Geschichte der Hirnforschung

Vom anatomischen Wissen zur Hirnsubstanz

Die Hirnforschung untersucht Aufbau und Funktionen des Gehirns und des Nervensystems. Entscheidend war die langsame Ablösung älterer Vorstellungen, nach denen das Herz, die Hirnkammern oder eine Seele die geistigen Fähigkeiten erklären sollten, durch Forschung zur Hirnsubstanz, zu Nervenzellen und zu ihren Verbindungen.

Schon vor 5000 Jahren wurden Trepanationen, also systematische Schädelöffnungen, durchgeführt. Etwa 70 Prozent der betreffenden Schädel zeigen Heilungszeichen. Der Papyrus Edwin Smith von 1550 v. Chr., vermutlich auf Schriften um 3000 v. Chr. zurückgehend, beschrieb Gehirn, Gyri und Sulci, Rückenmark und Hirnhäute. Dennoch galt im alten Ägypten das Herz als Sitz der Seele und geistiger Fähigkeiten.

Im antiken Griechenland bezeichnete das Corpus Hippocraticum das Gehirn als Sitz von Empfindung und Intelligenz und erklärte Epilepsie als Gehirnkrankheit. Herophilos unterschied drei Hirnventrikel, Erasistratos motorische und sensible Nerven. Galen untersuchte vor allem Tiere und verwundete Gladiatoren. Er widerlegte die Vorstellung vom Gehirn als bloßem Kühlorgan, hielt aber an einem in den Ventrikeln gespeicherten pneuma psychikon fest, das durch angeblich hohle Nerven wirken sollte. Die Ventrikellehre blieb, mit theologischen Vorstellungen verbunden, lange einflussreich.

In der Renaissance ermöglichten wiederaufkommende Sektionen menschlicher Leichen genauere Anatomie. Andreas Vesalius zeigte, dass Galen vielfach Tierbefunde auf Menschen übertragen hatte: Das Rete mirabile fehlt beim Menschen, dicke Nerven besitzen keinen Hohlraum, und graue und weiße Substanz sind unterscheidbar. Im 17. Jahrhundert rückte Thomas Willis endgültig die Hirnsubstanz ins Zentrum. Er prägte unter anderem den Begriff „Neurologie“ und behandelte viele Geisteskrankheiten als organische Gehirnkrankheiten. René Descartes’ Dualismus, die Trennung von Materie und Geist, prägte die Debatte weiter, auch wenn seine Annahme einer Schnittstelle von Seele und Körper in der Zirbeldrüse spekulativ war.

Elektrische Nerven und örtliche Hirnfunktionen

Im 18. Jahrhundert wurde die Vorstellung wichtig, dass Nerven elektrische Signale leiten. Felice Fontana beschrieb erstmals Axone genau. Luigi Galvani veröffentlichte 1791 Versuche an Froschschenkeln, die elektrische Erregbarkeit von Muskeln zeigten. Alessandro Volta kritisierte diese Deutung zunächst; Alexander von Humboldt reproduzierte Galvanis Experimente später unter verbesserten Bedingungen. Damit verlor die Erklärung durch Pneuma oder eine hydraulische Nervenflüssigkeit zunehmend an Bedeutung.

Ebenfalls grundlegend war die funktionelle Lokalisation: Verschiedene Bereiche der Großhirnrinde erfüllen unterschiedliche Aufgaben. Emanuel Swedenborg argumentierte 1740 dafür. Franz Joseph Gall machte die Idee populär, verband sie aber mit der Phrenologie: Begabungen und Charakterzüge sollten sich als Form des Schädelknochens zeigen. Diese Schädellehre widersprach später Befunden bei Hirnverletzungen und verlor bis Mitte des 19. Jahrhunderts ihren Einfluss. Dadurch geriet zunächst auch die zutreffende Grundidee der funktionellen Gliederung in Misskredit.

Paul Broca fand 1861 bei „Monsieur Tan“, der Sprache verstand, sich aber nicht mehr sprachlich äußern konnte, eine umschriebene Läsion im linken Frontallappen. Das Broca-Areal wurde mit Sprachproduktion verbunden; 1865 erkannte Broca zudem die besondere Rolle der linken Hirnhälfte für das Sprechen. Carl Wernicke beschrieb 1874 ein Areal im linken Temporallappen für Sprachverständnis: Bei dessen Ausfall bleibt Sprechen möglich, sinnvolle Sätze können aber nicht mehr gebildet werden. Fritsch und Hitzig zeigten 1870 durch elektrische Reizung bei Hunden, dass bestimmte Kortexregionen bestimmte Körperteile steuern. Der Fall Phineas Gage, der 1848 eine schwere Frontallappenverletzung überlebte, deutete auf Funktionen des Frontalhirns bei Verhaltensplanung und Impulskontrolle hin. David Ferrier erzielte 1881 durch gezielte Entfernung von Hirnregionen bei Affen spezifische Ausfälle; damit setzte sich die Lokalisationstheorie durch.

Parallel entstand die Zelltheorie des Nervensystems. Das Bell-Magendie-Gesetz unterschied motorische Signale, die über die Vorderhornwurzel das Rückenmark verlassen, von sensorischen Signalen, die über die Hinterhornwurzel eintreten. Baillarger beschrieb 1840 den sechsschichtigen Aufbau der grauen Großhirnrinde. Bessere Mikroskope und Färbungen führten zur Neuronentheorie: Nervenzellen sind einzelne, nicht verschmolzene Zellen. Ramón y Cajal zeigte dies mit verbesserten Golgi-Färbungen; Waldeyer etablierte 1891 den Begriff „Neuron“. Dendriten und Axone sind Fortsätze von Nervenzellen. Cajal postulierte einen Spalt zwischen Neuronen, den Sherrington 1897 „Synapse“ nannte. Sherrington erklärte außerdem Reflexe durch Zusammenspiel von Erregung und Hemmung.

Signalübertragung, Karten und Risiken der Forschung

Im 20. Jahrhundert wurden die elektrischen und chemischen Grundlagen der Informationsverarbeitung genauer aufgeklärt. Ein Aktionspotential ist die kurzfristige elektrische Änderung an einer Nervenzellmembran. Erlanger und Gasser maßen 1922 seinen zeitlichen Verlauf und unterschiedliche Leitungsgeschwindigkeiten von Nervenzellen. Adrian zeigte 1926, dass die Reizintensität durch die Frequenz der Aktionspotentiale vermittelt wird, und beschrieb sensorische Adaption: Die empfundene Stärke eines anhaltenden Reizes nimmt mit der Zeit ab.

Die Übertragung an Synapsen erfolgt durch Neurotransmitter, also chemische Botenstoffe. Otto Loewi gewann 1921 aus einem erregten Vagusnerv eines Frosches eine Flüssigkeit, die den Herzschlag anderer Frösche dämpfte. Henry Dale bestätigte die Bedeutung von Acetylcholin; 1936 erhielten beide den Nobelpreis. Ulf von Euler wies 1946 Noradrenalin als Botenstoff des Sympathikus nach. Eccles zeigte, dass Synapsen erregend (exzitatorisch) oder hemmend (inhibitorisch) wirken können. Hodgkin und Huxley erklärten Aktionspotentiale durch spannungsabhängige Ionenkanäle für Natrium- und Kalium-Ionen und entwickelten das Hodgkin-Huxley-Modell. Die 1976 entwickelte Patch-Clamp-Technik erlaubte erstmals Untersuchungen einzelner Ionenkanäle. Eric Kandel beschrieb synaptische Plastizität: Lernen und Gedächtnis beruhen auf Struktur und Stärke von Verbindungen zwischen Nervenzellen.

Korbinian Brodmann teilte die Großhirnrinde 1909 anhand ihrer Zellarchitektur in 52 Areale ein. Diese Brodmann-Areale werden weiterhin verwendet, doch lassen sich ihnen konkrete Funktionen nur begrenzt zuordnen. Penfield und Rasmussen ermittelten durch Elektrostimulation am offenen Gehirn wacher Patienten ein verzerrtes Abbild der Körperoberfläche im motorischen und sensorischen Kortex: den Homunkulus. Das Organisationsprinzip heißt Somatotopie.

Die Geschichte enthält auch problematische Anwendungen und ideologische Missbräuche. Egas Moniz erhielt 1949 für die Einführung der Leukotomie beziehungsweise Lobotomie einen Nobelpreis; wegen drastischer Nebenwirkungen wurde das Verfahren nach dem Aufkommen von Neuroleptika kaum noch genutzt, die Preisvergabe gilt als umstritten. Im Nationalsozialismus halfen deutsche Ärzte und Hirnforscher, die Aktion T4 zur Ermordung von Behinderten und Psychiatriepatienten zu legitimieren und durchzuführen. Hugo Spatz und Julius Hallervorden erhielten Gehirne aus diesem Kontext für Forschung. Eine aktive Aufarbeitung begann erst um die Jahrtausendwende.

Nichtinvasive Methoden und heutige Fragen

Seit der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts können Gehirne gesunder Menschen ohne operativen Eingriff untersucht werden. Das EEG zeichnet Spannungsschwankungen an der Kopfoberfläche auf und erlaubt Rückschlüsse auf elektrische Hirnaktivität. Hans Berger zeichnete 1924 das erste menschliche EEG auf und veröffentlichte die Ergebnisse 1929; das standardisierte 10-20-System legte die Anordnung der Elektroden fest.

Die Magnetresonanztomographie (MRT) liefert Schnittbilder des lebenden Gehirns. Die funktionelle MRT (fMRT) macht Aktivierungen indirekt sichtbar: Neuronale Aktivität geht mit stärkerer lokaler Durchblutung einher, der neurovaskulären Kopplung. Der 1990 genutzte BOLD-Kontrast beruht auf unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften sauerstoffreichen und sauerstoffarmen Blutes. Diffusions-Tensor-Bildgebung, 1994 von Peter Basser eingeführt, erlaubt Rückschlüsse auf Lage und Ausrichtung von Nervenbündeln. EEG und MRT zeigen jedoch vor allem Korrelationen, nicht zwingend Ursachen. Die Transkranielle Magnetstimulation (TMS), 1985 von Anthony Barker beschrieben, stört begrenzte Kortexregionen vorübergehend; aus den Folgen lassen sich Kausalzusammenhänge ableiten.

Zu Beginn des 21. Jahrhunderts stehen vor allem neue Methoden im Mittelpunkt. Intelligente Kontrastagenten sollen Konzentrationen bestimmter Stoffe, etwa Neurotransmitter oder Kalziumeinstrom, im lebenden Gehirn nahezu in Echtzeit messbar machen. Das Blue-Brain-Projekt untersucht eine kortikale Säule von 2 mm Höhe und 0,5 mm Durchmesser mit 10.000 Nervenzellen und ungefähr 10^{8} Synapsen; später soll das Modell auf den Cortex mit etwa 1 Mio. Säulen ausgeweitet werden.

Die Suche nach einem neuronalen Korrelat des Bewusstseins ist weiterhin uneinheitlich und umstritten. Trotz der 1990 von Francis Crick und Christof Koch vorgelegten Theorie gab es laut Artikelstand 2008 kein allgemein akzeptiertes Forschungsprogramm. Auch die Frage, ob Hirnforschung Menschenbild, freien Willen und Rechtssystem grundlegend verändern wird, wird gegensätzlich beurteilt.