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Mithilfe von Ratten

Cornelius Schwarz untersucht, wie aus Sinneseindrücken Wahrnehmung wird

Das Großhirn einer Ratteunterscheidet sich im Feinaufbau nicht wesentlich von dem des Menschen. Ein Umstand, den sich der Neurophysiologe Cornelius Schwarz am Tübinger Centrum für Integrative Neurowissenschaft (CIN) zunutze macht. Er willherausfinden, wie Sinnesinformationen im Gehirn mit Gedächtnis verknüpft und zu Wahrnehmung werden.

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Ulrike Pfeil

Tübingen. Das menschliche Gehirn geht bei der Einordnung von Informationen anders vor als der Computer. „Es ist Speicher und Prozessor in einem“, sagt Cornelius Schwarz. Anstatt lange Listen abzugleichen, arbeitet es effektiver mit assoziativen Verknüpfungen. Das Gedächtnis hilft beim Zuordnen und Erkennen. Das geschieht in den Assoziationsarealen des Großhirns, im Neokortex. Aber wie werden die Informationen zwischen verschiedenen Arealen kodiert und kommuniziert?

Raffiniertes technisches Spielzeug: Cornelius Schwarz zeigt den Arbeitsplatz einer Labor-Ratte. Im ... Raffiniertes technisches Spielzeug: Cornelius Schwarz zeigt den Arbeitsplatz einer Labor-Ratte. Im licht- und schallisolierten Kasten schlüpft die Ratte in eine kurze Röhre, aus der nur der Kopf und die Barthaare ragen. Wenn sie ihren Tastsinn einsetzt, werden ihre Hirnsignale abgeleitet und gemessen.Bild: Sommer

Weder mit bildgebenden Verfahren noch mit der Aufzeichnung von elektrischen Hirnströmen, wie sie beim Menschen eingesetzt werden, lässt sich diese Verknüpfung im Detail nachweisen und verfolgen. Die Tasthaare von Nagetieren bieten jedoch den Forschern eine direkte Verbindung zwischen Sinnesorgan und Gehirn. Das Barthaar einer Ratte ist ein feines Instrument: Es kann von dem Tier einzeln und willkürlich gesteuert werden. Das Verarbeiten der Information im Großhirn lässt sich sehr genau lokalisieren, da der Tastsinn als wichtigster Sinn dort gut ausgeprägt ist.

Computersimulation einer Versuchsanordnung: Das Barthaar der Ratte liegt in einer Glasröhre, die ... Computersimulation einer Versuchsanordnung: Das Barthaar der Ratte liegt in einer Glasröhre, die durch ein Piezoelement (gelbe Platte) bewegt wird. Zeigt die Ratte ihre Wahrnehmung an, wird sie mit Wasser belohnt. Bilder: CIN

Was man dabei entdeckt, ist auf das menschliche Gehirn durchaus übertragbar. Denn das Großhirn der Ratte, sagt Schwarz, ist (wie bei allen Säugetieren) dem des Menschen sehr ähnlich. „Unterm Mikroskop kann selbst ein Experte Kortexpräparate von Ratte und Mensch kaum unterscheiden.“ Sicher, der menschliche Kortex ist größer und stärker gefurcht, aber der Zellaufbau und die neuronalen Schaltungen sind mit denen der Ratte identisch. „Die Evolution hat die Algorithmen, das Informationsverarbeitungsprogramm, nicht mehr verändert“, sagt Schwarz. „Das ist das Faszinosum.“

Diesen Tastsinn könnte man auch als Sensor nutzen: Eine Ratte erkundet mit ihren Tasthaaren einen ... Diesen Tastsinn könnte man auch als Sensor nutzen: Eine Ratte erkundet mit ihren Tasthaaren einen Flaschenverschluss.

Und: Unterschiedliche Sinnesinformationen werden im Gehirn mit den selben Schaltvorgängen kodiert und weitergeleitet. „Das ist etwas Gemeinsames zwischen einem Menschen, der spricht, und einer Ratte, die durch Tunnel läuft“, sagt Schwarz. Aber wie funktioniert dieser Code?

Artikelbild: Cornelius Schwarz untersucht, wie aus Sinneseindrücken Wahrnehmung wird

Die Labor-Ratten sind geachtete Mitbewohner in der Abteilung von Cornelius Schwarz. „Bitte Ruhe! Ratten bei der Arbeit!“ warnt ein Schild an einer Labortür im Eingangsgeschoss des Hertie-Instituts für klinische Hirnforschung (siehe Kasten). Die Arbeitsplätze der Ratten sind kleine technische Wunderwerke, erschütterungsfrei, gegen störende Außeneinflüsse mit Boxen aus schwarzem Schaumstoff umkleidet. Die Tiere nutzen ja ihren Tastsinn zur Orientierung im Dunkeln.

Spielereien eines Feinmechanikers könnte man hinter dem Versuchsaufbau mit den zierlichen Hebelchen, Stänglein, den zarten Kabeln und Tasten, der Minikamera und dem Stimulator-Schwenkarm vermuten. Aber dies ist Wissenschaft, ein international pionierhaftes Versuchsarrangement, das inzwischen vielfach kopiert wird. Rund 50 Labore weltweit beschäftigen sich mit ähnlichen Fragen – „wir sind führend“, sagt Schwarz. Einfach ist anders: Zehn Jahre arbeitet seine Forschungsgruppe bereits am Aufbau und der Optimierung der Versuche.

Ratten sind lernfähig, sie haben ein gutes Gedächtnis. Und sie sind Beziehungstiere. Ein Trainer, den sie kennen, kann ihnen bestimmte Verhaltensmuster beibringen. Damit die Ratte bei der Arbeit fixiert werden kann, damit man messen kann, was im Gehirn passiert, bekommt sie ein Kopfimplantat. Alles unter Anästhesie; feinste, kaum sichtbare Elektrodenspitzen, noch viel dünner als eine Nervenzelle, reichen ins Hirn, „absolut schmerzfrei“, sagt Schwarz. Und wie die weißen Laborratten da mit ihrem kleinen Pin auf dem Kopf lebhaft im Käfig herumwuseln, ist das auch glaubwürdig. Mit Tieren, die gestresst oder durch Schmerzen verstört wären, ließen sich die Versuche gar nicht machen.

Fünf Nervenzellen reichen aus

Sehr viel Forschergeduld ist nötig, bis die Ratten konditioniert sind. Drei bis sechs Monate rechnet man dafür, ihnen präzise Bewegungen anzutrainieren: Sie lernen in eine Röhre zu kriechen (ihren Arbeitsplatz); sie gewöhnen sich daran, dort fixiert zu werden; sie lernen, ein einzelnes Tasthaar in bestimmter Weise zu aktivieren. Zum Beispiel wird das Haar durch ein hauchdünnes Röhrchen verlängert. Die Ratte lernt, dass sie damit einen senkrechten Glasstab berühren muss – pling! Objekt identifiziert (Wahrnehmung!); die Ratte hat gelernt, dies mit einem Tastendruck mitzuteilen. Dafür gibt es aus einer Pipette zur Belohnung einen Wassertropfen. Und wenn die Ratte nach einer halben Stunde ihr Tagwerk verrichtet hat, kriegt sie noch einen Joghurt-Drop als Schleckerle. „Die Ratte lernt mit Belohnung“, sagt Schwarz. „Das ist kein Unterschied zum Seehund im Zirkus.“

Während die Ratte ihre Bewegungs-Aufgaben macht, werden aus dem Neokortex die elektrophysiologischen Signale abgeleitet und auf einem Bildschirm dargestellt. Für die Bewegung des Tasthaars und die Wahrnehmung eines Gegenstands müssen zwei Kortexareale aktiviert werden. An den Kurven auf dem Bildschirm kann man sehen, wann eine Verknüpfung stattfindet.

Im Gehirn braucht es dafür so genannte assoziative Knoten. Doktoranden von Schwarz haben in Experimenten herausgefunden, dass nur fünf Neuronen (Nervenzellen) ausreichen, um Wahrnehmungsleistung zu erklären. „Das zeigt, dass das Gehirn sehr ökonomisch und präzise arbeitet“, sagt Schwarz.

Was fängt man nun mit diesem Wissen an? „Wir machen Grundlagenforschung“, betont der Neurowissenschaftler. Zunächst geht es darum, überhaupt zu verstehen, wie das Großhirn funktioniert. Erst in Jahren oder gar Jahrzehnten könne man vielleicht für die Therapie von Großhirnerkrankungen wie Alzheimer, Parkinson oder Depressionen Nutzen ziehen. Langfristig sind auch Neuroprothesen vorstellbar, die Wahrnehmungsdefekte im Gehirn selbst reparieren. Erste Versuche im Labor zeigen, dass mit ihnen die Signalvermittlung im Kortex durch intelligente Stimulation, die den Zustand der Nervenzellen einbezieht, optimiert werden kann. Später könnten bei Patienten so Sinneseindrücke wieder hergestellt werden, die durch eine neurologische Erkrankung verloren gegangen sind.

In der nahen Zukunft will Schwarz die Erkenntnisse über die Informationsverarbeitung im Gehirn mit der Beobachtung von molekularen Prozessen und genetischen Bedingungen in Beziehung setzen. Ins Labor werden dann neben den Ratten auch genetisch veränderte Modell-Mäuse einziehen.

03.02.2011 - 08:30 Uhr

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