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Schwingungen im Gehirn

Schwingungen Gehirn
(c) AP (HERIBERT PROEPPER)

Beim Denken spielen Oszillationen eine wesentliche Rolle: Sie steuern, wie stark erregbar Nervenzellen sind. Salzburger Hirnforscher konnten nun beweisen, dass Hemmung bei Denkprozessen eine viel bedeutendere Rolle spielt als Erregung.

Es ist ungefähr 1300 Gramm schwer, besteht zu über 80Prozent aus Wasser, ist aus rund 100 Milliarden Zellen aufgebaut, die 100 Billionen Verbindungen haben – und verbraucht ein Fünftel des Sauerstoffs: das menschliche Gehirn. Es ist die mit großem Abstand komplexeste Struktur, die wir kennen. Und seine Funktionsweise ist trotz jahrhundertelanger Forschung weithin ungeklärt. Alte Theorien werden weiter verfeinert – und dazu kommen immer neue Theorien.

So galten vor zehn Jahren in der Gehirnforschung Oszillationen – also Schwingungen – noch als Hirngespinst, als Irrweg einiger weniger Forschergruppen. Bei der Ableitung der elektrischen Potenziale von Nervenzellen waren Oszillationen zwar gefunden worden, sie wurden aber rein physiologisch gedeutet. Undenkbar schien es dem Gros der Forscher, dass sie eine wesentliche Funktion haben sollten – schon gar nicht als generell organisierendes Prinzip im Gehirn.


Wellenberge und -täler. Gut zehn Jahre sind nun vergangen und siehe da, auch das Forscherblatt hat sich gewendet. Wolfgang Klimesch und seine Forschungsgruppe an der Universität Salzburg werden von ihren Kollegen nun nicht mehr für diese Idee belächelt, sondern im Gegenteil mit Anerkennung überhäuft. Ein von Klimesch zusammen mit Paul Sauseng und Simon Hanslmayr im Fachmagazin „Brain Research Reviews“ veröffentlichter Artikel wurde besonders häufig zitiert und erhielt dafür kürzlich eine Auszeichnung: ein Beweis dafür, dass Klimesch und seine Kollegen (mit Unterstützung durch den FWF in unzähligen Projekten) auf dem richtigen Forschungsweg sind. Auch wenn sie einer Minderheit in der Hirnforschung angehören, die sich nicht mit den populären bildgebenden Verfahren beschäftigt, sondern sich eben den Gehirnoszillationen widmet.

Wie soll man sich nun diese Gehirnoszillationen vorstellen? „Ganz einfach“, sagt Klimesch. „Ich vergleiche sie immer mit Wasserwellen. Werfen Sie einen Stein in einen Teich, entsteht eine Schwingung, die sich als Welle, also mit Wellenbergen und Wellentälern, fortpflanzt. Wichtig dabei ist, dass die Schwingung, die Oszillation, eine Bewegungsrichtung hat und die Wellenberge und -täler durch das Auf- und Abschwingen der Wassermoleküle zustande kommen.“

Auch Gehirnaktivitäten zeigen sich in Form von Oszillationen. Während im Wasser die Wassermoleküle synchron beeinflusst werden, sind es im Gehirn die Neuronen, die Nervenzellen. Damit Schwingungen entstehen, braucht es einen Impuls, das ist im Teich der Stein, im Gehirn sind es die Nervenzellen.

Wasserwellen brechen, wenn sie ans Ufer gelangen, und verebben. Was ist jedoch das bremsende Ufer im Gehirn? „Das Einbremsen der Gehirnaktivität erfolgt wiederum durch Oszillationen, die in diesem Fall eine spezifisch hemmende Wirkung haben.“

Konkret bestimmen Oszillationen, wann was wahrgenommen wird, sie sind für unsere selektive Wahrnehmung verantwortlich. Sie steuern unsere Aufmerksamkeit und unser Gedächtnis – und das individuell, da wir alle unsere eigenen subjektiven Erfahrungen, Interessen und Erwartungen haben, die großteils erlernt sind und bereits im frühen Kindesalter als Grundprinzip angelegt werden. Die Wellenberge der Schwingungen geben die Zeitspanne vor, in der Erregungen auftreten.

Stellen Sie sich vor, Sie gehen in der Früh zur Arbeit. Sie beobachten nichts Bestimmtes, sondern lassen einfach Ihren Blick schweifen. Durch die Augenbewegung ist die Zeitstruktur vorgegeben, in der es zu einer Erregung kommen kann, man könnte von einer unbewussten Erwartung sprechen, dass irgendetwas auf der Straße für Sie wichtig sein könnte. Was für Sie wiederum wichtig werden könnte, hängt von Ihren Erwartungen, Ihren Interessen und Erfahrungen ab. Sie nehmen zum Beispiel einen Radfahrer wahr, der gerade in die Straße einbiegt, die Sie überqueren möchten. In Ihrem Gehirn besteht bereits eine erhöhte Erregung für die Wahrnehmung dieses Ereignisses. Je höher die Amplitude, also die maximale Auslenkung der Oszillation, ist, desto aufmerksamer sind Sie.

Würde aber immer ein Zustand der Erregung vorliegen, gäbe es keine Schwingung. Das Prinzip der Oszillation beruht ja eben gerade auf zwei Gegenpolen: Beim Gehirn sind das Erregung und – was für uns viel wichtiger ist, wie Wolfgang Klimesch herausgefunden hat – Hemmung.

Das Spannende: Wären unsere Neuronen immer in einem erregten Zustand, würden wir ständig alles, was um uns passiert, wahrnehmen, es käme zu einem Wahrnehmungskollaps, die Informationsflut wäre einfach nicht verkraft- und verarbeitbar. Um daher sinnvolle und lebensnotwendige Informationen selektiv verarbeiten zu können, gibt es hemmende Oszillationen, die Neuronen vorübergehend und zeitlich „getaktet“ lahmlegen. Nur mehr die wichtigsten Neuronen sind in der Lage zu feuern.

Das Ganze ist natürlich stark situationsabhängig. „Es soll sich, stark vereinfacht ausgedrückt, nur das gerade in diesem Moment wichtige Signal durchsetzen, von den anderen abheben und von uns wahrgenommen werden“, erklärt Wolfgang Klimesch. „Hemmung hilft uns also, den Fokus auf die situationsbezogen relevante Information zu legen.“ Ohne sie wäre eine selektive Wahrnehmung nicht möglich. Logischerweise folgt daraus, dass es bedeutend mehr Oszillationen mit hemmenden Eigenschaften gibt als mit erregenden.

Mittels des EEG lassen sich verschiedene Gehirnwellen messen. Die Alpha-Oszillationen mit sechs bis zwölf Hertz treten zum Beispiel bei einer Meditation auf, generell bei Gehirnprozessen, bei denen die Aufmerksamkeit bewusst gesteuert wird. Die Hemmleistung der Alpha-Schwingung besteht nun darin, durch die bewusst gesteuerte Aufmerksamkeit viele andere Prozesse im Gehirn zu unterdrücken.


Erregung braucht mehr Energie. Bislang stand fast ausschließlich die Erregung im Mittelpunkt des Forschungsinteresses. „Der Schlüssel der selektiven Gehirnprozesse ist jedoch die Hemmung.“ Das hat natürlich auch erhebliche Auswirkungen auf andere Forschungsfragen, zum Beispiel auf die Frage nach der Effizienz unserer Gehirnressourcen und natürlich auch darauf, wie sich dieses komplexe Oszillationssystem im Laufe der Evolution entwickelt hat. Energieeffizient ist es jedenfalls, denn Erregung verbraucht wahrscheinlich viel mehr Energie als Hemmung.

EEG
Die Aktivität der Gehirnzellen äußert sich auch in Spannungsschwankungen an der Kopfoberfläche. Wenn man diese mit Elektroden aufzeichnet, dann entsteht ein Elektroenzephalogramm (EEG). Die Signale haben eine Stärke von fünf bis 100 Mikrovolt (Millionstel Volt).

Alpha bis Theta
Aus den Kurven lassen sich bestimmte Muster herauslesen, die u.a. etwas über den Bewusstseinszustand aussagen. Es gibt dabei regelmäßige Wellen mit ein bis 30 Hertz (Schwingungen pro Sekunde), die je nach ihrer Frequenz als Alpha-, Beta-, Gamma- oder Theta-Wellen bezeichnet werden. Daneben gibt es auch noch andere Muster, etwa sogenannte „Schlaf-spindeln“, die sich in bestimmten Schlaf-phasen zeigen.

("Die Presse", Print-Ausgabe, 01.08.2010)