»So kompliziert hatte ich mir das nicht vorgestellt«

Die Neurowissenschaftlerin Katrin Amunts erforscht die Anatomie des Gehirns sowie die Bedeutung der Strukturen für unsere Wahrnehmung und Intelligenz.

Das Gespräch führte RAINER KURLEMANN

Frau Prof. Amunts, gibt es ein bestimmtes Gehirn, für das Sie sich besonders stark interessieren würden?

Ein „Elite-Gehirn“, wenn Sie es so nennen wollen, von Einstein oder anderen herausragenden Menschen zu untersuchen, scheint auf den ersten Blick verlockend, aber es ist kein weittragender Forschungsansatz. Solch eine Studie kann durchaus interessante Einzelbefunde ergeben, aber es kann sehr schwierig oder unmöglich sein, sie zu verallgemeinern. Außerdem verkennt dieser Ansatz, dass wir alle als Individuen etwas Besonderes sind. Jeder Mensch hat eben ein besonderes Gehirn, das sich über viele Jahre entwickelt hat.

Was interessiert Sie denn?

Wichtig finde ich Ansätze zur Untersuchung von großen Kohorten, in die sehr viele Menschen einbezogen werden und die mit verschiedenen Verfahren der Bildgebung, der Biochemie oder Fragebögen zum Verhalten untersucht wurden. Das schafft breites Wissen, das uns bereits jetzt ermöglicht, genetische Faktoren zu identifizieren, die für sich genommen nur sehr schwach oder erst in Kombination zu einer Erkrankung beitragen. Das ermöglicht dann auch, die Mechanismen der Krankheitsentstehung besser zu verstehen. Die gewonnenen Daten können dazu beitragen, sogenannte personalisierte Modelle als mathematisches Konstrukt zu entwickeln. Sie kombinieren das Wissen aus Kohortenstudien und individuelle Patientendaten. Mit diesen personalisierten Modellen wollen wir immer bessere Vorhersagen für den einzelnen Patienten oder die einzelne Patientin machen. Das wird ein wichtiger Aspekt der Forschung sein.

Wie ähnlich sind sich unsere Gehirne?

Wir bezeichnen den Unterschied zwischen Gehirnen als interindividuelle Variabilität. Mitunter ist sie groß – so können sich einzelne Hirnareale in ihrer Größe um einen Faktor 5 unterscheiden, jedoch erkennt man immer wieder die gleichen Bauprinzipien. Man kann das vielleicht mit einem Fingerabdruck vergleichen: Sie sind individuell, aber doch prinzipiell alle ähnlich. Es gibt verschiedene Parameter, die Ähnlichkeiten beschreiben. Wir sehen auf der Ebene der Anordnung der Nervenzellen, also ihrer Architektur, große, mitunter sehr deutliche Unterschiede zwischen einzelnen Individuen. Aus dieser Variabilität ergibt sich eine interessante Forschungsfrage: Wie stark variieren Gehirne, und was bedeutet das für deren Funktion oder für Hirnerkrankungen?

Wenn Sie ein Spenderhirn untersuchen, können Sie dann etwas über den Menschen sagen, dem es gehörte?

Von der äußeren Form des Gehirns kann man nicht auf den Charakter schließen. Das steht für uns auch nicht im Fokus. Rückschlüsse auf den Charakter zu suchen, war eine Sackgasse, in die die Forschung Ende des 19. und Anfang des 20. Jahrhunderts geraten ist, als man beispielsweise vermutet hat, dass der Grad der Faltung des Gehirns etwas über die Intelligenz aussagt. Diese einfache Beziehung gibt es so natürlich nicht.

In der Vergangenheit gab es Untersuchungen mit Mördern, um herauszufinden, warum diese Menschen dazu geworden sind. Lässt sich der Sitz des Bösen im Gehirn finden?

Das ist ein schwieriges und auch sehr sensibles Thema. Es gibt bei manchen Menschen pathologische Veränderungen im Gehirn, die mit einem kriminellen Verhalten in Verbindung stehen können. Es gibt zum Beispiel Veränderungen im Gehirn, die Folgen für die Fähigkeit zur Empathie oder zur Impulskontrolle haben. Das führt natürlich noch nicht automatisch zu kriminellem Verhalten, kann aber ein Faktor sein. Doch man darf nicht erwarten, dass man im Gehirn ein absolutes Kriterium für „das Böse“ finden wird.

Sprechen wir über ein konkretes Beispiel aus dem Alltag. Wenn jemand eine Katze sieht, das Tier erkennt und vielleicht auch das Wort Katze sagt, wie gut ist diese Art der Wahrnehmung verstanden?

Gerade im Bereich der visuellen Wahrnehmung ist die Forschung sehr weit fortgeschritten. Die Funktionen, die die Erkennung von Objekten oder Szenen betreffen, sind recht gut verstanden und wir kennen die beteiligten Hirnareale, Schaltkreise und Wege der Informationsverarbeitung: vom Sehen bis zum Verständnis dessen, was wir sehen – und ihm auch einen Namen zuordnen können.

Menschen reagieren unterschiedlich: Einige haben Angst vor Katzen, weil sie schlechte Erfahrungen gemacht haben, andere wollen schmusen. Lassen sich diese Unterschiede heute schon im Gehirn erkennen?

Den emotionalen Aspekt wie die Angst oder die positiven Emotionen kann man durchaus mit bestimmten Hirnregionen in Zusammenhang bringen, und es gibt Unterschiede in der Verarbeitung von positiv oder negativ besetzten Eindrücken. Was immer noch sehr kompliziert bleibt, ist das Verständnis auf der Ebene des ganzen Gehirns. Es fehlt uns bislang das mechanistische Verständnis, wie es zu dieser positiven oder negativen Reaktion kommt. Auch die neurobiologische Ebene, wie viele und welche Zellen miteinander verschaltet sein müssen, damit am Ende ein positiver oder negativer Eindruck entsteht, ist kaum bekannt.

Macht also die Ausgestaltung der Netzwerke unsere Empfindung aus?

Ja, allerdings sind diese Netzwerke auch wandelbar. Menschen sind keine fest verdrahteten Roboter. Wir wissen inzwischen einiges, aber vieles noch nicht über die genetischen, die molekularen und zellulären Voraussetzungen dessen, was sich im Gehirn tut, wenn wir dazulernen und sich damit unser Wissen verändert. Menschen sind auch in der Lage, solche Ängste und Phobien zu überwinden. Das Gehirn ist plastisch, es kann sich der Umgebung sehr flexibel anpassen. Aber was ist der Auslöser, dass es auf einmal ganz anders läuft, von Angst und Stress in eine positive Richtung? Das sind große Forschungsfragen, die wir gemeinsam mit Psychologen und Kognitionswissenschaftlern adressieren.

Im „Julich Brain Atlas“ kann ich mir das statische Gehirn detailliert anschauen. Lässt sich mit dem Hirnatlas auch die Fähigkeit zur ständigen Veränderung erforschen?

Das Gehirn hat eine große Stabilität – was schon damit anfängt, dass es ein ganzes Leben lang funktioniert. Es gibt Erinnerungen, die wir über Jahrzehnte unseres Lebens bewahren, und Fähigkeiten, die wir einmal erlernt haben und behalten. Das ist eine unglaubliche Leistung. Die Stabilität des Gehirns steht in einer Art Spannungsverhältnis zu seiner Plastizität. Der Atlas hilft letztlich, die Regionen besser zu identifizieren, in denen diese plastischen Veränderungen stattfinden. Sie erfolgen sehr häufig auf der Ebene von Zellen. Zum Beispiel können Verbindungen zwischen zwei Nervenzellen verstärkt oder auch abgeschwächt werden. Dahinter stehen physiologische Prozesse, die zum Teil sehr kleine Netzwerke betreffen. Wir sehen auch, dass Plastizität auf der Ebene der Rezeptoren für Botenstoffe, der Transmitter, abläuft. Botenstoffe binden an diese Rezeptoren und verändern damit die Aktivität von Nervenzellen. Sie können die Effizienz der Verknüpfung einer Nervenzelle mit anderen Nervenzellen verändern. Soweit wir das beobachten können, verändern sich die Hirnareale beim Erwachsenen nicht wesentlich.

Sie haben die Bedeutung der Physiologie angesprochen. Ist es womöglich für das Verständnis des Gehirns sogar wichtiger, statt der bloßen Anordnung der Zellen diesen Stoffwechsel zu betrachten?

Das sind zwei Seiten einer Medaille – Struktur und Funktion. Wir können weder über die reine Betrachtung des anatomischen Aufbaus die Funktion erkennen noch können wir über eine reine Betrachtung der Physiologie verstehen, wie das Gehirn als System funktioniert. Physiologische Prozesse werden im Gehirn über sehr verschiedene Netzwerke ermöglicht, und trotzdem kann am Ende dasselbe Verhalten stehen. Forschung zur Anatomie und zur Physiologie muss deshalb Hand in Hand arbeiten.

Ist das Gehirn zu komplex, als dass wir es vollends verstehen können?

Als Naturwissenschaftlerin denke ich schon, dass die Natur im Prinzip begreifbar und erkennbar ist. Wir verstehen auch jetzt schon sehr viel über die Art und Weise, wie wir ein Gedächtnis ausbilden, wie wir unser Gedächtnis abrufen oder wie Inhalte auf physiologischer Ebene verstärkt oder abgeschwächt werden. Auf der Netzwerkebene gibt es dazu heute schon gute Konzepte. Es ist immer die Frage, wie hoch unser Anspruch ist: Was bedeutet, alles zu verstehen? Was bedeutet, das Bewusstsein als solches zu verstehen? Wir wissen schon heute, welche höheren Regionen des Gehirns am Bewusstsein beteiligt sind, und haben Möglichkeiten, Bewusstsein zu erkennen und Wachheitszustände zu messen. Das sind wichtige Fortschritte, etwa bei der Beurteilung von komatösen Patienten. Aber über die grundlegenden Fragen, wie und warum das Bewusstsein entsteht, gibt es weiterhin unterschiedliche Theorien, die man nach und nach überprüfen muss.

Werden die Fragestellungen größer, je mehr Sie über das Gehirn wissen?

Das Gehirn anatomisch abzubilden und seine zelluläre Struktur zu erfassen, ist in der Tat nur ein Baustein, es zu verstehen. Es kommt dann noch auf die Verknüpfung mit anderen Bausteinen an. Damit können wir uns neuen und anspruchsvolleren Fragestellungen widmen. Ein Beispiel: Es gibt in der motorischen Rinde sehr schöne große Pyramidenzellen, und wir wissen, dass ihre Fortsätze bis ins Rückenmark reichen – das ist die anatomische Seite. Das Rückenmark schickt die Signale dann in die Muskulatur der Hand und wir können eine Bewegung ausführen. So weit verstehen wir den Mechanismus. Die komplexeren Fragen betreffen die Vielfalt und Perfektionierung der Funktionen: Wenn wir die Bewegung mehrmals machen, wenn wir sie trainieren und üben, bekommt sie eine neue Qualität, wir können kompliziertere Dinge tun als vorher. Dann kommt am Ende möglicherweise die Fähigkeit zustande, eine Chopin-Etüde mit atemberaubender Geschwindigkeit und großem Ausdruck zu spielen. Man kann mit sehr vielen experimentellen Ansätzen untersuchen, wie Musik im Gehirn verarbeitet wird. Bildgebende Studien bei Musikern können zeigen, welche Bereiche im Gehirn aktiviert werden, wenn man sich vorstellt, ein Stück auf dem Klavier zu spielen oder zu hören. Man kann auch die Geschicklichkeit der Hand messen oder die Unabhängigkeit der Fingerbewegungen. Das alles erklärt jedoch nicht, warum es so außergewöhnliche Konzerte gibt.

Denken Sie heute anders über das Gehirn als vor 20 oder 30 Jahren?

Ja, mit Sicherheit. So kompliziert hatte ich es mir nicht vorgestellt, als ich angefangen habe, die Zell-Architektur zu untersuchen. Die Komplexität des Gehirns ist für mich beeindruckend. Das Gehirn ist eben nicht nur eine Ansammlung von 86 Milliarden Nervenzellen, die alle ähnliche Funktionen haben. Die Zellen bilden kleine und große Netzwerke. Wir sehen, dass die baulichen Prinzipien von kleinen Netzwerken sich teilweise auch auf der Ebene von großen Netzwerken widerspiegeln. Um die Funktionalität des Gehirns und letztendlich auch seine Bedeutung für das Verhalten des Menschen zu erfassen, muss man die verschiedenen Skalen überbrücken und miteinander in Beziehung setzen – von der genetischen zur molekularen, zur zellulären Ebene und zum ganzen Gehirn. Dann müssen die Verbindungen aufgeklärt werden zu kognitiven Prozessen und Verhalten, die wiederum auch von sozialen oder kulturellen Faktoren beeinflusst werden. Diese Erkenntnis, dass man für ein umfassendes Verständnis des Gehirns die wechselseitigen Beziehungen erforschen muss – was oft nur über verschiedene Wissenschaftsdisziplinen möglich ist –, hat sich erst im Laufe der Jahre entwickelt.

Wie beeinflusst unser Verhalten das Gehirn?

Über unsere Sinnesorgane – Nase, Zunge, Ohren, Augen, unsere Haut – nehmen wir unsere Umwelt wahr. Die Umwelt wirkt auch auf das Gehirn zurück, zum Beispiel über Stress, Lebensstil oder Ernährung. So wird heute auch sehr intensiv darüber geforscht, wie das Mikrobiom im Darm mit dem Gehirn zusammenhängt. Das sind Erweiterungen der Hirnforschung, die man vielleicht vor 20 Jahren noch nicht so gesehen hat. Auch die Wirkung sogenannter epigenetischer Faktoren auf das Gehirn hat zu Beginn meiner beruflichen Laufbahn keine Rolle gespielt.

Hat das auch die Forschungslandschaft verändert?

Eine einzelne Forschungseinrichtung kann diese zusätzliche Komplexität nicht mehr vollständig abdecken. Dazu brauchen wir große internationale Forschernetzwerke wie das Human Brain Project und offene digitale Plattformen wie EBRAINS, ergänzend zu Einzelforschung oder kleinen Forschergruppen.

Man kann ein Interview mit einer Gehirnforscherin nicht beenden, ohne nach künstlicher Intelligenz zu fragen. Ich vermute, Sie mögen den Begriff Intelligenz im Zusammenhang mit einer Maschine nicht, oder?

Ich habe nichts gegen den Begriff, aber möchte ihn präzise verwenden. Der Begriff ist dermaßen präsent in der Gesellschaft, dass man sich damit auseinandersetzen muss. Er suggeriert natürlich, dass KI viel mit menschlicher Intelligenz zu tun hat, von der wir als Menschen sehr häufig eine sehr klare Vorstellung haben. Die Begriffsprägung suggeriert rein sprachlich, dass es eine Ähnlichkeit oder Gleichartigkeit gibt. Ob es wirklich vergleichbare Mechanismen sind oder ähnliche Strukturen von künstlichen und natürlichen Netzwerken gibt und welche das genau sind, muss man mit Methoden der Neurowissenschaften überprüfen. Die Beantwortung dieser Frage erfordert auch, dass wir ein genaueres Verständnis vom Begriff der Intelligenz beim Menschen oder intelligenten Verhaltensweisen im Bereich der Biologie entwickeln und diesen dann mit dem Intelligenzbegriff bei künstlichen Systemen abgleichen.

Was bedeutet das für die Hirnforschung?

Aus meiner Sicht ist es zunehmend wichtig, herauszuarbeiten, wo die Übereinstimmungen und auch Unterschiede zwischen natürlicher und künstlicher Intelligenz liegen. Innerhalb der Helmholtz-Gemeinschaft entwickeln wir ein Forschungsprogramm zu solcher „Neuro-KI“ – ein neues Gebiet, das an der Schnittstelle zwischen Neurowissenschaft und künstlicher Intelligenz entsteht. Es soll einerseits davon profitieren, dass wir über das Gehirn, über die Netzwerkstrukturen, über die kognitiven Fähigkeiten möglichst viel verstehen und dieses Wissen in technische Lösungen überführen. Zugleich wollen wir auch Limitationen für KI verstehen: Warum halluzinieren beispielsweise künstliche neuronale Netzwerke? Warum erzeugen sie überzeugend wirkende, aber weitgehend erfundene Resultate bei Einsatzgebieten, wo wir es nicht erwarten konnten?

Steckt für Sie im Begriff künstliche Intelligenz also ein anderer Intelligenzbegriff als bei menschlicher Intelligenz?

Ja, ich würde zwischen menschlicher und künstlicher Intelligenz unterscheiden. Wir können erwarten, dass künstliche Intelligenz in den nächsten Jahren sehr viele Aufgaben schneller und besser lösen kann, als wir Menschen dazu in der Lage sind. Gleichzeitig liegt unserer Intelligenz sehr viel mehr zugrunde als einem künstlichen neuronalen Netzwerk. Es ist vielleicht nicht immer die bessere Intelligenz, aber eine andere – sie hat eine andere physische Grundlage, sie entsteht anders und sie hat eine andere Wahrnehmung, eine andere Auseinandersetzung mit der Welt und ihrer Umgebung. Das ist auch eine Erfahrung aus der Hirnforschung selbst und sie unterstreicht, dass wir das Verhältnis zwischen natürlicher und künstlicher Intelligenz, zwischen Gehirn und Computer weiter erforschen müssen. Wir müssen Begriffe klären und Kriterien definieren, wie man die beiden Intelligenzen differenzieren kann. ■

Katrin Amunts

(*1962) war von 2016 bis 2023 wissenschaftliche Leiterin des Human Brain Project am Forschungszentrum Jülich. Seither ist sie Geschäftsführerin von EBRAINS, einer neuen digitalen Infrastruktur für Hirnforschung. Die Direktorin am Institut für Neurowissenschaften und Medizin am FZ Jülich ist auch Professorin an der Universität Düsseldorf.

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