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Neurowissenschaft: Die Extraportion Blut

Geistesblitze, Kopfzerbrechen, platonische Liebe und sogar Jogging - kein Problem für das menschliche Gehirn. Damit das alles funktioniert, wird in Akkordarbeit frisches Blut angeliefert - auch dorthin, wo es scheinbar nicht gebraucht wird.
Gehirnaktivität im visuellen KortexLaden...
Keine Grundschule kommt ohne ihn aus. Man begegnet ihm an der Milchtheke, wo er während der großen Pause Kakao unter die kleinen Leute bringt, oder erblickt ihn auf dem Schulhof, wo er mürrisch dreinblickend Abfalleimer leert und sich leise fluchend die Finger am Blaumann abwischt, nachdem er SCHON WIEDER in ein nicht gegessenes Leberwurstbrot greifen musste. Doch gibt es keinen Zweifel daran, dass der Hausmeister wohl die mit Abstand wichtigste Person an jeder Schule und sein gelegentlicher Frust doch nur allzu verständlich ist: Produzieren die "kleinen Teufel" doch Unmengen an Abfall und beklagen sich lautstark, wenn die Vanillemilch aus ist.

Auch unser Gehirn ist auf die aufopferungsvolle Hingabe seiner Hausmeister angewiesen. Die Rolle der Schüler spielen unsere grauen Zellen, Neurone, die außerordentlich hungrig auf Energie und Sauerstoff sind. Werden sie aktiv und feuern Nervenimpulse, bringen sie das chemische Gleichgewicht ihrer Umgebung durcheinander und produzieren schädliche Stoffwechselprodukte. Damit herumschlagen müssen sich die Gliazellen, auf hausmeisterliche Tätigkeiten spezialisierte Nervenzellen. Sie liefern den Neuronen Nährstoffe, entsorgen den Abfall und stellen nach einem Geistesblitz das Gleichgewicht wieder her. Außerdem helfen sie bei der Regulation der Blutversorgung, die den unverzichtbaren Sauerstoff liefert. Wird eine Hirnregion aktiv, wird auch der Blutfluss in diesen Bereich gesteigert.

Diesen Effekt nutzen Neurowissenschaftler, um Hirnaktivität bildlich darzustellen. Bei der funktionellen Magnetresonanztomografie, kurz fMRT, wird die Neuronenaktivität indirekt über die unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften von sauerstoffreichem und sauerstoffarmem Blut gemessen. Voraussetzung ist, dass ohne Ausnahme die Regel gilt: gesteigerte Aktivität gleich gesteigerte Blutzufuhr. Yevgeniy Sirotin und Aniruddha Das von der Columbia University in New York stellten diese Regel nun in einem Experiment an zwei Rhesusaffen auf die Probe.

Fenster zum HirnLaden...
Fenster zum Hirn | Aktivierung von Blutgefäßen auf der Oberfläche des visuellen Kortex: Gerade kontrahierende Arterien sind als helle, blitzähnliche Verästelungen erkennbar. Im dunklen Bereich in der Mitte feuern Neuronen als Reaktion auf einen Lichtreiz.
Die Makaken waren darauf trainiert worden, einen Lichtpunkt auf einem Bildschirm zu fixieren, wenn dieser seine Farbe wechselte, wofür sie jedes Mal mit einem Schluck Fruchtsaft belohnt wurden. Schließlich konnten die Wissenschaftler die Rhesusaffen gezielt von einem Wartemodus "entspannt" in den Zustand "aufmerksam" versetzen. Sirotin und Das maßen dann Blutzufuhr und neuronale Aktivität zeitgleich in einem bestimmten Bereich des visuellen Kortex. Wurde dem Tier im Modus "aufmerksam" innerhalb seines Sichtfeldes ein Lichtreiz, beispielsweise ein rotierender Balken, präsentiert, stiegen Kortexaktivität und Blutversorgung erwartungsgemäß stark an.

Die eigentliche Überraschung wartete aber in der Dunkelheit: Sahen die Makaken nichts weiter als den Fixationspunkt und fiel der zusätzliche Lichtreiz aus, blieb auch der visuelle Kortex stumm – trotzdem wurde Blut in die Region gepumpt, sobald die Affen aufmerksam wurden. Obwohl die Tiere in der Dunkelheit überhaupt nichts sehen konnten, schien das Gehirn trotzdem auf eine Energie raubende Feuersequenz der Nervenzellen zu warten und versorgte den Hirnabschnitt vorsorglich mit Sauerstoff. Denn der Fixationspunkt allein konnte den Effekt nicht ausgelöst haben, vermuten die Forscher, weil sie in einem Teil des Kortex Hirnströme ableiteten, der auf Lichtsignale aus dem fovealen Netzhautbereich des schärfsten Sehens gar nicht reagiert.

Aber was ist der Grund für den vorauseilenden Gehorsam der Hausmeister im Kopf? Sirotin und Das vermuten, dass Gliazellen und Blutgefäße unter anderem Befehle von Nervenzellen erhalten, die an der Steuerung von Aufmerksamkeit und Erregung beteiligt sind. Demnach gäbe es ein eigenes neuronales System, das nur auf Grund der Aufmerksamkeit seines Besitzers dessen graue Zellen auf die erwartete Ankunft von Signalen vorbereitet – selbst dann, wenn diese ausbleiben.

Dieses Ergebnis dürfte einigen Neurowissenschaftlern ein wenig Kopfzerbrechen bereiten. Denn die mutmaßliche Schwäche der indirekten Messung bei der fMRT liegt auf der Hand: Nicht jeder Anstieg in der Blutversorgung der sensorischen Hirnregionen ist Folge einer echten Wahrnehmung. Manchmal stehen die Hausmeister eben auch präventiv an der Milchausgabe, obwohl weit und breit kein durstiges Kind zu sehen ist – sehr vorbildlich.
4. Woche 2009

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 4. Woche 2009

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  • Quellen
Sirotin, Y., Das, A.: Anticipatory haemodynamic signals in sensory cortex not predicted by local neuronal activity. In: Nature 457, S. 475–479, 2009.

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