Hirnscans unter Beschuss

Von den bunten Bildern haben sich viele Forscher grundlegend neue Einsichten in den menschlichen Geist versprochen. Doch jetzt macht sich Ernüchterung breit.

Der Ort hätte kaum besser gewählt werden können: Mit seinem Netz aus Grachten, seinen verschlungenen Gassen, unzähligen Brücken, geschäftigen Plätzen, zwielichtigen Bezirken und Haschbuden ähnelt Amsterdam durchaus dem menschlichen Gehirn. Dieses hat mit seinen fast 90 Milliarden Nervenzellen – gut zwei Drittel davon im Kleinhirn – und deren teils Abertausenden Verbindungen, mit seinem Durcheinander an pulsierenden Aktivitäten, seinen Vergnügungsvierteln und sogar selbstproduzierten Drogen viel gemeinsam mit der bunten, weltoffenen und auch problembelasteten Stadt.

Dort in Amsterdam hatten sich letztes Jahr Neurowissenschaftler, Psychologen und Philosophen getroffen, um auf die Hirnforschung zurückzublicken – gut eine Dekade nach der „ Dekade des Gehirns". So hatte US-Präsident George Bush die 1990er-Jahre genannt, um „die öffentliche Wahrnehmung für den Nutzen der Hirnforschung zu schärfen".

„Dies ist sicherlich gelungen", resümiert der Neurowissenschaftler Stephan Schleim von der Universität Groningen, der die Konferenz „Imaging the Mind?" mitorganisiert hat. „Doch von einer ,Abbildung des Geistes‘ kann keine Rede sein, und die bunten Hirnscans suggerieren mehr, als sie erklären." Schleim hält die Schlussfolgerungen aus den Erkenntnissen der Hirnforschung zum Teil für überzogen. „Der Blick ins Gehirn gibt keine eindeutigen Antworten auf gesellschaftliche Fragen. Psychische Erklärungen struktureller und funktioneller Hirnzustände liegen häufig im Auge des Betrachters und erschließen sich meist nur im Kontext von Verhalten und sozialer Umwelt", kritisiert er. Der Weg in eine „ Neurogesellschaft" ist noch weit. So lautet auch der Titel des neuen Buchs von Stephan Schleim, in dem er den Finger in einige Wunden neuronaler Erklärungsansprüche legt.

Wenn es im Kopf „aufleuchtet"

Dass die Hirn-Dekade viele Menschen für die Abhängigkeit der psychischen Vorgänge vom Gehirn sensibilisiert hat, lässt sich inzwischen sicherlich konstatieren. Das ist vor allem ein Resultat der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT). Diese vor gut 20 Jahren eingeführte und seither immer weiter verbesserte Methode – im Folgenden Hirnscan genannt – erlaubt es, ohne Eingriffe oder radioaktive Markierungssubstanzen dem Gehirn gleichsam bei der Arbeit zuzusehen. Auch in den Massenmedien sind die Hirnbilder inzwischen häufig präsent und suggerieren mit roten, gelben oder grünen Farben, wo und wie stark es im Kopf „ aufleuchtet", wenn wir sprechen, denken, fühlen, träumen oder lügen. Über 20 000 wissenschaftliche Hirnscan-Artikel wurden seit Anfang der 1990er-Jahre in den Fachzeitschriften publiziert. Inzwischen sind es im Schnitt etwa zehn pro Tag. Fast die Hälfte handelt von der Lokalisation kognitiver Funktionen.

Scans messen nicht den Hirnstrom

Allerdings geht im Kopf, der Dunkelkammer des Geistes, nicht wirklich ein Licht auf. Und die Hirnscans messen auch nicht die Hirnaktivität direkt, sondern vielmehr die Durchblutung – genauer: das BOLD-Signal (blood oxygen level dependent). Es beruht darauf, dass sauerstoffreiches Hämoglobin etwas andere magnetische Eigenschaften hat als sauerstoffarmes. Da aktive Hirnbereiche stärker durchblutet sind, fällt dort das BOLD-Signal deutlicher aus.

Dass eine erhöhte Durchblutung mit den Aktivitäten in bestimmten Gehirnregionen einhergeht, hat Nikos Logothetis von der Universität Tübingen durch Hirnstimulationen mit Elektroden und Magnetpulsen nachgewiesen: Sie riefen neuronale Reaktionen hervor, deren Ausbreitung die Scans klar zeigten.

Trotzdem ist die Methode weit davon entfernt, ein präzises Abbild der Aktivitäten des Gehirns zu geben – geschweige denn des Geistes. Denn sowohl die räumliche als auch die zeitliche Auflösung ist auf ein paar Millimeter und Sekunden begrenzt. Dazu kommt: Hinter den bunten Bildern steckt ein gewaltiger und in der Praxis oft nicht ausgeschöpfter statistischer Analyse-Aufwand, der zudem die teils beträchtlichen Unterschiede zwischen einzelnen Menschen nur eingeschränkt erfasst.

Bei den fMRT-Messungen wird das Gehirn in mehr als 100 000 winzige Würfel von jeweils wenigen Millimetern Kantenlänge unterteilt. Jedem dieser „Voxel" (dreidimensionalen Pixel) kommt ein Messwert zu. Ein typisches Voxel von 55 Kubikmillimeter Volumen enthält rund 5,5 Millionen Nervenzellen mit mehr als 100 Kilometern Nervenfasern, die über einige Milliarden Synapsen (Kontaktstellen) miteinander verbunden sind.

Zwar hat sich die Genauigkeit in den letzten 20 Jahren von vier bis fünf Millimeter Voxel-Kantenlänge auf inzwischen teils unter einen Millimeter verbessert (bei den neuen Hochfeldscannern mit besonders starken Magnetfeldern). Trotzdem ist, aus zellbiologischer Perspektive, die Auflösung schlechter als das, was ein kurzsichtiger Mensch von den Häuserfassaden erkennen kann, wenn er ohne Brille eine Sightseeing-Fahrt durch die Grachten Amsterdams macht.

Probleme über Probleme

Und die Scan-Methode hat noch mehr Restriktionen:

· Der Blutfluss korreliert nicht mit den elektrischen Signalen in Nervenzellen, sondern mit der Freisetzung von Botenstoffen, denn diese synaptische Aktivität benötigt viel mehr Energie. Und die Botenstoffe erregen nicht immer die „nachgeschalteten" Zellen, sondern hemmen sie auch manchmal.

· Es ist keine absolute Quantifizierung oder Eichung der BOLD-Signale möglich. Letztlich wird nur der Unterschied zwischen einer bestimmten Tätigkeit einer Person und einer Kontrollbedingung gemessen. Das macht den Vergleich verschiedener Menschen schwierig.

· Der störende Einfluss externer Faktoren ist ebenfalls schwer abzuschätzen – von einer Tasse Kaffee vor dem Experiment bis hin zu dem hämmernden Lärm und der klaustrophoben Enge in der Röhre des Scanners.

„Doch trotz dieser Einschränkungen ist die funktionelle Magnetresonanztomographie gegenwärtig unser bestes Werkzeug, um Einsichten in die Hirnfunktionen zu gewinnen", betont Nikos Logothetis. Und tatsächlich wurden damit beim Menschen viele Hunderte Gehirnfunktionen lokalisiert. Allerdings ist dabei einige statistische Raffinesse und rigide Kontrolle erforderlich, um nicht von falschen positiven Signalen getäuscht zu werden, Korrelationen zu übersehen oder mit Kausalität zu verwechseln – oder sich schlicht im Aktivierungspegel zu verschätzen.

Voodoo-Korrelationen

Bereits 2008 hatte Edward Vul, damals Doktorand am Massachusetts Institute of Technology und inzwischen Assistant Professor an der University of California in San Diego, zusammen mit einigen anderen Psychologen die Autoren von 31 Studien von 54 analysierten Publikationen hart angegriffen. Er sprach sogar von „ Voodoo-Korrelationen in der sozialen Neurowissenschaft" – damit meint er, dass die von den Forschern gefundenen Zusammenhänge oft gar nicht existieren, sondern zufällig sind oder ins Rauschen (die Unschärfe der Daten) hineingelesen wurden. „Wir gehen davon aus, dass die Korrelationskoeffizienten von mehr als der Hälfte der untersuchten Studien vollkommen unglaubwürdig sind."

Die Aufregung war groß, und die Gegenkritik ließ nicht lange auf sich warten. Matthew Lieberman von der University of California in Los Angeles wies Vul und seinen Kollegen Recherchefehler nach, manche der Vorwürfe entpuppten sich auch als übertrieben. Viele Forscher hatten das Rauschen sehr wohl herausgerechnet, und die statistischen Tests waren genau genug. Zudem bestätigten sich die Ergebnisse oft, wenn man die Stichprobe vergrößerte.

Trotzdem hatte Vul einen Nerv getroffen: „Die Schlussfolgerung stimmt durchaus", sagt Stephan Schleim und konstatiert, wie beispielsweise auch Nikolaus Kriegeskorte von der Cambridge University, dass es mitunter zu Zirkelschlüssen kommt: „Es wird nur ein Teil der Daten ausgewählt, für den der statistische Test dann trivialerweise ein positives Ergebnis liefert." Fest steht: Eine naive Betrachtung und Auswertung von Scans suggeriert eine „ Einsicht" ins Gehirn, die verführerisch ist – aber eben oft irreführend oder sogar falsch.

Was ein toter Lachs fühlt

Wie leicht sich statistische Fehler einschleichen können, hat Craig Bennett von der University of California in Santa Barbara mit einem besonders drastischen Beispiel illustriert: Er schob einen fast 50 Zentimeter langen und zwei Kilogramm schweren Lachs in einen Hirnscanner und zeigte ihm sechs Minuten lang Bilder von Menschen mit wütenden, angstvollen und fröhlichen Gesichtern. Tatsächlich maß der Scanner ein positives BOLD-Signal in einer bestimmten Hirnregion.

Das Problem: Der Lachs war längst tot, bevor er gescannt wurde – und seine „Hirnaktivität" ein schlichtes Rauschen, das man nicht ordentlich korrigiert hatte. Bennett wollte seine Kollegen mit dem „Leichen-Scan" vor einer lässigen Datenauswertung warnen. Denn seine Analyse neuer wissenschaftlicher Scan-Studien hatte ergeben, dass bei mehr als einem Fünftel die Korrekturverfahren nicht rigide genug waren.

Zu viele aufblähende Voxel

„Das legt den Verdacht nahe, dass sich unter den Ergebnissen der bildgebenden Hirnforschung so manch ,toter Fisch‘ befindet, auch wenn die meisten von ihnen glücklicherweise nicht bis zur Publikation schwimmen", kommentiert Stephan Schleim. „Am schlimmsten wird ein Ergebnis dann verzerrt, wenn es zu einer Vermischung der Probleme kommt – sozusagen zu einem Voodoo-Lachs. Wird schon bei der Datenauswahl nicht streng kontrolliert, fließen zu viele aufblähende Voxel in das Ergebnis ein."

Entsprechend schwierig ist es, die Hirnscans richtig zu interpretieren. Henning Scheich, Neurobiologie-Professor an der Universität Magdeburg, spricht scherzhaft von „Fleckologie". Ohne einen gut fundierten theoretischen Unterbau hängen viele Daten nämlich in der Luft. Stephen Morse, früherer Direktor der National Institutes of Health in den USA, konstatiert sogar ein „ Gehirn-Übertreibungssyndrom" bei überzogenen Erklärungsansprüchen.

Auch Nikolas Rose, Professor für Soziologie am King's College in London, äußert harsche Kritik an überstrapazierten neurowissenschaftlichen Ergebnissen. In einem Interview in der April-Ausgabe der Zeitschrift „Gehirn & Geist" machte er vor allem die Presseabteilungen der Universitäten und das Medienecho verantwortlich, aber auch den zunehmenden Druck von Wissenschaftlern zur Öffentlichkeitsarbeit, um Forschungsgelder bewilligt zu bekommen.

schnappschüsse der Psyche?

Bernhard Hommel von der Universität Leiden beklagte in Amsterdam, dass der Hirnscan-Hype der psychologischen Grundlagenforschung insgesamt schade und sie sogar bedrohe. Denn die Schnappschüsse der Hirnaktivitäten scheinen psychische Prozesse viel direkter und intuitiv verständlicher abzubilden als etwa Messungen von Reaktionszeiten und Erhebungen von Fehlerraten, ohne jedoch viel zu erklären.

„Neben dem Was und dem Wie taucht zunehmend die Frage nach dem Wo auf – ohne dass die Nützlichkeit für das Verständnis psychologischer Funktionsmechanismen in irgendeiner Weise belegt wäre", kritisierte Hommel im Fachblatt Psychologische Rundschau. „ Diese Tendenz wird dadurch verstärkt, dass sich viele Kolleginnen und Kollegen zunehmend weniger über ihren Untersuchungsgegenstand als vielmehr über die von ihnen beherrschte Methode definieren."

Und es geht mal wieder ums Geld: „Die Kosten eines Scans einer einzigen Person entsprechen oft denen einer kompletten verhaltenspsychologischen Studie – und dabei sind Gerät und Personal noch nicht gerechnet. Daraus lässt sich leicht abschätzen, wie viele Verhaltensstudien uns der Hang zur neurowissenschaftlichen Instrumentierung Jahr für Jahr kostet", ärgert sich Hommel.

Die Hirnscans schlagen oft mit mehreren Tausend Euro zu Buche. „Schmerzhaft für unsere Disziplin sind dabei aber nicht nur die Studien, die wir nicht ausführen können, sondern auch die jungen Talente, die wir nicht einstellen und fördern können."

Nach dem Zeitalter der Bilder

Doch Kritik ist gut für die Wissenschaft. Und die Konkurrenz der Methoden belebt das Geschäft. Voodoo-Korrelationen und tote Lachse sind auf jeden Fall nicht die Regel. Die letzten zwei Jahrzehnte waren „das Zeitalter der Bilder", sagt Michael L. Anderson, doch nun bricht eine neue Ära an – mit aufwendigen statistischen Verfahren und massiver Computeranalyse. Der Psychologie-Professor am Franklin & Marshall College in Lancaster, Pennsylvania, ist überzeugt, dass sich die Auswertung der Scan-Daten grundlegend verändern wird. „Dazu sind mathematische Methoden nötig, um die Daten zu analysieren und verborgene Muster zu finden." Anderson ist zuversichtlich, dass sich damit die Komplexität und Wechselwirkung ver schiedener Hirnaktivitäten ergründen lassen. Die Einsichten werden zwar nicht so anschaulich sein wie die bunten Bilder – aber wahrscheinlich werden sie Gehirn und Geist gerechter. Doch das wird noch eine Weile dauern – auch Amsterdam wurde nicht an einem Tag erbaut. ■

von Rüdiger Vaas

Kompakt

· Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) hat die Hirnforschung und deren öffentliche Wahrnehmung stark verändert.

· Doch mangelhafte statistische Korrekturen, hohe Kosten und sogar echte Fehler sorgen für Ärger.

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Lesen

Rüdiger Vaas SCHÖNE NEUE NEURO-WELT Hirzel, Stuttgart 2008, € 19,80

Stephan Schleim DIE NEUROGESELLSCHAFT dpunkt/Heise, Hannover 2011, € 18,90

Internet

Konferenz „Imaging the Mind?": www.imagingthemind.info/

Stephan Schleims Blog: www.scilogs.de/blogs/blog/menschen-bilder

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