The "Unchanging" Brain

1913 studierte Santiago Ramón y Cajal die Regenerationsfähigkeit von Nerven. Er fand, dass manche Nerven sich regenerieren konnten und manche nicht. Dein peripheres Nervensystem, also das Netzwerk von Nerven das von deinem Gehirn zum Rest deines Körpers geht, zu deinen Armen, Beinen und deinem Herzen, kann regenerieren. Wenn du einen Nerv in deinem Arm durchtrennst zum Beispiel, kann er nachwachsen und seine Funktion wiederherstellen, zumindest teilweise. Aber er fand, dass in deinem zentralen Nervensystem, also deinem Gehirn und Rückenmark, wenn diese Neuronen, die Zellen aus denen diese Systeme bestehen, beschädigt werden, sie nicht in der Lage sind sich physisch zu regenerieren. Die Verbindungen die durchtrennt wurden, blieben durchtrennt. Cajal konnte das unter seinem Mikroskop klar sehen: Axone die in Probe nach Probe in peripheren Nerven physisch nachwuchsen, aber nie im Gehirn oder Rückenmark. Allerdings verstand er auch, und sagte sogar öffentlich, dass das Gehirn sich irgendwie reorganisieren können muss. Sonst könnten wir unsere Meinung über nichts ändern. Diese Reorganisation fand nur nicht durch physisches neuronales Wachstum statt wie in unseren Armen oder Lungen.

Cajal mochte eigentlich nicht, was er bewiesen hatte. Ihm gefiel die Idee nicht, dass unsere Gehirne sich nicht bis ins Erwachsenenalter regenerieren konnten wie der Rest unseres Nervensystems, also formulierte er eine Art Herausforderung. Er sagte: „In den erwachsenen Zentren sind die Nervenbahnen etwas Festgelegtes, Beendetes, Unveränderliches. Alles kann sterben, nichts kann regeneriert werden. Es ist an der Wissenschaft der Zukunft, dieses harte Dekret zu ändern, wenn möglich." Was im Grunde bedeutete: er hatte festgestellt, dass in erwachsenen Gehirnen die Nerven festgelegt sind, sterben aber nicht regeneriert werden können, und dass es die Herausforderung zukünftiger Wissenschaftler sei, ihn zu widerlegen wenn sie könnten. Er forderte buchstäblich die Zukunft der Medizin heraus, herauszufinden wie man seine Beobachtungen umstürzen könne, in der Hoffnung, das Schicksal der Menschheit sei nicht das eines festgelegten Gehirns.

Er hatte in seiner Karriere auch andere Forschung betrieben, die die veränderbaren Teile des Gehirns betraf. In den 1890er Jahren hatte Cajal ein Konzept eingeführt, das er „neuronale Plastizität" nannte. Er hatte Fälle dokumentiert in denen beschädigte Gehirne neue Schaltkreise bildeten um Verletzungen zu umgehen. Als Beispiel hatte er gesehen, wie lange Axonzellen sich nach einem Trauma in kurze Axonzellen mit neuen Kollateralverzweigungen umwandeln konnten und alternative Wege schufen, die Funktion wiederherstellen konnten, selbst wenn die ursprünglichen Verbindungen zerstört waren. Und zusätzlich zu diesen beobachtbaren Veränderungen die er im Gehirn geschehen sah, ergab ein komplett festgelegtes, starres Gehirn für ihn keinen logischen Sinn. Wie konnte Lernen stattfinden? Wie konnten wir uns an neue Situationen anpassen? Wie konnte Therapie oder Übung irgendetwas verbessern? Das Gehirn, argumentierte er, musste die Fähigkeit haben, seine bestehenden Verbindungen zu reorganisieren, selbst wenn es keine völlig neuen Neuronen wachsen lassen konnte. Er hatte es geschehen sehen und er hatte es dokumentiert. Die Struktur mochte festgelegt sein, aber die Funktion war dynamisch.

Aber aus irgendeinem Grund blieb der erste Teil hängen, der in medizinischen Fakultäten für die nächsten drei Generationen gelehrt wurde: dass das Gehirn festgelegt, beendet, unveränderlich ist. Alles kann sterben, nichts kann regeneriert werden. Das wurde die operative Annahme der Neurologie und das fundamentale Prinzip das formte, wie Ärzte über Hirnverletzung, Schlaganfall, Entwicklungsstörungen, psychische Erkrankung und Altern dachten. Wenn das Gehirn sich nicht ändern konnte, dann war Schaden permanent. Wenn jemand einen Schlaganfall hatte, war welche Funktion auch immer er in den ersten paar Monaten verlor, für immer weg. Wenn sich das Gehirn eines Kindes abnormal entwickelte, gab es ein schmales Zeitfenster für Intervention und danach konnte nichts getan werden. Wenn jemandes geistige Fähigkeiten mit dem Alter abnahmen, war das einfach der unvermeidliche Marsch Richtung Tod. Die Lehrbücher sagten es, weil Cajal es gesagt hatte. Und Cajal war der Vater der modernen Neurowissenschaft, der Mann der den Nobelpreis für die Beschreibung der Struktur von Neuronen gewonnen hatte.

Die Ironie ist, dass Cajal bei beidem recht hatte. Wir wissen jetzt, dass man im größten Teil des erwachsenen Gehirns keine neuen Neuronen wachsen lassen kann. Adulte Neurogenese findet statt, aber nur in spezifischen Regionen wie dem Hippocampus und dem Riechkolben. Für die überwältigende Mehrheit deines Gehirns sind die Neuronen die du hast, die Neuronen mit denen du sterben wirst. Cajal hatte auch recht damit, dass beschädigte Neuronen im zentralen Nervensystem ihre Axone nicht auf die Art regenerieren wie periphere Nerven es tun. Durchtrenne die Verbindung und sie bleibt durchtrennt. Aber er hatte genauso recht über den anderen Teil, den Teil der verworfen wurde. Das Gehirn reorganisiert seine bestehenden Verbindungen ständig, unser ganzes Leben lang. Jedes Mal wenn du etwas Neues lernst, jedes Mal wenn du eine Fähigkeit übst, jedes Mal wenn du deine Meinung über etwas änderst, verdrahtet sich dein Gehirn physisch um. Nicht indem es neue Neuronen wachsen lässt, sondern indem es manche synaptischen Verbindungen stärkt, andere schwächt und neue Pfade bildet. Unser ganzes Leben lang.

Das Gehirn kartieren

Es dauerte bis in die 1980er Jahre bevor jemand tatsächlich bewies, was Cajal über Plastizität beobachtet hatte. Michael Merzenich, ein Neurowissenschaftler an der UC San Francisco, begann Experimente durchzuführen die endlich beweisen sollten, dass das Gehirn sich reorganisieren konnte, obwohl das nicht das war, was er sich vorgenommen hatte als er seine Arbeit begann. Die vorherrschende Annahme zu dieser Zeit war, dass unsere Gehirnkarten festgelegt waren. Man wurde mit ihnen geboren, sie entwickelten sich in der Kindheit, und dann blieben sie für den Rest des Lebens an Ort und Stelle. Das sagte der Lokalisationismus: dass bestimmte Bereiche des Gehirns bestimmte Funktionen handhabten, diese Bereiche bei jedem gleich waren und sie sich nicht änderten. Also machten sich Merzenich und seine Kollegen eigentlich nur daran, detailliertere Karten zu erstellen, im Wesentlichen mit größerer Präzision zu dokumentieren, welche exakten Teile des Gehirns welchen Teilen des Körpers entsprachen, um die Standard-Gehirnorganisation zu etablieren, von der jeder annahm, sie sei festgelegt und universell. Aber als er diese Arbeit machte, fiel ihm auf, dass wenn er denselben Affen zweimal kartierte, Wochen oder Monate auseinander, sich die Karten veränderten. Die Grenzen hatten sich verschoben. Das Territorium das einem Finger gewidmet war, konnte leicht größer oder kleiner sein. Es war subtil, aber es war da. Und die Karten variierten auch von einem Affen zum nächsten: sie waren keine identischen Kopien einer universellen Vorlage.

Also ging Merzenich weiter. Als er alle fünf Finger eines Affen gleichzeitig stimulierte, 500 Mal am Tag für einen Monat, kartierte ihr Gehirn sie schließlich als einen „Finger", ein einzelnes vereinigtes Territorium statt fünf separater. Neuronen die zusammen in der Zeit feuerten, verdrahteten sich zusammen zu einer Karte.

Dann schloss sich Bill Jenkins Merzenichs Team an der UCSF an, um zu studieren wie sich das Gehirn veränderte wenn ein Tier tatsächlich eine neue Fähigkeit erwarb statt nur Funktion zu verlieren. Sie brachten einem Affen bei, mit einem Finger eine drehende Scheibe zu berühren, trainierten ihn immer und immer wieder bis er geschickt in der Aufgabe wurde. Vor dem Training kartierten sie den sensorischen Kortex für diesen Finger. Nach dem Training kartierten sie ihn erneut und fanden, dass das Gehirnterritorium das dieser spezifischen Fingerspitze gewidmet war, sich signifikant vergrößert hatte. Das Erlernen der Fähigkeit hatte das Gehirn dazu gebracht, mehr Verarbeitungsleistung dem Finger zu widmen der die Arbeit tat. Und es war nicht nur so, dass die Karte größer wurde. Die einzelnen Neuronen innerhalb dieses erweiterten Territoriums wurden effizienter, feiner abgestimmt auf die spezifische Aufgabe die der Affe übte.

Das stellte eine komplette Umkehr von allem dar, was wir achtzig Jahre lang geglaubt hatten. Das erwachsene Gehirn war nicht festgelegt. Es reorganisierte sich basierend darauf, was man damit tat, was man übte, worauf man seine Aufmerksamkeit richtete. Benutze einen Finger mehr, und sein Gehirnterritorium wächst. Hör auf einen Finger zu benutzen, und sein Territorium wird von Nachbarn eingenommen. Lass zwei Finger zusammen bewegen, und ihre Gehirnkarten verschmelzen. Übe eine Fähigkeit, und die Neuronen die diese Fähigkeit verarbeiten werden zahlreicher und effizienter. Merzenich hatte eine der wichtigsten Entdeckungen der Medizin gemacht: unsere Gehirne verändern sich basierend darauf, was wir mit ihnen tun. Und fast niemand hat jemals seinen Namen gehört.

Die Veränderungen beim Menschen sehen

Ungefähr zur selben Zeit holte die Technologie endlich auf und erlaubte uns, das in lebenden menschlichen Gehirnen geschehen zu sehen. Funktionelle MRT machte es möglich zu beobachten, welche Bereiche des Gehirns bei verschiedenen Aufgaben aufleuchteten, zu verfolgen wie sich diese Muster über die Zeit veränderten, die physische Reorganisation zu beobachten die Cajal vorhergesagt aber nicht direkt messen konnte. Studien an Schlaganfallpatienten zeigten, dass das Gehirn sich innerhalb von Wochen intensiver Therapie reorganisieren konnte. Forschung an Londoner Taxifahrern enthüllte, dass der Teil ihres Gehirns der der räumlichen Navigation gewidmet ist, der Hippocampus, im Vergleich zu Busfahrern vergrößert war, und je länger jemand Taxifahrer gewesen war, desto größer die Veränderung. Wenn Menschen Jonglieren lernten, reorganisierten sich ihre visuell-motorischen Bereiche. Wenn Musiker übten, expandierten die Fingerbereiche ihres motorischen Kortex.

Bis in die 1990er Jahre war die Evidenz überwältigend. Das Gehirn war nicht festgelegt. Wir wussten jetzt, dass intensive Übung physische Veränderungen in der Gehirnstruktur verursacht, dass Erholung von Verletzung durch gezielte verhaltensbezogene Interventionen möglich war. Die National Institutes of Health (NIH) finanzierten Workshops, führende Wissenschaftler versammelten sich um klinische Anwendungen zu diskutieren, und Papers fluteten die Zeitschriften die das therapeutische Potenzial dokumentierten.

Und dann... passierte nicht viel.

Es ist nicht so, dass sich gar nichts änderte. Manches schon. Schlaganfallrehabilitation verschob sich in Richtung intensiveres aufgabenspezifisches Training. Constraint-Induced Movement Therapy entstand, die Schlaganfallpatienten zwang ihre betroffenen Gliedmaßen zu benutzen indem die gesunde fixiert wurde, unter Ausnutzung der Fähigkeit des Gehirns sich umzuverdrahten. Einige Physiotherapie-Protokolle integrierten Prinzipien der Neuroplastizität. Das Feld der Neurorehabilitation erlebte was Forscher einen „Paradigmenwechsel" nannten, eine Verschiebung von einem Fokus auf Kompensation, also Menschen beizubringen Defizite zu umgehen, hin zu einem Fokus auf Erholung durch Neuroplastizität. Auf dem Papier sah das revolutionär aus, aber in der Praxis blieben die meisten dieser fortgeschrittenen technologischen Interventionen weitgehend auf spezialisierte Forschungszentren und teure Privatkliniken beschränkt.

Also warum hat sich neuroplastizitätsbasierte Behandlung nicht über dieses enge Fenster hinaus ausgeweitet? Es gibt kein Geld darin. Pharmaunternehmen finanzieren den Großteil der Forschung, was bedeutet, dass Forschung monetarisierbare Dinge produzieren muss. Neuroplastizitätsbasierte Interventionen können nicht patentiert werden, man bringt Menschen nur bei, ihre eigenen Gehirne anders zu benutzen. Also wird die Forschung nicht finanziert, was bedeutet, die großangelegten Studien werden nicht durchgeführt.

Physiotherapie scheint eine Ausnahme von der Idee zu sein, dass die Medizin nur Medikament-, Gerät- oder Verfahrensinnovation finanziert und integriert. Aber es stellt sich heraus, dass sie die Ausnahme ist die die Regel bestätigt: sie entstand eigentlich aus Kriegsnotwendigkeit, bevor das aktuelle pharmazeutisch dominierte Forschungsmodell etabliert wurde, und auch jetzt geht die meiste „Rehabilitationsforschung"-Finanzierung in Prothesen und assistive Technologie, Dinge die tatsächlich verkauft werden können. Die verhaltensbezogenen Interventionen bekommen fast nichts und sind deshalb weitgehend unverändert geblieben.

Die Implikationen der Neuroplastizität sind weit breiter als das enge Fenster für das die Medizin sie nutzt. Wenn das Gehirn sich reorganisiert basierend darauf, was man damit tut, was man übt und worauf man achtet, dann ist Neuroplastizität für praktisch jede Erkrankung relevant die Gehirnfunktion involviert.

Allergiedesensibilisierung ist tatsächlich Neuroplastizität in Aktion: die Immunantwort durch wiederholte Exposition umtrainieren. Aber das ist nur eine Sache, und es ist auch nicht die Erstlinienbehandlung für Allergien. Die Erstlinienbehandlung ist, die Sache die die Reaktion auslöst einfach zu vermeiden.

Krankheit und das veränderbare Gehirn

Also was ist mit chronischen Krankheiten? Es hat einige Forschung gegeben. Wissenschaftler haben ausgiebig dokumentiert, dass das Immunsystem und das Nervensystem Krankheitsmuster genauso bereitwillig lernen wie das Gehirn lernt Klavier zu spielen. Und einmal gelernt, können sich diese Muster ausbreiten und verfestigen auf Arten die genau so aussehen wie das was wir bei Merzenichs Affen gesehen haben.

1962 schlug ein Forscher namens Turnbull vor, dass Asthma tatsächlich eine gelernte Reaktion sein könnte. Ihm war aufgefallen, dass Asthmapatienten manchmal in der kompletten Abwesenheit jeglichen Allergens Anfälle hatten. Der berühmteste Fall wurde schon 1886 berichtet, als eine Frau einen vollen Asthmaanfall hatte nachdem sie eine künstliche Rose gesehen hatte, eine aus Papier und Stoff. Ihr Körper hatte das Muster so gut gelernt, dass der visuelle Reiz allein ausreichte um die gesamte physiologische Kaskade auszulösen.

Das wurde als psychologisch abgetan, als etwas Separates von „echtem" Asthma mit seinen dokumentierten Immunantworten und Atemwegsentzündung. Aber Forscher fanden immer wieder dasselbe Muster. Sie konnten Meerschweinchen konditionieren, auf komplett neutrale Reize Asthmaanfälle zu haben, indem sie den Reiz mit einem Allergen paarten, bis schließlich der neutrale Reiz allein die ganze Kaskade auslöste: Bronchokonstriktion, Entzündung und so weiter. Der Körper lernte Assoziationen zwischen willkürlichen Reizen und Immunantworten und verdrahtete sie durch Wiederholung zusammen, bis sie automatisch wurden. Und einmal verdrahtet, erwiesen sich diese gelernten Reaktionen als bemerkenswert persistent und zeigten sich sogar wenn die Tiere einfach nur gestresst waren oder in neuen Kontexten.

Die Medizin hat dokumentiert, dass wenn jemand wiederholte Asthmaanfälle hat, die sensorischen Nerven in seinen Atemwegen empfindlicher werden und bei niedrigeren Schwellen feuern. Die Hirnstamm-Neuronen die die Atmung kontrollieren werden reaktiver. Die parasympathischen Nerven die Atemwegsverengung auslösen werden überreaktiv. Chronische Entzündung erhöht die Dichte der Nerven in den Atemwegen. Je mehr Anfälle jemand hat, desto effizienter lernt sein Nervensystem sie zu produzieren. Es ist Merzenichs Prinzip das sich im Atmungssystem abspielt: benutze es und es wird stärker. Übung macht besser in dem was man übt, selbst wenn das was man übt Asthmaanfälle haben ist. Das wurde über Körpersysteme hinweg dokumentiert. Der erste Anfall den jemand bekommt, senkt die Schwelle für den nächsten. Jeder Anfall macht zukünftige Anfälle leichter auslösbar. Das ist so gut dokumentiert, dass Neurologen einen Namen dafür haben: Kindling. Nach einem ersten Herzinfarkt ist das Risiko eines zweiten dramatisch höher. Nach einem ersten Schlaganfall werden nachfolgende Schlaganfälle wahrscheinlicher. Sobald man einmal einen Nierenstein hatte, steigen die Chancen auf einen weiteren dramatisch. Sobald der Körper ein Muster gelernt hat, wird es leichter und leichter, es zu wiederholen, je mehr es geübt wird.

Diese geübten Muster können und generalisieren sich auch auf andere verwandte Dinge mit ähnlichen Pfaden. Bei Asthma zum Beispiel werden Kinder die anfangs auf ein Allergen reagieren, sagen wir Katzenschuppen, oft über die Zeit auf mehr und mehr Auslöser reaktiv. Erst Katzen, dann Hunde. Dann Hausstaubmilben. Dann Pollen. Dann kalte Luft. Dann Bewegung. Die Medizin verfolgt das mit molekularer Präzision und misst genau auf welche Proteine ein Kind reagiert, wobei die Liste Jahr für Jahr länger wird. Sie können sehen, dass Kinder die bis zum Alter von zwei Jahren auf vier oder mehr Allergene sensibilisiert sind, mehr als das vierfache Risiko haben, bis zum Alter von zehn Asthma zu haben, verglichen mit Kindern die auf ein Allergen oder keins sensibilisiert sind. Das Muster breitet sich durch wiederholte Aktivierung derselben zugrunde liegenden entzündlichen Kaskade aus, wobei jeder neue Auslöser den Pfad stärkt und erweitert und dem System mehr Gelegenheit zu üben gibt.

Und wie wir besprochen haben: sobald man diagnostiziert wird, bekommt man eine Liste von Auslösern auf die man achten soll, was diesem Prozess hilft. Man fängt an, diesen Auslösern mehr Aufmerksamkeit zu schenken, und dein Gehirn sieht diese Aufmerksamkeit und Wachsamkeit und fügt diese Dinge der Liste hinzu. Genau wie wir in den Placebo- und Nocebo-Kapiteln gesehen haben, sagen wir unseren Gehirnen was sie erwarten sollen, und sie gehorchen. Die Diagnose die dir helfen sollte die Erkrankung zu managen, gibt deinem Nervensystem tatsächlich ein umfassendes Trainingsprogramm dafür, wie man effizienter krank ist.

Und diese Ausbreitung ist nicht auf Atemwegsauslöser beschränkt. Über die Hälfte der Kinder mit schwerem Ekzem entwickeln Asthma, weil beide Erkrankungen Barrierendysfunktion in Epithelgeweben involvieren, beide involvieren Immun-Hyperreaktivität, beide zeigen dasselbe Muster der Sensibilisierung die sich über die Zeit ausbreitet. Die Medizin nennt das den „atopischen Marsch", die Progression von Ekzem im Säuglingsalter zu Nahrungsmittelallergien im Kleinkindalter zu Asthma in der Kindheit. Und obwohl es als genetische Prädisposition gerahmt wird die sich entwicklungsmäßig abspielt, ist das was sie tatsächlich dokumentieren: das Nervensystem das ein Muster der Immun-Überreaktion lernt und dann dieses gelernte Muster auf verschiedene Barrieregewebe anwendet. Die beschädigte Hautbarriere beim Ekzem bringt dem Immunsystem bei, wegen Allergenen auszuflippen, und wenn dann dieselben Immunantworten in der Lunge oder im Darm auftauchen, ist das Muster bereits etabliert, bereits geübt, bereit durch eine expandierende Liste von Reizen ausgelöst zu werden.

Dasselbe Sensibilisierungsmuster zeigt sich beim Reizdarmsyndrom, wo eine anfängliche Infektion oder ein entzündliches Ereignis das Nervensystem des Darms sensibilisieren kann und eine viszerale Überempfindlichkeit erzeugt, die lange nach dem Abklingen des ursprünglichen Auslösers bestehen bleibt. Die Nerven feuern bei niedrigeren Schwellen, Lebensmittel die vorher in Ordnung waren werden zu Auslösern, und Patienten werden hypervigilant bezüglich des Essens, scannen nach Symptomen, was die Muster verstärkt die sie feststecken lassen.

Was all diese Erkrankungen teilen, ist der Mechanismus den wir durch dieses Kapitel verfolgt haben: das Gehirn und Nervensystem das durch Wiederholung lernt, Assoziationen die sich zwischen Auslösern und Reaktionen bilden, Muster die automatisch werden und sich dann auf ähnliche Kontexte ausbreiten, neuroplastische Veränderungen die als vorübergehende Empfindlichkeit beginnen und zu permanenter Architektur werden. Die Medizin hat jedes Stück davon isoliert dokumentiert, die Immunantworten bei Asthma, die zentrale Sensibilisierung beim Reizdarmsyndrom, den atopischen Marsch von Ekzem zu anderen allergischen Erkrankungen, Kindling bei Anfallspatienten. Aber sie hat sie nicht als Beispiele desselben zugrunde liegenden Prozesses verbunden. Sie hat nicht erkannt, dass das was sie sah maladaptive Neuroplastizität war: das Gehirn und Nervensystem das Muster lernte die Menschen kränker machten, mit exakt denselben Mechanismen die uns erlauben Schwimmen oder Malen oder jede andere Fähigkeit zu lernen.

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Also jetzt haben wir gesehen, dass das Gehirn Krankheit auf dieselbe Weise einverdrahtet wie es jede andere Fähigkeit einverdrahtet. Seit über einem Jahrhundert dokumentieren Forscher die spezifischen Regeln die bestimmen, wie unsere Gehirne lernen. Und diese Regeln erklären nicht nur wie Krankheit einverdrahtet wird, sondern warum es so schwer ist herauszukommen, und letztlich, wie wir es können.