer leben­digen Stadt, in der Milli­arden Prozesse gleich­zeitig ablaufen, sich gegen­seitig beein­flussen und durch Erfah­rungen und Umwelt­ein­flüsse fort­lau­fend verän­dern.

Ein Zell­mo­dell im Labor kann diese Komple­xität nicht voll­ständig nach­bilden. Statt ein voll­stän­diges Gehirn zu rekon­stru­ieren, versu­chen Forschende einzelne biolo­gi­sche Prozesse isoliert zu unter­su­chen – ähnlich wie ein Mecha­niker einen Motor ausein­an­der­baut, um zu verstehen, warum er nicht mehr funk­tio­niert.

Gerade darin liegt der Wert solcher Modelle. Während im mensch­li­chen Gehirn Milli­arden Nerven­zellen gleich­zeitig Signale austau­schen, können Forschende im Labor einzelne Prozesse gezielt beob­achten. Die Modelle verein­fa­chen die Realität. Doch genau deshalb machen sie Zusam­men­hänge sichtbar, die im komplexen Gesamt­system des Gehirns verborgen bleiben würden.

Als Student beob­ach­tete Kraus­haar, wie Signale aus einem Affen­ge­hirn einen Robo­terarm bewegten. Jahr­zehnte später versucht er noch immer, dieselbe Sprache zu entschlüs­seln – aller­dings nicht im Gehirn eines Affen, sondern in Zell­kul­turen im Labor.

Und tatsäch­lich kommu­ni­zieren die Nerven­zellen dort mitein­ander.

„Ja, auf jeden Fall. Die reden mitein­ander“, sagt Kraus­haar.

Die große Frage ist dabei jedoch unver­än­dert geblieben: Wie entsteht aus Milli­arden elek­tri­scher Signale das, was wir Denken nennen?

Die Antwort kennt bis heute niemand.