Arthur war gerade einen Monat alt, als er zum ersten Mal einen Kernspintomografen von innen sah. Seine Mutter, Rebecca Saxe, begleitete ihn in die Röhre. Bei ihm liegend, mit ihrem Gesicht dicht neben seinem, versuchte sie den Säugling zu beruhigen, während der drei Tesla starke Magnet alles um sie herum zum Dröhnen brachte. Doch der Kleine zeigte sich völlig unbeeindruckt und schlief ein.

Alle Eltern fragen sich, was im Kopf ihres Babys vorgeht. Aber Saxe verfügte als Kognitionswissenschaftlerin am Massachusetts Institute of Technology über Mittel und Wege, dies tatsächlich herauszufinden. Schon vor ihrer Schwangerschaft hatte sie mit Kollegen seit Jahren an einer Methode gearbeitet, um die Gehirnaktivität von Säuglingen abzubilden. Und mit Arthurs Geburtstermin im September 2013 war die Zeit für den Praxistest gekommen.

In den vergangenen Jahrzehnten haben Wissenschaftler wie Saxe die funktionelle Magnetresonanztomografie (fMRT) als wirkungsvolles Mittel etabliert, um die Gehirnaktivität von Erwachsenen und Kindern zu erforschen. Allerdings muss der Proband bei dieser Methode wie zur Anfangszeit der Fotografie lange stillhalten, damit das Bild nicht verwischt. Kein Problem für Erwachsene, doch Babys sind im wachen Zustand nahezu ständig in Bewegung – da hilft auch keine Überzeugungsarbeit. Deshalb beschränkten sich die wenigen fMRT-Studien mit Babys meist darauf, den Kleinen Geräusche vorzuspielen, während sie schliefen.

Familienurlaub im Kernspintomografen

Saxe wollte jedoch herausfinden, wie Säuglinge die Welt erleben, wenn sie wach sind. Ihr Sohn sollte sich im Tomografen Videoclips ansehen, genau wie erwachsene Probanden auch. Dadurch hoffte sie, die Antwort auf eine große Frage zu finden: Arbeitet das Gehirn eines Babys wie die Miniversion eines erwachsenen Gehirns? "Ich wollte verstehen, wie sich Gehirne entwickeln. Und ich hatte ein Baby, bei dem dies gerade passierte", sagt sie. "Die beiden Dinge, die in meinem Leben am wichtigsten sind, kamen in der Röhre des Kernspintomografen zusammen."

Während ihrer Elternzeit verbrachten Saxe und Arthur viel Zeit in der Maschine. "Manchmal hatte er keine Lust, ist eingeschlafen, war quengelig oder hat in die Windel gemacht", erzählt sie. "Gute Aufnahmen sind bei Babys ein seltener Glücksfall." Zwischen den Sitzungen brüteten Saxe und ihre Kollegen über den Ergebnissen, feilten am Versuchsaufbau und suchten nach einem Muster in Arthurs Hirnaktivität. Zum Zeitpunkt der ersten verwertbaren Resultate war der Kleine vier Monate alt. "Ich war völlig aus dem Häuschen", gibt Saxe zu.

In der Veröffentlichung, die kürzlich in "Nature Communications" erschienen ist, stecken über zwei Jahre Arbeit sowie unzählige Hirnscans von Arthur und acht weiteren Babys. Darin beschreiben die Wissenschaftler überraschende Parallelen hinsichtlich der Art und Weise, wie das Gehirn von Säuglingen und erwachsenen Menschen visuelle Informationen verarbeitet – aber auch faszinierende Unterschiede. Die Studie ist für Saxe ein erster Schritt, die Anfänge des Geistes besser zu verstehen.

Wenn Wissenschaftler die Gehirnaktivität erforschen wollen, ohne den Schädel zu öffnen, ist fMRT eine wirkungsvolle Methode. Sie erfasst Veränderungen im Blutfluss, die auftreten, wenn Hirnregionen aktiviert werden, und bildet sie als Signale ab. Kritiker bemängeln, dass die Gehirnaktivität nur indirekt gemessen wird und dass die beeindruckenden Bilder lediglich durch Berechnungen zu Stande kommen, die im Hintergrund ablaufen.

Trotzdem hat die fMRT der Hirnforschung völlig neue Möglichkeiten eröffnet, indem sie "eine bewegte Karte des menschlichen Gehirns" liefert, wie Saxe sagt. Dank dieser Technik wissen wir heute, dass verschiedene Bereiche des Gehirns aufeinander abgestimmt aktiv werden, je nachdem, was ein Mensch tut, wahrnimmt oder denkt.

Organisiert von Anfang an?

Das gilt auch für die Hirnrinde. Nancy Kanwisher, Neurowissenschaftlerin am MIT und Saxes frühere Mentorin, entdeckte beispielsweise die "fusiform face area" (FFA) im rechten Schläfenlappen. Diese Region reagiert besonders stark auf Bilder von Gesichtern. Außerdem war Kanwishers Arbeitsgruppe bei der Erforschung der "parahippocampal place area" im Temporallappen federführend, die Bilder von Orten verarbeitet. Saxe selbst beschrieb in ihrer Doktorarbeit in Kanwishers Labor ein Hirnareal, das dann aktiv wird, wenn man über die Gedanken anderer Menschen nachdenkt. Und inzwischen konnten weitere Forschergruppen Regionen identifizieren, die damit zu tun haben, wie wir andere Menschen wahrnehmen oder Entscheidungen treffen.

Saxes Begeisterung ist spürbar, vor allem wenn es um die tiefen philosophischen Fragen rund um unser Gehirn geht. Als Nächstes will sie herausfinden, wie die neurale Organisation zu Stande kommt. "Bei Erwachsenen erfüllt das Gehirn teilweise sehr abstrakte Funktionen – Moralempfinden und die 'Theory of Mind', also die Fähigkeit, Gedanken anderer zu erahnen und daraus auf ihre Absichten zu schließen. Da stellt sich die Frage: Wie kommt es dazu?", sagt sie.

Der Umriss eines Babykopfes mit Zahnrädern darin
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(Ausschnitt)
 Bild vergrößernDas Babygehirn entschlüsseln …
… zu wollen, hat sich in der Vergangenheit als schwierig erwiesen. Mit unkonventionellen Methoden gelingen nun erste Erfolge.

Hat unser Gehirn im Lauf der Evolution Bereiche entwickelt, die auf überlebenswichtige Fähigkeiten spezialisiert sind? "Oder", fragt Saxe, "kommen wir mit einer unglaublich flexiblen Denkmaschine zur Welt, deren Organisation sich an die Umwelt anpasst, in die sie hineingeboren wurde?" Enthält das Gehirn von Anfang an eine Blaupause, in der ein bestimmter Bereich für die Erkennung von Gesichtern vorgesehen ist? Oder entwickelt sich dieses Hirnareal erst innerhalb von Monaten oder Jahren unseres Lebens, in denen wir von Gesichtern umgeben sind? "Die Organisationsstruktur des Gehirns könnte bei den meisten Menschen so ähnlich sein, weil sich auch unsere Umwelt ähnelt", erklärt Saxe. Oder weil sie von Geburt an festgelegt ist.

Riley LeBlanc spuckt ihren Schnuller aus und beginnt zu weinen. Lori Fauci zieht einen weiteren Schnuller aus der Tasche und bietet ihn ihrer fünf Monate alten Tochter an, während Saxes Laborleiterin Heather Kosakowski neben dem Kernspintomografen wartet.

Eine Region für Gesichter

Alles in diesem Raum in den Katakomben des Gebäudes für Kognitionswissenschaften am MIT ist darauf ausgelegt, das kleine Mädchen zu beruhigen. Das Licht ist gedämpft, aus dem Lautsprecher dudeln Popsongs, gespielt auf einem Spielzeugklavier. Gerade läuft "Sweet Child o' Mine" von Guns N' Roses. Und auf der Liege des gewaltigen Kernspintomografen wartet eine spezielle MRT-Spule auf die kleine Probandin – eine Babywippe mit einem kleinen Helm, der während des Scans als Antenne für die Radiowellen fungiert. Außerdem ist das Gerät so eingestellt, dass es besonders leise läuft, um das feine Gehör des Säuglings zu schonen.

Es dauert eine Weile, bis Riley zur Ruhe kommt. Ihre Mutter legt sich bäuchlings zu ihr, mit dem Gesicht ganz in der Nähe ihrer Tochter. Dann schiebt Kosakowski die beiden in den Tomografen und geht ins Nebenzimmer, das durch ein Fenster mit dem MRT-Raum verbunden ist. Ihre Kollegin Lyneé Herrera bleibt bei Mutter und Tochter und zeigt per Handzeichen, wenn Riley in den Spiegel über ihrem Kopf blickt, auf dem Filme von einem Projektor im hinteren Teil der Maschine laufen.

Das große Ziel der Wissenschaftler besteht darin, zehn Minuten verwertbare Daten von jedem Baby zu sammeln, während es ruhig den Videos zusieht. Dafür müssen sie allerdings meist Material aus mehreren zweistündigen Sitzungen zusammenstückeln. "Je häufiger ein Baby bei uns ist, desto wahrscheinlicher kommen wir auf die vollen zehn Minuten", erklärt Kosakowski. Riley liegt heute zum achten Mal in der Röhre.

Als Herrera signalisiert, dass die Kleine wach ist, schaltet Kosakowski den Scanner ein und spielt eine Reihe von Videoclips ab. Nach einiger Zeit bedeutet Herrera ihrer Kollegin, dass Riley ihre Augen wieder geschlossen hat. "Manchmal glaube ich, dass Babys hier besonders gut schlafen", so Kosakowski schmunzelnd.

Zehn Minuten!

Wer Säuglinge erforschen will, muss kreativ sein. "Das ist eine interessante Herausforderung", sagt Charles Nelson. Der Neurowissenschaftler beschäftigt sich an der Harvard Medical School und dem Boston Children's Hospital mit der kindlichen Entwicklung. "Man hat es mit nonverbalen, rhetorisch und aufmerksamkeitstechnisch limitierten Organismen zu tun, deren Gehirnprozesse man nachvollziehen will." Bei Babys, nichtmenschlichen Primaten und Kindern, die auf Grund einer Behinderung nicht sprechen können, kommen ähnliche Techniken zum Einsatz. "Wir kennen ein paar Tricks, um Einblicke in den Kopf eines Affen, Babys oder behinderten Kindes zu erhaschen", erzählt Nelson.

Der einfachste besteht darin, ihr Verhalten und ihre Blickrichtung zu beobachten, entweder unmittelbar oder mit technischen Hilfsmitteln. Außerdem kann man mit einem Elektroenzephalogramm (EEG) die Gehirnaktivität messen, indem man dem kleinen Probanden einfach eine Kappe mit Elektroden aufsetzt. Und bei einer neueren Technik namens Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) wird der weiche Schädel eines Säuglings mit Licht bestrahlt, um Veränderungen im Blutfluss festzustellen.

Die beiden letzten Methoden geben wieder, wie sich die Gehirnaktivität von einem Moment zum nächsten verändert. Aber die NIRS dringt nur bis in die äußeren Hirnregionen vor, und ein EEG verrät nichts darüber, welche Bereiche genau aktiv sind. "Um die räumliche Organisation zu untersuchen und in tiefere Regionen vorzudringen, ist fMRT das Mittel der Wahl", sagt Ben Deen, Erstautor der Studie in "Nature Communications" und Forscher an der Rockefeller University.

Wissenschaftler hatten zuvor bereits Hinweise darauf gefunden, dass Babys auf verschiedene visuelle Reize unterschiedlich reagieren. "Gesichter sind ein zentraler Aspekt unserer Umwelt", erklärt Michelle de Haan, Neurowissenschaftlerin am University College London. In den ersten Lebenswochen sind die Augen eines Säuglings auf Objekte fokussiert, die sich im selben Abstand befinden wie das Gesicht der stillenden Mutter. Deshalb nehmen einige Forscher an, dass es im Gehirn einen angeborenen Mechanismus gibt, der die Aufmerksamkeit von Babys auf Gesichter lenkt.

Face Time

Tatsächlich sind junge Säuglinge von Gesichtern besonders lange gefesselt. Mit der Zeit und wachsender Erfahrung wird diese Reaktion jedoch immer spezialisierter. Erwachsene tun sich beispielsweise schwerer damit, zwei Gesichter zu unterscheiden, die auf dem Kopf stehen. Für Kinder unter vier Monaten macht es dagegen keinen Unterschied, ob sie die Gesichter verkehrt herum sehen. Erst jenseits dieser Altersgrenze beginnen sie, Gesichter in gewohnter Orientierung zu bevorzugen. Und im Alter von sechs Monaten ähneln die EEG-Resultate von Kindern, die Gesichter sehen, bereits denen von Erwachsenen.

Doch obwohl diese Ergebnisse darauf hindeuten, dass die Gehirne von Babys auf bestimmte Dinge wie Gesichter spezialisiert sind, wissen wir bisher wenig darüber, woher genau diese Signale kommen, so Deen.

Für ihre aktuelle Veröffentlichung haben Saxe und ihre Kollegen die Daten von 9 der 17 Babys ausgewertet, die bereits in ihrem Tomografen gelegen haben. Inzwischen nehmen auch immer mehr Familien von außerhalb des Instituts an der Studie teil. Aber am Anfang war es sehr hilfreich, dass die Wissenschaftler auf eine ganze Reihe eigener "Laborbabys" zurückgreifen konnten, darunter Arthur, Saxes zweiten Sohn Percy, den Sohn ihrer Schwester und den Sohn eines wissenschaftlichen Mitarbeiters. Sie spielen ihren kleinen Probanden Filme von Gesichtern, Naturszenen, Menschen und Spielzeugen vor, außerdem Szenen, in denen Teile der Bilder durcheinandergebracht waren. Die Forscher konzentrierten sich vor allem auf Gesichter und Orte, weil diese beiden Kategorien bei Erwachsenen sehr unterschiedliche Hirnregionen aktivieren.

Zu ihrer großen Überraschung entdeckten sie bei Babys ein ähnliches Muster. "Sämtliche Hirnregionen, die bei Erwachsenen bevorzugt auf Gesichter oder Orte anspringen, zeigen bei vier bis sechs Monate alten Säuglingen dieselbe Präferenz", sagt Saxe. Das weise darauf hin, dass die Großhirnrinde in ihrer Funktion bereits eine Tendenz ausbilde, anstatt völlig undifferenziert zu sein.

Der große Unterschied?

Kommen Babys also bereits mit dieser Fähigkeit zur Welt? "Das können wir nicht mit Bestimmtheit sagen", erklärt Dean, "aber sie entwickelt sich sehr früh." Laut Saxe beschränken sich die Antworten nicht bloß auf die Sehrinde, jene Struktur im Gehirn, in der visuelle Reize verarbeitet werden. Die Forscher haben auch Signale im frontalen Kortex ausgemacht, der mit Emotionen, Werten und mit Selbstrepräsentation in Verbindung gebracht wird. "Dass bei Babys der frontale Kortex aktiv wird, ist wirklich spannend", sagt sie. "Bisher hat man angenommen, diese Region hätte sich als letzte voll entwickelt."

Doch obwohl Saxes Team zeigen konnten, dass bei Säuglingen und Erwachsenen ähnliche Hirnregionen anspringen, haben die Forscher keine Belege dafür gefunden, dass bei Babys bestimmte Hirnbereiche auf Dinge wie Gesichter oder Orte spezialisiert sind. Nelson, der nicht selbst an der Studie beteiligt war, nimmt daher an, dass die Gehirne von Säuglingen flexibler arbeiten. "Das weist auf einen grundsätzlichen Unterschied zwischen dem Gehirn von Säuglingen und dem von Erwachsenen hin", so Nelson.

Dass die Gehirne von Babys und Erwachsenen überhaupt ähnlich funktionieren, ist überraschend, wenn man bedenkt, wie unterschiedlich sie aussehen. Auf einem Computerbildschirm außerhalb des MRT-Raums am MIT erscheinen anatomische Aufnahmen von Rileys Gehirn, die gemacht wurden, als sie schlief. Während auf den Scans von erwachsenen Gehirnen unterschiedliche Strukturen erkennbar sind, wirkt Rileys Gehirn merkwürdig dunkel.

Halb fertig und zu allem bereit

"Sieht aus wie eine schlechte Aufnahme, oder?", fragt Kosakowski. Sie erklärt, dass bei Babys in diesem Alter das Myelin, also die "weiße Substanz" des Gehirns, die als Isolierung für die Nervenfasern fungiert, noch nicht voll ausgebildet ist. Und das Corpus callosum, das die beiden Hälften des Großhirns miteinander verbindet, ist nur schwer auszumachen.

Im Säuglingsalter wächst das Gehirn noch. Die Großhirnrinde legt im ersten Lebensjahr um 88 Prozent an Volumen zu. Gleichzeitig bauen ihre Nervenzellen neue Verknüpfungen zueinander auf, von denen viele im Lauf von Kindheit und Pubertät wieder verschwinden. In dieser Phase ist das Gehirn extrem flexibel. Wenn ein Baby einen Schlaganfall erleidet, durch den eine komplette Gehirnhälfte entfernt werden muss, erholt es sich meist bemerkenswert gut. Doch die Flexibilität hat auch Grenzen. Säuglinge, die unter Vernachlässigung oder Misshandlungen leiden, können eine lebenslange Lernschwäche davontragen.

Durch Erkenntnisse darüber, wie sich das Gehirn gesunder Menschen entwickelt, können Wissenschaftler auch leichter nachvollziehen, warum dieser Prozess manchmal schiefläuft. Viele Kinder und Erwachsene mit Autismus haben beispielsweise Schwierigkeiten damit, Gesichter zu interpretieren. Aber sind diese Probleme bereits in den frühesten Phasen der Gehirnentwicklung vorprogrammiert? Oder entstehen sie durch Erfahrungen im Kindesalter, wie mangelnde Aufmerksamkeit gegenüber Gesichtern oder sonstige soziale Auslöser?

Forscher beginnen erst zu begreifen, wie das Gehirn von Säuglingen organisiert ist. Sie werden noch viele Stunden Datenmaterial von weiteren kleinen Probanden sammeln müssen, um das Puzzle zu vervollständigen. Doch Saxe und ihre Kollegen haben bewiesen, dass solche Studien möglich sind – und damit neue Forschungsfelder eröffnet. "Man kann gute fMRT-Ergebnisse mit wachen Babys erzielen. Man braucht bloß Geduld", sagt Saxe. "Jetzt müssen wir nur noch herausfinden, was sie uns alles verraten."

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Von "Spektrum der Wissenschaft" übersetzte und redigierte Fassung des Artikels "Infant Brains Reveal How the Mind Gets Built" aus "Quanta Magazine", einem inhaltlich unabhängigen Magazin der Simons Foundation, die sich die Verbreitung von Forschungsergebnissen aus Mathematik und den Naturwissenschaften zum Ziel gesetzt hat.