Neurowissenschaften

Gegenstand und Bedeutung

Neurowissenschaften, auch Neurobiologie, sind naturwissenschaftliche Forschungsbereiche, die Aufbau und Funktionsweise von Nervensystemen untersuchen. Ihr Forschungsfeld ist die Rolle von Nervensystemen jeder Art beim gesamten Vollzug der Lebensvorgänge biologischer Organismen.

Untersucht werden besonders Neuronen, also Nervenzellen, sowie andere Zelltypen, vor allem Gliazellen. Wichtig ist auch ihre Vernetzung zu neuronalen Netzwerken. Solche Nervensysteme können sehr unterschiedlich aufgebaut sein: etwa das diffuse Nervensystem der Hohltiere, das Strickleiternervensystem der Arthropoden oder das Zentralnervensystem der Wirbeltiere.

Hirnforschung oder Gehirnforschung bezeichnet häufig Forschungsrichtungen zum Aufbau und zu den Leistungen des Gehirns von Primaten, also Menschen und Affen. Daneben gibt es beispielsweise die Pflanzenneurobiologie, die sich ausdrücklich mit Nervensystemen von Pflanzen befasst. Medizinisch erforscht werden Ursachen und Heilungsmöglichkeiten von Nervenkrankheiten wie Parkinson, Alzheimer und Demenz. Weitere Themen sind Wahrnehmung, emotionale Reaktionen, Bewusstsein und Gedächtnis.

Fächer und Zusammenarbeit

Neurowissenschaften werden von Forschenden aus Physiologie, Psychologie, Medizin, Biologie, Informatik und Mathematik betrieben. Es gibt außerdem Kooperationen mit Informationstechnik, Informatik und Robotik. Besonders enge Beziehungen bestehen zur Kognitionswissenschaft, Psychologie und Philosophie des Geistes.

Eine scharfe Einteilung in Teilbereiche ist schwierig. Zwar lassen sich Ebenen von Molekülen über Zellen, Zellverbände und Netzwerke bis zum Verhalten unterscheiden. Meist steht jedoch die funktionelle Rolle eines mikroskopischen Elements für ein System auf einer oder mehreren höheren Ebenen im Mittelpunkt.

Zentral ist die Neurophysiologie: Sie erforscht neuronale Aktivität, die als „Sprache der Nerven“ gilt. Zu ihr gehören Elektrophysiologie und Sinnesphysiologie; eng verbunden sind Neuropharmakologie, Neuroendokrinologie und Toxikologie. Die Kognitive Neurowissenschaft untersucht die neuronalen Mechanismen hinter kognitiven und psychischen Funktionen, also höheren Gehirnleistungen und ihren Defiziten. Klinisch-medizinische Fächer befassen sich mit Pathogenese, Diagnose und Therapie von Gehirnerkrankungen; dazu zählen Neurologie, Neuropathologie, Neuroradiologie, Neurochirurgie, Biologische Psychiatrie und Klinische Neuropsychologie.

Entwicklung der Hirnforschung

Funde aus dem frühen Ägypten belegen operative Eingriffe in das Zentralnervensystem vor 5000 Jahren. Bei etwa 70 Prozent der Schädel mit Hinweisen auf solche Eingriffe zeigen biologische Veränderungen, dass die betroffenen Personen den Eingriff Monate oder Jahre überlebten.

Um 500 v. Chr. soll Alkmaion von Kroton als Erster Sehnerven und andere sensorische Nerven entdeckt haben. Er nahm an, Nerven seien hohl und umhüllten ein Medium namens kenon, das Sinneseindrücke zum Gehirn leite. Hippokrates von Kos erkannte das Gehirn als Sitz von Empfindung und Intelligenz. Galen beschrieb etwa 129–216 n. Chr. Funktionen einzelner Nervenbahnen.

Im westeuropäischen Mittelalter fiel die Hirnforschung hinter das Niveau der Antike zurück; im europäischen Raum stand vor allem klösterliche Heilkräuterkunde im Vordergrund. In der Renaissance wurden erste Sektionen durchgeführt. Giovanni Alfonso Borelli (1608–1679) bezweifelte den gasförmigen spiritus animalis und vermutete stattdessen eine Flüssigkeit, den succus nerveus, in hohlen Nerven. Im 18. Jahrhundert wurden elektrische Impulse in Nerven und die funktionelle Gliederung der Großhirnrinde beschrieben. Ab dem 19. Jahrhundert nahm die Erforschung der Hirnanatomie rasch zu; im jungen 21. Jahrhundert entwickelt sich die Neurowissenschaft vor allem methodologisch weiter.

Nichtinvasive Untersuchung des Menschen

Beim Menschen werden überwiegend nichtinvasive Verfahren eingesetzt, die das Nervensystem nicht schädigen. Die Psychophysik misst Fähigkeiten eines Lebewesens als Gesamtsystem. In Läsionsstudien werden Menschen mit Hirnläsionen, etwa nach einem Schlaganfall, mit gesunden Menschen verglichen. Daraus lässt sich die Bedeutung eines geschädigten Hirnbereichs für bestimmte Fähigkeiten abschätzen. Früher konnte der genaue Schadensort oft erst nach dem Tod festgestellt werden; deshalb waren solche Studien langwierig.

EEG (Elektroenzephalographie) misst außerhalb des Schädels elektrische Felder, die durch Aktivität von Nervenzellen entstehen. MEG (Magnetoenzephalographie) misst die dazugehörigen Magnetfelder. Beide Verfahren erfassen große Zellverbände mit hoher zeitlicher, aber nur mäßiger räumlicher Auflösung. Sie zeigen daher besonders gut die Reihenfolge von Verarbeitungsschritten.

CT und MRT/MRI, auch Kernspintomographie, bestimmen Ort und Ausdehnung von Läsionen bereits bei lebenden Personen. Sie haben gute bis sehr gute räumliche Auflösung, geben aber keinen direkten Aufschluss über Aktivität von Nervenzellen. PET, SPECT und fMRT/fMRI sind funktionelle bildgebende Verfahren: Ihre Signalstärke verändert sich mit der Aktivität von Hirnarealen. Sie besitzen mäßige bis gute räumliche Auflösung, sind jedoch für zeitliche Abläufe im Millisekundenbereich praktisch blind. Die nichtinvasive Nahinfrarotspektroskopie hat eine gute zeitliche Auflösung, bildet aber nur kleine Hirnbereiche ab; sie kann mobil und in natürlichen Umgebungen eingesetzt werden.

Eingriffe, Zellforschung und Modelle

In Tierversuchen und teilweise in klinischen Studien werden invasive Verfahren eingesetzt. Pharmakologische Agenten verändern Eigenschaften von Neuronen oder andere Mechanismen, die für Aktivität, Plastizität oder Entwicklung wichtig sind. Je nach Substanz kann ein Hirnareal beeinflusst oder zerstört oder im ganzen Gehirn ein bestimmter Kanal- oder Rezeptortyp der Zellmembran verändert werden.

Die transkranielle Magnetstimulation (TMS) kann Hirnareale kurzfristig ausschalten und wird auch beim Menschen verwendet, weil keine bleibenden Schäden erwartet werden. Sie erzeugt eine temporäre Läsion im Millisekundenbereich. Bei repetitiver TMS (rTMS) unterdrückt wiederholte Stimulation die Aktivität eines Areals für einige Minuten. Elektrostimulation benötigt dagegen eine implantierte Elektrode und erlaubt eine genauere räumliche Bestimmung; sie wird besonders in der Neurochirurgie genutzt, um Sprachzentren bei Operationen zu schützen.

Die Elektrophysiologie misst elektrische Signale einzelner Zellen oder Zellverbände. In-vivo-Experimente verwenden Elektroden im Gehirn lebender Tiere, in-vitro-Experimente untersuchen Hirngewebe; die Patch-Clamp-Technik erlaubt besonders genaue Aussagen über Eigenschaften von Neuronen. Mikroskopie, besonders Multiphotonen- und konfokale Mikroskopie, ermöglicht 3D-Messungen einzelner Neuronen. Mit geeigneten Farbstoffen sind auch funktionelle Untersuchungen möglich.

Theoretische Neurowissenschaft erklärt Entwicklung, Organisation, Informationsverarbeitung und geistige Fähigkeiten mit mathematischen Modellen, häufig mithilfe numerischer Simulationen. Deshalb werden „Theoretische Neurowissenschaft“ und „Computational Neuroscience“ oft synonym verwendet. Genetische Methoden können bei Versuchstieren Gene löschen, verändern oder einführen. Die Optogenetik aktiviert oder hemmt genetisch veränderte Zellen mit Licht. Seit 2025 erlaubt ein Verfahren zudem die hochauflösende 3D-Rekonstruktion kompletter peripherer Nervenbahnen in Mausmodellen bis in Organe wie Lunge oder Darm.