Stellen Sie sich vor, Sie erkunden auf einer Städtereise zum ersten Mal Berlin und laufen durch die Ihnen bisher unbekannten Straßen. Im Tiergarten plaudern Sie mit Einheimischen über Ihre Reise. Oben auf dem Fernsehturm staunen Sie über die Skyline und spüren möglicherweise Höhenangst.

Was Sie auf dieser Reise erleben, betrifft Ihr Verhalten, Ihre Gedanken und Ihre Gefühle. Und genau das möchten Neurowissenschaftler verstehen: Wie verarbeitet das Gehirn alle Eindrücke zeitgleich und fügt sie zu einer einheitlichen Erfahrung zusammen? Tatsächlich erlauben es bildgebende Methoden wie die funktionelle Magnetresonanztomografie (fMRT), die Elektroenzephalografie (EEG) und die Magnetoenzephalografie (MEG) heute, das lebende Gehirn bei der Arbeit zu beobachten.

Doch bisher war die Erforschung der menschlichen Hirnaktivität weitgehend auf Laborstudien beschränkt. Herkömmliche Messverfahren setzen meist voraus, dass Versuchspersonen regungslos sitzen oder liegen, beispielsweise während sie Aufgaben an einem Computerbildschirm bearbeiten. Allerdings ist unklar, wie gut diese Bedingungen die neuronalen Prozesse in der komplexen Alltagswelt widerspiegeln – etwa während Ihrer Berlinreise. Lange ließen sich viele Theorien und Modelle, die im Labor entwickelt wurden, nicht in der echten Alltagswelt überprüfen, weil sich die Methoden zur Untersuchung des Gehirns dafür nicht eigneten.

Das ändert sich gerade grundlegend. Neue, mobile Verfahren ermöglichen es zunehmend, Hirnaktivität dort zu messen, wo das Leben stattfindet: während Menschen sich frei bewegen und ihrem normalen Alltag nachgehen. Moderne Technologien filtern das Signalrauschen, das durch Körperbewegungen und Umweltreize entsteht, heute effektiv heraus. Damit lassen sich erstmals die kognitiven Prozesse in lebensnahen Situationen präzise vermessen – zum Beispiel beim Treppensteigen, Fahrradfahren oder beim Zurechtfinden in einer belebten Altstadt.

Die Entwicklung dieser mobilen Technologien revolutioniert die Art und Weise, wie wir das menschliche Gehirn untersuchen können. Dank ihnen gewinnen wir völlig neue Erkenntnisse über Hirnfunktionen wie Gedächtnis, räumliche Navigation, Bewegung und Emotionsverarbeitung. Zugleich helfen sie uns, Erkrankungen wie Depression, Angststörungen oder Alzheimer besser zu verstehen und gezielter zu behandeln.

Wie finden wir uns zurecht?

Zurück zu Ihrer Berlinreise: Sie laufen zum ersten Mal durch die pulsierende Großstadt und versuchen, den Weg von einer Sehenswürdigkeit zur nächsten zu finden. Ihr Gehirn verarbeitet ständig Informationen darüber, wo Sie sind, wohin Sie gehen und was sich um Sie herum befindet. Diese Fähigkeit zur Orientierung ist für den Alltag essenziell, bei Erkrankungen wie Alzheimer jedoch häufig stark beeinträchtigt. Schon lange hat man sie im Labor unter kontrollierten Bedingungen untersucht, aber erst seit Kurzem ist es möglich, Hirnaktivität aufzuzeichnen, während sich Menschen bewegen.

So hat ein Forschungsteam um den Psychologen Klaus Gramann an der Technischen Universität Berlin in einer Reihe von Studien die neuronale Basis unserer Navigationsfähigkeiten mittels einer mobilen EEG-Apparatur untersucht. Dabei entdeckten die Fachleute charakteristische Veränderungen in den verschiedenen EEG-Frequenzbereichen, während Menschen sich frei im Raum bewegen und markante Landmarken wie den Berliner Fernsehturm zur Orientierung nutzen.

2021 führte einer von uns (Matthias Stangl) zusammen mit anderen Forschern und Forscherinnen an der University of California in Los Angeles eine Studie mit Personen durch, die wegen ihrer Epilepsieerkrankung Elektroden dauerhaft implantiert haben. Damit lassen sich sowohl Hirnaktivitäten aufzeichnen als auch schwache elektrische Impulse abgeben, um beginnende Anfälle zu stoppen. Diese intrakranielle Elektroenzephalografie (iEEG) misst die Aktivität tief gelegener Hirnstrukturen zeitlich und räumlich höchst präzise.

In unserem Versuch liefen die Teilnehmenden frei in einem Raum umher und steuerten verschiedene Objekte an. Dabei zeigte sich, dass sogenannte Theta-Oszillationen – spezifische Rhythmen elektrischer Hirnwellen – direkt von der eigenen Position abhängen. Je nachdem, wo sich eine Person befindet, bilden sie unterschiedliche Aktivitätsmuster. Das Gehirn nutzt die Wellen offenbar wie eine Art kognitive Landkarte oder inneres GPS – als einen Mechanismus, der uns hilft, zu wissen, wo genau wir uns befinden.

Doch wie verarbeitet diese innere Landkarte andere Menschen – etwa entgegenkommende Fußgänger im Tiergarten? Um das herauszufinden, erfassten wir zusätzlich die Hirnaktivität, während die Versuchsteilnehmer eine andere Person im Raum beobachteten. Unseren Ergebnissen zufolge codieren Theta-Oszillationen in tiefen Hirnstrukturen nicht nur die eigene Position im Raum: Derselbe neuronale Code dient offenbar auch dazu, Standort und Bewegungen anderer Menschen in die kognitive Landkarte einzutragen.

Das führt zur nächsten Frage: Was geht im Gehirn von zwei oder mehr interagierenden Personen in solchen natürlichen Situationen vor? Ein Team um den Psychiater Allan Reiss von der Stanford University maß 2021 die Hirnaktivität von jeweils zwei Personen gleichzeitig. Dazu nutzte es tragbare Geräte zur funktionellen Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS; siehe »Methoden zum Messen der Hirnaktivität«). Die Probanden lösten derweil gemeinsam kreative Aufgaben. Sie entwarfen beispielsweise ein neues Design oder bauten ein Modellflugzeug. Dabei synchronisierte sich die Aktivität der beiden Gehirne: Dieselben Muster feuernder Neurone traten in ihnen zeitgleich auf. Die Synchronisation veränderte sich allerdings während der Aufgaben und wanderte allmählich vom vorderen Teil des Gehirns, dem Frontallappen, zum weiter hinten liegenden Scheitellappen.

Mittels mobiler Bildgebung lässt sich demzufolge beobachten, wie unsere Gehirne arbeiten, während wir in persönlichen Begegnungen, Gesprächen und Versammlungen miteinander interagieren. Das könnte dazu beitragen, Krankheiten wie Autismus und soziale Angst besser zu verstehen und zu behandeln. Indem wir untersuchen, wie unser Gehirn in alltäglichen sozialen Situationen funktioniert, können wir gezieltere Therapien für soziale und psychische Probleme entwickeln.

Panik auf dem Fernsehturm

Nächster Teil der Berlintour: Der lang ersehnte Besuch des Berliner Fernsehturms wird durch Höhenangst getrübt. In 203 Metern Höhe überwältigt Sie plötzlich irrationale Panik vor einem Absturz. Diese intensive Emotion lässt sich im Forschungslabor kaum nachahmen. Außerdem erfassen Laborstudien die Dynamik von Emotionen im Alltag meist unzureichend. So lässt sich kaum nachvollziehen, wie sich bei einer Angststörung oder Depression die Symptome und die zugrunde liegende Hirnaktivität über Wochen und Monate hinweg verändern. Denn solche Studien betrachten überwiegend nur Zeiträume von Minuten oder Stunden. Zudem werden Emotionen dabei üblicherweise künstlich erzeugt, zum Beispiel durch Fotos oder Filmaufnahmen.

Mobile Bildgebung erfasst Gefühle dagegen dort, wo sie tatsächlich entstehen: im Alltag, und zwar in ihrer natürlichen Intensität und über längere Zeiträume. Die Erkenntnisse könnten helfen, Behandlungen stärker auf Betroffene individuell zuzuschneiden, etwa bei Angststörungen oder Depressionen – Erkrankungen, bei denen die Emotionsregulation beeinträchtigt ist.

Einen solchen Ansatz verfolgte das Forschungsteam um Nicole Provenza an der Brown University und am Baylor College of Medicine bei einer Patientin mit schwerer Zwangsstörung, der zuvor bereits ein Gerät zur Hirnstimulation implantiert worden war. Die Forscher zeichneten iEEG-Signale über mehr als 1000 Stunden hinweg auf, während die Patientin zu Hause ihren normalen Aktivitäten nachging und sogar während der Therapie. So ließen sich Aktivierungsmuster identifizieren, die zeigten, wie stark die Zwangssymptome gerade ausgeprägt waren. Damit konnte das Team eine neuronale Signatur der Erkrankung bestimmen – einen Biomarker für Zwangsstörung, der künftig als Grundlage für neue Behandlungsmethoden dienen könnte.

Eine multidisziplinäre Arbeitsgruppe der University of California in San Francisco um die Neurochirurgin Katherine Scangos entwickelte 2021 einen ähnlichen Ansatz für einen Patienten, bei dem alle traditionellen Therapien gegen Depressionen versagt hatten. Hierfür nutzte sie wiederum die iEEG über mehrere Tage hinweg, um das Muster seiner Hirnaktivität während Phasen mit starken depressiven Symptomen zu identifizieren, wie sie im Alltag natürlicherweise auftreten. Daraufhin implantierten Neurochirurgen ein spezielles Neurostimulationsgerät, das immer dann feuerte, wenn dieses Aktivitätsmuster wieder auftrat. Dadurch verbesserten sich die depressiven Symptome rasch und anhaltend.

Anders als im Labor wimmelt es im Alltag von unkontrollierbaren Störfaktoren

Dass dieser Ansatz auch bei schweren Traumata hilft, konnten wir beide 2023 gemeinsam mit Kollegen an der University of California in Los Angeles zeigen: Wir behandelten zwei Kriegsveteranen mit behandlungsresistenter posttraumatischer Belastungsstörung (PTBS). Unser Team implantierte zwei Betroffenen ein Neurostimulationsgerät in der Amygdala, einer tief im Gehirn gelegenen Schaltstelle für Angstempfindungen. Zudem zeichneten wir iEEG-Daten über Monate hinweg auf – sowohl im Labor als auch im Alltag der Patienten. So identifizierten wir ein Aktivitätsmuster, das bei PTBS-Symptomen in verschiedenen Situationen immer wieder auftrat. Daraufhin lösten wir bei jedem Erscheinen des Musters eine speziell darauf zugeschnittene elektrische Reizung durch das Implantat aus. Im Lauf der nächsten zwölf Monate verbesserten sich die Symptome beider Patienten erheblich und verschwanden sogar zum Teil vollständig.

Mit mobilen Bildgebungstechnologien lassen sich also neuronale Signaturen im Gehirn als Biomarker für psychische Störungen etablieren, die dann mit einer passenden Neurostimulation behandelt werden können. Aber auch für neurologische Erkrankungen wie Alzheimer, Demenz oder bestimmte Orientierungsstörungen liefern die mobilen Techniken neue, verlässliche Biomarker, da hierbei Navigation und Orientierung oft schon früh und stark beeinträchtigt sind. Das ermöglicht es, zeitigere Diagnosen zu stellen, den Krankheitsverlauf genauer zu überwachen und innovative Therapieansätze zu entwickeln – wieder beispielsweise durch gezielte Neurostimulation der verantwortlichen Hirnnetzwerke.

Wo geht die Reise hin?

Trotz aller Erfolge steht die mobile Hirnforschung vor Herausforderungen. Anders als im Labor wimmelt es im Alltag von unkontrollierbaren Störfaktoren. So kann in Berlin das plötzliche Vorbeifahren eines Krankenwagens mit Blaulicht just in dem Moment, wenn Sie den Weg zurück zu Ihrem Hotel finden wollen, Sie ablenken und kurzfristig irritieren. Oder die laute Geräuschkulisse oben auf dem Fernsehturm beeinflusst zusammen mit der schwülen Hitze dort Ihr Gefühl der Angst.

Außerdem übersteigt die Menge an erzeugten Daten jene aus Laborstudien um ein Vielfaches, weil Umgebungsfaktoren miterfasst werden müssen. So registrieren etwa Motion-Tracking-Technologien Körperbewegungen der Versuchsperson; Eyetracking zeichnet Augenbewegungen auf und dokumentiert, wo der Proband hinschaut; Video- und Audioaufnahmen halten die Umgebungsbedingungen fest, in denen er sich bewegt. Solche Multimethoden-Datensätze müssen synchronisiert ausgewertet werden und erfordern neuartige Analyseverfahren, unter anderem durch maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz.

Invasive Methoden wie das besonders präzise iEEG bleiben aus ethischen Gründen Patienten vorbehalten, die ohnehin aus medizinischer Notwendigkeit Elektroden tragen. Um dennoch verlässliche Aussagen zu treffen, kombinieren Forscher iEEG-Daten mehrerer Patienten mit nichtinvasiven Methoden wie dem mobilen EEG oder fNIRS, die sich auch an gesunden Probanden einsetzen lassen.

Künftig dürfte die Kombination verschiedener mobiler Messverfahren die Stärken der einzelnen Methoden vereinen und ihre jeweiligen Schwächen ausgleichen. Weitere Sensoren liefern ergänzende Daten, etwa zur Fortbewegung, Blickrichtung, Herzfrequenz, Hautleitfähigkeit sowie zur audiovisuellen Umgebung. Solche multimodalen Messungen werden vermutlich ein zunehmend realistisches und dynamisches Bild davon liefern, wie unser Gehirn im Alltag funktioniert. Die Neurowissenschaft steht gerade am Anfang dieser spannenden Reise.