Hirnforschung: Wir wissen, dass wir kaum etwas wissen

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Warum die Forschung der Komplexität unseres Gehirns nur langsam auf die Schliche kommt, das erläuterten die Gäste bei der 19. Leopoldina Lecture, die in Kooperation mit der Nationalen Akademie der Wissenschaften Leopoldina am 25. Juni 2021 digital stattfand. 

Analyse und Emotionen - unser Gehirn kann im besten Fall beides. Für die Forschung hält unser Denkorgan aber noch viele Fragen bereit (Grafik: AdobeStock / peshkov).

Unter dem Titel "Das menschliche Gehirn - Erkundungen eines faszinierenden Organs" sprachen Prof. Dr. Wolf Singer, Prof. Dr. Dr. Elisabeth Binder und Prof. Dr. Jürgen Knoblich mit Moderatorin Maria Grunwald. Sie gaben u.a. Einblick in die Möglichkeiten und Limitationen von Hirnorganoiden. Organoide sind Organstrukturen, die mithilfe von Stammzellen in vitro erzeugt werden. Hirnorganoide stellen einen der wichtigsten aktuellen Forschungsansätze dar, um Teile des menschlichen Gehirns nachzubilden und somit Krankheiten erforschen zu können, über die die Wissenschaft noch zu wenig weiß, um sie behandeln zu können.

Hirnforschung: Methodische und intellektuelle Herausforderungen

Den wissenschaftlichen Auftakt machte Prof. Dr. Wolf Singer, emeritierter Professor am Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Gründungsdirektor des Ernst Strüngmann Instituts für Neurowissenschaften ebenda. Unter dem Titel "Die Faszination des menschlichen Gehirns. Was wir wissen – Konsequenzen und Herausforderungen" gab er zunächst einen Überblick über Erkenntnisse, die die Wissenschaft rund um unser Hirn als gesichert ansieht. Dazu zählt beispielsweise neben der Evolution des Organs auch welche Strukturen und Areale für Leistungen wie Sehen, Sprechen, Motorik aber auch moralisches Empfinden zuständig sind und wie sie miteinander agieren.

Videomitschnitt der Veranstaltung

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Die Aktivität einer sehr großen Zahl von Nervenzellen gleichzeitig zu erfassen und deren Zusammenspiel zu verstehen, sei eine methodische und intellektuelle Herausforderung, so Singer. (Foto: VolkswagenStiftung)

Psychiatrische Diagnosen: Vom Symptom zum Mechanismus

Den medizinischen Blickwinkel nahm im folgenden Vortrag Prof. Dr. Dr. Elisabeth Binder, Geschäftsführende Direktorin des Max-Planck-Instituts für Psychiatrie in München, ein. Sie befasste sich mit "Stand und Perspektiven der Behandlung psychiatrischer Erkrankungen".

Zum Einstieg verwies Binder darauf, dass psychiatrische Erkrankungen ein weltweites Problem darstellen. Sie zählen zu den Erkrankungen, die neben dem individuellen Leid der Betroffenen zur größten Krankheitslast für die Gesellschaft beitragen, z.B. durch Ausfall aus dem Beruf oder dem sozialen Leben. Hinzu komme, dass diese Erkrankungen schwierig zu behandeln seien. Daher bleibe die Hälfte der Patient:innen in einem Zustand, in dem sie nicht mehr auf dasselbe Funktionsniveau zurückkehrten wie vor der Erkrankung.

Binder bezeichnete es als Dilemma, dass die Psychiatrie noch immer ein nur sehr rudimentäres Verständnis der Krankheitsprozesse habe. Die Diagnosen seien rein symptombasiert, es gebe keine Biomarker, Behandlung fände nach dem Versuch und Irrtums-Prinzip statt. Zur Verdeutlichung führte sie an, dass es in der Inneren Medizin mehr als 3000 zugelassene klinische Tests gebe: von blutbasierten Untersuchungen über Ultraschall und EKG bis hin zum Blutdruckmessgerät. "In der Psychiatrie haben wir hingegen ein einziges zugelassenes diagnostisches Instrument: Das ist die Katalogisierung von Symptomen, die im Dialog von Patient und Therapeut erarbeitet werden. Alle unsere Diagnosen basieren nur auf Symptomen." 

Frau im Livestream
Binder bezeichnete es als Dilemma, dass die Psychiatrie noch immer ein nur sehr rudimentäres Verständnis der Krankheitsprozesse habe. (Foto: VolkswagenStiftung)

Doch sie teilte auch mutmachende Botschaften. Sie betonte, dass es in mehreren Bereichen in den vergangenen Jahren Durchbrüche gegeben habe, unter anderem durch große Fortschritte in der Genetik, durch sogenannte optogenetische Methoden und durch intelligente Geräte, die die Bewegung von Patient:innen, ihr Stressniveau oder ihr Schlafverhalten im natürlichen Umfeld messen. 

All diese Möglichkeiten und Methoden generierten Unmengen an Daten, die es nun zu verstehen gelte. "Hierfür sind Fortschritte in der künstlichen Intelligenz ganz wichtig", sagte die Psychiaterin. "Wir brauchen eine Mechanismus-basierte Diagnose, die es uns erlaubt, psychiatrische Erkrankungen von den Genen, über die Zellen, die Verschaltungen bis hin zum Verhalten zu verstehen." Dann sei es möglich, Patient:innen, die im Moment noch dieselbe Diagnose wie z.B. Schizophrenie oder Depression bekämen, aber aus verschiedenen Ursachen erkrankt seien, auseinanderzudividieren und so in Zukunft personalisierte Interventionen anbieten zu können. 

Dafür müssten Grundlagenforschung, klinische Forschung und Patientenversorgung eng verzahnt sein. Elisabeth Binder endete mit dem Appell: "Wir müssen den Menschen breiter betrachten. Das wird zu gezielteren und wirkungsvolleren Therapien führen."

Hirnorganoide: Rekapitulation des menschlichen Gehirns

Die momentan vermutlich vielversprechendste Methode zum besseren Verständnis des menschlichen Gehirns stellte Prof. Dr. Jürgen Knoblich, wissenschaftlicher Leiter am Institut für Molekulare Biotechnologie (IMBA) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Wien vor. Seinem Team gelang im Jahr 2013 die Synthetisierung eines Hirnorganoids, das die Entwicklung von einigen Teilbereichen des menschlichen Gehirns rekapituliert. 

Unter dem Titel "Hirnorganoide – ein Annäherungsversuch an das menschliche Gehirn" knüpfte er zunächst an die Aussagen Elisabeth Binders zu der großen Anzahl an Menschen mit psychischen Erkrankungen an. Ihr ständen relativ wenige Möglichkeiten gegenüber, diese Erkrankungen zu behandeln. In den letzten Jahrzehnten habe es keine neuen Wirkprinzipien gegeben, was dazu führte, dass die meisten Pharmafirmen aufgehört hätten, an neuen Medikamenten zu forschen. Die Erfolgsrate in der Medikamentenentwicklung für neurologische und psychiatrische Erkrankungen sei die niedrigste unter allen. "Aber", so Prof. Knoblich: "Es gibt Hoffnung!"

Mann im Livestream
"Mit den Modellen, die wir zurzeit haben, denken wir, einen großen Beitrag zur Erforschung neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen leisten zu können", resümierte Knoblich. (Foto: VolkswagenStiftung)

Forschende sind in der Lage, induzierte pluripotente Stammzellen, sogenannte iPS-Zellen, in Gewebe verschiedener Organe zu verwandeln. Knoblichs Team beschäftigte sich zunächst mit der Erforschung der Mikrozephalie, einer Erbkrankheit, bei der die betroffenen Kinder mit einem ungewöhnlich kleinen Kopf geboren werden, was zu Gehirnschäden und Entwicklungsverzögerungen führen kann. Als 2016 das ZIKA Virus in Brasilien auftauchte und es gleichzeitig zu einem enormen Anstieg an Neugeborenen mit Mikrozephalie kam, erbrachten Experimente in Organoiden den Nachweis, dass das ZIKA Virus ursächlich für diese Erkrankungen verantwortlich war. 

Über Hirnorganoide könne man, so Knoblich, zudem Hirntumormodelle erstellen, an denen die Wirksamkeit bestimmter Medikamente getestet werden. Als neuesten "Coup" stellte er die Einzelzellanalyse in cerebralen Organoiden vor. "Dadurch können wir voraussagen, welche Gene in einer einzelnen Zelle aktiv waren. Vor kurzem ist es uns so gelungen, die Vorläuferzellen der tuberösen Sklerose zu identifizieren."

Zusammenfassend stellte Jürgen Knoblich fest, dass Gehirnorganoide die menschliche Gehirnentwicklung bereits sehr gut widerspiegeln. "Mit den Modellen, die wir zurzeit haben, denken wir, einen großen Beitrag zur Erforschung neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen leisten zu können", resümierte er. In Zukunft werde es zudem möglich sein, Modelle für häufigere Erbkrankheiten zu entwickeln und Organoide für die automatisierte Suche nach Medikamenten zu verwenden. 

Ethische und rechtliche Aspekte

Die sich anschließende Diskussion thematisierte vor allem ethische und rechtliche Fragen zum Umgang mit Hirnorganoiden. Prof. Knoblich führte aus, Organoide verfügten unter anderem nicht über Blutgefäße. Ein Ansatz bestehe darin, Organoide in das Gehirn von Mäusen einzupflanzen, deren Blutgefäße in das Organoid hineinwachsen und es versorgen.

Aus dem Publikum gab es dazu eine nachhakende Frage: Wie könne man die Akzeptanz von Tierversuchen verbessern? Prof. Singer plädierte für mehr Aufklärung, mehr Transparenz, die Labore müssten den direkten Blick auf die Tiere erlauben. Er sagte: "Ich denke, wir müssen klarmachen, dass wissenschaftliche Neugier eine kulturelle Aktivität ist. Was uns ausmacht, ist, die Welt zu durchdringen." Gleichzeitig bezeichnete er die Tierversuche als den ethisch herausforderndsten Punkt der Hirnforschung. 

Diskussionsteilnehmende im Livestream
Moderatorin Maria Grunwald (l.u.) sprach mit Prof. Dr. Wolf Singer (r.u.), Prof. Dr. Dr. Elisabeth Binder (r.o.)) und Prof. Dr. Jürgen Knoblich über das menschliche Hirn. (Foto: VolkswagenStiftung)

Ob die Expert:innen weitere ethische Bedenken in der Organoid-Forschung sähen, wurde aus dem Publikum gefragt. Jürgen Knoblich antwortete, die Wissenschaft arbeite ganz intensiv zu ethischen Fragen rund um menschliche Stammzellen. "Es ist mir wichtig, darauf hinzuweisen, dass das Wissenschaftler aus der ganzen Welt diskutieren." Es gebe Menschen, die die Aktivitäten von Hirnorganoiden mit denen menschlicher Neugeborener verglichen. Das sei aus seiner Sicht ungerechtfertigt, sogar eine "falsche Realität". Er schloss aus, dass heutige Hirnorganoide ein Bewusstsein haben können. "Auch ein Stück herausoperiertes Gehirn bei Tumoren hat kein Bewusstsein", sagte er. "Und das ist viel größer als ein Organoid."

Moderatorin Grunwald wollte wissen, ob Hirnorganoide geschützt werden müssten und wem sie eigentlich gehörten? Jürgen Knoblich antwortete, sie brauchten keinen Schutz. Wenn man feststellen würde, dass das Organoid ein Schmerzempfinden habe, sähe das anders aus, "aber davon sind wir meilenweit entfernt". Die Organoide gehörten der jeweiligen Forschungseinrichtung, und das sei auch hochrelevant. Er vertrat die Meinung, es wäre das Ende dieser Forschung, wenn der Spender der iPS-Zellen, aus denen das Organoid entstanden ist, jedem Experiment zustimmen müssten. Dann wäre auch keine Reproduzierbarkeit wissenschaftlicher Erkenntnisse möglich.

Organoide: "Ein tolles Werkzeug, das nicht alles erklären kann"

Elisabeth Binder wurde gefragt, was ihrer Meinung nach in der Stellungnahme zu Hirnorganoiden stehen sollte, die die Arbeitsgruppe der Leopoldina gerade erarbeitet. Sie sagte, es sei ihr wichtig, auch auf die Limitationen für die psychiatrische Forschung hinzuweisen. "Es wird viele Potenziale geben, aber es gibt auch viele andere Mechanismen oder Verschaltungen, die wir nicht darstellen können. Uns interessiert komplexes Verhalten. Organoide werden sich niemals verhalten können. Es ist ein tolles und neues Werkzeug, aber es kann nicht alles erklären", so die Forscherin. Wolf Singer stimmte dieser Aussage zu und verwies darauf, dass man bestimmte Fragestellungen zu psychiatrischen Erkrankungen nur am System selbst untersuchen könne, nicht an einem Ersatz wie den Organoiden.

Auf die Schlussfrage der Moderatorin, in welchen anderen Beruf sie gerne schlüpfen würden, um die Hirnforschung voranzubringen, legten sich alle drei Forschenden auf den Beruf der Erzieherin und des Erziehers fest. Prof. Binder stellte fest, in der Erziehung schwinge immer die Frage mit, wie optimale Bedingungen für die Entwicklung des Hirns gestaltet werden könnten. Prof. Knoblich ergänzte, Erziehung sei eine gesellschaftlich besonders wichtige Aufgabe.

Autorin: Eva Schläfer