Warum fühlen wir bei der Lektüre einer dramatischen Geschichte mit dem Helden, erleben Freude, Grauen oder Leid? Aufgenommen haben wir eine Abfolge von gedruckten Lettern (eigentlich bloß ein Schwarz-Weiß-Muster), und unser Gehirn hat sie in geistige Erlebnisse und starke Emotionen umgesetzt. Mit dieser simplen Input-Output-Beschreibung ist aber nichts über die spezifischen neuralen Prozesse gesagt, die für solche geistig-psychischen Aktivitäten verantwortlich sind.

Philosophen haben sich schon seit Jahrhunderten über die Beziehung zwischen Geist und Gehirn, Seele und Leib Gedanken gemacht; Naturwissenschaftler sind erst seit wenigen Jahren imstande, die Verbindung analytisch zu erforschen – gewissermaßen in die black box des Gehirns hineinzusehen. Dazu verholfen haben ihnen neuere Entwicklungen von Schnittbild-Verfahren, in erster Linie die der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und der Kernspin-Tomographie, auch NMR-Tomographie (nach englisch: nuclear magnetic resonance) genannt.

In Verbindung mit leistungsfähigen Computern können diese Verfahren in Echtzeit einige der mit Denkprozessen einhergehenden physiologischen Prozesse abbilden. Sie zeigen, wie spezifische Regionen des Gehirns bei solchen geistigen Tätigkeiten wie dem Lesen sozusagen anspringen, ihre Aufgaben organisieren und sich koordinieren. Die Kartierung von Bereichen, die in höhere Hirnprozesse involviert sind, kann auch vor Hirnoperationen von Nutzen sein; zudem lassen sich damit organisch-funktionelle Abweichungen bei verheerenden Geisteskrankheiten wie schwerer Depression oder Schizophrenie sichtbar machen.

Bei der Lokalisation von Hirnfunktionen geht man heute – das sei nachdrücklich betont – von ganz anderen Grundannahmen aus als die Vertreter der Phrenologie (Schädellehre), die trotz aller Irrtümer als Pioniere auf diesem Gebiet gelten können. Der Anatom und Arzt Franz Joseph Gall (1758 bis 1828) und seine Anhänger behaupteten, daß spezifische Denkvorgänge und Emotionen ausschließlich in einzelnen Hirnarealen repräsentiert seien und daß sich schon aus der Form des Schädels – weil sich darin die des darunterliegenden Gehirns widerspiegele – auf bestimmte geistig-seelische Veranlagungen schließen ließe. Nach heutiger Anschauung führen vielmehr Netzwerke von Neuronen, die auf strikt lokalisierte Hirnareale verteilt sind, kognitive Prozesse aus. Ähnlich wie jeweils verschiedene Mitglieder eines Orchesters bei den Passagen einer Symphonie präzise zusammenspielen, arbeitet eine Gruppe von Hirnarealen, deren jedes eine einzelne elementare Aufga- be ausführt, bei einem beobachtbaren menschlichen Verhalten zusammen.

Solche Analysen sind überhaupt möglich weil sich komplexe Verhaltensleistungen in mehrere einzelne, ihnen zugrundeliegende mentale Operationen zerlegen lassen. Um beispielsweise zu lesen, muß das Gehirn zunächst erkennen, daß es sich bei einer Abfolge von Buchstaben um ein Wort handelt, dann muß es die Bedeutung der Wörter, Phrasen oder Sätze begreifen und schließlich mentale Repräsentationen erzeugen.

Die wissenschaftliche Herausforderung besteht demnach darin, jene Teile des Gehirns auszumachen, die bei bestimmten Aufgaben besonders tätig werden. In der Vergangenheit war man in den kognitiven Neurowissenschaften auf Tierexperimente und die Untersuchung von Patienten mit umschriebenen Hirnverletzungen angewiesen, um einen Einblick in die Hirnfunktionen zu bekommen. Mit modernen bildgebenden Verfahren lassen sich hingegen Anatomie und Funktion des gesunden wie des kranken menschlichen Gehirns gefahrlos sichtbar machen.


Tomographie mit Röntgenstrahlen

Das Zeitalter moderner bildgebender Verfahren für die Medizin begann in den frühen siebziger Jahren mit der Einführung der Röntgen-Computertomographie, kurz CT oder – zur Unterscheidung von anderen, neueren computertomographischen Techniken – Röntgen-CT genannt. Ihr Prinzip haben der südafrikanische Mediziner Allan M. Cormack und der britische Ingenieur Sir Godfrey Hounsfield unabhängig voneinander entwickelt. Hounsfield konstruierte 1972 auch das erste praktisch brauchbare Gerät in England. Beide Forscher erhielten 1979 den Nobelpreis für Medizin.

Bei der Computertomographie macht man sich zunutze, daß verschiedene Gewebearten unterschiedlich stark Röntgenstrahlen abschwächen – je dichter das Gewebe ist, desto mehr. Wenn stark gebündelte Röntgenstrahlen den Körper durchdringen, treten sie also mehr oder minder abgeschwächt wieder aus, abhängig davon, welche Gewebearten und Organe sie passiert haben. Wird der Körper jedoch nach und nach aus vielen Richtungen einer Ebene durchleuchtet, kommen genügend Informationen zusammen, um ein Abbild dieser Schichtebene zu rekonstruieren .

Wesentlich für die Entwicklung der Röntgen-CT war das Aufkommen raffinierter mathematischer Theorien und Rechenverfahren zur Verarbeitung der immensen Mengen digitalisierter Daten, aus denen schließlich die Abbildungen – die Tomogramme (wörtlich: Schnittdarstellungen) – erzeugt werden müssen. Ohne leistungsfähige Computer wäre dies nicht möglich gewesen.

Das Verfahren verbesserte und bereicherte zum einen entscheidend die diagnostische Praxis. Erstmals konnten Forscher wie Mediziner sicher, effektiv und ohne Unannehmlichkeiten für die Patienten menschliches Gewebe wie das Gehirn betrachten, wohingegen Standard-Röntgenaufnahmen in erster Linie Knochen und nur wenig von den umgebenden Weichteilen erkennen lassen. Zum anderen regte der Erfolg Wissenschaftler und Ingenieure sofort dazu an, auf andere Weise, aber mittels ähnlicher Strategien der Bildrekonstruktion das Körperinnere darzustellen.

Die neuen computertomographischen Möglichkeiten elektrisierten insbesondere eine Gruppe von Experten für Gewebe-Autoradiographie. Die Methode war schon seit vielen Jahren in Tierversuchen zur Erforschung des Stoffwechsels und der Durchblutung von Organen angewandt worden. Dazu wird in eine Vene eine radioaktiv markierte Substanz injiziert und gewartet, bis diese sich in dem interessierenden Organ, etwa im Gehirn, angereichert hat. Nach Tötung des Tieres entnimmt man das Organ, zerschneidet es der Reihe nach in dünne Scheiben und legt diese getrennt auf einen Röntgen-Film, der für Radioaktivität empfindlich ist. Je nach Verteilung der markierten Verbindung ist er nach der Entwicklung mehr oder weniger geschwärzt.

Aus den Radiogrammen aller Scheiben ergibt sich die räumliche Verteilung der Radioaktivität innerhalb des Organs, und die wiederum erlaubt Rückschlüsse auf spezifische Funktionen, sofern man eine entsprechende aufschlußgebende Substanz injiziert hat. Mit einer radioaktiv markierten Form von Glucose (Traubenzucker) läßt sich zum Beispiel die Stoffwechselaktivität im Gehirn erfassen, weil der Zucker die wichtigste Energiequelle der Neuronen ist; diese inzwischen weit verbreitete autoradiographische Methode hat Louis Sokoloff vom amerikanischen Nationalen Institut für geistige Gesundheit in Bethesda (Maryland) übrigens erst 1977 eingeführt. Die mit der Gewebe-Autoradiographie vertrauten Forscher erkannten sogleich, daß sich nach dem Prinzip der Computertomographie die Anatomie eines Organs ebenso aus der Verteilung eines zuvor verabreichten radioaktiven Isotops rekonstruieren ließen; man brauchte dazu nur statt der durchfallenden Röntgenstrahlen schichtweise die Strahlenemission des betreffenden Körperschnitts selbst zu messen. Damit war das Prinzip der Autoradiographie lebender Menschen entwickelt.


Positronen-Emissionstomographie

Für die praktische Umsetzung wesentlich war die Wahl der Radioisotope. Die Fachleute entschieden sich für Positronenstrahler; solche Isotope emittieren beim Zerfall positiv geladene Antiteilchen des Elektrons. Ein Positron rekombiniert fast augenblicklich mit einem negativ geladenen Elektron seiner Nachbarschaft. Beide Teilchen zerstrahlen dabei zu zwei Gammaquanten, die in fast genau entgegengesetzter Richtung davonfliegen. Man registriert diese mit einem Ring gekoppelter Detektoren, in dessen Zentrum sich die zu untersuchende Person befindet.

Ein Signal wird nur gewertet, wenn zwei Detektoren gleichzeitig ansprechen, deren gedachte Verbindungslinie durch den zu messenden Körperteil führt. Aus ihrer Position ist der Ursprung der beiden Gammaquanten zu orten. Positronenstrahler ermöglichen eine einfachere und zuverlässigere Lokalisierung als jene Isotope, die beim Zerfall direkt Gammaquanten abstrahlen. Wegen ihrer entscheidenden Rolle erhielt das Verfahren die Bezeichnung Positronen-Emissions-Tomographie (Spektrum der Wissenschaft, Dezember 1980, Seite 121).

In den späten siebziger und den frü-hen achtziger Jahren haben Forscher die PET rasch weiter ausgebaut, um im Gehirn verschiedene Aktivitäten wie Glucose-Stoffwechsel, Durchblutung, Sauerstoffverbrauch und Wechselwirkung mit Medikamenten zu messen. Die lokale Durchblutung erwies sich dabei als verläßlichster Indikator für den momentanen Funktionszustand einer Hirnregion.

Die Vorstellung, zwischen beidem bestehe ein enger Zusammenhang, ist überraschend alt. Unterbreitet hatten sie die britischen Neurophysiologen Charles S. Roy und Charles Scott Sherrington bereits 1890. (Sherrington erhielt 1932 den Nobelpreis für seine Studien am Säugergehirn; von ihm stammen übrigens die Begriffe Neuron und Synapse.) Die beiden Wissenschaftler vermuteten, daß ein "automatischer Mechanismus" die Blutzufuhr zum Gehirn reguliere, wobei die Blutmenge von lokalen Veränderungen in der Aktivität abhinge. Obwohl nachfolgende Experimente die Existenz eines solchen Steuerungssystems immer wieder bestätigten, kennt bis heute niemand seine genaue Art und Funktionsweise.

Für die Blutflußmessungen am gesunden menschlichen Gehirn wurde eine autoradiographische Technik modifiziert, die Seymour S. Kety mit seinen Mitarbeitern am Institut für geistige Gesundheit in Bethesda in den späten vierziger Jahren für Tierexperimente entwickelt hatte. Man verwendet radioaktiv markiertes Wasser, im Falle der PET eine Verbindung aus Wasserstoff und dem Sauerstoff-Isotop 15 (Wasserstoff-Isotope eignen sich nicht als radioaktive Markierung für die PET, weil sie keine Positronen emittieren). Dieses Wasser wird in eine Armvene injiziert; in wenig mehr als einer Minute reichert es sich im Gehirn an und liefert ein Bild der Durchblutung (Bild 2 links).

Schäden sind durch Sauerstoff-15 nicht zu befürchten; bei einer Halbwertszeit von nur zwei Minuten zerfällt die gesamte, ohnehin in geringer Menge verabreichte aktive Substanz fast vollständig in etwa zehn Minuten in eine nicht radioaktive Form (weil das Isotop so kurzlebig ist, muß es kurz vor der Untersuchung in einem Teilchenbeschleuniger hergestellt und sofort zur Markierung verwendet werden). Die Versuchspersonen oder Patienten sind also der potentiell schädlichen Strahlenwirkung nur sehr kurz ausgesetzt.

Wegen des raschen Zerfalls und wegen der geringen zu verabreichenden Aktivität kann man mehrmals hintereinander solche Durchblutungsmessungen vornehmen. So lassen sich mehrere PET-Bilder des arbeitenden Gehirns gewinnen, jedes ein Schnappschuß der momentanen Hirnaktivität. Die gängigen PET-Systeme vermögen Aktivitätsunterschiede mit einer Genauigkeit von wenigen Millimetern zu lokalisieren.


Kartierung durch Subtraktion

Zur Funktionskartierung mittels PET ist in den letzten zehn Jahren eine besondere Strategie entwickelt worden. Dabei knüpfte man an eine Methode an, die der niederländische Augenarzt und Physiologe Frans Cornelius Donders (1818 bis 1889) 1868 für wahrnehmungspsychologische Experimente zum Messen kognitiver Prozesse empfohlen und erprobt hatte. Er zog die Zeit, die man benötigt, um auf ein Lichtsignal zu reagieren (etwa durch Drücken einer Taste), von der ab, die man braucht, um auf eine bestimmte Farbe des Lichts zu reagieren. Den Versuchen zufolge wurden etwa 50 Millisekunden benötigt, um Farben zu unterscheiden. Auf diese Weise erfaßte und maß Donders zum ersten Mal einen isolierten mentalen Prozeß.

Mit einer ähnlichen Subtraktionsstrategie bei der heutigen PET sucht man jene Hirnareale gesondert darzustellen, in denen sich ein einzelner mentaler Prozeß abspielt. Man vergleicht dazu die Hirndurchblutung vor und während der Beschäftigung mit der entsprechenden Aufgabe. Die vorgeschaltete Periode ist das Kontrollstadium. Die Aufgaben wie auch die Kontrollbedingungen werden sorgfältig ausgewählt, damit sich eine begrenzte Zahl mentaler Operationen, die der Ausführung zugrunde liegen, so gut wie möglich isolieren läßt. Man zieht die unter der Kontrollbedingung gemessenen Durchblutungswerte von jenen ab, die unter jeder der Aufgabenbedingungen registriert wurden, und erhält so die Hirnareale, die während einer bestimmten Aufgabe aktiv sind (Bild 3 oben).

Um verläßliche Daten zu bekommen, mittelt man die Reaktionen vieler Versuchspersonen oder die bei vielen Versuchsdurchgängen mit derselben Person. Dadurch lassen sich Durchblutungsveränderungen, die mit gezielt angeregten mentalen Aktivitäten zusammenhängen, leichter von zufälligen oder nicht daran beteiligten unterscheiden (Bild 4 unten).


Sprachverarbeitung im Gehirn

Einer der ersten Forschungsbereiche, in denen sich die Kartierung mittels PET-Durchblutungsmessung als nützlich erwiesen hat, ist die Organisation von Sprache im menschlichen Gehirn. Sie ist zusammen mit deren Erwerb schon seit mehr als einem Jahrhundert Gegenstand intensiver wissenschaftlicher Untersuchung.

Im Jahre 1861 hatte der französische Arzt Pierre Paul Broca (1824 bis 1880) einen Patienten beschrieben, der infolge einer Schädigung des linken Stirnlappens nicht mehr richtig sprechen konnte. (Noch heute wird ein derart bedingter Sprachverlust – er äußert sich in mühsamem Sprechen mit meist unvollständigen, grammatikalisch fehlerhaften Sätzen – häufig als Broca-Aphasie bezeichnet und das zuständige motorische Sprachzentrum als Broca-Zentrum.) Der deutsche Neurologe Carl Wernicke (1848 bis 1909) berichtete dann 1874 von Menschen mit einer Schädigung des linken Schläfenlappens, die Probleme mit dem Sprachverständnis hatten. Die betroffene Region wird heute gewöhnlich als Wernicke- oder sensorisches Sprachzentrum bezeichnet.

Aus diesen Anfängen entwickelte sich eine Vorstellung der Sprachorganisation: Die Information fließt, nachdem sie visuell oder auditiv aufgenommen wurde, zu Arealen im linken Schläfenlappen, die dem Sprachverständnis dienen; zur Sprachproduktion wird dann von hier Information zu stirnwärts gelegenen Arealen geleitet.

All diese Erkenntnisse stammten von Patienten mit Hirnschädigungen (Spektrum der Wissenschaft, November 1979, Seite 127). Die Frage war, ob sich mit modernen Verfahren auch am intakten Gehirn Einblick in die Sprachorganisation gewinnen ließe. Im Jahre 1988 begannen meine Kollegen Steven E. Petersen, Michael I. Posner, Peter T. Fox, Mark A. Mintun und ich am Medizinischen Zentrum der Washington-Universität in St. Louis (Missouri) mit einer Serie einschlägiger Untersuchungen. Den Anfang machte eine PET-Analyse einer scheinbar einfachen Aufgabe: Den Versuchspersonen wurde ein gewöhnliches englisches Substantiv vorgegeben, und sie sollten ein dazu passendes Verb nennen, zum Beispiel auf das gelesene oder gehörte Wort hammer (Hammer) etwa hit (schlagen) antworten.

Wir wählten diese Konstellation, weil sie sich in viele Komponenten unterteilen läßt, die man bei umsichtiger Auswahl der Teilaufgaben einzeln analysieren kann. Zu den am leichtesten erkennbaren Operationen gehören das Sehen oder Hören eines Wortes, das Planen und Aussprechen einer Antwort sowie jene Prozesse, über die das Gehirn die Bedeutung der Wörter abruft. Jede dieser Operationen kann überdies weiter in mehrere Subkomponenten unterteilt werden.

Um die für eine bestimmte Operation benutzten Hirnareale zu identifizieren, staffelten wir vier Ebenen der Informationsverarbeitung hintereinander. Eine solche hierarchische Gliederung ist in Labors, die sich mit dieser Art von Forschung beschäftigen, üblich geworden (Bild 4).

Auf der ersten, der Kontrollebene, wurden die Versuchspersonen gebeten, ein kleines Fadenkreuz in der Mitte eines Bildschirms zu fixieren. Gleichzeitig machten wir PET-Aufnahmen der Hirndurchblutung; sie verrieten die momentane mentale Aktivität. Auf der zweiten Ebene hatten die Probanten weiterhin das Kreuz zu fixieren, während ihnen einfache englische Nomina präsentiert wurden – entweder visuell unter dem Kreuz auf dem Bildschirm oder akustisch über Kopfhörer. Auf der dritten Ebene wurden sie gebeten, das gesehe-ne oder gehörte Wort nachzusprechen. Schließlich, auf der vierten Ebene, sollten sie ein zu dem Nomen passendes Verb finden und laut sagen.

Die Daten der ersten, der Kontrollebene subtrahierte der Computer von denen der zweiten, das Ergebnis wiederum von denen der dritten, und schließlich diese Differenz von denen der vierten. Auf diese Weise wurden sukzessive die jeweils relevanten Hirnareale isoliert kenntlich. Der erste Schritt lieferte die für die visuelle und auditive Wahrnehmung, der zweite die für die Sprachproduktion und der dritte die für die Wahl des passenden Verbs (Bild 4).

Das letzte Differenzbild (Nachsprechen von Nomina minus Bilden von Verben) war als Darstellung reiner menta-ler Aktivität von besonderem Interesse (Wahrnehmen und Sprechen – also Input und Output – waren ja abgezogen worden). Es zeigt, wo in unserem Kopf etwas geschieht, wenn wir Wörter nach ihrer Bedeutung interpretieren und umgekehrt Inhalte in Worte zu fassen suchen. Es macht bewußte Hirnfunktionen sichtbar, weil wir großenteils in Begriffen und Vorstellungen denken, die durch Wörter repräsentiert werden.

Die Ergebnisse dieser Untersuchung zeigen deutlich, wie sich mentale Operationen bei einer Verhaltensaufgabe mittels bildgebender Verfahren verschiedenen Hirnarealen zuordnen lassen, die zur Durchführung der Einzelschritte abgestimmt zusammenarbeiten. Wie Kognitionsforscher und Neurowissenschaftler vorhergesagt hatten, wird die scheinbar einfache Aufgabe, ein Verb zu einem dargebotenen Nomen zu bilden, nicht von einem einzelnen Teil des Gehirns, sondern von vielen, zu Netzwerken verschalteten Regionen gelöst. Die Wahrnehmung geschriebener Wörter geschieht in einem Netzwerk von Arealen im hinteren Teil des Gehirns, der viele Komponenten des visuellen Systems enthält; die Wahrnehmung gesprochener Wörter hingegen vollzieht sich in einem völlig anderen Netzwerk von Arealen – in den Schläfenlappen.

An der Sprachproduktion (in diesem Falle einfach an dem lauten Wiederholen der dargebotenen Nomina) sind – wenig überraschend – motorische Areale beteiligt. Regionen, von denen man annimmt, daß sie dem Broca- und dem Wernicke-Zentrum entsprechen, befassen sich offenbar mit dieser Art lautlicher Äußerung normalerweise nicht. Solange die Aufgabe in der Muttersprache gestellt und ausgeführt wird, dürften viele Wissenschaftler darin ohnehin für die meisten flüssig sprechenden Menschen eine ziemlich automatisierte Leistung sehen. Die Nichtbeteiligung der beiden Zentren deutet auf etwas wohl nicht Unvermutetes hin: daß wir gelegentlich sprechen, ohne bewußt zu denken.

Regionen in dem linken Stirn- und Schläfenlappen (die in etwa der Lage des Broca- und des Wernicke-Zentrums entsprechen) werden nur aktiv, wenn zwei Aufgaben hinzukommen: das bewußte Erfassen der Wortbedeutung und das Auswählen einer angemessenen Antwort. Da zudem zwei weitere Regionen ins Spiel kommen, ergibt sich ein Netzwerk von vier aktiven Arealen. Interessanterweise werden dann zwei Bereiche, die beim routinemäßigen Nachsprechen von Wörtern aktiv sind, ausgeschaltet. Somit baut die Aufgabe, zu einem vorgegebenen Nomen ein Verb zu bilden, offenbar nicht einfach auf der Aufgabe auf, das Nomen nur nachzusprechen. Das Gehirn kommt den beiden sprachlichen Anforderungen mit verschiedenen Verschaltungen nach.

Dieser Befund veranlaßte uns zu einer Denkpause. Was würde passieren, wenn wir die Versuchspersonen ein paar Minuten lang für die Aufgabe, passende Verben zu suchen, üben ließen? Anfangs finden die Probanten nämlich das schnelle Bilden von Verben schwierig (sie werden immerhin alle 1,5 Sekunden mit einem neuen Nomen konfrontiert); aber nach 15 Minuten zeigen sie sich entspannter und versierter. Eine PET-Untersuchung nach dieser Trainingsphase zeigte, daß die Schaltkreise, die zur Bewältigung der Aufgabe herangezogen wurden, sich völlig verändert hatten – jene, die vordem für das Nachsprechen von Nomina zuständig waren, erzeugten jetzt Verben (Bild 5). Also macht Übung nicht nur Meister (was wir schon immer wußten), sondern verändert auch die Art, wie sich unser Gehirn dabei organisiert (was vielleicht weniger klar war).


Kernspin-Tomographie

Als Neurowissenschaftler gerade die Nützlichkeit der PET-Technologie für die Kognitionsforschung demonstrierten, kam ein noch moderneres bildgebendes Verfahren auf: die Kernspin-Tomographie. Sie ist ähnlich aussagekräftig wie die PET und wird heute schon recht verbreitet zur Diagnostik von Gewebeschäden eingesetzt. Dank weiterer Entwicklungen ist sie inzwischen wesentlich schneller geworden, und dadurch eignet sie sich auch für die kognitiven Neurowissenschaften (Bild 1).

Die Kernspin-Tomographie leitet sich von einem Laborverfahren ab, das den Effekt der Kernspinresonanz (englisch nuclear magnetic resonance, NMR) dazu nutzt, die Bindungs- und Strukturverhältnisse von Molekülen zu ermitteln. Für die Entwicklung dieses spektroskopischen Verfahrens wurden Felix Bloch von der Universität Stanford (Kalifornien) und Edward M. Purcell von der Harvard-Universität in Cambridge (Massachusetts) 1952 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Es beruht darauf, daß viele Atome sich in einem Magnetfeld wie kleine Kompaßnadeln verhalten: In einem starken Magnetfeld richten sie sich parallel zu den Feldlinien aus. Eingestrahlte Pulse von Radiowellen können sie dann wiederum in bestimmter Weise auslenken. Daraufhin emittieren sie meßbare Hochfrequenzsignale, deren Stärke und Frequenz von der Anzahl und dem Zustand der jeweiligen Atome in der Probe abhängen. Variiert man das Feld oder die eingestrahlten Pulse über einen bestimmten Bereich, erhält man Aufschluß über die meisten Atome der untersuchten Probe.

Die Kernspinresonanz hielt Einzug in den medizinischen Bereich, als Paul C. Lauterbur von der Universität von Illinois in Urbana herausfand, daß sich abgestrahlte Resonanzsignale von Protonen in ein zwei- oder dreidimensionales Bild umsetzen lassen, das deren Verteilung in einem Organ oder Gewebe widerspiegelt (Spektrum der Wissenschaft, Juli 1982, Seite 40). Die positiv geladenen Wasserstoffkerne eignen sich deshalb gut, weil sie im menschlichen Körper reichlich vorkommen und recht empfindlich auf Magnetfelder ansprechen. Das Verfahren lieferte hervorragende anatomische Abbildungen von Organen, weit genauere als die Röntgen-Computertomographie (Bild 1). Da der englische Ausdruck nuclear in NMR gefährlich nach Radioaktivität klang, wurde die Kernspin-Tomographie im Englischen bald in magnetic resonance imaging, MRI, umgetauft.


Funktionsmessungen mittels Sauerstoffsignal

Die gegenwärtige Begeisterung für die Kernspin-Tomographie als bildgebendes Verfahren für das Gehirn rührt daher, daß sich mit ihr ein spezielles Signal erfassen läßt, das einer PET entgeht. PET-Aufnahmen haben gezeigt, daß dort, wo sich funktionell bedingt die Durchblutung erhöht, auch der Verbrauch von Glucose steigt, nicht aber der von Sauerstoff. Kaum jemand hätte gedacht, daß Hirnbereiche, die in kurze Aktivitätsschübe ausbrechen, auf einen anaeroben Stoffwechsel umschalten, ähnlich wie die Muskeln eines Sprinters in Aktion. Dabei wird Glucose ohne Sauerstoff (anaerob) abgebaut, obwohl er im normalen Gehirn reichlich vorhanden ist. Warum das Hirngewebe sich so verhält bedarf noch eingehender Forschung.

Wenn nun den aktiven Zentren mehr arterielles Blut zugeführt wird, ohne daß sie gleichzeitig mehr Sauerstoff verbrauchen, erhöht sich in den kleinen abführenden venösen Gefäßen der Sauerstoffgehalt des Bluts gegenüber dem Ruhewert. Das nicht verbrauchte Überangebot an Sauerstoff gelangt einfach über die Venen in den allgemeinen Kreislauf zurück (Bild 2 rechts).

Die Sauerstoff-Fracht entpuppte sich als entscheidend für Kernspin-Untersuchungen der Hirnfunktionen. Bereits 1935 hatte der amerikanische Biochemiker und Nobelpreisträger Linus C. Pauling festgestellt, daß sich die magnetischen Eigenschaften von Hämoglobin (dem Sauerstoff transportierenden roten Blutfarbstoff) mit der Beladung ändern. Daß sich diese geringen Unterschiede kernspintomographisch erfassen lassen, demonstrierten 1990 Seiji Ogawa und seine Kollegen von den AT&T Bell Laboratorien in Murray Hill (New Jersey).

Mehrere Forschergruppen erkannten sofort die Bedeutung dieser Beobachtung. Bereits Mitte 1991 war nachgewiesen, daß die Kernspin-Tomographie im menschlichen Gehirn die funktionell bedingten Veränderungen in der Sauerstoffsättigung des Bluts aufdecken kann. Das Verfahren wird deshalb häufig auch als funktionelle Kernspin-Tomographie bezeichnet.

Es hat mehrere Vorzüge gegenüber der Röntgen-Computertomographie und anderen bildgebenden Verfahren: Erstens stellt die funktionell bedingte Veränderung im Hirngewebe, genauer der Anstieg in der Sauerstoffbeladung des venösen Blutes, direkt das zu erfassende Signal; man braucht weder radioaktive noch sonstige signalerzeugende Substanzen zu injizieren. Zweitens liefert die Kernspin-Tomographie sowohl anatomische als auch funktionale Informationen bei ein und derselben Person, so daß sich aktive Regionen exakt zu der individuellen Anatomie des Gehirns in Beziehung setzen lassen. Drittens ist die räumliche Auflösung mit einer Genauigkeit von einem bis zwei Millimetern besser als die der PET. Viertens läßt sich mit der entsprechenden Software (EPI, nach englisch echoplanar imaging, echoplanare Bildgebung) die Geschwindigkeit, mit der sich das durchblutungsinduzierte Sauerstoffsignal ändert, in Echtzeit darstellen (diese Software erlaubt sehr schnelle Bildsequenzen).

Und schließlich birgt die Kernspin-Tomographie, wenn überhaupt, kaum ein biologisches Risiko. Einige Wissenschaftler äußerten zwar Bedenken über die Intensität des Magnetfeldes, dem das Gewebe dabei ausgesetzt wird. Bis jetzt haben sich aber die Auswirkungen in den meisten einschlägigen Studien als harmlos erwiesen. Der größte Nachteil ist die Klaustrophobie (die Angst eingeschlossen zu sein), die manche Personen befallen könnte; bei den meisten Geräten muß der ganze Körper in eine relativ enge Röhre geschoben werden.

Im letzten Jahr wurden einige interessante Ergebnisse von Untersuchungen mit der funktionalen Kernspin-Tomographie vorgestellt. So haben Robert G. Shulman und seine Kollegen von der Yale-Universität in New Haven (Connecticut) damit PET-Erkenntnisse über die Organisation der Sprache im Gehirn bestätigt. Mit einem konventionellen, kliniküblichen Kernspin-Tomographen haben Walter Schneider, Jonathan D. Cohen und ihre Kollegen an der Universität Pittsburgh (Pennsylvanien) ursprünglich an Affen gewonnene Indizien erhärtet, wonach auch die Sehrinde von Menschen in topographische Karten gegliedert ist, welche die räumliche Organisation der Welt, wie wir sie sehen, widerspiegeln. Weitere Forschergruppen versuchen gerade, andersartige kognitive Funktionen sichtbar zu machen, etwa wie wir geistige Abbilder (Repräsentationen) und Erinnerungen erzeugen.


Kombination mit Mehrkanal-Magnetenzephalographie

Man könnte nun vielleicht meinen, die Echtzeit-Darstellung des Sauerstoffsignals böte die Chance, die Zeit zu messen, die verschiedene Hirnregionen für den Austausch von Informationen brauchen. Stellt man sich ein Netzwerk von Hirnarealen als eine Art Konferenzschaltung zwischen verschiedenen Telephonteilnehmern vor, dann wüßte man aus der Kenntnis dieser zeitlichen Information, wer wann gesprochen hat, und vielleicht auch, wer das Gespräch geleitet hat. Solche Informationen wären entscheidend für das Verständnis, wie verschiedene Hirnareale sich als Netzwerk koordinieren, wenn sie das jeweilige menschliche Verhalten hervorbringen.

Der Haken ist jedoch die relative Trägheit, mit der sich die Sauerstoffzufuhr verändert. Nervensignale können in weniger als 0,01 Sekunden von einem Teil des Gehirns zum anderen gelangen. Durchblutung sowie Sauerstoffsättigung des Bluts ändern sich viel langsamer: Sie treten erst Hunderte von Millisekunden bis mehrere Sekunden später auf. Mit der Kernspin-Tomographie könnte man also nicht verfolgen, wie verschiedene Hirnareale miteinander kommunizieren. Nur elektrische Aufzeichnungsverfahren wie die Elektroenzephalographie (EEG) und die Mehrkanal-Magnetenzephalographie (MEG) könnten mithalten; sie erfassen die am Schädel summarisch meßbare elektrische Aktivität beziehungsweise die von der Hirnaktivität herrührenden magnetischen Felder. (Die Firma Siemens in Erlangen hat das System mit der derzeit höchsten Zahl von Kanälen entwickelt; solche Geräte brauchen keine Abtastvorrichtung, und damit entfällt das zeitraubende Scannen.)

Warum werden dann nicht einfach diese Verfahren für die Kartierung von Hirnfunktionen genutzt? Sie haben zwar eine gute zeitliche Auflösung, ihre Empfindlichkeit aber und ihr räumliches Auflösungsvermögen sind zu begrenzt, obwohl letzteres inzwischen erheblich verbessert wurde, insbesondere bei der MEG. Das macht es weiterhin schwierig, mit solchen Aufzeichnungsverfahren allein die Quelle einer Hirnaktivität genau zu lokalisieren. Außerdem wird die Auflösung um so schlechter, je tiefer im Gehirn die jeweils darzustellenden Strukturen liegen.

Weder mit der Kernspin-Tomographie noch mit der PET haben wir dieses Problem. Mit ihnen lassen sich alle Teile des Gehirns mit gleicher räumlicher Auflösung und Empfindlichkeit abbilden. Deshalb scheint sich ein Verbund zwischen PET, Kernspin-Tomographie und elektrischen Aufzeichnungstechniken anzubahnen. PET und Kernspin-Tomographie können die Anatomie der für das jeweilige Verhalten relevanten neuralen Schaltkreise aufdecken, elektrische Aufzeichnungstechniken die zeitlichen Abläufe darin. (Die MEG liefert nur räumliche Koordinaten – die anatomische Information, wo sich die ermittelten Punkte im tatsächlichen Gehirn befinden, bezieht sie aus einer kernspintomographisch ermittelten Darstellung desselben Gehirns; Bild 6.)


Breite Palette von Anwendungsfeldern

Gleich, welche dieser Verfahren man schließlich kombiniert einsetzen wird, um menschliche Hirnfunktionen abzubilden – der Aufwand dafür ist enorm. Zwischen acht und neun Millionen Mark kostet die PET, MEG und Kernspin-Tomographie; zudem sind die Geräte teuer im Unterhalt.

Eine weitere Voraussetzung für Forschungserfolge sind multidisziplinäre Teams von Wissenschaftlern und Technikern, die täglich mit diesen Geräten umgehen und eng zusammenarbeiten. Institutionen, die den Vorzug haben, über die nötigen technischen Ressourcen und ausreichend qualifiziertes Personal zu verfügen, sollten sie Wissenschaftlern von weniger begünstigten Institutionen zugänglich machen. Zwar verfügen einige radiologische Abteilungen in den USA über eine solche Ausstattung, doch werden die Geräte meist hauptsächlich für klinische Zwecke eingesetzt. In der Bundesrepublik wird das Institut für Medizin am Forschungszentrum Jülich in Kürze weltweit als erste Institution mit vier moderneren bildgebenden Verfahren an einem Ort arbeiten können: PET, MEG, Kernspin-Tomographie und Einzelphotonen-Emissions-Computertomographie (SPECT, nach dem englischen Begriff hierfür).

Außer Abbildungen der Hirnaktivität liefern die beschriebenen Experimente eine Flut von Informationen, die sich als unschätzbarer Fundus für nachfolgende Forschungen erweisen können, wie wir bei unserer Arbeit schon mehrmals freudig überrascht festgestellt haben. Neurowissenschaftliche Datenbanken, die zu gründen man sich neuerdings bemüht, könnten dazu beitragen, diesen Fundus zu organisieren und rasch breit verfügbar zu machen. Intelligente Nutzung der neuen Geräte und der von ihnen erschlossenen Informationen kann unserem Verständnis insbesondere von Hirnfunktionen wie auch der Betreuung von Menschen mit verschiedenartigen Problemen zugute kommen – von entwicklungsbedingten Lernstörungen bis zu Sprachstörungen beispielsweise infolge von Schlaganfällen.

Mit bildgebenden Verfahren zur Darstellung von Hirnfunktionen versuchen Forscher inzwischen des weiteren, etwas über psychische Erkrankungen wie die Depression zu erfahren. Die Technologie könnte zudem Neurochirurgen bei der Operationsplanung für Hirntumoren eine Hilfe sein, weil sie dann besser zu beurteilen vermöchten, welche Behinderungen aus der Entfernung welchen Gewebes resultieren. Ferner beschäftigen sich Zentren in der ganzen Welt mit weiteren geistig-psychischen Prozessen wie Aufmerksamkeit, Gedächtnis, Wahrnehmung, motorischer Kontrolle und Emotionen. Offensichtlich sind wir dabei, ein viel besseres Verständnis für die Beziehung zwischen Geist und Gehirn unserer Spezies zu entwickeln.

Literaturhinweise

- Intrinsic Signal Changes Accompanying Sensory Stimulation: Funktional Brain Mapping with Magnetic Resonance Imaging. Von S. Ogawa, D.W. Tank, R. Menon, J.M. Ellermann, S.-G. Kim, H. Merkle und K. Ugurbil in: Proceedings of the National Academy of Sciences, Band 89, Heft 13, Seiten 5951 bis 5955, Juli 1992.

– Somatosensory Cortical Plasticity in Adult Humans Revealed by Magnetoencephalography. Von A. Mogilner und anderen in: Proceedings of the National Academy of Sciences, Band 90, Heft 8, Seiten 3593 bis 3597, April 1993.

– Images of Mind. Von M.I. Posner und M.E. Raichle. W.H. Freeman and Company, 1994.

– Practice-Related Changes in Human Functional Anatomy during Non-Motor Learning. Von M.E. Raichle, J.A. Fiez, T.O. Videen, A.-M.K. MacLeod, J.V. Pardo, P.T. Fox und S.E. Petersen in: Cerebral Cortex, Band 4, Heft 1, Seiten 8 bis 26, 1994.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 6 / 1994, Seite 56
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