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Hirnforschung: Was macht unser Gehirn so leistungsfähig?

Neue experimentelle Resultate befördern und hinterfragen zugleich eine Theorie, der zufolge die neuronalen Netzwerke des Gehirns zwischen zwei Zuständen balancieren.
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Ein Team brasilianischer Physiker hat die bis dato stärksten Hinweise darauf gefunden, dass das Gehirn auf einem Grat zwischen zwei Arbeitsweisen wandelt, ein prekärer, aber vielseitiger Zustand, der als Kritikalität bekannt ist. Die neuen Ergebnisse stellen aber auch einige der ursprünglichen Annahmen der umstrittenen Hypothese des »kritischen Gehirns« in Frage.

Wie das riesige Neuronennetzwerk unseres Gehirns Informationen über die Welt verarbeitet, ist für Neurowissenschaftler ein Mysterium. Ein zentraler Teil des Puzzles ist die Frage, wie eine einzige physische Struktur so initialisiert werden kann, dass sie mit den unzähligen Anforderungen eines Lebens zurechtkommt. »Wäre das Gehirn völlig ungeordnet, könnte es gar keine Informationen verarbeiten«, sagt etwa Mauro Copelli, Physiker an der Federal University of Pernambuco in Brasilien und Koautor der neuen Studie. »Wäre es aber zu geordnet, würde ihm die Flexibilität fehlen, um mit der Vielfalt der Welt fertigzuwerden.«

Der Physiker Per Bak stellte in den 1990er Jahren die Hypothese auf, das Gehirn ziehe seine Fähigkeiten aus einem Zustand namens Kritikalität. Das Konzept stammt aus der statistischen Mechanik und beschreibt Systeme, die zwischen Ordnung und Chaos schweben. Zum Beispiel eine verschneite Skipiste, die durch Lawinen zerstört wird: Irgendwo zwischen den Zuständen der Ordnung (feste Schneedecke) und des Chaos (Lawine/Schneerutsch) liegt ein Zustand, in dem alles passieren kann: Die kleinste Störung kann dann einen Schneerutsch oder eine Lawine auslösen oder etwas dazwischen.

»Wäre das Gehirn völlig ungeordnet, könnte es gar keine Informationen verarbeiten. Wäre es aber zu geordnet, würde ihm die Flexibilität fehlen, um mit der Vielfalt der Welt fertigzuwerden«(Mauro Copelli)

Aber die Ereignisse verschiedener Heftigkeit haben nicht die gleiche Wahrscheinlichkeit; vielmehr treten kleine Abgänge exponentiell häufiger auf als größere, und die wiederum exponentiell häufiger als noch größere, und so weiter. Am kritischen Punkt, wie Physiker den Zustand nennen, stehen Stärke und Häufigkeit der Ereignisse in dieser einfachen exponentiellen Beziehung. Bak argumentierte, dass es womöglich dieser kritische Zustand sei, der das Gehirn zu einem so leistungsfähigen und flexiblen Informationsprozessor macht.

Erste empirischen Hinweise darauf, dass die Theorie tatsächlich stimmen könnte, entdeckte der Biophysiker John Beggs von der Indiana University im Jahr 2003. In Schnitten des Rattenhirns beobachtete er Kettenreaktionen feuernder Neurone – so genannte »neuronale Lawinen« –, die in jener Intensitätsverteilung auftraten, die für die Kritikalität typisch ist: Zwar trat jede beliebige Lawinenstärke auf, ihre Häufigkeit aber hing exponentiell von der Stärke ab – wie ein schneebedeckter Hang am kritischen Punkt. Beggs deutete diese Potenzverteilung so, dass die Hirnschnitte selbst »kritisch« waren.

Seine Veröffentlichung löste eine Flut von weiteren Studien aus. Doch bald konnten Kritiker zeigen, dass Beggs Interpretation verfrüht war, da Potenzgesetze auch Systeme beschreiben, deren Aktivität dem Zufall folgt – wie bei den Wortfrequenzen im berühmten Gedankenexperiment mit einem Affen, der auf einer Schreibmaschine herumtippt.

Starke Kritikalität im Tiefschlaf

Befürworter der Theorie hatten es außerdem mit zwei zusätzlichen Rätseln zu tun: Der kritische Exponent eines Potenzgesetzes – also die Zahl, die das Verhältnis zwischen kleineren und größeren Lawinen beschreibt – variiert je nach Aufbau des Netzwerks. Das aber würde die Idee eines universellen Mechanismus der Hirnfunktion widerlegen. Darüber hinaus fanden Forscher in synchronisierten Hirnwellen, die im Tiefschlaf am häufigsten auftreten, stärkere Anzeichen von Kritikalität als in den eher verteilten Aktivitätsmustern wacher tierischer Gehirne. Ein verwirrender Befund: Niemand hätte einen Zusammenhang zwischen Kritikalität und Synchronizität erwartet.

Um diesen beiden Rätseln auf den Grund zu gehen, betäubte Copellis Team Ratten mit einem speziellen Anästhetikum, das das Gehirn zwischen den Extremen der Synchronisation hin- und herschwanken lässt: manchmal synchron, wie es für den Schlaf typisch ist, und manchmal ähnlich dem Zufallsrauschen wacher Gehirne. Aufnahmen der neuronalen Erregungswellen im primären visuellen Kortex mit Dutzenden von Metallsonden zeigten, dass Stärke und Dauer der neuronalen Lawinen sowie die Beziehungen zwischen den beiden Parametern zu Potenzgesetzen mit unterschiedlichen kritischen Exponenten passten- ähnlich wie in Beggs' Resultaten von 2003.

»Man wird kaum sagen können, dass das Zufall ist«(John Beggs)

Darüber hinaus konnte Copllis Gruppe die Exponenten der verschiedenen Potenzgesetze in eine einfache Gleichung integrieren, wenn die Neurone moderat synchron feuerten. Diese Beziehung zwischen den Exponenten erfüllte erstmals einen strengen Test der Kritikalität, der von Kritikern im Jahr 2017 vorgeschlagen worden war. Das Gehirn der betäubten Ratten verbrachte also die meiste Zeit in der Nähe der Kritikalität.

»Es ist ein schlagender Beweis; man kann ihm nicht mehr entkommen«, sagt Beggs, der nicht an der Forschung beteiligt war. »Man wird kaum sagen können, dass das Zufall ist.« Als die Forscher aber untersuchten, wo genau der kritische Punkt lag, stellten sie fest, dass das Rattenhirn nicht zwischen den Zuständen niedriger und hoher neuronaler Aktivität arbeite, wie es die ursprüngliche kritische Hirnhypothese voraussagt; vielmehr trennte der kritische Punkt ein Aktivitätsmuster, in dem die Neurone synchron feuerten, und eines, das von weitgehend inkohärenter Aktivität gekennzeichnet war.

Diese Trennung der Aktivitätsmuster in zwei Typen könnte erklären, warum die Suche nach der Kritikalität nur gelegentlich von Erfolg gekrönt war. »Wir konnten unsere Ergebnisse mit Daten aus früheren Untersuchungen abgleichen, was darauf hindeutet, dass wir es wirklich mit etwas Allgemeinerem zu tun haben«, sagt Pedro Carelli, Copellis Kollege und Mitautor der Studie, die Ende Mai in »Physical Review Letters« erschien.

Unterschied zwischen betäubtem und natürlichem Gehirn

Allerdings arbeitet ein betäubtes Gehirn nicht auf natürliche Weise. Deshalb wiederholten die Forscher ihre Analyse an öffentlich zugänglichen Daten der neuronalen Aktivität frei laufender Mäuse. Und erneut fanden sie Hinweise darauf, dass sich das Gehirn der Tiere manchmal in jener Kritikalität befand, die den neuen Goldstandard von 2017 erfüllt. Im Gegensatz zu den betäubten Ratten aber verbrachten die Neuronen im Gehirn der Mäuse die meiste Zeit damit, asynchron zu feuern – fern vom vermeintlichen kritischen Punkt der Semisynchronität.

Copelli und Carelli geben zu, dass diese Beobachtung die Idee in Frage stellt, dass das Gehirn am liebsten in der Nähe des kritischen Punktes operiere. Sie betonen aber, dass sie die Mausdaten noch nicht abschließend interpretieren können: Was fehle, seien (sehr teure) Experimente an wachen Tieren. Denn womöglich habe schlechter Schlaf während des Experiments das Gehirn der Mäuse von der Kritikalität ferngehalten, sagte Copelli.

»Für einen Physiker deutet so was auf eine Art universellen Mechanismus hin«(Mauro Copelli)

Copellis Gruppe analysierte noch andere öffentliche Daten von Experimenten mit Affen und Schildkröten. Die Datensätze waren zwar zu klein, um die Kritikalität der vollen Potenzgleichung zu bestätigen. Doch das Team konnte das Verhältnis zwischen zwei verschiedenen Potenzexponenten berechnen, die die Verteilung der Lawinengrößen und -dauer angaben. Dieses Verhältnis – das angibt, wie schnell sich Lawinen ausbreiten – war immer das gleiche, unabhängig von der Tierart und davon, ob ein Tier in Narkose war oder nicht. »Für einen Physiker deutet so was auf eine Art universellen Mechanismus hin«, sagt Copelli.

Alain Destexhe vom National Center for Scientific Research (CNRS) in Frankreich, jener Kritiker, der die Gleichung mit mehreren Exponenten als Test der Kritikalität vorgeschlagen hatte, findet die Universalität der Ergebnisse »verblüffend«. Er sei sich aber nicht sicher, ob die Befürworter der Kritisches-Gehirn-Theorie deshalb Recht haben. Die Tatsache, dass neuronale Lawinen in wachen Gehirnen ähnlich skalieren wie unter tiefer Narkose – wenn sie keinen sensorischen Input bekommen –, weise nämlich darauf hin, dass die Kritikalität nichts damit zu tun habe, wie das Gehirn Informationen verarbeitet und somit auf einem anderen Aspekt der Hirndynamik gründen könnte.

Deshalb will das brasilianische Team um Copelli nun untersuchen, wie sich synchrone und asynchrone Hirnzustände auf das Verhalten von Ratten auswirken. Eine schwierige Aufgabe, denn synchrone Bursts treten nicht nur im Schlaf auf, sondern auch im wachen Hirn. Andere Forscher denken, der Schlaf könnte destabilisierte Gehirne an ihren kritischen Punkt zurückführen. Beggs etwa glaubt, dass weitere Studien eines Tages eine tiefere Verbindung zwischen psychischer Gesundheit und der Physik des Gehirns aufdecken könnten. Aber zuerst, sagt Copelli, muss das Forschungsfeld der Kritikalität fundamentale Fragen beantworten. »Die aktuelle Theorie kann unsere Beobachtungen nicht erklären«, sagt er. »Das Rennen der Modelle ist also wieder eröffnet.«

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Von »Spektrum der Wissenschaft« übersetzte und redigierte Fassung des Artikels »Do Brains Operate at a Tipping Point? New Clues and Complications« aus dem »Quanta Magazine«, einem inhaltlich unabhängigen Magazin der Simons Foundation, die sich die Verbreitung von Forschungsergebnissen aus Mathematik und den Naturwissenschaften zum Ziel gesetzt hat.

27/2019

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 27/2019

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