HIRNFORSCHUNG Gleichtakt im Flaschenhals
Als der Patient H. M. aus der Narkose erwachte, war seine Gegenwart auf die Länge eines abgeschlossenen Gedankens geschrumpft. Mühelos konnte er einfache Rechenaufgaben lösen, Fotos in einem Magazin betrachten oder einen Besucher begrüßen. Aber was war in dem Moment zuvor passiert? Er konnte sich nicht mehr erinnern.
Bis zu seiner Operation am 23. August 1953 hatte der Montagebandarbeiter aus Manchester, US-Staat Connecticut, unter schweren epileptischen Anfällen gelitten. Der Chirurg William Scoville sollte die Anfallsherde aus dem Gehirn des damals 27-Jährigen herausschneiden. Doch als Scoville auf beiden Seiten etwa acht Zentimeter große Gewebeteile aus den mittleren Schläfenlappen entfernt hatte, darunter große Teile des Hippokampus, hatte H. M. zur Verblüffung seiner Ärzte die Fähigkeit verloren, neue Informationen in sein Gedächtnis einzuspeichern.
Zwar entsann sich der Patient korrekt an Ereignisse aus seiner Kindheit ebenso wie an Begebenheiten kurz vor der Operation. Neue Namen, Zahlen, Gesichter und Erlebnisse sickern jedoch seither durch das Bewusstsein von H. M., ohne die geringste Erinnerungsspur zu hinterlassen. Besucher, die den Raum verlassen und kurz darauf erneut durch die Tür kommen, begrüßt H. M., der noch heute in einem Pflegeheim lebt, als hätte er sie nie zuvor gesehen.
»Ein schreckliches Leben, aber für die Gedächtnisforschung ist der Patient H. M. von unschätzbarem Wert«, sagt Guillén Fernández, Neurologe und Grundlagenforscher an der Bonner Klinik für Epileptologie. »Sein Fall hat bewiesen, dass der Hippokampus für das Einspeichern von bewussten Gedächtnisinhalten unentbehrlich ist.«
Über die Arbeitsweise dieses Bioprozessors im Denkapparat existierten bislang nur Vermutungen. Nun entdeckten Fernández und seine Kollegen, der Physiker Jürgen Fell und der Experimental-Psychologe Peter Klaver, erstmals den Mechanismus, der, einem Türsteher gleich, einströmende Informationen sortiert - in solche, die aufbewahrt werden sollen, und solche, die auf Nimmerwiedersehen im Orkus des Vergessens verschwinden (siehe Grafik).
Bei Messungen hatten die Bonner Aktivitätsmuster im Gehirn entdeckt, die nahe legten, dass neben dem seepferdchenförmig geschwungenen Hippokampus noch eine weitere Struktur an der Gedächtnisbildung beteiligt sein musste: Bei Merktests schien stets gleichzeitig das so genannte Riechhirn tätig zu sein, eine pflaumenkerngroße Struktur, etwa 15 Millimeter entfernt.
Fell, Fernández und Klaver wollten der Kommunikation zwischen den beiden Hirnregionen auf die Spur kommen. Dafür nutzten sie die einzigartige Chance, die die moderne Epilepsiediagnostik der Gedächtnisforschung bietet: Im Bonner Epilepsiezentrum - dem größten der Welt - können Chirurgen heute ihren Patienten das Schicksal von H. M. ersparen. Sie versenken Mess-Elektroden im Hirn derjenigen Erkrankten, denen eine Operation helfen könnte. Dann warten sie auf den nächsten Anfall. So können sie vor dem Eingriff den Sitz der Anfallsherde präzise bestimmen - und vorhersagen, welche Folgen der Eingriff für das Gedächtnis der Patienten haben wird.
Weil die Elektroden direkt am Hippokampus und dem Riechhirn entlangführen, können Fernández und seine Kollegen in der Zeit, in der die Patienten auf Anfälle warten, wie durch ein Schlüsselloch deren Gedächtnis bei der Arbeit zusehen.
Dafür präsentierte Psychologe Klaver Patienten auf einem Bildschirm Serien von je zwölf unzusammenhängenden Wörtern. Beispielsweise: »Maus«, »Appetit«, »Dezember«. Bevor die Testpersonen diejenigen Wörter aufzählten, die sie sich gemerkt hatten, mussten sie 30 Sekunden lang von 69 an in Dreierschritten rückwärts zählen. »Wenn danach die ,Maus' noch da ist«, sagt Fernández, »dann muss sie vor der Rechenaufgabe vom Arbeitsspeicher des Gehirns ins Gedächtnis übergegangen sein.«
Ein Jahr lang entwickelte Physiker Fell Computerverfahren, um aus den wirren Signalen des Gehirns das Rauschen herauszufiltern. Erst als er dann den restlichen Wellensalat sortierte, fiel ihm plötzlich eine bemerkenswerte Regelmäßigkeit auf: Kurz nachdem ein Wort auf dem Bildschirm erschienen war, wurden stets erst die Neuronen im Riechhirn, dann die im Hippokampus aktiv. Die Probanden hatten sich dabei immer genau diejenigen Wörter gemerkt, bei denen die Nervenzellen beider Hirnregionen exakt synchron feuerten, und zwar im so genannten Gamma-Schwingungsbereich mit einer Frequenz von knapp 40 Hertz.
Wörter, die den Flaschenhals zwischen Hippokampus und Riechhirn passierten, ohne den Gleichtakt der Neuronen auszulösen, waren hingegen - schwups - durchgerutscht und vergessen. So zuverlässig wiederholten sich die Schwingungsmuster, dass Fell hätte voraussagen können, an welches Wort sich die Probanden erinnern würden.
»Die Phasen-Synchronisation entscheidet darüber, ob ein Gespräch über den Gartenzaun, eine neue Englischvokabel oder die Gesichtszüge einer neuen Partybekanntschaft aus dem Arbeitsgedächtnis in eine dauerhafte Form übersetzt werden«, erklärt Fernández. »Alles muss durch diesen Flaschenhals hindurch.«
Trifft man den Partygast am Samstag darauf ungekämmt und verschlafen beim Metzger wieder, wälzt das Gedächtnis die alte Information gemeinsam mit der neuen durch den Synchronisationstrichter. Jeder Abruf verändert so die alte Erinnerung - eine Tatsache, die maßgeblich dazu beiträgt, dass Zeugenaussagen oft unzuverlässig sind.
In den letzten Jahren waren Hirnforscher schon einmal auf den Mechanismus synchronisierter 40-Hertz-Schwingungen gestoßen: Das Gehirn nutzt sie bei der Verarbeitung visueller Reize. »Aber dass Synchronisation auch im Gedächtnis benutzt wird, ist eine völlig neue Erkenntnis«, sagt Fernández. »Es könnte sogar ein Hinweis darauf sein, dass weite Teile aller Koordination und Kommunikation im Gehirn auf einer synchronen Schwingung von 40 Hertz basieren.«
In der Dezember-Ausgabe des Magazins »Nature Neuroscience« preist Anthony Wagner, Hirnforscher am renommierten Massachusetts Institute of Technology in Boston, die Entdeckung der Bonner denn auch als »Meilenstein« der Gedächtnisforschung - zumal sie eine Reihe bekannter Phänomene verständlich macht.
Eselsbrücken zum Beispiel sind das bewährteste Mittel, der Erinnerung auf die Sprünge zu helfen; Gedächtniskünstler etwa merken sich lange Ziffernfolgen, indem sie sie im Geiste mit Bildern oder Geschichten verkoppeln. Die Bonner Experimente erklären, warum dieser Trick funktioniert: Je mehr Hirnareale ihrer Probanden an der Verarbeitung eines Wortes beteiligt waren, desto höher fiel die elektrische Aktivität von Hippokampus und Riechhirn beim Prozessieren dieser Information aus.
Besonders effektiv bleibt meist im Gedächtnis haften, was in der Erinnerung mit Freude, Angst oder Erregung verknüpft ist - auch dies eine Beobachtung, die sich mit Hilfe der Bonner Testergebnisse deuten lässt: Direkt über dem Flaschenhals des Gedächtnisses nämlich liegen in beiden Hirnhälften die Mandelkerne, bekannt als Sitz der Gefühle. Senden diese Areale ein Trommelfeuer in Richtung Hippokampus und Riechhirn aus, während dort gerade Informationen verarbeitet werden, potenziert dies vermutlich ebenfalls den Türöffnermechanismus der Synchronisation.
Um die Mechanik der Erinnerung weiter zu entschlüsseln, wollen die Bonner als Nächstes erkunden, welchen Weg eine Information beim Abruf durch das Merksystem nimmt und wie das Gedächtnis werkelt, während der Mensch schlummert. Dabei werden sie sich allerdings beeilen müssen. Denn irgendwann, sagt Fernández, werden die nicht invasiven Methoden in der Epilepsiediagnostik so weit entwickelt sein, dass kein Patient mehr mit Elektroden im Gehirn auf einen Anfall warten muss. »Dann ist das Schlüsselloch zu, durch das wir heute schauen können.« BEATE LAKOTTA
