Unser Hirn funktioniert sogar, wenn eine Hälfte fehlt

Das Hirn kann mehr, als wir denken. Über die Fähigkeit des komplexesten Organs, sich zu reorganisieren.

Das Gehirn vermag nicht jede Schädigung auszugleichen, verändert sich aber mitunter stärker, als man es lange für möglich gehalten hat. Foto: plainpicture.com

Das Gehirn vermag nicht jede Schädigung auszugleichen, verändert sich aber mitunter stärker, als man es lange für möglich gehalten hat. Foto: plainpicture.com

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Bei der Begrüssung plauderten die Studienteilnehmer wie all die anderen Probanden, die Neurowissenschafterin Dorit Kliemann vom ­California ­Institute of Technology in Pasadena schon untersucht hatte. «Auf den ersten Blick merkte man ihnen ihren Befund kaum an», sagt die Forscherin. Dennoch handelte es sich um spezielle Probanden: Ihnen fehlte je eine Hälfte ihres Gehirns. Diese war ihnen Jahre zuvor ­wegen schwerer Epilepsien im Baby- oder Kleinkindalter entfernt worden. Diesen Eingriff wagen Ärzte sehr selten – nur dann, wenn keine andere Therapie hilft. Den sechs Probanden hatte die Operation ein normales Leben ohne wesentliche ­kognitive oder emotionale Einschränkungen ermöglicht. Das hatte die Neugier von Kliemann und ihren Kollegen geweckt: Wie kann ein halbes Gehirn annähernd so funktionieren wie ein vollständiges?

Die Antwort darauf ist in dererstaunlichen Regenerations­fähigkeit und Formbarkeit des komplexesten aller Organe zu finden. Zwar vermag das Gehirn nicht jede Schädigung auszu­gleichen, und manche Patienten leiden etwa nach einem Schlaganfall oder einem Tumor zeit­lebens unter Beeinträchtigungen, selbst wenn die betroffene Hirnregion viel kleiner ist als bei Kliemanns Probanden. Doch zahlreiche Studien belegen, dass sich das Gehirn mitunter stärker und schneller verändern und regenerieren kann, als es lange für möglich gehalten wurde. Was dabei genau passiert und wie sich die Plastizität fördern lässt, zeigen die Untersuchungen alltäglicher Lernvorgänge bei Gesunden ebenso wie die Magnetresonanzaufnahmen der sechs Probanden, die das Team um Kliemann im Fachjournal «Cell Reports» analysiert hat.

Optimale Verbindungen trotz Operation

Die Studienteilnehmer der Hirnforscher mussten ruhig im Magnetresonanztomografen (MRT) liegen, ohne einzuschlafen, aber möglichst auch ohne nachzudenken. So konnten die Wissenschafter verschiedene Ruhe­netzwerke untersuchen. Das sind Hirnregionen, die sich – bei ­Gesunden – in der Regel über ­beide Hirnhälften erstrecken und beim Nichtstun synchron aktiv sind, die also «funktionell» verbunden sind. Wie gut und fehlerfrei ein Gehirn funktioniert, hängt entscheidend von der Qualität solcher Verbindungen ab. Nur wenn jeweils mehrere Regionen zusammenarbeiten, kann ein Mensch denken, fühlen und wahrnehmen. Erstaunlicherweise waren bei den operierten Probanden in der verbleibenden Hirnhälfte die Verbindungen innerhalb eines Netzwerks nahezu normal ausgeprägt. Dagegen fielen die Verbindungen zwischen verschiedenen Ruhenetzwerken auf: Sie ­waren sogar stärker als bei Gesunden.

«Die Arbeit ist methodisch sehr gut gemacht und äusserst spannend», sagt Valentin Riedl vom Neuro-Kopf-Zentrum des Klinikums rechts der Isar der Technischen Universität München. Wie die Autoren hält er es für plausibel, dass die stärkeren Verbindungen zwischen einzelnen Netzwerken den Ausfall einer Hirnhälfte kompensieren. Eine Rolle dürfte auch gespielt haben, dass die Probanden bei der Operation zwischen drei ­Monate und elf Jahre alt gewesen waren: Ein junges Gehirn ­organisiert sich leichter neu als das eines Seniors.

Je geschickter ein Proband jonglierte, umso deutlicher hatte sich seine graue Substanz in den entsprechenden Regionen  verändert.

So erstaunlich die Studienergebnisse sind, so reihen sie sich doch ein in viele weitere Hinweise auf die mitunter enorme Plastizität eines unvollständigen Gehirns. Vor zehn Jahren wurde der Fall einer Amerikanerin bekannt, deren linke Hemisphäre sich – vermutlich wegen eines vorgeburtlichen Schlag­anfalls – nicht entwickelt hatte. Trotzdem schaffte die Frau den Highschool-Abschluss. Im Jahr 2010 ­berichteten Ärzte von einem Mädchen, das ebenfalls von ­Geburt an mit nur einer Hemisphäre lebe und unter keinen Auffälligkeiten leide. Auch Untersuchungen an Menschen, die von Geburt an blind sind, zeugen ­davon, wie flexibel die Aufgabenverteilung im Gehirn ablaufen kann. In solchen Fällen kann das beschäftigungslose Sehzentrum andere Funktionen übernehmen und etwa helfen, Hör- und Tastreize zu verarbeiten, wie eine Studie der Georgetown University im Fachblatt «Neuron» ­gezeigt hat.

Nicht ganz geklärt ist in den meisten Fällen, was ­genau während der Neuprogrammierung geschieht. Lange vermuteten Neuroforscher, dass Training ­lediglich das Zusammenspiel zwischen Hirnregionen intensiviert. Strukturelle ­Änderungen dagegen, also ein Zuwachs an Volumen der aus Nervenzell­körpern bestehenden grauen Substanz, liessen sich so nicht erzeugen, hiess es früher. Bis ein Team um den mittlerweile in Hamburg tätigen Neurologen Arne May zwölf gesunde Probanden anwies, jonglieren zu lernen. Vor und nach dem dreimonatigen Training verglichen die Forscher mithilfe von MRT-Aufnahmen das Volumen der grauen Substanz. Tatsächlich war sie bei den Jongleuren nach dem Training in jenen Bereichen gewachsen, die komplexe optische Signale verarbeiten, wie sie von drei in der Luft wirbelnden Bällen ausgehen. Je geschickter ein Proband jonglierte, umso deutlicher hatte sich seine graue Substanz in den entsprechenden Regionen verändert.

«Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich durch ­Lernen eine bedingte Plastizität auch auf dem strukturellen Level zeigt», schrieben die Forscher 2004 im Fachmagazin «Nature». Zu einem ähnlichen Schluss kam später eine Gruppe vom Leipziger Max-Planck-Institut (MPI) für Kognitions- und Neurowissenschaften. Deren Probanden lernten, auf wackligem Untergrund die Balance zu halten. Schon nach zwei kurzen Trainingseinheiten entdeckten die Forscher um Patrick Ragert in MRT-Aufnahmen funktionelle und strukturelle Veränderungen der beteiligten motorischen Hirnnetzwerke.

Vollständiges Hirn ist kein überflüssiger Luxus

Derartige Befunde sind auf ihre Art nicht minder spektakulär als die Kompensationsleistung eines halben Hirns. Schliesslich demonstrieren die Jonglier- und Balancierstudien, welch minimale Anreize einem gesunden Hirn genügen, um sich Herausforderungen anzupassen.

Über eines sollten all die ­Erkenntnisse zur Hirnplastizität jedoch nicht hinwegtäuschen: Auch wenn es notfalls zum ­Beispiel mit nur einer Hälfte ­auskommt, ist ein vollständig ausgebildetes Gehirn kein überflüssiger Luxus. Viele ­Patienten mit nur einer Hemisphäre kommen zwar gut zurecht, sind aber in mancher Hinsicht eingeschränkt; ganz ohne Einbussen funktioniert die Kompensation der fehlenden Hemisphäre kaum. Der Münchner Neuroforscher Riedl vermutet, dass ein gesundes Gehirn energieeffizienter funktioniert und flexibler reagieren kann, etwa wenn mehrere Aufgaben nahezu gleichzeitig anfallen. Funktionieren einige Hirnbereiche dagegen nicht mehr, fehlt dieses «Back-up». Das Organ arbeitet dann am ­Limit und wird damit anfälliger für jede weitere Störung. So ­erstaunlich die Plastizität des Gehirns ist, so stösst sie doch ­irgendwann an Grenzen.

Erstellt: 06.12.2019, 13:29 Uhr

Training nach Schlaganfall

Das Hirn verändert sich funktionell wie strukturell sogar auf Handlungen hin, die sich Menschen bloss vorstellen. Das zeigen Till Nierhaus vom Leipziger MPI für Kognitions- und Neurowissenschaften und seine Kollegen in einer soeben im «Journal of Physiology» veröffentlichten Studie. Die 21 Probanden lagen im MRT und sollten sich etwa vorstellen, Hand oder Fuss zu drehen. Mithilfe einer Gehirn-Computer-Schnittstelle lernten die Teilnehmer, ihre Vorstellung der beabsichtigten Bewegung zu verfeinern. Schon eine Stunde gedanklichen Trainings genügte, um Spuren im Hirn zu hinterlassen. Möglicherweise, so schreiben die Autoren, eigneten sich solche Interfaces auch zum Training für Patienten nach einem Schlaganfall oder Hirntumor. (kbl)

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