„Raumzeit“ im Gehirn

Neurowissenschaftler der Universitätsmedizin Magdeburg entdecken neuronale Netzwerkänderungen in Millisekunden-Geschwindigkeit im menschlichen Gehirn und deren Bedeutung für die visuelle Wahrnehmung und die Erholung von Sehnervschädigungen.

Milliarden von Nervenzellen in unserem Gehirn kommunizieren ständig über ein hochkomplexes Netzwerk neuronaler Verbindungen miteinander. Diese Verbindungen können sich anpassen, ein Leben lang. Sie bilden die Grundlage für menschliches Denken und Verhalten. Die Doktorandin Zheng Wu und der Neurowissenschaftler Prof. Bernhard Sabel, Direktor des Instituts für Medizinische Psychologie der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, haben sich am Beispiel des Sehens der Frage gewidmet, wie schnell sich funktionelle Gehirnnetzwerke in ihrer Struktur verändern können und welche Auswirkungen diese Veränderungen auf das Sehen haben.

„Welchen genauen Weg neuronale Impulse im Netzwerk nehmen – man spricht hierbei von funktionellen Verbindungen – kann sehr unterschiedlich sein, je nach aktueller Anforderung. Die Herausforderung für das Gehirn besteht darin, wie unterschiedliche Hirnareale räumlich und zeitlich miteinander synchronisiert werden können“, erläutert Sabel . Somit sei es die präzise Synchronisation von dem dreidimensionalen „Raum“ und der „Zeit“ als vierte Dimension, die im Gehirn für Denken und Handeln entscheidend sei – dies könne man als „Raumzeit“ im Gehirn bezeichnen.

Sabel und sein Team wollten herausfinden, wie schnell sich die Struktur funktioneller Netzwerke ändern können und ob der Nachweis erbracht werden kann, dass schnelle Änderungen für das Verhalten bedeutungsvoll sind. Sie untersuchten dazu die Hirnaktivitäten sowohl von Gesunden als auch von Patientinnen und Patienten mit Sehnervschädigungen, z. B. bei Glaukom. Die Forschenden nutzten für ihre Untersuchungen die Elektroenzephalografie (EEG) zur Ableitung von elektrischen Hirnwellen am Kopf und verglichen gesunde Probanden und Sehbehinderte zum Zeitpunkt unmittelbar vor und nach der Präsentation eines kurzen Lichtblitzes.

„Wir konnten herausfinden, dass sich während der visuellen Verarbeitung funktionelle Netzwerke im Gehirn extrem schnell bilden und wieder auflösen können, und zwar je nach funktionellem Bedarf in nur wenigen Millisekunden, um so die optimale zeitliche und räumliche Integration von Denken und Verhalten zu ermöglichen. Bei den Erkrankten war diese Netzwerkdynamik gestört, konnte aber durch eine Therapie mittels synchronisierender Mikrostrom-Impulse teilweise wieder normalisiert werden, was eine signifikante Verbesserung der Sehleistung zur Folge hatte“, erläutert Sabel die Ergebnisse.

Für den Wissenschaftler steht damit fest: „Im Gehirn sind neuronale Aktivitäten in Zeit und Raum miteinander eng verbunden und synchronisiert, und sie beeinflussen sich gegenseitig.“ Laut Sabel sei dies nicht nur für das Verständnis des menschlichen Geistes von grundlegender Bedeutung, sondern es sei auch klinisch relevant. Dieses „Raumzeit-Konzept“ im Gehirn helfe nicht nur zu verstehen, wie die visuelle Verarbeitung und die Erholung beziehungsweise Reparatur der Sehleistung bei Menschen mit Teilerblindung funktioniere, sondern „Raumzeit“ im Gehirn könne als grundlegendes Prinzip der Architektur des menschlichen Geistes verstanden werden.

Originalpublikation:
Wu Z, Sabel BA. Spacetime in the brain: rapid brain network reorganization in visual processing and recovery. Scientific Reports 2021;11:17940.