So funktioniert ein Babygehirn

Das Babygehirn verfügt nach neuesten Erkenntnissen bereits über ähnliche neurale Organisationsstrukturen wie das von Erwachsenen. Viele Eltern fragen sich, was wohl im Kopf ihres Babys so vor sich geht. Mit Hilfe der Magnetresonanztomografie können Wissenschaftler nun die Aktivitäten im Babygehirn abbilden. Mit dem funktionellen MRT können die Gehirnaktivitäten von Kindern und Erwachsenen untersucht werden, wobei die Patienten still liegen müssen, damit die Bilder gelingen. Für Babys ist das natürlich schwierig, meist gelangen nur Aufnahmen im Schlaf. Dennoch wollten die Wissenschaftler herausfinden, wie das Gehirn der Kinder arbeitet, daher wurden den Babys Videos vorgespielt.

Viele Parallelen von Babygehirn zu Gehirn Erwachsener

Bei ersten Aufnahmen konnten die Forscher nun feststellen, dass es viele Parallelen zum Gehirn Erwachsener gibt, z.B. bei der Verarbeitung visueller Informationen. Neben Gemeinsamkeiten gibt es auch Unterschiede. Durch die Studie kann man die Entwicklung und Anfänge des Gehirns und des Geistes besser verstehen. Die Untersuchung mit dem fMRT ermöglicht eine Untersuchung des Gehirns, ohne in einem Eingriff den Schädel öffnen zu müssen. Außerdem werden dabei Veränderungen im Blutfluss erkennbar. Kritiker merken an, dass durch die beeindruckenden Bilder lediglich indirekt die Gehirnaktivität gemessen werden kann. Gleichwohl liefert die Studie eine Art Karte des Gehirns, sie zeigt die einzelnen Bereiche und ihre Aktivitäten im Zusammenhang.

Andere Studien zeigen z.B., wie in welcher Region das Gehirn auf Bilder von Gesichtern reagiert. Andere Studien zeigen, die Aktivitäten, wenn Menschen über Gedanken anderer Menschen nachdenken. Das beeinflusst unsere Entscheidungen und unsere Wahrnehmung anderer Menschen. Somit hat die Studie auch einen philosophischen Aspekt. Bei Erwachsenen erfüllt das Gehirn komplexe, aber auch abstrakte Funktionen. Dazu gehören das Empfinden für Moral und unsere Fähigkeit, die Gedanken anderer zu erahnen.

Bei der Studie mit den Babys zeigte sich, dass die Kinder vor allem von Gesichtern in den Videos fasziniert waren. Erwachsene tun sich häufig schwer damit, Gesichter zu unterscheiden, wenn sie auf dem Kopf stehen. Bei Kindern macht das keinen Unterschied. Kinder ab etwa vier Monaten können langsam zwischen Gesichtern in normaler Position und Gesichtern auf dem Kopfstand unterscheiden.

Bereits im Alter von sechs Monaten ähneln die Ergebnisse denen der Erwachsenen

Bisher ist aber noch nicht klar, wie das Gehirn der Kinder unterscheiden kann. An der Studie nahmen anfangs fast 20 Babys teil. In den Videos wurden den Kindern Gesichter, Naturszenen, Menschen oder Spielzeuge gezeigt. Außerdem wurden die Bilder teilweise durcheinander gebracht vorgespielt. Der Fokus lag dabei auf Gesichtern und Orten, da im der Erwachsenen hier unterschiedliche Gehirnareale aktiviert werden. Bei Babys konnten ähnlich Muster entdeckt werden. Bei Kindern im Alter von vier bis sechs Monaten zeigten sich ähnliche Reaktionen in den betroffenen Regionen. Das lässt den Schluss zu, dass die Großhirnrinde erste funktionale Tendenzen entwickelt. Nicht klar ist, ob die Kinder mit dieser Fähigkeit zur Welt kommen, aber sie muss sich früh entwickeln. Ähnliche Reaktionen zeigten sich auch im frontalen Kortex, der für Emotionen, Selbstpräsentation und ähnliches verantwortlich ist. Auch hier zeigten die kindlichen Gehirne bereits Aktivitäten. Im Unterschied zu Gehirnen der Erwachsenen scheinen die Kinder-Gehirne flexibler zu arbeiten.

Klar ist, dass das Gehirn im Säuglingsalter enorm wächst. So nimmt die Großhirnrinde im ersten Lebensalter um 88 Prozent an Volumen zu. Auch die Nervenzellen entwickeln neue Verknüpfungen, die zum Teil während der Kindheit auch wieder verschwinden. Dementsprechend flexibel arbeitet das Gehirn. Bei einem Schlaganfall würde sich das Gehirn schnell und gut erholen. Bei Vernachlässigung können Kinder jedoch Folgen wie eine Lernschwäche entwickeln.

Die Erkenntnisse über die Entwicklung des Gehirns ermöglichen das Verständnis von fehlerhaften Prozessen bei Erkrankungen wie Autismus. Diese Menschen etwa können schwer Gesichter interpretieren. Entstehen solche Beeinträchtigungen bereits im Säuglingsalter? Oder sind sie Folge von fehlender Aufmerksamkeit gegenüber Gesichtern bzw. anderer Auslöser? Diese und ähnliche Fragen können Forscher durch die Erkenntnisse Schritt für Schritt erklären, auch wenn die Forschung hier noch ganz am Anfang steht.

So funktioniert ein Babygehirn

Bis heute sind noch längst nicht alle Geheimnisse des menschlichen Gehirns gelöst und die grauen Zellen stellen die Forscher immer wieder vor scheinbar unlösbare Rätsel. Aber bildgebende Untersuchungsverfahren wie die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) ermöglichen es Ärzten und Forschern einen Einblick in das Gehirn zu erhalten und Rückschlüsse auf die Aktivität bestimmter Hirnregionen in gewissen Situationen ziehen zu können. So soll beispielsweise festgestellt werden, welcher Teil der grauen Masse für Angst verantwortlich ist, indem Versuchspersonen eine Schlange mit in das Aufnahmegerät gelegt wird. Doch nun scheint es so, als sein viele Ergebnisse der fMRT-Untersuchungen fehlerhaft.

Das Verfahren

Die funktionelle Magnetresonanztomographie arbeitet, wie der Name bereits vermuten lässt, mit großen Magnetfeldern und liefert sozusagen ein Live-Video direkt aus dem Gehirn ohne den Schädel zu öffnen. Mithilfe der Magnetfelder wird die Sauerstoffsättigung in verschiedenen Hirnarealen sichtbar gemacht, was Rückschlüsse auf die Aktivität zulässt. Verbindet man diese Untersuchungen mit einem experimentellen Aufbau, in dem zum Beispiel eine bestimmte Emotion provoziert wird, erhält man eine Vorstellung davon, wo das Gehirn bei dieser Emotion aktiv wird.

Um ein dreidimensionales Bild eines fMRT zu erhalten, werden die einzelnen Bildpunkte unter Verwendung eines automatisierten Algorithmus zu sogenannten Clustern zusammen gefasst. So können ganze Regionen abgebildet werden. Doch diese Auswertung durch feststehende Algorithmen bietet bereits seit Längerem eine Kritikgrundlage unter Experten. Immerhin konnte mit einem fMRT-Bild fälschlicherweise Hirnaktivität bei einem toten Lachs nachgewiesen werden. Aber Fehler können nun einmal passieren.

Neue Studie und viele Fehler

Ein Team aus Forschern um Anders Eklund von der Universität Linköping und der University Warwick untersuchte nun die absatzstärksten Programme für die Auswertung von fMRT-Aufnahmen auf ihre Zuverlässigkeit. Ihre Ergebnisse könnten bestehende Forschungsergebnisse aus der Hirnforschung nachhaltig ändern, denn Eklund und seine Kollegen gehen davon aus, dass 70 Prozent der Auswertungen sowohl positiv als auch falsch seien. Das würde bedeuten, dass möglicherweise 40.000 Fachpublikationen auf fehlerhaften Auswertungen basieren und überarbeitet werden müssten.

Eklund und seine Kollegen überprüften knapp 500 Datensätze gesunder Menschen, die keiner besonderen Situation ausgesetzt wurden. Mehrere Millionen Prüfungen wurden durch zufällig gruppierte Stichproben der Datensätze überprüft und verglichen, bevor die Forscher zu dem Schluss kamen, dass etwa 70 Prozent der ursprünglich festgestellten Hirnaktivität eigentlich nicht zu messen sei. Eine solch hohe Fehlerquote begründe berechtigte Zweifel an der von Eklund überprüften Vorgehensweise. Schließlich wären fünf Prozent Fehler vertretbar, aber 70 sprengen doch den Rahmen, so die Forscher.

Was bedeutet das für die Zukunft?

Die Ergebnisse von Eklund und seinem Team bedeuten nicht, dass ein fMRT eine fehlerhafte Untersuchungsmethode darstellt, aber dass die Auswertung der gewonnenen Daten überdacht werden müsste. Obwohl die aufwendige Open-Data-Methode von Eklund zeit- und damit auch kostenintensiver ist als bisherige Auswertungsmethoden des fMRT, seien die Ergebnisse verlässlicher, so die Forscher selbst. Bestehende Auswertungsprogramme der fMRT-Aufnahmen müssten einzeln geprüft werden, um Fehler in Zukunft vermeiden zu können. Gegebenenfalls müssten darüber hinaus auch Ergebnisse der Hirnforschung, die auf fMRT-Aufnahmen beruhen, überprüft und richtig gestellt werden. Gerade technische Erneuerungen und der aktuelle Stand müssten den Ansatz von Eklund und seines Team für die breite Masse zugänglich machen.

So funktioniert ein Babygehirn

Anhand von sehr komplexen Programmen wollen Neuroforscher das Gehirn genauestens unter die Lupe nehmen. Dabei wollen sie heraus finden, wie Gedanken und Gefühle in unserem Kopf entstehen. Neue Methoden sind dafür von Nöten.

Eine lange Forschung

Schon seit über 100 Jahren suchen Forscher nach Antworten, sie möchten nämlich wissen wie unser Gehirn funktioniert. Was passiert mit den 1,3 kg wenn wir an etwas denken oder so etwas wie Gefühle verspüren? Forscher machten sich das Leben leichter, indem sie zuerst Nervensysteme von Organismen untersuchten, die etwas einfacher gestrickt sind. So wurde 1986 beispielsweise das Nervensystem des Fadenwurms untersucht und dessen 302 Nervenzellen wurden kartiert. Es ergab sich bei der Untersuchung keine Erklärung, in wie fern Fortpflanzung und Futteraufnahme zusammen hängen. Das Problem der Forscher war, dass sie das Verhalten des Wurmes keinen genauen Aktivitäten zuordnen konnten.

Deutlich schwieriger und komplizierter ist das Nervensystem des Menschen. Es tauchen immer wieder Studien und Hirnscans auf, die beweisen wollen, dass bestimmte Bereiche des Gehirns aufleuchten, wenn wir z.B. eine Fremdsprache sprechen oder wir uns zurückgewiesen fühlen. Durch diese Ergebnisse wird uns das Gefühl vermittelt, dass wir in das Innere des menschlichen Gehirns schauen können, damit liegen wir bislang allerdings komplett falsch.

Ergebnis und Deutung

Ein sehr prägnantes und aussagekräftiges Beispiel für die Missverständnisse bei der Deutung unseres Gehirns gibt es in Form einer Studie. Bei dieser Studie wurde das Gehirn der Probanden untersucht, wenn ihnen ein Bild von Jennifer Aniston gezeigt wurde. Bei der Studie wurden immer wieder die gleichen Gehirnzellen beim Anblick des Bildes aktiv. Es ist aber unklar, was das überhaupt bedeutet, schließlich handelt es sich bis dato nur um eine Feststellung ohne jegliche Erklärung. Die Forscher rätseln immer noch, warum das Neuron auf elektrische Art und Weise aktiv wird wenn wir das Bild von Jennifer Aniston sehen. Es ist wahrscheinlich und so vermuten es auch die Forscher, dass für solche Aktionen weitaus mehr Gehirnzellen beansprucht werden und diese mit Hilfe eines neuronalen Kodes, der uns noch unbekannt ist, kommunizieren.

So funktioniert ein Babygehirn

Zum ersten Mal kann ein Gelähmter mit seinen Gedanken einen Arm steuern. Egal ob Gitarre spielen oder Wasser in ein Glas schütten, Querschnittsgelähmten ist es jetzt ermöglicht worden, ihre Gedanken in Taten umzusetzen. Amerikanische Forscher haben nämlich herausgefunden, dass sie Menschen einen Chip einpflanzen können und dieser einem Menschen seine Beweglichkeit zurückgeben kann.

Auf vielfältige Weise kann ein Querschnittsgelähmter seine Hände wieder benutzen. Das ganze wird durch einen Chip im Gehirn ermöglicht, welcher Gedanken in Taten umsetzt. Über Hirnsignale kann der Mann eine Manschette steuern, die bestimmte Muskeln im Unterarm auf elektrische Art und Weise stimuliert.

2014 bekam der Querschnittsgelähmte Ire Ian Burkhart einen Chip eingesetzt. Dieser Chip sollte es ihm ermöglichen, sich wieder zu bewegen. Bei der Vorstellung einer körperlichen Aktivität sendet das Gehirn gewisse Signale und diese nimmt der implantierte Chip auf. Er erkennt Muster und kann Signale decodieren. In Echtzeit übersetzt dann ein Computerprogramm die Signale, sendet elektrische Impulse an den Unterarm und dieser führt die Befehle aus. Mit viel Training kann Burkhart mittlerweile schon eine Kreditkarte halten, aus einer Karaffe einschenken und sogar ein Videospiel spielen, bei dem man eine Gitarre halten muss.

Decodierung der Hirnsignale und Umwandlung in Bewegungen

Bislang ist ein breite Anwendung der Technik noch nicht möglich. Burkhart war der erste Proband. Im Sommer soll nun ein zweiter Studienteilnehmer folgen. Laut Chad Bouton kann er gemeinsam mit seinem Forscherteam nach zehn Jahren Hirnsignale von Querschnittsgelähmten deuten und verstehen.

Burkhart ist seit seinem Unfall vom Hals abwärts gelähmt. Die Hoffnung hat er deswegen allerdings nie aufgegeben. Mittlerweile weiß er auch aus erster Hand, dass es Fortschritte gibt und die Forschung auf einem guten Weg ist. Er hofft durch weitere Forschungsergebnisse bald wieder ein besseres Leben führen zu können. Ali Rezai arbeitet als Neurochirurg für die Ohio State University und ist zuversichtlich, dass in Zukunft eine Technologie entwickelt werden kann, die eine drahtlose Verbindung mit der Außenwelt ermöglicht.

Für Rüdiger Rupp, dem Leiter der Sektion Experimenteller Neurorehabilitation am Querschnittzentrum der Universitätsklinik Heidelberg ist nicht alles neu bei diesem Verfahren. Muskeln werden schon länger gezielt elektrostimuliert und Hirnaktivitäten auch schon länger ausgelesen. Neu ist allerdings, dass Patienten gezielt eine Elektrode platziert werden kann, wodurch eine bestimmte Körperpartie wieder zum Leben erwacht. Ein Teil der Nervenzellen im Gehirnbereich stirbt bei dem Eingriff ab, was bislang auch als größtes Risiko gilt.

Rupp hat zusammen mit seinem Team eine Neuroprothese entwickelt. Diese ist in der Lage die Hand über Schulterbewegungen zu steuern. Die Greifstärke und der Grad der Handöffnung kann dabei gezielt gesteuert werden. Der Gelähmte kann zudem auch noch zwischen verschiedenen Griffmustern auswählen.

Ein weiteres Ärzteteam um Susan Mackinnon konnte 2012 auch Fortschritte aufweisen. Ein Querschnittsgelähmter konnte nach einer Operation wieder leicht greifen. Bei der Operation haben Ärzte Nerven neu miteinander verbunden und dem Patienten somit ermöglicht, gewisse Körperteile wieder zu bewegen. Im Bereich der Lähmung gibt es also schon einige Fortschritte und durchaus auch Hoffnung für die Zukunft.

So funktioniert ein Babygehirn

In einer Studie konnten US-Wissenschaftler nachweisen, dass ein Zusammenhang zwischen Denk-Leistungen von Kindern und dem Einkommen der Eltern besteht. Zunächst haben Schüler mit Eltern, die gut verdienen, eine bessere Allgemeinbildung. Darüber hinaus beobachteten die Forscher auch strukturelle Unterschiede in den Kindergehirnen. Dafür untersuchten Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der Harvard University 12- bis 13-Jährige Schüler.

Vorangegangene Studien konnten nachweisen, dass Schüler mit besserverdienenden Eltern in der Regel bessere Noten in der Schule haben als ihre Klassenkameraden aus weniger reichen Elternhäusern. Als Ursache wurde bisher die mangelnde Förderung der Kinder mit Nachhilfe sowie generell schlechtere Lernbedingungen angesehen. Neu ist die Erkenntnis, dass Kinder von gut verdienenden Eltern über eine dickere Hirnrinde in einigen Hirnarealen verfügen, die für visuelle Wahrnehmung und den Wissensspeicher zuständig sind. Darüber hinaus gibt es eine Korrelation zwischen den Größenunterschieden des Gehirns und der schulischen Leistung der Kinder. Die Studie wollte zusätzlich herausfinden, warum es diese Unterschiede in den Gehirnen von Kindern gibt.

Soziale Schere als Grund für unterschiedliche Leistungen

Bisherige Studien zeigten bereits, dass viele Kinder von schlechter verdienenden Eltern schon früh unter Stress leiden, keinen guten Zugang zu Bildung haben und auch die Kommunikation mit diesen Kindern, besonders in der frühen Kindheit, schwach ist. Schon jeder dieser Aspekte konnte in früheren Studien die schlechteren schulischen Leistungen erklären. Besonders in den letzten Jahren wurde die Kluft zwischen Kindern aus sozial besser und schlechter gestellten Familien immer größer. Das fällt auf, weil andererseits Unterschiede zwischen verschiedenen Ethnien immer kleiner werden. Dieser Spalt sei ein Problem, dass es überall gäbe und schon lange bestehen würde, sagt der Pädagoge Martin West. Es würde nicht nur die amerikanische Bildung, sondern Schulen auf der ganzen Welt prägen und beeinflussen. Deshalb bräuchte man solche Studien, um diese Kluft zu bekämpfen.

Studie konnte anatomische Unterschiede feststellen

Für die Studie wurden insgesamt 58 Schüler im Alter von 12 bis 13 Jahren untersucht. Darunter waren 23 Kinder von Familien mit geringem Einkommen – das heißt, sie hatten Anrecht auf ein vergünstigtes oder kostenloses Mittagessen in der Schule. Die anderen 35 Schüler hatten Eltern mit gutem Gesamteinkommen. Anschließend wurden die Schulleistungen der Kinder mit den Ergebnissen der Cortex-Untersuchung, die mit Hilfe eines Magnetic Resonance Imaging (MRI) durchgeführt wurde, in Beziehung gesetzt. Der Cortex befähigt zum umfassenden Denken, Sprechen, Wahrnehmen und Motorik. Besonders an Stellen, deren Aufgabe die visuelle Wahrnehmung und das Speichern von Wissen ist, gab es unterschiedlich dicke Hirnrinden. Diese anatomischen Unterschiede passten dann auf der einen Seiten zu den Testergebnissen, auf der anderen Seite auch zum unterschiedlichen Einkommen der Eltern.

Die Forscher schließen daraus, dass die unterschiedlichen Größen der Hirnrinden bis zu 44 Prozent durch die verschiedenen Einkommen erklärt werden können. Auch andere Studien hatten auf Unterschiede in der Struktur von Kindergehirnen hingewiesen und die Ursache dafür im unterschiedlichen Einkommen der Eltern gesehen. In dieser neuen Untersuchung konnte aber zum ersten Mal auch die schulische Leistung in diese Erkenntnis integriert werden. Andere Stellen der Gehirne waren nicht von Unterschieden betroffen. Zudem sehen die Forscher die anatomischen Besonderheiten als temporär: Bisherige Untersuchungen gehen davon aus, dass Gehirne stark verformbar sind. Das heißt konkret, dass Förderung und Nachhilfe nach wie vor nützlich und wichtig sind.