Computer baut Gehirnbilder nach

Forscher: "Öffnen ein Fenster zu den Filmen in unserem Kopf"

Gehirn: fMRI-Aufnahmen zeigen die Aktivität der Sehrinde
(Foto: Gallant Labs)

Berkeley (pte017/23.09.2011/13:30) - In einem potenziell bahnbrechenden Versuch haben Wissenschafter der Universität Berkeley die Verarbeitung visueller Reize im menschlichen Hirn sichtbar gemacht und ihre Ergebnisse auf Video dokumentiert. Ihr Experiment könnte ein neues Kapitel in der Erforschung des Denkorgans aufschlagen. Berkeley-Neurologe Jack Gallant spricht im Journal "Current Biology" von einem "Meilenstein in der Rekon­struktion innerer Bildverarbeitung."

Per YouTube zum Nachbau

Ein komplexes Verfahren ermöglichte es, erstmals einen plastischen, visuellen Output aus gemessener Hirnaktivität zu extrahieren. Drei Probanden sahen sich über mehrere Stunden Trailer von Kinofilmen an, während ein funktioneller Magnetresonanztomograph (fMRI) den Blutfluss durch die Sehrinde (cortex visualis) analysierte.

Das aufgezeichnete Material wurde dann von einem Computer in dreidimensionale Pixel (Voxel) konvertiert. Gleichzeitig lernte der Rechner, gesehene Farben und Formen bestimmten Aktivitätsmustern zuzuordnen. Schließlich indizierte ein Algorithmus 18 Millionen Sekunden aus zufällig ausgewählten YouTube-Videos und legte auf Basis des Gelernten eine Datenbank an, die Hirntätigkeiten mit verschiedenen Szenen verknüpfte.

Jene 100 Clips, die gemäß Berechnung die ähnlichsten Cortex-Aktivitäten im Vergleich zu den von den Probanden gesehenen Trailern auslösten, wurden schließlich zu einem Video verarbeitet. Dieses wurde den tatsächlich gesehenen Vorschaufilmen gegenübergestellt und zeigt teilweise verblüffende Ähnlichkeiten.

Traum-Aufnahmen denkbar

"Das ist ein bedeutender Schritt zur Rekonstruktion interner Bildabläufe, wie etwa Vorstellungen und Träume", schreibt Gallant auf der Projekthomepage. Gegenüber "Current Biology" spricht er sogar von einem Forschungs-Meilenstein. "Wir öffnen ein Fenster zu den Filmen in unserem Kopf", so die Erläuterung des Wissenschafters zur Bedeutung des geglückten Versuchs.

Die Ergebnisse könnten in Zukunft zu wichtigen Erfindungen führen, etwa die Entwicklung von Lesegeräten, die die Diagnose von Nervenkrankheiten wie Demenz oder Hirnschlägen erleichtern. Auch die Einbindung in neurale Prothesen und die Erschaffung visueller Brain-Machine-Interfaces sind denkbar, so der Text auf der Website.

Der Forscher erklärt weiter: "Neurowissenschafter nehmen allgemein an, dass alle mentalen Prozesse auf einer neurobiologischen Basis ablaufen. Unter dieser Voraussetzung wäre es mit entsprechend entwickelter Technologie prinzipiell möglich, auch Träume oder Erinnerungen sichtbar zu machen."

Nicht zur Aufklärung geeignet

Homepage des Forschungsprojektes: https://sites.google.com/site/gallantlabucb/publications/nishimoto-et-al­-2011

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Gähnen kühlt das Gehirn

Studie: Winterluft regt zum Gähnen an

Gähnen: Forscher rätseln noch immer (Foto: FlickrCC/Lobato)

New Jersey/Bern (pte022/20.09.2011/12:15) - Wer gähnt, kühlt sein Gehirn und verhilft ihm damit zu mehr Leistungsfähigkeit. Das behauptet der Evolutionsbiologe Andrew Gallup von der Princeton University in der Zeitschrift "Frontiers in Evolutionary Neuroscience". In Experimenten konnte er zeigen, dass Menschen im Winter viel häufiger gähnen als im Sommer. Seine umstrittene These: Ist die Umgebungsluft zu warm, bewirkt Gähnen keinen Kühleffekt - weshalb wir im Sommer seltener gähnen.

Warum Menschen und auch andere höhere Lebewesen gähnen, ist noch immer ungeklärt. Man weiß heute, dass Gähnen nicht die Sauerstoff-Versorgung des Gehirns verbessern soll, wie lange angenommen wurde - sonst würde ja jede Anstrengung zum Gähnen führen. Auch für den beim Schlucken oder Kauen stattfindenden Druckausgleich hat die charakteristische Kieferbewegung keine Bedeutung. Dass sie aufgrund seiner hochgradigen Ansteckbarkeit soziale Funktionen hat, gilt hingegen als unbestritten.

Temperatur-Check im Oberstübchen

Diesen Nachahmer-Effekt machte sich Gallup in seinen Versuchen zunutze. Er zeigte 160 Menschen im Winter und im Sommer in der freien Luft Gähn-Bilder und überprüfte die Reaktion. In der kalten Jahreszeit waren mehr als doppelt so viele Gähner zu beobachten wie in der Hitze, auch nach Berücksichtigung möglicher Störfaktoren wie Luftfeuchte, der im Freien verbrachten Zeit oder der Schlafdauer in der Nacht zuvor.

Viel eher als Gelangweiltsein oder Schlafenwollen signalisiert Gähnen somit Wärmeaustausch, glaubt Gallup. Seine Gehirnkühl-These verfolgt der Wissenschaftler schon seit 2007 (pressetext berichtete). Damals zeigte er, dass Nasenatmung, der Aufenthalt in kühlen Räumen oder eine Kühlung per Kühlpäckchen an der Stirn das Gähnen unterdrücken. Bei Ratten konnte er zudem nach dem Gähnen eine Normalisierung von kurz zuvor angestiegener Hirntemperatur feststellen.

Wichtiges Kommunikationsmittel

Konsensfähig dürfte Gallups These allerdings noch kaum sein. Schweizer Forscher um Adrian Guggisberg argumentieren, dass Kühlung der Stirn erfrischt und schon deshalb Müdigkeit und Gähnen vertreibt, zudem kühlt die Nasenatmung das Gehirn weit effektiver als das Gähnen.

"Am ehesten scheint Gähnen eine Form der Kommunikation zu sein, die etwa Tierrudeln hilft, das Einschlafen zu synchronisieren", so der Neurologe Johannes Mathis vom Inselspital Bern gegenüber pressetext. Die Gähn-Erforschung sei zwar klinisch nur wenig relevant, wissenschaftlich jedoch genauso spannend wie andere ungeklärte Reflexe wie Schluckauf oder das Niesen, erklärt der Experte.

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Tinnitus: Bisherige Therapie in Frage gestellt

Theorie "Phantomschmerz im Gehör" bestätigt sich

Tinnitus: Phantomhören belästigt viele (Foto: FlickrCC/McFarland)

Berkeley/Regensburg (pte024/19.09.2011/13:35) - Das Ohrenleiden Tinnitus ist meist Folge einer Hörstörung und entspricht in seinem Mechanismus dem Phantomschmerz nach einer Amputation. Belege für diese Annahme liefern Forscher University of California in Berkeley in der Zeitschrift "PNAS". Ihre Ergebnisse stellen einige der heutigen Therapieansätze für Tinnitus in Frage. Bestimmte Gehirnveränderungen nach einem Gehörverlust sollte man besser unterstützen statt verhindern, so das Team um Shaowen Bao.

Gleicher Effekt wie nach Amputation

Allein in Deutschland hören drei Mio. Menschen ein ständiges Pfeifen, Klingeln oder Summen, das für andere nicht wahrnehmbar ist - auch als "Tinnitus" bezeichnet. Wie dieses Leiden zustande kommt, konnten die US-Forscher in Rattenversuchen zeigen. "Die Forschung liefert viele neue Erkenntnisse zu Tinnitus sowie auch Anregungen für neuartige Therapien. Für deren Umsetzung ist jedoch noch viel Geduld nötig", kommentiert Berthold Langguth, Leiter des Tinnituszentrums Regensburg, im pressetext-Interview die Ergebnisse.

Der Verursacher von Tinnitus ist meist eine Hörstörung, etwa infolge lauter Geräusche. Im Innenohr werden dabei Haarzellen zerstört, die zuvor jeweils Signale bestimmter Frequenzen an die Hörregion in der Großhirnrinde übermittelt haben. Kommt kein Input mehr aus dem Ohr, nimmt die Hemmung der nun unterbeschäftigten Neuronen ab. Sie werden übererregbar und feuern spontane Impulse ab, die als Tinnitus-Geräusche wahrgenommen werden.

Den Forschern zufolge beruhen diese Veränderungen auf der Tendenz des Gehirns, die Aktivitätsrate im System konstant zu halten. "Tinnitus gleicht in dieser Hinsicht dem Phantomglied-Schmerz, den viele Amputierte empfinden", so Bao.

Umstrukturierung ist Vorteil

Doch Amputationen lassen das Gehirn nicht untätig. Fehlt etwa ein Finger, so übernehmen teils Regionen, die für dessen Input zuständig waren, Funktionen der Nachbarfinger. Ähnlich wird auch bei Tinnitus die Hörregion umstrukturiert und der Bereich für die Wahrnehmung niederer Frequenzen dehnt sich aus auf Regionen, in denen verlorene hohe Frequenzen verarbeitet wurden. Veränderungen, die man bisher als eine Ursache für Tinnitus hielt und rückgängig zu machen suchte, erklärt Langguth. "Die neuen Ergebnisse lassen allerdings schließen, dass sie ein sinnvoller Versuch des Gehirns sein könnten, Tinnitus zu bekämpfen."

Bestätigt sich diese Ansicht in weiteren Studien, werde man für künftige Tinnitus-Therapien gezielt diese Umstrukturierung im Gehirn trainieren, so Langguth. Studienleiter Bao schlägt noch andere Alternativen vor: Künftig könnten auch Medikamente das spontane Abfeuern der Neuronen in der Hörregion unterbinden. Die sonst für diese Hemmung zuständigen Neuronen sind bei Tinnitus geschwächt, zeigten die Versuche. Um sie in der klinischen Praxis gezielt ansprechen zu können, müssen jedoch erst nicht-toxische Wirkstoffe gefunden werden.

Abstract der Studie unter http://www.pnas.org/content/108/36/14974.abstract?sid=1ff83fff-f34a-4cb3-b09c-37da445f6da6

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Musiker hören um 20 Jahre besser

Schutz vor schwindendem Gehör im Alter

E-Gitarre: Musiker schützen ihr Ohr vor Alterung
(Foto: pixelio.de/Meißner)

Toronto/Hannover (pte004/15.09.2011/06:05) - Wer selbst Musik macht, erspart sich später Gehör­probleme. Das behaupten kanadische Forscher in der Zeitschrift "Psychology and Ageing". "Musiker hören im Alter besser als Nicht-Musiker. Scheinbar ver­schlechtert sich bei ihnen die zentrale auditive Verarbeitung im Gehirn langsamer. Das Motto 'Use it or lose it' gilt auch hier", so Studienautor Benjamin Rich Zendel vom Baycrest's Rotman Research Institute.

Gehör gleich, Verarbeitung besser

Die Forscher untersuchten 74 Menschen, die in ihrem Leben mindestens sechs Jahre lang Musikunterricht genommen hatten, sowie zur Vergleich auch 89 Menschen, die nie ein Instrument gespielt hatten. Vier verschiedene Hörtests galt es zu durchlaufen, wobei leise Töne wahrgenommen, Lücken in Tonabfolgen und Beziehung von Tonfrequenzen erkannt oder Sprache bei Geräuschen im Hintergrund verstanden werden sollten.

Bei der vom Ohr abhängenden Geräuschwahrnehmung zeigten sich keine Unterschiede. Enormen Vorsprung hatten die Musiker jedoch bei den anderen Aufgaben, die alle auf die Geräuschverarbeitung im Gehirn zurückgehen. Die Unterscheidung der Sprache von anderen Geräuschen - das im Alter immer größere "Cocktailparty-Problem" - gelang etwa den 70-Jährigen Musikern so gut wie den 50-jährigen Nicht-Musikern.

Effekt ab Kindesalter

Ähnliches konnte vor einigen Jahren auch die US-Gehirnforscherin Nina Kraus bei Kindern zeigen. Musik verbessert schon bei den Jüngsten die Fähigkeit zur auditiven Musteranalyse. "Musizierende Kinder sind weit eher in der Lage, sinnhafte von sinnlosen Mustern zu unterscheiden und somit Sprachreize von Rauschen zu trennen", erklärt Eckart Altenmüller, Direktor des Instituts für Musikphysiologie und Musikermedizin der Hochschule für Musik und Theater Hannover, gegenüber pressetext.

Musik ist aus mehrerer Hinsicht eine ideale Gehirnschulung. Professionelle Musiker erreichen das Optimum an Feinmotorik (pressetext berichtete), zudem steigert Musik auch das räumlich-visuelle Gedächtnis, die Fähigkeit für Objektbezeichnungen oder die Anpassungsfähigkeit an neue Informationen (pressetext berichtete). Für die Therapie nutzbar, spricht Musik sonst unerreichbare Gehirnareale an und beeinflusst den Hormonhaushalt.

Zweifel am Hörschaden

Es gibt aber auch die gegenteilige Ansicht, dass laute Musik Hörschäden auslöst. In der Forschung wird dies zunehmend angezweifelt, berichtet Altenmüller. "Es stimmt, dass Rockmusiker im Alter eher Probleme beim Hören von Hochfrequenzen haben. Dennoch sind frühere Prognosen, dass wir durch die Kopfhörer zu einer Nation der Schwerhörigen werden, nicht eingetreten. Neue Erkenntnisse legen nahe, dass eine positive emotionale Bewertung lauter Geräusche das Gehirn vor Schäden schützt", so der Musikermediziner.

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Betrunkenen sind Fehler egal

Verlust der Selbstkontrolle erklärt peinliche Rauschexzesse

Alkoholika: Verheerend für die Selbstkontrolle
(Foto: pixelio.de/Altmann)

Columbia/Wien (pte014/07.09.2011/12:20) - Alkohol macht nicht blind für Fehler, wie Forscher bisher angenommen haben. Vielmehr verringert das Gift mit zunehmender Dosis die Bedenken, die sich eine Person über den Fehler macht. Das erklärt auch die haarsträubenden Dummheiten in Folge von Alkohol, die Menschen nüchtern nie begehen würden, berichten Forscher der University of Missouri auf der Plattform "PsychCentral".

"Wenn Menschen Fehler machen, wird das Gehirn in einer Region aktiv, mit der es das Verhalten wahrnimmt. Dabei wird ein Alarmsignal an andere Teile des Gehirns gesandt, das anzeigt, dass etwas falsch gelaufen ist", erklärt Studienleiter Bruce Bartholow. Dass Alkohol dieses Alarmsignal verringert, war schon bisher bekannt. Gezeigt wurde nun, dass Betrunkene durchaus eigene Fehler wahrnehmen können. Was sich bei ihnen ändert, ist die Reaktion darauf.

Kein Übersehen der Fehler

Die US-Forscher stellten dazu 67 erwachsenen Versuchspersonen Aufgaben am Computer, die diese schnell und ohne Fehler erledigen sollten. Teils bekamen die Probanden zuvor ein alkoholisches Getränk, teils gingen sie nüchtern oder mit einem Placebogetränk an die Arbeit. Alkohol-Trinker zeigten ein deutlich schwächer ausgeprägtes Alarmsignal nach Fehlern, obwohl sie diese genauso treffsicher registrierten wie die anderen Studienteilnehmer. Ein Übersehen eigener Fehler aufgrund des Alkohols schlossen die Forscher somit aus.

Große Unterschiede gab es jedoch in der Reaktion auf die Fehler. Nüchterne Testpersonen gingen die weiteren Aufgaben eine Stufe langsamer und somit auch vorsichtiger an, um dadurch wieder Selbstkontrolle zurückzugewinnen. Bei der Alkohol-Gruppe war das kaum der Fall. Auch die infolge des Alkohols gehobene Stimmungslage, die in einer Befragung überprüft wurde, trug dazu bei.

Bewusstsein weggeschaltet

"Alkohol verschlechtert sehr wohl die Wahrnehmung, da er etwa die Augenbewegungen und auch die Informationsverarbeitung verlangsamt. Zugleich sorgt er dafür, dass das Gehirn primitiver reagiert und weniger vom im Frontalhirn verorteten Bewusstsein kontrolliert wird", erklärt der Psychiater Zoghlami Ali vom Anton-Proksch-Institut im pressetext-Interview. Bei Alkoholkranken kann man feststellen, dass die chronische Vergiftung zu einem Schrumpfen des Gehirns gerade in dieser Frontalregion führt.

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Wissenschafter lesen Gedanken

Analyseverfahren übersetzt Hirnaktivität in Worte

Hirn: Scan der Aktivität verrät Inhalt von Gedanken
(Foto: FlickrCC/Liz Henry)

Princeton, New Jersey (pte001/02.09.2011/06:00) - Eine Studie der Princeton University zeigt, dass der Abgleich von Aktivitätsmustern des Gehirns mit Worten dazu beitragen kann, die Arbeitsweise des menschlichen Denkorgans besser zu verstehen. Dabei wollen die Neuro­wissen­schafter herausfinden, welche physiologischen Vorgänge sich abspielen, wenn ein Mensch sich geistig mit abstrakten oder komplexen Dingen befasst. Dazu kam ein funktioneller Magnetresonanztomograph zum Einsatz. Ein Computerprogramm analysierte tausende Wikipedia-Einträge.

Prinzipumkehr

Die Forscher ließen ihre Probanden an bestimmte Gegenstände denken und beobachteten dabei die Aktivität ihres Hirns und seiner verschiedenen Regionen. Sie entwarfen dazu jeweils eine Liste von Worten, die mit dem jeweiligen Ding in Zusammenhang stehen und glichen die Scanergebnisse ab. So gelangten sie zur Erkenntnis, dass die Denkmuster des Hirns bei verwandten Begriffen - etwa "Möbel" und "Esstisch", "Schreibtisch" und "Stuhl" - ähnlich sind.

Schließlich versuchten sie anhand ihrer Auswertungen auf umgekehrtem Wege die Gedanken der Testkandidaten anhand der gemessenen Hirnaktivität zu erraten. Ergab sich ein Scanmuster, dass etwa dem Wort "Tisch" entsprach, so konnten die Wissenschafter sagen, dass die Versuchsperson gerade an Möbel dachte.

Vollständige Übersetzung als Ziel

Ausgehend von den Scan-Ergebnissen einer Wortassoziations-Studie aus dem Jahre 2008, die sich auf jeweils fünf Begriffe in zwölf Kategorien beschränkte, kam das Team schließlich auf die Idee, eine Software 3.500 Wikipedia-Artikel über verschiedene Gegenstände auf ihre wichtigsten Worte zu reduzieren und jeweils 40 verwandte Themen zu finden.

Daran richteten sie ihre weiteren Scans aus und konnten schließlich sehr erfolgreich feststellen, in welchem Themenbereich sich die Gedanken der Probanden bewegten. Spezifische Objekte zu erraten, erwies sich jedoch als wesentlich schwieriger. Man möchte in Zukunft die Aktivitätsmuster des menschlichen Gehirns komplett in Worte übersetzen können, um die vollständige Beschreibung von Gedanken zu ermöglichen.

Chance für Behinderte

"Egal an was eine Person denkt und egal ob es sich dabei um Themen, Konzepte, Emotionen, Pläne oder soziale Gedanken handelt - es spiegelt sich alles in der Arbeit des Gehirns in all seinen Arealen wieder", erläutert der leitende Forscher Matthew Botvinick vom neurowissenschaftlichen Institut der Universität Princeton.

Der Forschungsansatz könnte zukünftig bei der Unterstützung von Schwerbehinderten zur Anwendung kommen. Ihnen könnten Gehirnscans helfen, ihre Gedanken präziser auszudrücken und sich für ihre Umwelt verständlicher zu machen.

Das Paper zur Forschungsarbeit (in englischer Sprache)

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