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ERC-Grant für neuronale Fingerabdrücke von Gehirnleistungen

Mit Fingerabdrücken beschäftigt sich Dr. Markus Siegel vom Centrum für Integrative Neurowissenschaften (CIN) der Universität Tübingen in seinen Forschungsarbeiten. Aber nicht mit solchen, wie sie zur Verbrechensaufklärung verwendet werden, sondern mit Fingerabdrücken der Aktivität von Nervenzellen im Gehirn. Mit deren Hilfe möchte der Wissenschaftler klären, welche Mechanismen die Interaktion zwischen verschiedenen Gehirnregionen koordinieren, und wie es dazu kommt, dass Menschen lernen, wahrnehmen oder entscheiden können. Dafür erhielt er kürzlich die hochdotierte Forschungsförderung des Europäischen Forschungsrates, den „ERC Starting Grant“.

Die „Starting Grants“ der EU unterstützen besonders innovative Forschungsarbeiten auf Gebieten, die ganz neue Erkenntnisse hervorbringen könnten – sogenannte Pionierforschung. Für die Dauer von fünf Jahren erhalten junge Wissenschaftler, die bereits exzellente Leistungen auf ihrem Gebiet erbracht haben, eine Förderung mit einem Projektvolumen von bis zu 1,54 Millionen Euro.

Dr. Markus Siegel vom Centrum für Integrative Neurowissenschaften (CIN) in Tübingen erforscht grundlegende neuronale Mechanismen der Gehirnfunktion und möchte herausfinden, wie es dazu kommt, dass Menschen lernen, wahrnehmen oder entscheiden können. © Markus Siegel

Dr. Markus Siegel vom Centrum für Integrative Neurowissenschaften (CIN) der Universität Tübingen erhielt den „Starting Grant“ für sein Projekt „SPECFIN – Spektrale Fingerabdrücke neuronaler Interaktionen“. In seinen Forschungsarbeiten steht die Frage im Zentrum, welche Mechanismen die Interaktionen verschiedener Gehirnregionen koordinieren, und wie daraus die vielfältigen Leistungen des Gehirns im Zusammenspiel von Nervenzellen entstehen. Dazu möchte der Mediziner mit seiner Arbeitsgruppe Hirnrhythmen untersuchen, um herauszufinden, wie die Nervenzellen miteinander kommunizieren. Die Wissenschaftler erhoffen sich, dabei grundlegende neuronale Mechanismen zu identifizieren, denen man jeweils spezifische Frequenzen der Hirnaktivität zuordnen kann.

Grundlegende neuronale Mechanismen bestimmen kognitive Leistungen

Fingerabdrücke nennen die Wissenschaftler solche Hirnrhythmen, die spezifisch für bestimmte grundlegende neuronale Mechanismen sind: Zum Beispiel vermutet man, dass ein kognitiver Prozess – wie etwa „eine Entscheidung treffen“ – im Gehirn von einem Set grundlegender Mechanismen implementiert ist, die diese spezifische Funktion in ihrem Zusammenspiel hervorbringen. Dabei findet man auch bei verschiedenen kognitiven Prozessen immer wieder bestimmte, vergleichbare Rhythmen. Diese Rhythmen könnten somit verschiedene grundlegende Mechanismen widerspiegeln, die den kognitiven Prozessen zugrunde liegen. Diesen Zusammenhang zwischen Hirnrhythmen, grundlegenden neuronalen Mechanismen und verschiedenen kognitiven Gehirnleistungen möchte Siegel herausfinden.

Abbildung eines Netzwerks aus Hirnarealen. © Markus Siegel

„Obwohl das Elektroenzephalogramm (EEG) schon eine relative lange praktizierte, Untersuchungsmethode ist, die heute zum klinischen und wissenschaftlichen Standard gehört, weiß man noch immer relativ wenig darüber, welche grundlegenden neuronalen Mechanismen den Hirnrhythmen zugrunde liegen“, erklärt Dr. Siegel. In seinen Versuchen, die sowohl an Menschen als auch bei Tieren durchgeführt werden, will der Wissenschaftler diesen Zusammenhang in den nächsten Jahren verstehen lernen: Mit Hilfe von EEG und MEG (Magnetoenzephalographie) wollen die Forscher Hirnschwingungen von Probanden aufzeichnen und vergleichen. Diese Messungen werden sowohl im Ruhezustand als auch beim Lösen von verschiedenen kognitiven Aufgaben stattfinden. Gleichzeitig werden vergleichbare Experimente mit Tieren durchgeführt, bei denen aber auch zusätzlich invasive Messungen die Untersuchung der neuronalen Aktivität auf der Zellebene ermöglichen. „Mit der starken und langfristigen Förderung der EU wird es uns glücklicherweise ermöglicht, solch ein anspruchsvolles wissenschaftliches Projekt anzugehen“, so der Tübinger Wissenschaftler.

Besseres Verständnis neuropsychiatrischer Erkrankungen

Siegel beschäftigt sich schon seit vielen Jahren mit Hirnrhythmen. Was sich zunächst eher theoretisch anhört, zielt langfristig durchaus auch auf die konkrete medizinische Anwendung: „Wir erwarten, dass die Ergebnisse uns irgendwann ein besseres Verständnis für verschiedene neuropsychiatrische Erkrankungen ermöglichen. Beispielsweise findet man bei der Schizophrenie sowohl eine Dysfunktion neuronaler Netzwerkinteraktionen als auch veränderte Hirnrhythmen. Ein besseres Verständnis der neuronalen Grundlagen von Hirnrhythmen könnte also dazu beitragen, die neuronalen Grundlagen dieser Erkrankung besser zu verstehen“, erklärt der Mediziner.

Eine neue Beschreibungsebene von Gehirnleistungen

Plan ist, dass die Forschungsarbeiten der nächsten fünf Jahre über mehrere Stufen ablaufen. Am Ende des Weges wollen die Forscher um Siegel dann idealerweise eine neue Sprache oder Taxonomie etablieren, mit der sie Hirnleistungen auf der Ebene von grundlegenden neuronalen Mechanismen beschreiben können. Diese Ebene soll somit zwischen der Ebene einzelner Nervenzellen und der psychologischen Ebene liegen. Siegel ist vorsichtig optimistisch: „Wahrscheinlich werden wir diese Ebene zunächst nur mit vielen Einschränkungen beschreiben können, aber es wäre bereits ein großer Erfolg, wenn wir beginnen könnten, den Zusammenhang zwischen grundlegenden neuronalen Mechanismen und kognitiven Prozessen aufzuklären.“

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