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Medizin

Prof. Dr. Paul Sauseng
Prof. Dr. Paul Sauseng vom Lehrstuhl für Biologische Psychologie an der Ludwig-Maximilians-Universität München
© privat

Wie rhyhthmische Hirnaktivität unser Denken beeinflusst

Forscher*innen aus der Biologischen Psychologie und Neurologie sind der Antwort auf die Frage nähergekommen, warum wir uns nicht schnell und gleichzeitig alles merken können, was wir spannend, interessant und erinnernswert finden. Das Zusammenspiel von Theta- und Gammawellen sowie ihre Frequenz in verschiedenen Hirnregionen spielen dabei eine Rolle.

Unser Gehirn arbeitet ununterbrochen. Neurone feuern, Hirnwellen schwingen, Aktivitäten wechseln von einem Areal ins andere – unser Umspannwerk steht permanent unter Strom. Millionen Eindrücke muss das Gehirn in jeder Sekunde blitzschnell aufnehmen, sortieren, weiterleiten, ablegen. Der gesamte Prozess läuft überwiegend automatisch, wir bekommen nichts davon mit. Nur wenn es hakt, werden wir stutzig. Also praktisch in jeder Alltagssituation: Schnell eine PIN merken, einen Straßennamen speichern, in einer Vorstellungsrunde drei Namen behalten – dazu bedarf es einer komplexen Interaktion vieler Gehirnareale. Je nachdem wie kritisch wir mit uns sind, konstatieren wir dann einen schlechten Tag oder ein ohnehin schlecht funktionierendes Kurzzeitgedächtnis. In Wirklichkeit ist die Sache komplexer.

Das Kurzzeitgedächtnis ist nur bedingt aufnahmefähig. Es ist maximal für eine Spanne von 10 Sekunden ausgelegt und es bleibt längst nicht alles hängen, was wir wollen. „Alles über 10 Sekunden ist eher Langzeitgedächtnis“, erklärt Prof. Dr. Paul Sauseng vom Lehrstuhl für Biologische Psychologie an der Ludwig-Maximilians-Universität München. Ihn beschäftigt seit Jahren die Frage, wie es im Zusammenspiel von Nervenzellen zu der ‚limited Working memory capacity’ im Kurzzeitgedächtnis kommt.

„Hirnaktivität zeigt sich in unterschiedlichen Frequenzen, also Schwingungen unterschiedlicher Länge,“ sagt Sauseng. „Es ist bisher unklar, wie die Wellenlängen zustande kommen. Wir wissen, wie lang die unterschiedlichen Frequenzen sind. Und es gab Hinweise darauf, dass das rhythmische Miteinander der Wellen eine Rolle bei der Leistungsfähigkeit des Kurzzeitgedächtnisses spielen könnte. Was fehlte, war das Wie.“

Messung minimalster Veränderungen der Hirnaktivität

Elektrische Prozesse im Gehirn werden seit Entdeckung des EEG vor 100 Jahren erforscht. Der Neurologe und Psychiater Hans Berger hatte am Schädel seines Sohnes elektrische Aktivität abgeleitet. Schnell wurde eine große Frequenzbreite an Hirnwellen entdeckt, von den niedrigfrequenten Delta-Wellen, unter anderem aktiv im Tiefschlaf, über Theta-Wellen im Bereich zwischen 4 und 7 Hertz, den Alpha-Wellen bis hin zu Beta- und Gamma-Wellen in einem Bereich zwischen 13 – 30 Hertz. „Aber erst jetzt ist die präzise Messung von minimalsten rhythmischen Veränderungen der elektrischen Hirnaktivität möglich,“ so Sauseng. Zusätzlich zur oberflächlichen Messmethode mithilfe des Elektroenzephalogramms setzten er und seine Kolleg*innen Transkraniale Elektro-Stimulation (tACS) in verschiedenen Versuchsanordnungen ein.

Schon seit Ende der 90er-Jahre gab es wissenschaftliche Nachweise dafür, dass Theta- und Gammawellen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Kurzzeitgedächtnisses haben. Lisman& Idiart sowie Jensen&Lismann konnten theoretisch zeigen, dass die langsamen Theta-Wellen um 5 Hertz die Kapazitäten im Kurzzeitgedächtnis determinieren. Folgestudien verdichteten die Vermutung, dass es einen Zusammenhang zwischen Gammawellen-Aktivität, also einem Hinweis auf die Verarbeitung visueller oder verbaler Reize und der Länge der Theta-Wellen im gleichen Zeitraum gibt. Daraus formulierten Sauseng und andere die Frage:

Können wir die Kapazität des Kurzzeitgedächtnisses durch Veränderung der langsamen Theta-Wellen beeinflussen?

In mehreren Versuchsanordnungen, erhielten Proband*innen beim Memorieren von Bildern mit mehreren bunten Quadraten über Elektroden über der rechten Hemisphäre minimale Wechselstrom-Stimulationen (tACS), die die Länge der Theta-Wellen einmal auf 4 Hertz (250 ms) verlangsamten und dann auf 7 Hertz (143 ms) beschleunigten.

Das Ergebnis: Je länger die Theta-Welle, desto mehr Leistung im Kurzzeitgedächtnis. Gegenüber der schnellen Welle konnten die Proband*innen in der langen Welle durchschnittlich 0,8 Gedächtnis-Items mehr aufrufen. „Theoretisch wäre bei 107 Millisekunden Unterschied Platz für zwei zusätzliche Gedächtnis-Items,“ so Professor Sauseng. „Wir erklären uns die Differenz zwischen den gemessenen 0.8 zusätzlichen Gammawellen gegenüber theoretisch möglichen zwei damit, dass die tACS nur eine sehr schwache Veränderung bewirken.“

Belegt war nun, dass langsame Hirnwellen, die für das Behalten von Information im Kurzzeitgedächtnis relevant sind, koordinieren, wieviel Information wir kurzzeitig speichern können. 

Damit war aber noch nicht beantwortet, ob langsame Hirnwellen auch eine Rolle für die Komplexität der Informationsverarbeitung spielen. Dazu untersuchten die Forscher*innen die Wellen im Frontalkortex und im Parietal-Kortex. Es zeigte sich, dass es eine aktive Koppelung und Entkoppelung zwischen Frontal- und Parietalkortex je nach Aufgabenanforderung gibt. Aber nicht nur das. „Wir konnten zeigen, dass der Zusammenhang kausal ist.“ so Sauseng. „Wir haben gefunden, dass es dann zu effektiver Kopplung, d.h. Kommunikation zwischen Parietal- und Frontalkortex kommt, wenn parietale Aktivität so getaktet ist, dass sie gleichzeitig mit einem Wellental des frontalen Thetas zusammenfällt. Wenn die Aufgabenanforderungen sehr gering sind, sodass das Zusammenspiel von Parietal- und Frontalkortex gar nicht notwendig ist, wird dieses KZG Netzwerk entkoppelt. Parietale Aktivität findet dann statt, wenn es frontal einen Theta- Wellenberg gibt, und es so zu keiner Kommunikation zwischen Frontalkortex und parietalen Arealen kommen kann.“

Relay im Frontalhirn

Frontale (langsame) Hirnwellen sind also eine Art Schalter, um Netzwerke im Gehirn ein oder aus zu schalten. Mit rhythmischer Aktivität schalten sie zwischen Aufgaben-relevanten Netzwerken und Ruhe-Netzwerk hin und her. Und hier gibt es einen Unterschied zwischen jungen Menschen (24 Jahre) und älteren Menschen (68 Jahre): Verzögerungen im Default-Modus bei Älteren reduzieren die Leistungsfähigkeit des Kurzzeitgedächtnisses. „Das dynamische Schalten zwischen Netzwerken funktioniert nicht gut“, so Professor Sauseng. Also braucht es tACS für Menschen ab 60, um die neurokognitiven Defizite auszugleichen? Eine Art Gehirnschrittmacher? „Unsere Befunde sind eher ein ‚Proof-of-Principle, d.h. wir wollen damit zeigen, dass es sich bei diesen hirnrhythmischen Phänomenen um tatsächlich kognitiv relevante Prozesse handelt“, erläutert Sauseng. „Die Effekte, die wir erzielen, sind zum einen auf Proband:innen-Ebene sehr klein und außerdem sehr spezifisch. Auch wenn es bereits einige sehr vielversprechende klinische Anwendungen von transkranieller Hirnstimulation gibt, sind wir von einem breitbandigen Einsatz bei gesunden Personen noch sehr weit entfernt.“

Cornelia Brammen