Neurowissenschaften

Zeichnung von Santiago Ramón y Cajal (1899) von Neuronen im Kleinhirn der Taube ⓘ

Die Neurowissenschaften sind die wissenschaftliche Erforschung des Nervensystems. Sie ist eine multidisziplinäre Wissenschaft, die Physiologie, Anatomie, Molekularbiologie, Entwicklungsbiologie, Zytologie, Physik, Informatik, Chemie und mathematische Modellierung kombiniert, um die grundlegenden und neu entstehenden Eigenschaften von Neuronen, Glia und neuronalen Schaltkreisen zu verstehen. Das Verständnis der biologischen Grundlagen von Lernen, Gedächtnis, Verhalten, Wahrnehmung und Bewusstsein wurde von Eric Kandel als die "epische Herausforderung" der Biowissenschaften bezeichnet. ⓘ

Der Bereich der Neurowissenschaften hat sich im Laufe der Zeit erweitert und umfasst nun verschiedene Ansätze zur Untersuchung des Nervensystems auf verschiedenen Ebenen. Die von den Neurowissenschaftlern eingesetzten Techniken haben sich enorm erweitert, von molekularen und zellulären Studien einzelner Neuronen bis hin zur Bildgebung sensorischer, motorischer und kognitiver Aufgaben im Gehirn. ⓘ

Zu den Neurowissenschaften oder zur Neurobiologie werden die naturwissenschaftlichen Forschungsbereiche bezeichnet, in denen Aufbau und Funktionsweise von Nervensystemen untersucht werden. Aufgrund der vielfältigen verwendeten Methoden wird neurowissenschaftliche Forschung von Wissenschaftlern aus vielen verschiedenen Disziplinen wie etwa Physiologie, Psychologie, Medizin, Biologie, Informatik oder Mathematik betrieben. Oft gibt es darüber hinaus Kooperationen mit angrenzenden Wissenschaftsbereichen wie der Informationstechnik, der Informatik oder der Robotik. ⓘ

Geschichte

Illustration aus Gray's Anatomy (1918) einer Seitenansicht des menschlichen Gehirns, die neben anderen neuroanatomischen Merkmalen auch den Hippocampus zeigt ⓘ

Die frühesten Untersuchungen des Nervensystems gehen auf das alte Ägypten zurück. Die Trepanation, das chirurgische Verfahren, bei dem ein Loch in den Schädel gebohrt oder geschabt wird, um Kopfverletzungen oder psychische Störungen zu heilen oder den Druck auf den Schädel zu verringern, wurde erstmals in der Jungsteinzeit beschrieben. Handschriften aus dem Jahr 1700 v. Chr. deuten darauf hin, dass die Ägypter einige Kenntnisse über die Symptome von Hirnschäden hatten. ⓘ

Frühe Ansichten über die Funktion des Gehirns betrachteten es als eine Art "Schädelfüllung". In Ägypten wurde ab dem späten Mittleren Reich das Gehirn regelmäßig zur Vorbereitung der Mumifizierung entfernt. Damals glaubte man, dass das Herz der Sitz der Intelligenz sei. Laut Herodot bestand der erste Schritt der Mumifizierung darin, "ein krummes Stück Eisen zu nehmen und damit das Gehirn durch die Nasenlöcher herauszuziehen, um so einen Teil loszuwerden, während der Schädel durch Spülen mit Drogen vom Rest befreit wird". ⓘ

Die Ansicht, dass das Herz die Quelle des Bewusstseins sei, wurde erst zur Zeit des griechischen Arztes Hippokrates in Frage gestellt. Er glaubte, dass das Gehirn nicht nur für die Empfindungen zuständig sei - da sich die meisten spezialisierten Organe (z. B. Augen, Ohren, Zunge) im Kopf in der Nähe des Gehirns befinden -, sondern auch der Sitz der Intelligenz sei. Platon vermutete auch, dass das Gehirn der Sitz des rationalen Teils der Seele sei. Aristoteles hingegen glaubte, dass das Herz das Zentrum der Intelligenz sei und dass das Gehirn die Wärmemenge des Herzens reguliere. Diese Ansicht wurde allgemein akzeptiert, bis der römische Arzt Galen, ein Anhänger von Hippokrates und Arzt der römischen Gladiatoren, feststellte, dass seine Patienten ihre geistigen Fähigkeiten verloren, wenn ihr Gehirn geschädigt war. ⓘ

Abulcasis, Averroes, Avicenna, Avenzoar und Maimonides, die in der muslimischen Welt des Mittelalters tätig waren, beschrieben eine Reihe medizinischer Probleme im Zusammenhang mit dem Gehirn. Im Europa der Renaissance leisteten Vesalius (1514-1564), René Descartes (1596-1650), Thomas Willis (1621-1675) und Jan Swammerdam (1637-1680) ebenfalls mehrere Beiträge zur Neurowissenschaft. ⓘ

Die Golgi-Färbung ermöglichte erstmals die Visualisierung einzelner Neuronen. ⓘ

Luigi Galvanis bahnbrechende Arbeit Ende des 17. Jahrhunderts schuf die Voraussetzungen für die Untersuchung der elektrischen Erregbarkeit von Muskeln und Neuronen. In der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts leistete Jean Pierre Flourens Pionierarbeit bei der experimentellen Methode der Durchführung lokaler Läsionen des Gehirns bei lebenden Tieren und beschrieb deren Auswirkungen auf die Motorik, die Sensibilität und das Verhalten. 1843 wies Emil du Bois-Reymond die elektrische Natur des Nervensignals nach, dessen Geschwindigkeit Hermann von Helmholtz daraufhin maß, und 1875 fand Richard Caton elektrische Phänomene in den Großhirnhälften von Kaninchen und Affen. Adolf Beck veröffentlichte 1890 ähnliche Beobachtungen der spontanen elektrischen Aktivität des Gehirns von Kaninchen und Hunden. Nach der Erfindung des Mikroskops und der Entwicklung eines Färbeverfahrens durch Camillo Golgi in den späten 1890er Jahren wurden die Untersuchungen des Gehirns immer anspruchsvoller. Bei diesem Verfahren wurde ein Silberchromatsalz verwendet, um die komplizierten Strukturen der einzelnen Neuronen sichtbar zu machen. Seine Technik wurde von Santiago Ramón y Cajal verwendet und führte zur Bildung der Neuronenlehre, der Hypothese, dass die funktionelle Einheit des Gehirns das Neuron ist. Golgi und Ramón y Cajal teilten sich 1906 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin für ihre umfangreichen Beobachtungen, Beschreibungen und Kategorisierungen von Neuronen im gesamten Gehirn. ⓘ

Parallel zu diesen Forschungen deutete die Arbeit von Paul Broca mit hirngeschädigten Patienten darauf hin, dass bestimmte Regionen des Gehirns für bestimmte Funktionen zuständig waren. Damals wurden Brocas Erkenntnisse als Bestätigung der Theorie von Franz Joseph Gall gesehen, wonach die Sprache lokalisiert ist und bestimmte psychologische Funktionen in bestimmten Bereichen der Großhirnrinde lokalisiert sind. Die Hypothese der Lokalisierung von Funktionen wurde durch Beobachtungen von Epilepsiepatienten durch John Hughlings Jackson gestützt, der aus der Beobachtung des Verlaufs von Anfällen im Körper korrekt auf die Organisation des motorischen Cortex schloss. Carl Wernicke entwickelte die Theorie der Spezialisierung bestimmter Hirnstrukturen für das Sprachverständnis und die Sprachproduktion weiter. Die moderne Forschung, die sich auf bildgebende Verfahren stützt, verwendet immer noch die anatomischen Definitionen der Brodmannschen zerebralen zytoarchitektonischen Karte (die sich auf das Studium der Zellstruktur bezieht) aus dieser Zeit, um zu zeigen, dass bestimmte Bereiche der Hirnrinde bei der Ausführung bestimmter Aufgaben aktiviert werden. ⓘ

Im 20. Jahrhundert begannen die Neurowissenschaften, als eigenständige akademische Disziplin anerkannt zu werden, und nicht mehr als Studien des Nervensystems innerhalb anderer Disziplinen. Eric Kandel und seine Mitarbeiter haben David Rioch, Francis O. Schmitt und Stephen Kuffler eine entscheidende Rolle bei der Etablierung dieses Fachgebiets zugeschrieben. Rioch war der Begründer der Integration von anatomischer und physiologischer Grundlagenforschung und klinischer Psychiatrie am Walter Reed Army Institute of Research in den 1950er Jahren. Im gleichen Zeitraum gründete Schmitt ein neurowissenschaftliches Forschungsprogramm innerhalb der biologischen Abteilung des Massachusetts Institute of Technology, das Biologie, Chemie, Physik und Mathematik zusammenführte. Die erste eigenständige neurowissenschaftliche Abteilung (damals Psychobiologie genannt) wurde 1964 an der University of California, Irvine, von James L. McGaugh gegründet. Es folgte die Abteilung für Neurobiologie an der Harvard Medical School, die 1966 von Stephen Kuffler gegründet wurde. ⓘ

Das Verständnis von Neuronen und der Funktion des Nervensystems wurde im Laufe des 20. Jahrhunderts immer präziser und molekularer. So präsentierten Alan Lloyd Hodgkin und Andrew Huxley 1952 ein mathematisches Modell für die Übertragung elektrischer Signale in den Neuronen des Riesenaxons eines Tintenfisches, die sie als "Aktionspotenziale" bezeichneten, und wie sie ausgelöst und weitergeleitet werden, das als Hodgkin-Huxley-Modell bekannt ist. In den Jahren 1961-1962 vereinfachten Richard FitzHugh und J. Nagumo das Hodgkin-Huxley-Modell, das so genannte FitzHugh-Nagumo-Modell. 1962 modellierte Bernard Katz die Neurotransmission durch den Raum zwischen den Neuronen, die so genannten Synapsen. Ab 1966 untersuchten Eric Kandel und seine Mitarbeiter biochemische Veränderungen in Neuronen, die mit Lernen und Gedächtnisspeicherung bei Aplysia in Verbindung stehen. Im Jahr 1981 kombinierten Catherine Morris und Harold Lecar diese Modelle im Morris-Lecar-Modell. Diese zunehmend quantitative Arbeit führte zu zahlreichen biologischen Neuronenmodellen und Modellen der neuronalen Berechnung. ⓘ

Infolge des zunehmenden Interesses am Nervensystem wurden im Laufe des 20. Jahrhunderts mehrere bedeutende neurowissenschaftliche Organisationen gegründet, um allen Neurowissenschaftlern ein Forum zu bieten. Jahrhunderts ein Forum für alle Neurowissenschaftler zu bieten. 1961 wurde beispielsweise die International Brain Research Organization gegründet, 1963 die International Society for Neurochemistry, 1968 die European Brain and Behaviour Society und 1969 die Society for Neuroscience. In jüngster Zeit hat die Anwendung neurowissenschaftlicher Forschungsergebnisse auch zu angewandten Disziplinen wie Neuroökonomie, Neuropädagogik, Neuroethik und Neurorecht geführt. ⓘ

Im Laufe der Zeit hat die Hirnforschung philosophische, experimentelle und theoretische Phasen durchlaufen, wobei der Arbeit an der Simulation des Gehirns für die Zukunft eine große Bedeutung vorausgesagt wird. ⓘ

Funde aus dem frühen Ägypten belegen, dass vor 5000 Jahren operative Eingriffe in das Zentralnervensystem getätigt wurden. Etwa 70 Prozent der Schädel, bei welchen Hinweise auf derartige Eingriffe vorhanden sind, haben sich nach dem Eingriff biologisch verändert, was darauf hinweist, dass der Patient den Eingriff um Monate oder Jahre überlebt hat. ⓘ

Um 500 v. Chr. soll Alkmaion von Kroton als Erster die Sehnerven und andere sensorische Nerven entdeckt haben. Alkmaion entwickelte die Vorstellung, dass Nerven hohl seien und ein Medium (kenon) umhüllten, das den Sinneseindruck zum Gehirn leitet. Hippokrates von Kos erkannte, dass das Gehirn als Sitz der Empfindung und Intelligenz fungiert. Um 129–216 n. Chr. wurden die Funktionen einzelner Nervenbahnen durch Galen deskribiert. ⓘ

Die Kenntnisse der westeuropäischen Hirnforschung fielen im Mittelalter hinter das Niveau der Antike zurück. Die Forschung im europäischen Raum beschäftigte sich primär mit der klösterlichen Heilkräuterkunde. ⓘ

In der Renaissance wurden erste Sektionen durchgeführt. Der Italiener Giovanni Alfonso Borelli (1608–1679) stellte erstmals die Existenz eines gasförmigen spiritus animalis in Frage. Er vermutete stattdessen die Existenz einer Flüssigkeit, des succus nerveus, die durch die hohlen Nerven in die Extremitäten gepresst werden und so nach pneumatischen Prinzipien die Handlungen hervorrufen solle. ⓘ

Dass elektrische Impulse über Nerven strömen, wurde im 18. Jahrhundert erstmals beschrieben. Eine zweite wichtige Erkenntnis des 18. Jahrhunderts war, dass die Großhirnrinde funktionell gegliedert ist. Ab dem 19. Jahrhundert schritt auch die Erforschung der Hirnanatomie schnell voran. Im noch jungen 21. Jahrhundert entwickelt sich die Neurowissenschaft primär methodologisch weiter. ⓘ

Moderne Neurowissenschaften

Das menschliche Nervensystem ⓘ

Die wissenschaftliche Erforschung des Nervensystems hat in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts erheblich zugenommen, vor allem aufgrund der Fortschritte in der Molekularbiologie, der Elektrophysiologie und der Computer-Neurowissenschaften. Dies hat es den Neurowissenschaftlern ermöglicht, das Nervensystem in all seinen Aspekten zu untersuchen: wie es aufgebaut ist, wie es funktioniert, wie es sich entwickelt, wie es funktioniert und wie es verändert werden kann. ⓘ

So ist es beispielsweise möglich geworden, die komplexen Vorgänge innerhalb eines einzelnen Neurons in allen Einzelheiten zu verstehen. Neuronen sind Zellen, die auf die Kommunikation spezialisiert sind. Sie sind in der Lage, mit Neuronen und anderen Zelltypen über spezielle Verbindungsstellen, die Synapsen, zu kommunizieren, an denen elektrische oder elektrochemische Signale von einer Zelle zur anderen übertragen werden können. Viele Neuronen stoßen einen langen, dünnen Faden aus Axoplasma aus, das so genannte Axon, das sich bis in entfernte Teile des Körpers erstrecken kann und in der Lage ist, schnell elektrische Signale zu übertragen und die Aktivität anderer Neuronen, Muskeln oder Drüsen an ihren Endpunkten zu beeinflussen. Ein Nervensystem ergibt sich aus der Ansammlung von Neuronen, die miteinander verbunden sind. ⓘ

Das Nervensystem der Wirbeltiere lässt sich in zwei Teile aufteilen: das zentrale Nervensystem (definiert als Gehirn und Rückenmark) und das periphere Nervensystem. Bei vielen Arten - einschließlich aller Wirbeltiere - ist das Nervensystem das komplexeste Organsystem des Körpers, wobei der größte Teil der Komplexität im Gehirn liegt. Allein das menschliche Gehirn enthält etwa hundert Milliarden Neuronen und hundert Billionen Synapsen; es besteht aus Tausenden von unterscheidbaren Teilstrukturen, die in synaptischen Netzwerken miteinander verbunden sind, deren Feinheiten erst ansatzweise entschlüsselt sind. Mindestens eines von drei der rund 20.000 Gene des menschlichen Genoms wird hauptsächlich im Gehirn exprimiert. ⓘ

Aufgrund der hohen Plastizität des menschlichen Gehirns verändern sich die Struktur der Synapsen und die daraus resultierenden Funktionen im Laufe des Lebens. ⓘ

Die dynamische Komplexität des Nervensystems zu verstehen, ist eine gewaltige Herausforderung für die Forschung. Letztendlich möchten die Neurowissenschaftler jeden Aspekt des Nervensystems verstehen, einschließlich seiner Funktionsweise, seiner Entwicklung, seiner Funktionsstörungen und seiner Veränderungs- und Reparaturmöglichkeiten. Die Analyse des Nervensystems erfolgt daher auf mehreren Ebenen, von der molekularen und zellulären Ebene bis hin zur System- und kognitiven Ebene. Die spezifischen Themen, die im Mittelpunkt der Forschung stehen, ändern sich im Laufe der Zeit, da sich die Wissensbasis ständig erweitert und immer ausgefeiltere technische Methoden zur Verfügung stehen. Verbesserungen in der Technologie waren die wichtigsten Triebkräfte des Fortschritts. Entwicklungen in der Elektronenmikroskopie, der Informatik, der Elektronik, der funktionellen Neurobildgebung sowie der Genetik und Genomik haben den Fortschritt maßgeblich vorangetrieben. ⓘ

Eines der wichtigsten ungelösten Probleme der modernen Neurowissenschaften ist vielleicht das so genannte "Zelltypen"-Problem, das sich auf die Kategorisierung, Definition und Identifizierung aller neuronalen/astrozytären Zelltypen in einem Organismus bezieht. In der Regel bezieht sich dies auf das Mausgehirn, da das Verständnis des Mausgehirns als Sprungbrett zum Verständnis des menschlichen Gehirns angesehen wird. Moderne Fortschritte bei der Klassifizierung neuronaler Zellen wurden durch elektrophysiologische Aufzeichnungen, genetische Einzelzellsequenzierung und hochwertige Mikroskopie ermöglicht, die vor kurzem zu einer einzigen Methodenpipeline namens Patch-seq kombiniert wurden, bei der alle drei Methoden unter Verwendung von Miniaturwerkzeugen gleichzeitig angewendet werden. Die Effizienz dieser Methode und die großen Datenmengen, die dabei erzeugt werden, ermöglichten es den Forschern, einige allgemeine Schlussfolgerungen über Zelltypen zu ziehen; zum Beispiel, dass das menschliche und das Mäusegehirn unterschiedliche Versionen der grundsätzlich gleichen Zelltypen haben. ⓘ

Molekulare und zelluläre Neurowissenschaften

Foto eines gefärbten Neurons in einem Hühnerembryo ⓘ

Zu den grundlegenden Fragen, mit denen sich die molekularen Neurowissenschaften befassen, gehören die Mechanismen, mit denen Neuronen molekulare Signale ausdrücken und darauf reagieren, und wie Axone komplexe Vernetzungsmuster bilden. Auf dieser Ebene werden Instrumente der Molekularbiologie und Genetik eingesetzt, um zu verstehen, wie sich Neuronen entwickeln und wie genetische Veränderungen biologische Funktionen beeinflussen. Auch die Morphologie, die molekulare Identität und die physiologischen Merkmale von Neuronen und deren Zusammenhang mit verschiedenen Verhaltensweisen sind von großem Interesse. ⓘ

Zu den Fragen, mit denen sich die zellulären Neurowissenschaften befassen, gehören die Mechanismen der physiologischen und elektrochemischen Signalverarbeitung von Neuronen. Zu diesen Fragen gehört, wie Signale von Neuriten und Somas verarbeitet werden und wie Neurotransmitter und elektrische Signale zur Verarbeitung von Informationen in einem Neuron verwendet werden. Neurite sind dünne Fortsätze eines neuronalen Zellkörpers, die aus Dendriten (die darauf spezialisiert sind, synaptische Eingänge von anderen Neuronen zu empfangen) und Axonen (die darauf spezialisiert sind, Nervenimpulse, so genannte Aktionspotenziale, zu leiten) bestehen. Die Somas sind die Zellkörper der Neuronen und enthalten den Zellkern. ⓘ

Ein weiterer wichtiger Bereich der zellulären Neurowissenschaften ist die Erforschung der Entwicklung des Nervensystems. Zu den Fragen gehören die Musterung und Regionalisierung des Nervensystems, die axonale und dendritische Entwicklung, trophische Interaktionen, die Bildung von Synapsen und die Bedeutung von Fraktonen in neuralen Stammzellen, die Differenzierung von Neuronen und Glia (Neurogenese und Gliogenese) sowie die neuronale Migration. ⓘ

Die computergestützte neurogenetische Modellierung befasst sich mit der Entwicklung dynamischer neuronaler Modelle zur Modellierung von Hirnfunktionen in Bezug auf Gene und dynamische Interaktionen zwischen Genen. ⓘ

Neuronale Schaltkreise und Systeme

Vorgeschlagene Organisation von motorisch-semantischen neuronalen Schaltkreisen für das Verstehen von Handlungssprache. Angepasst von Shebani et al. (2013) ⓘ

Zu den Fragen der Systemneurowissenschaften gehört, wie neuronale Schaltkreise gebildet und anatomisch und physiologisch genutzt werden, um Funktionen wie Reflexe, multisensorische Integration, motorische Koordination, zirkadiane Rhythmen, emotionale Reaktionen, Lernen und Gedächtnis zu erzeugen. Mit anderen Worten, sie untersuchen, wie diese neuronalen Schaltkreise in großen Gehirnnetzwerken funktionieren und durch welche Mechanismen Verhaltensweisen erzeugt werden. Die Analyse auf Systemebene befasst sich zum Beispiel mit Fragen zu bestimmten sensorischen und motorischen Modalitäten: Wie funktioniert das Sehen? Wie lernen Singvögel neue Lieder und Fledermäuse lokalisieren mit Ultraschall? Wie verarbeitet das somatosensorische System taktile Informationen? Die verwandten Gebiete der Neuroethologie und Neuropsychologie befassen sich mit der Frage, wie neuronale Substrate bestimmten tierischen und menschlichen Verhaltensweisen zugrunde liegen. Die Neuroendokrinologie und die Psychoneuroimmunologie untersuchen die Wechselwirkungen zwischen dem Nervensystem und dem endokrinen System bzw. dem Immunsystem. Trotz zahlreicher Fortschritte ist die Art und Weise, wie Netzwerke von Neuronen komplexe kognitive Prozesse und Verhaltensweisen ausführen, noch immer kaum verstanden. ⓘ

Kognitive und verhaltenswissenschaftliche Neurowissenschaften

Die kognitive Neurowissenschaft beschäftigt sich mit der Frage, wie psychologische Funktionen durch neuronale Schaltkreise erzeugt werden. Das Aufkommen leistungsfähiger neuer Messtechniken wie Neuroimaging (z. B. fMRI, PET, SPECT), EEG, MEG, Elektrophysiologie, Optogenetik und humangenetische Analysen in Verbindung mit ausgefeilten experimentellen Techniken aus der kognitiven Psychologie ermöglicht es Neurowissenschaftlern und Psychologen, sich mit abstrakten Fragen zu befassen, z. B. wie Kognition und Emotionen spezifischen neuronalen Substraten zugeordnet werden. Obwohl viele Studien immer noch eine reduktionistische Haltung einnehmen und nach den neurobiologischen Grundlagen kognitiver Phänomene suchen, zeigen neuere Forschungen, dass es ein interessantes Zusammenspiel zwischen neurowissenschaftlichen Erkenntnissen und konzeptioneller Forschung gibt, das beide Perspektiven einbezieht und integriert. So hat beispielsweise die neurowissenschaftliche Forschung zur Empathie eine interessante interdisziplinäre Debatte ausgelöst, an der Philosophie, Psychologie und Psychopathologie beteiligt sind. Darüber hinaus hat die neurowissenschaftliche Identifizierung multipler Gedächtnissysteme, die mit verschiedenen Hirnarealen verbunden sind, die Vorstellung vom Gedächtnis als buchstäbliche Reproduktion der Vergangenheit in Frage gestellt und eine Sichtweise des Gedächtnisses als generativen, konstruktiven und dynamischen Prozess unterstützt. ⓘ

Die Neurowissenschaften sind auch mit den Sozial- und Verhaltenswissenschaften sowie mit neu entstehenden interdisziplinären Bereichen verbündet. Beispiele für solche Allianzen sind die Neuroökonomie, die Entscheidungstheorie, die sozialen Neurowissenschaften und das Neuromarketing, die sich mit komplexen Fragen der Interaktion des Gehirns mit seiner Umwelt befassen. In einer Studie über die Reaktionen von Verbrauchern wird beispielsweise das EEG genutzt, um die neuronalen Korrelate zu untersuchen, die mit dem erzählerischen Transport von Geschichten über Energieeffizienz verbunden sind. ⓘ

Computational Neuroscience

Fragestellungen in den Computational Neuroscience können ein breites Spektrum an Ebenen der traditionellen Analyse umfassen, z. B. Entwicklung, Struktur und kognitive Funktionen des Gehirns. In der Forschung auf diesem Gebiet werden mathematische Modelle, theoretische Analysen und Computersimulationen eingesetzt, um biologisch plausible Neuronen und Nervensysteme zu beschreiben und zu verifizieren. Biologische Neuronenmodelle zum Beispiel sind mathematische Beschreibungen von spikenden Neuronen, mit denen sowohl das Verhalten einzelner Neuronen als auch die Dynamik neuronaler Netze beschrieben werden kann. Computational Neuroscience wird oft auch als theoretische Neurowissenschaft bezeichnet. ⓘ

Nanopartikel in der Medizin sind vielseitig bei der Behandlung neurologischer Erkrankungen einsetzbar und zeigen vielversprechende Ergebnisse bei der Vermittlung des Medikamententransports durch die Blut-Hirn-Schranke. Der Einsatz von Nanopartikeln in Antiepileptika verbessert deren medizinische Wirksamkeit, indem er die Bioverfügbarkeit im Blutkreislauf erhöht und ein gewisses Maß an Kontrolle über die Freisetzungszeitkonzentration bietet. Obwohl Nanopartikel therapeutische Medikamente unterstützen können, indem sie die physikalischen Eigenschaften anpassen, um die gewünschten Wirkungen zu erzielen, kommt es in Vorversuchen oft zu einer unbeabsichtigten Erhöhung der Toxizität. Darüber hinaus ist die Herstellung von Nanomedizin für Arzneimittelversuche wirtschaftlich aufwendig, was Fortschritte bei ihrer Umsetzung behindert. Computergestützte Modelle in den Nanoneurowissenschaften bieten Alternativen, um die Wirksamkeit von Arzneimitteln auf Nanotechnologiebasis bei neurologischen Erkrankungen zu untersuchen und gleichzeitig mögliche Nebenwirkungen und Entwicklungskosten zu minimieren. ⓘ

Nanomaterialien arbeiten oft auf Längenskalen zwischen dem klassischen und dem Quantenbereich. Aufgrund der damit verbundenen Unsicherheiten bei den Längenskalen, auf denen Nanomaterialien arbeiten, ist es schwierig, ihr Verhalten vor In-vivo-Studien vorherzusagen. Klassischerweise sind die physikalischen Prozesse, die in Neuronen ablaufen, mit elektrischen Schaltkreisen vergleichbar. Konstrukteure konzentrieren sich auf solche Analogien und modellieren die Gehirnaktivität als neuronalen Schaltkreis. Erfolge bei der computergestützten Modellierung von Neuronen haben zur Entwicklung von stereochemischen Modellen geführt, die Synapsen auf der Basis von Acetylcholinrezeptoren, die im Mikrosekundenbereich arbeiten, genau vorhersagen. ⓘ

Ultrafeine Nanonadeln für zelluläre Manipulationen sind dünner als die kleinsten einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Die computergestützte Quantenchemie wird eingesetzt, um ultrafeine Nanomaterialien mit hochsymmetrischen Strukturen zu entwerfen und so Geometrie, Reaktivität und Stabilität zu optimieren. ⓘ

Das Verhalten von Nanomaterialien wird durch weitreichende nichtbindende Wechselwirkungen bestimmt. Elektrochemische Prozesse, die im gesamten Gehirn ablaufen, erzeugen ein elektrisches Feld, das das Verhalten einiger Nanomaterialien ungewollt beeinflussen kann. Molekulardynamiksimulationen können die Entwicklungsphase von Nanomaterialien entschärfen und die neuronale Toxizität von Nanomaterialien nach klinischen In-vivo-Versuchen verhindern. Das Testen von Nanomaterialien mit Hilfe der Molekulardynamik optimiert die Eigenschaften von Nanomaterialien für therapeutische Zwecke, indem verschiedene Umgebungsbedingungen, Formen von Nanomaterialien, Oberflächeneigenschaften von Nanomaterialien usw. getestet werden, ohne dass In-vivo-Experimente erforderlich sind. Die Flexibilität der molekulardynamischen Simulationen ermöglicht es den Ärzten, die Behandlung zu personalisieren. Nanopartikelbezogene Daten aus der translationalen Nanoinformatik verknüpfen neurologische patientenspezifische Daten zur Vorhersage des Behandlungserfolgs. ⓘ

Neurowissenschaften und Medizin

Klinische Neurowissenschaften

Neurologie, Psychiatrie, Neurochirurgie, Psychochirurgie, Anästhesiologie und Schmerzmedizin, Neuropathologie, Neuroradiologie, Augenheilkunde, HNO-Heilkunde, klinische Neurophysiologie, Suchtmedizin und Schlafmedizin sind einige medizinische Fachgebiete, die sich speziell mit den Erkrankungen des Nervensystems befassen. Diese Begriffe beziehen sich auch auf klinische Disziplinen, die sich mit der Diagnose und Behandlung dieser Krankheiten befassen. ⓘ

Die Neurologie befasst sich mit Erkrankungen des zentralen und peripheren Nervensystems, wie z. B. der amyotrophen Lateralsklerose (ALS) und dem Schlaganfall, und deren medizinischer Behandlung. Die Psychiatrie befasst sich mit affektiven, verhaltensbezogenen, kognitiven und Wahrnehmungsstörungen. Die Anästhesiologie befasst sich mit der Schmerzwahrnehmung und der pharmakologischen Veränderung des Bewusstseins. Die Neuropathologie befasst sich mit der Klassifizierung und den zugrundeliegenden pathogenen Mechanismen von Erkrankungen des zentralen und peripheren Nervensystems und der Muskeln, wobei der Schwerpunkt auf morphologischen, mikroskopischen und chemisch beobachtbaren Veränderungen liegt. Neurochirurgie und Psychochirurgie befassen sich in erster Linie mit der chirurgischen Behandlung von Erkrankungen des zentralen und peripheren Nervensystems. ⓘ

Translationale Forschung

Parasagittale MRT des Kopfes eines Patienten mit benigner familiärer Makrozephalie ⓘ

In letzter Zeit haben sich die Grenzen zwischen den verschiedenen Fachgebieten verwischt, da sie alle von der neurowissenschaftlichen Grundlagenforschung beeinflusst werden. So ermöglicht die Bildgebung des Gehirns einen objektiven biologischen Einblick in psychische Erkrankungen, was zu einer schnelleren Diagnose, einer genaueren Prognose und einer besseren Überwachung der Entwicklung des Patienten im Laufe der Zeit führen kann. ⓘ

Integrative Neurowissenschaften beschreiben die Bemühungen, Modelle und Informationen aus verschiedenen Forschungsbereichen zu kombinieren, um ein kohärentes Modell des Nervensystems zu entwickeln. So können beispielsweise bildgebende Verfahren des Gehirns in Verbindung mit physiologischen numerischen Modellen und Theorien über grundlegende Mechanismen Aufschluss über psychiatrische Störungen geben. ⓘ

Ein weiterer wichtiger Bereich der translationalen Forschung sind Gehirn-Computer-Schnittstellen oder Maschinen, die in der Lage sind, mit dem Gehirn zu kommunizieren und es zu beeinflussen. Gehirn-Computer-Schnittstellen (BCI) werden derzeit auf ihr Potenzial hin erforscht, neuronale Systeme zu reparieren und bestimmte kognitive Funktionen wiederherzustellen. Bevor sie jedoch akzeptiert werden, müssen einige ethische Überlegungen angestellt werden. ⓘ

Wichtige Zweige

Die modernen neurowissenschaftlichen Bildungs- und Forschungsaktivitäten lassen sich grob in die folgenden Hauptbereiche einteilen, je nach Gegenstand und Umfang des zu untersuchenden Systems sowie nach den verschiedenen experimentellen oder curricularen Ansätzen. Einzelne Neurowissenschaftler befassen sich jedoch oft mit Fragen, die mehrere verschiedene Teilgebiete betreffen. ⓘ

Liste der wichtigsten Zweige der Neurowissenschaften ⓘ

Zweig	Beschreibung
Affektive Neurowissenschaft	Die affektiven Neurowissenschaften untersuchen die neuronalen Mechanismen, die bei Emotionen eine Rolle spielen, in der Regel durch Experimente an Tiermodellen.
Verhaltensneurologie (Behavioral Neuroscience)	Die Verhaltensneurowissenschaft (auch als biologische Psychologie, physiologische Psychologie, Biopsychologie oder Psychobiologie bezeichnet) ist die Anwendung der Prinzipien der Biologie auf die Untersuchung der genetischen, physiologischen und entwicklungsbedingten Mechanismen des Verhaltens bei Menschen und nichtmenschlichen Tieren.
Zelluläre Neurowissenschaft	Zelluläre Neurowissenschaft ist die Untersuchung von Neuronen auf zellulärer Ebene, einschließlich Morphologie und physiologischer Eigenschaften.
Klinische Neurowissenschaften	Die wissenschaftliche Untersuchung der biologischen Mechanismen, die den Störungen und Krankheiten des Nervensystems zugrunde liegen.
Kognitive Neurowissenschaft	Die kognitiven Neurowissenschaften befassen sich mit den biologischen Mechanismen, die der Kognition zugrunde liegen.
Computational Neuroscience	Computational Neuroscience ist die theoretische Untersuchung des Nervensystems.
Kulturelle Neurowissenschaft	Kulturelle Neurowissenschaft ist die Untersuchung der Frage, wie kulturelle Werte, Praktiken und Überzeugungen den Geist, das Gehirn und die Gene über verschiedene Zeiträume hinweg formen und von ihnen geformt werden.
Entwicklungsneurowissenschaft	Die Entwicklungsneurowissenschaft untersucht die Prozesse, die das Nervensystem hervorbringen, formen und umgestalten, und versucht, die zellulären Grundlagen der neuronalen Entwicklung zu beschreiben, um die zugrunde liegenden Mechanismen zu ergründen.
Evolutionäre Neurowissenschaft	Die Evolutionsneurowissenschaften untersuchen die Evolution des Nervensystems.
Molekulare Neurowissenschaft	Die molekularen Neurowissenschaften untersuchen das Nervensystem mit Hilfe von Molekularbiologie, Molekulargenetik, Proteinchemie und verwandten Methoden.
Nanoneurowissenschaften	Ein interdisziplinäres Gebiet, das Nanotechnologie und Neurowissenschaften miteinander verbindet.
Neuronale Technik	Das Neural-Engineering nutzt technische Verfahren, um mit neuronalen Systemen zu interagieren, sie zu verstehen, zu reparieren, zu ersetzen oder zu verbessern.
Neuroanatomie	Die Neuroanatomie ist die Lehre von der Anatomie des Nervensystems.
Neurochemie	Die Neurochemie befasst sich mit der Frage, wie Neurochemikalien interagieren und die Funktion von Neuronen beeinflussen.
Neuroethologie	Neuroethologie ist die Lehre von den neuronalen Grundlagen des Verhaltens nicht-menschlicher Tiere.
Neurogastronomie	Neurogastronomie ist das Studium des Geschmacks und seiner Auswirkungen auf Wahrnehmung, Kognition und Gedächtnis.
Neurogenetik	Neurogenetik ist die Untersuchung der genetischen Grundlagen der Entwicklung und Funktion des Nervensystems.
Neurobildgebung	Neuroimaging umfasst den Einsatz verschiedener Techniken zur direkten oder indirekten Abbildung der Struktur und Funktion des Gehirns.
Neuroimmunologie	Die Neuroimmunologie befasst sich mit den Wechselwirkungen zwischen dem Nerven- und dem Immunsystem.
Neuroinformatik	Die Neuroinformatik ist eine Disziplin innerhalb der Bioinformatik, die sich mit der Organisation neurowissenschaftlicher Daten und der Anwendung von Computermodellen und Analysewerkzeugen befasst.
Neurolinguistik	Die Neurolinguistik befasst sich mit den neuronalen Mechanismen im menschlichen Gehirn, die das Verständnis, die Produktion und den Erwerb von Sprache steuern.
Neuroophthalmologie	Die Neuroophthalmologie ist ein akademisch orientiertes Teilgebiet, das die Bereiche Neurologie und Augenheilkunde miteinander verbindet und sich häufig mit komplexen systemischen Erkrankungen befasst, die sich im visuellen System manifestieren.
Neurophysik	Die Neurophysik ist der Zweig der Biophysik, der sich mit der Entwicklung und Anwendung physikalischer Methoden zur Gewinnung von Informationen über das Nervensystem befasst.
Neurophysiologie	Die Neurophysiologie ist die Untersuchung der Struktur und Funktion des Nervensystems, im Allgemeinen unter Verwendung physiologischer Techniken, die Messungen und Stimulationen mit Elektroden oder optisch mit ionen- oder spannungsempfindlichen Farbstoffen oder lichtempfindlichen Kanälen umfassen.
Neuropsychologie	Die Neuropsychologie ist ein Fachgebiet, das sowohl zur Psychologie als auch zu den Neurowissenschaften gehört und sowohl in der Grundlagenwissenschaft als auch in der angewandten Wissenschaft tätig ist. In der Psychologie ist sie am engsten mit der Biopsychologie, der klinischen Psychologie, der kognitiven Psychologie und der Entwicklungspsychologie verbunden. In den Neurowissenschaften ist sie am engsten mit den kognitiven, verhaltensbezogenen, sozialen und affektiven Neurowissenschaften verbunden. Im angewandten und medizinischen Bereich ist sie mit der Neurologie und Psychiatrie verbunden.
Paläoneurobiologie	Die Paläoneurobiologie ist ein Gebiet, das Techniken aus der Paläontologie und Archäologie kombiniert, um die Entwicklung des Gehirns, insbesondere des menschlichen Gehirns, zu untersuchen.
Soziale Neurowissenschaft	Die soziale Neurowissenschaft ist ein interdisziplinäres Fachgebiet, das sich mit dem Verständnis dafür befasst, wie biologische Systeme soziale Prozesse und Verhaltensweisen umsetzen, und das biologische Konzepte und Methoden nutzt, um Theorien über soziale Prozesse und Verhaltensweisen zu informieren und zu verfeinern.
Systemische Neurowissenschaft	Systemneurowissenschaft ist die Untersuchung der Funktion neuronaler Schaltkreise und Systeme.

Neurowissenschaftliche Organisationen

Die größte professionelle neurowissenschaftliche Organisation ist die Society for Neuroscience (SFN), die ihren Sitz in den Vereinigten Staaten hat, aber auch viele Mitglieder aus anderen Ländern umfasst. Seit ihrer Gründung im Jahr 1969 ist die SFN stetig gewachsen: Im Jahr 2010 zählte sie 40 290 Mitglieder aus 83 Ländern. An den Jahrestagungen, die jedes Jahr in einer anderen amerikanischen Stadt stattfinden, nehmen Forscher, Postdoktoranden, Doktoranden und Studenten sowie Bildungseinrichtungen, Förderorganisationen, Verlage und Hunderte von Unternehmen teil, die Produkte für die Forschung liefern. ⓘ

Zu den anderen großen Organisationen, die sich den Neurowissenschaften widmen, gehören die International Brain Research Organization (IBRO), die ihre Tagungen jedes Jahr in einem anderen Land der Welt abhält, und die Federation of European Neuroscience Societies (FENS), die alle zwei Jahre eine Tagung in einer anderen europäischen Stadt abhält. Die FENS besteht aus 32 nationalen Organisationen, darunter die British Neuroscience Association, die Deutsche Neurowissenschaftliche Gesellschaft und die französische Société des Neurosciences. Die erste nationale Ehrengesellschaft für Neurowissenschaften, Nu Rho Psi, wurde 2006 gegründet. Darüber hinaus gibt es zahlreiche neurowissenschaftliche Jugendgesellschaften, die Studenten, Absolventen und Nachwuchsforscher unterstützen, wie Simply Neuroscience und Project Encephalon. ⓘ

Im Jahr 2013 wurde in den USA die BRAIN-Initiative angekündigt. Die International Brain Initiative wurde 2017 ins Leben gerufen und umfasst derzeit mehr als sieben nationale Hirnforschungsinitiativen (USA, Europa, Allen Institute, Japan, China, Australien, Kanada, Korea und Israel), die sich über vier Kontinente erstrecken. ⓘ

Öffentliche Bildung und Öffentlichkeitsarbeit

Neben der traditionellen Forschung in Laboratorien haben sich Neurowissenschaftler auch für die Förderung des Bewusstseins und des Wissens über das Nervensystem in der Öffentlichkeit und bei Regierungsbeamten eingesetzt. Diese Förderung wurde sowohl von einzelnen Neurowissenschaftlern als auch von großen Organisationen durchgeführt. Einzelne Neurowissenschaftler haben zum Beispiel die neurowissenschaftliche Ausbildung junger Schüler gefördert, indem sie den International Brain Bee organisierten, einen akademischen Wettbewerb für Schüler der High School oder der Sekundarstufe weltweit. In den Vereinigten Staaten haben große Organisationen wie die Society for Neuroscience die neurowissenschaftliche Bildung gefördert, indem sie eine Fibel mit dem Titel Brain Facts entwickelt haben, mit Lehrern öffentlicher Schulen zusammengearbeitet haben, um neurowissenschaftliche Grundkonzepte für Lehrer und Schüler der Klassen K-12 zu entwickeln, und gemeinsam mit der Dana Foundation eine Kampagne mit dem Titel Brain Awareness Week durchgeführt haben, um die Öffentlichkeit für die Fortschritte und Vorteile der Hirnforschung zu sensibilisieren. In Kanada findet jährlich der CIHR Canadian National Brain Bee an der McMaster University statt. ⓘ

1992 gründeten Neurowissenschaftsdozenten die Faculty for Undergraduate Neuroscience (FUN), um bewährte Verfahren auszutauschen und Reisepreise für Studenten zu vergeben, die auf Tagungen der Society for Neuroscience präsentieren. ⓘ

Neurowissenschaftler haben auch mit anderen Bildungsexperten zusammengearbeitet, um Bildungstechniken zu untersuchen und zu verfeinern, um das Lernen von Studenten zu optimieren, ein aufstrebendes Gebiet, das als pädagogische Neurowissenschaft bezeichnet wird. Bundesbehörden in den Vereinigten Staaten, wie das National Institute of Health (NIH) und die National Science Foundation (NSF), haben ebenfalls Forschungsarbeiten finanziert, die sich mit den besten Praktiken beim Lehren und Lernen neurowissenschaftlicher Konzepte befassen. ⓘ

Technische Anwendungen der Neurowissenschaften

Neuromorphe Computerchips

Die neuromorphe Technik ist ein Zweig der Neurowissenschaften, der sich mit der Schaffung funktioneller physikalischer Modelle von Neuronen zum Zwecke nützlicher Berechnungen befasst. Die neuromorphen Computer unterscheiden sich insofern grundlegend von herkömmlichen Computern, als sie ein komplexes System darstellen und die Rechenkomponenten ohne zentralen Prozessor miteinander verbunden sind. ⓘ

Ein Beispiel für einen solchen Computer ist der Supercomputer SpiNNaker. ⓘ

Auch Sensoren können mit neuromorpher Technologie intelligent gemacht werden. Ein Beispiel dafür ist der BrainScaleS (Brain-inspired Multiscale Computation in Neuromorphic Hybrid Systems) der Event Camera, ein hybrider analoger neuromorpher Supercomputer an der Universität Heidelberg in Deutschland. Er wurde im Rahmen der neuromorphen Rechenplattform des Human Brain Project entwickelt und ist die Ergänzung zum Supercomputer SpiNNaker, der auf digitaler Technologie basiert. Die in BrainScaleS verwendete Architektur ahmt biologische Neuronen und ihre Verbindungen auf physikalischer Ebene nach; da die Komponenten aus Silizium bestehen, arbeiten diese Modellneuronen im Durchschnitt 864 Mal (24 Stunden Echtzeit entsprechen 100 Sekunden in der Maschinensimulation) schneller als ihre biologischen Gegenstücke. ⓘ

Jüngste Fortschritte in der neuromorphen Mikrochiptechnologie haben eine Gruppe von Wissenschaftlern dazu gebracht, ein künstliches Neuron zu schaffen, das echte Neuronen bei Krankheiten ersetzen kann. ⓘ

Nobelpreise im Bereich der Neurowissenschaften

Jahr	Preisbereich	Bild	Preisträger	Lebenslang	Land	Begründung	Ref. ⓘ
1904	Physiologie		Iwan Petrowitsch Pawlow	1849–1936	Russisches Reich	"in Anerkennung seiner Arbeiten über die Physiologie der Verdauung, durch die das Wissen über wesentliche Aspekte dieses Themas verändert und erweitert wurde".
1906	Physiologie		Camillo Golgi	1843–1926	Königreich Italien	"in Anerkennung seiner Arbeiten über die Struktur des Nervensystems".
			Santiago Ramón y Cajal	1852–1934	Restaurierung (Spanien)
1911	Physiologie		Allvar Gullstrand	1862– 1930	Schweden	"für seine Arbeiten über die Dioptrien des Auges".
1914	Physiologie		Robert Bárány	1876–1936	Österreich-Ungarn	"für seine Arbeiten über die Physiologie und Pathologie des Vestibularapparates"
1932	Physiologie		Charles Scott Sherrington	1857–1952	Vereinigtes Königreich	"für seine Entdeckungen über die Funktionen der Neuronen"
			Edgar Douglas Adrian	1889–1977	Vereinigtes Königreich
1936	Physiologie		Henry Hallett Dale	1875–1968	Vereinigtes Königreich	"für ihre Entdeckungen in Bezug auf die chemische Übertragung von Nervenimpulsen"
			Otto Loewi	1873–1961	Österreich Deutschland
1938	Physiologie		Corneille Jean François Heymans	1892–1968	Belgien	"für die Entdeckung der Rolle der Sinus- und Aortenmechanismen bei der Regulierung der Atmung".
1944	Physiologie		Joseph Erlanger	1874–1965	Vereinigte Staaten	"für ihre Entdeckungen in Bezug auf die hochdifferenzierten Funktionen einzelner Nervenfasern"
			Herbert Spencer Gasser	1888–1963	Vereinigte Staaten
1949	Physiologie		Walter Rudolf Hess	1881–1973	Schweiz	"für seine Entdeckung der funktionellen Organisation des Zwischenhirns als Koordinator der Aktivitäten der inneren Organe"
			António Caetano Egas Moniz	1874–1955	Portugal	"für seine Entdeckung des therapeutischen Wertes der Leukotomie bei bestimmten Psychosen"
1955	Chemie		Vincent du Vigneaud	1901–1978	Vereinigte Staaten	"für seine Arbeiten über biochemisch wichtige Schwefelverbindungen, insbesondere für die erste Synthese eines Polypeptidhormons" (Oxytocin)
1957	Physiologie		Daniel Bovet	1907–1992	Italien	"für seine Entdeckungen im Zusammenhang mit synthetischen Verbindungen, die die Wirkung bestimmter Körpersubstanzen hemmen, insbesondere ihre Wirkung auf das Gefäßsystem und die Skelettmuskulatur".
1961	Physiologie		Georg von Békésy	1899–1972	Vereinigte Staaten	"für seine Entdeckungen über den physikalischen Mechanismus der Stimulation innerhalb der Cochlea".
1963	Physiologie		John Carew Eccles	1903–1997	Australien	"für seine Entdeckungen über die ionischen Mechanismen, die an der Erregung und Hemmung in den peripheren und zentralen Bereichen der Nervenzellmembran beteiligt sind"
			Alan Lloyd Hodgkin	1914–1998	Vereinigtes Königreich
			Andrew Fielding Huxley	1917–2012	Vereinigtes Königreich
1967	Physiologie		Ragnar Granit	1900–1991	Finnland Schweden	"für ihre Entdeckungen über die primären physiologischen und chemischen Sehprozesse im Auge".
			Haldan Keffer Hartline	1903–1983	Vereinigte Staaten
			Georg Wald	1906–1997	Vereinigte Staaten
1970	Physiologie		Julius Axelrod	1912–2004	Vereinigte Staaten	"für ihre Entdeckungen über die humoralen Überträgerstoffe in den Nervenendigungen und den Mechanismus für ihre Speicherung, Freisetzung und Inaktivierung"
			Ulf von Euler	1905–1983	Schweden
			Bernard Katz	1911–2003	Vereinigtes Königreich
1973	Physiologie		Karl von Frisch	1886–1982	Österreich	"für ihre Entdeckungen über die Organisation und Auslösung individueller und sozialer Verhaltensmuster".
			Konrad Lorenz	1903–1989	Österreich
			Nikolaas Tinbergen	1907–1988	Niederlande
1977	Physiologie		Roger Guillemin	1924–	Frankreich	"für ihre Entdeckungen über die Peptidhormonproduktion des Gehirns"
			Andrew V. Schally	1926–	Polen
1981	Physiologie		Roger W. Sperry	1913–1994	Vereinigte Staaten	"für seine Entdeckungen über die funktionelle Spezialisierung der Großhirnhemisphären"
			David H. Hubel	1926–2013	Kanada	"für ihre Entdeckungen zur Informationsverarbeitung im visuellen System"
			Torsten N. Wiesel	1924–	Schweden
1986	Physiologie		Stanley Cohen	1922–2020	Vereinigte Staaten	"für ihre Entdeckungen von Wachstumsfaktoren"
			Rita Levi-Montalcini	1909–2012	Italien
1997	Physiologie		Stanley B. Prusiner	1942–	Vereinigte Staaten	"für seine Entdeckung der Prionen - ein neues biologisches Prinzip der Infektion"
1997	Chemie		Jens C. Skou	1918–2018	Dänemark	"für die erste Entdeckung eines ionentransportierenden Enzyms, der Na+, K+ -ATPase".
2000	Physiologie		Arvid Carlsson	1923–2018	Schweden	"für ihre Entdeckungen zur Signaltransduktion im Nervensystem"
			Paul Greengard	1925–2019	Vereinigte Staaten
			Eric R. Kandel	1929–	Vereinigte Staaten
2003	Chemie		Roderick MacKinnon	1956–	Vereinigte Staaten	"für ihre Entdeckungen über Kanäle in Zellmembranen [...] für strukturelle und mechanistische Studien von Ionenkanälen"
2004	Physiologie		Richard Axel	1946–	Vereinigte Staaten	"für ihre Entdeckungen von Geruchsrezeptoren und der Organisation des Geruchssystems"
			Linda B. Buck	1947–	Vereinigte Staaten
2014	Physiologie		John O'Keefe	1939–	Vereinigte Staaten Vereinigtes Königreich	"für ihre Entdeckungen von Zellen, die ein Positionierungssystem im Gehirn bilden"
			May-Britt Moser	1963–	Norwegen
			Edvard I. Moser	1962–	Norwegen
2017	Physiologie		Jeffrey C. Hall	1939–	Vereinigte Staaten	"für ihre Entdeckungen der molekularen Mechanismen zur Steuerung des zirkadianen Rhythmus".
			Michael Rosbash	1944–	Vereinigte Staaten
			Michael W. Young	1949–	Vereinigte Staaten
2021	Physiologie		David Julius	1955–	Vereinigte Staaten	"für ihre Entdeckungen von Rezeptoren für Temperatur und Berührung"
			Ardem Patapoutian	1967–	Libanon

Methoden

Die Methoden der Neurowissenschaften unterscheiden sich zunächst in ihrer Anwendbarkeit beim Menschen. Zum Studium des menschlichen Nervensystems werden vorwiegend nichtinvasive Verfahren eingesetzt, also Verfahren, die das System nicht schädigen. In Ausnahmefällen und in Tierversuchen werden auch invasive Verfahren verwendet. Einen Ausnahmefall stellen beispielsweise Läsionsstudien dar, welche durch systematischen Vergleich von geschädigten Gehirnen Aufschluss auf die Lokalisation von Funktionen bieten. Allerdings wird die Schädigung nicht gezielt vorgenommen, sondern Patienten mit Hirnverletzungen oder Schlaganfällen stellen die Basis für die Studie dar. Im Folgenden sind die wichtigsten neurowissenschaftlichen Methoden aufgelistet. ⓘ

• Die Psychophysik ist ausschließlich mit der Messung der Fähigkeiten des Gehirns als Gesamtkomplex innerhalb des Lebewesens beschäftigt. Sie liefert Hinweise auf den Bereich der Möglichkeiten, den ein Lebewesen hat. Die Psychophysik wird oft zusammengebracht mit der Anatomie, wenn Läsions­studien durchgeführt werden. Patienten mit Hirnläsionen z. B. nach einem Schlaganfall werden mit gesunden Menschen verglichen. Der Vergleich der (psychophysischen) Möglichkeiten zweier neuronaler Systeme mit intaktem bzw. geschädigtem Gehirn erlaubt, die Rolle des geschädigten Hirnbereiches für die Fähigkeiten und Vermögen einzuschätzen. Die Läsionsstudien haben allerdings den Nachteil, dass der Ort der Schädigung erst nach dem Tode des Patienten festgestellt werden konnte. Sie waren daher sehr langwierig, stellten aber über lange Zeit die Basis aller neurowissenschaftlichen Studien dar und begrenzten die Geschwindigkeit des neurowissenschaftlichen Erkenntnisgewinns. In ihrer Methodik spielt die Aktivität von Nervenzellen insofern keine unmittelbare Rolle, als nicht die Nervenzelle, sondern das Gesamtsystem des Lebewesens der Schwerpunkt der Studie ist.
• Mit der Entwicklung von Geräten, die direkt oder indirekt Rückschlüsse auf die Aktivität des Gehirns zulassen, änderte sich auch die Art der Studien. Die Entwicklung der Elektroenzephalographie (EEG) erlaubt es, dem Gehirn beim Arbeiten indirekt zuzuschauen. Die Aktivität von Nervenzellen erzeugt ein elektrisches Feld, das außerhalb des Schädels gemessen werden kann. Da sich orthogonal zu jedem elektrischen Feld auch ein Magnetfeld ausbreitet, kann auch dieses gemessen werden, diese Methode bezeichnet man als Magnetoenzephalographie (MEG). Beiden Methoden ist gemeinsam, dass sie es ermöglichen, die Aktivität von großen Zellverbänden in hoher zeitlicher Auflösung zu messen und damit Aufschluss über die Reihenfolge von Verarbeitungsschritten zu erhalten. Die räumliche Auflösung ist mäßig, dennoch erlaubt es Forschern, Erkenntnisse über Ort und Zeitpunkt von neuronalen Prozessschritten am lebenden Menschen zu gewinnen.
• Mittels der Computertomographie (CT) ist es möglich geworden, Ort und Ausdehnung einer Läsion auch beim lebenden Patienten zu bestimmen. Läsionsstudien wurden damit schneller und auch genauer, da das Gehirn bereits unmittelbar nach einer Schädigung gescannt werden kann und die Anatomie der Schädigung bereits Hinweise auf mögliche (kognitive) Ausfälle geben kann, die dann gezielt studiert werden können. Ein weiterer Nebeneffekt ist die Tatsache, dass das Gehirn sich von einer Schädigung bis zum Tode des Patienten verformt, was die genaue anatomische Bestimmung der Schädigung erschwert. Diese Verformung spielt beim CT insofern keine Rolle, als die Zeitspanne zwischen Schädigung und Tomographie für gewöhnlich kurz ist. Dies gilt im gleichen Maße für die Magnetresonanztomographie (MRT/MRI, auch Kernspintomographie genannt). Beide Methoden haben eine gute bis sehr gute räumliche Auflösung, erlauben aber keinerlei Rückschlüsse auf die Aktivität von Nervenzellen. Sie stellen die Fortsetzung der Läsionsstudien dar.
• Funktionelle Studien, also Studien, die die Funktion bestimmter Hirnareale untersuchen, wurden erst möglich, als bildgebende Verfahren entwickelt wurden, deren gemessene Signalstärke sich in Abhängigkeit von der Aktivität von Hirnarealen verändert. Zu diesen Methoden zählt die Positronen-Emissions-Tomographie (PET), die Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT) sowie die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI/fMRT). Sie alle erzeugen ein Signal von mäßiger bis guter räumlicher Auflösung, haben aber den Nachteil, praktisch blind für die zeitliche Abfolge von neuronalen Prozessen (im Millisekundenbereich) zu sein. Eine relativ neue Methode ist die nichtinvasive Nahinfrarotspektroskopie, die zwar eine gute zeitliche Auflösung besitzt, allerdings nur kleine Bereiche des Gehirns abbilden kann. Im Gegensatz zu anderen funktionellen Methoden kann sie aber wie ein EEG mobil und in natürlichen Umgebungen eingesetzt werden.
• In tierischen Modellsystemen oder in klinischen Studien kommen auch invasive Verfahren zum Einsatz, die gezielt die Eigenschaften des Nervensystems verändern oder aber durch die Messung Schäden oder Verletzungen anrichten. Auf globaler Ebene verändern vor allem pharmakologische Agenten die Eigenschaften von Neuronen oder anderen für die neuronale Aktivität, Plastizität oder Entwicklung relevanten Mechanismen. Bei der pharmakologischen Intervention kann dadurch je nach Substanz ein Hirnareal beeinflusst oder ganz zerstört oder aber im gesamten Gehirn lediglich ein ganz bestimmter Kanal- oder Rezeptortyp der neuronalen Zellmembran beeinflusst werden. Die pharmakologische Intervention ist damit also gleichermaßen eine globale wie eine spezifische funktionelle Methode. Um die Effekte der Intervention zu messen, greift man für gewöhnlich auf die Psychophysik, die Elektrophysiologie oder (post mortem) die Histologie zurück.
• Die Transkranielle Magnetstimulation (TMS) erlaubt es, kurzfristig Hirnareale auszuschalten. Sie wird, obwohl invasiv, auch beim Menschen angewendet, da man nicht von bleibenden Schäden ausgeht. Mittels eines starken Magnetfeldes wird Strom schmerzfrei in ganze Hirnareale induziert, deren Aktivität dadurch nichts mehr mit der normalen Aufgabe der Areale zu tun hat. Man spricht daher manchmal auch von einer temporären Läsion. Die Dauer der Läsion ist für gewöhnlich im Millisekundenbereich und erlaubt daher Einblick in die Abfolge neuronaler Prozesse. Bei der repetitiven transkraniellen Magnetstimulation (rTMS) dagegen werden Hirnareale durch wiederholte Stimulation für Minuten ausgeschaltet, indem man sich einen Schutzmechanismus des Gehirns zunutze macht. Die wiederholte gleichzeitige Stimulation ganzer Hirnareale gaukelt dem Hirn einen drohenden epileptischen Anfall vor. Als Gegenreaktion wird die Aktivität des stimulierten Hirnareals unterdrückt, um eine Ausbreitung der Erregung zu verhindern. Die so erzeugte temporäre Läsion bleibt nun für einige Minuten bestehen. Die räumliche Auflösung ist mäßig, die zeitliche Auflösung sehr gut für TMS und schlecht für rTMS.
• Mittels Elektrostimulation kortikaler Areale kann man, ebenso wie bei der TMS, kurzfristig die Verarbeitung von Nervenimpulsen in bestimmten Hirnarealen beeinflussen oder ganz ausschalten. Im Gegensatz zur TMS wird dazu allerdings der Schädel geöffnet (da von außerhalb des Schädels wesentlich stärkere, schmerzhafte Ströme appliziert werden müssen) und eine Elektrode in ein Hirnareal von Interesse implantiert. Das erlaubt eine wesentlich exaktere räumliche Bestimmung der betroffenen Areale. Die Elektrostimulation wird vor allem in der Neurochirurgie zur Bestimmung der Sprachzentren angewandt, die bei Operationen nicht beschädigt werden dürfen, aber auch in Tiermodellen, um kurzfristig die neuronale Aktivität beeinflussen zu können.
• Dem entgegengesetzt arbeitet die Elektrophysiologie, die, statt Ströme ins Gehirn zu induzieren, elektrische Signale von einzelnen Zellen oder Zellverbänden misst. Hier wird zwischen In-vivo- und In-vitro-Experimenten unterschieden. Bei In-vivo-Experimenten werden Elektroden in das Gehirn eines lebendigen Tieres gebracht, und zwar indem man sie entweder permanent implantiert (chronisches Implantat) oder nur temporär in Hirnareale von Interesse steckt (akutes Experiment). Chronische Implantate erlauben es, die Aktivität des Gehirns bei einem Tier zu studieren, das sich normal verhält. In-vitro-Experimente studieren die elektrische Aktivität von Zellen und werden nicht an lebendigen Tieren vorgenommen, sondern nur am Hirngewebe. Die Aktivität des Gewebes entspricht hier nicht dem normalen Verhalten des Tieres, aber Techniken wie die Patch-Clamp-Technik erlauben sehr viel genauere Rückschlüsse auf die Eigenschaften der Neuronen in einem Hirnareal, da diese systematisch studiert werden können.
• Für das Studium der morphologischen Struktur von Hirngewebe war schon immer die Mikroskopie wichtig. Neuere Techniken, vor allem Multiphotonenmikroskopie und konfokale Mikroskopie erlauben eine bislang ungeahnte räumliche Auflösung. Einzelne Neuronen können in 3D vermessen und morphologische Veränderungen genau studiert werden. Bei Benutzung ionensensitiver oder spannungssensitiver Farbstoffe können auch funktionelle Studien durchgeführt werden.
• Die Theoretische Neurowissenschaft versucht, die Prinzipien und Mechanismen, welche der Entwicklung, Organisation, Informationsverarbeitung und den geistigen Fähigkeiten des Nervensystems zugrunde liegen, mit mathematischen Modellen zu verstehen. Dabei kommen mit der Theorie dynamischer Systeme vor allem Ansätze aus Physik und Mathematik zum Einsatz. Viele Probleme sind analytisch nicht lösbar und müssen deshalb numerisch simuliert werden. Das Feld der Computational Neuroscience kann als Forschungszweig innerhalb der Theoretischen Neurowissenschaft aufgefasst werden, in welchem Computer zur Simulation von Modellen verwendet werden. Da dies meistens der Fall ist, werden die Begriffe „Theoretische Neurowissenschaft“ und „Computational Neuroscience“ häufig synonym verwendet.
• Weitere Felder der Neurowissenschaften auf zellulärer Ebene bieten die Techniken der Genetik. Mit ihrer Hilfe können bei Versuchstieren ganz spezifische Gene gelöscht (z. B. Knockout-Maus), modifiziert oder implementiert werden (s. z. B. Gal4/UAS-System), um deren Bedeutung für das Nervensystem zu beobachten. Praktisch alle oben angeführten Methoden sind auf solchen Mutanten bzw. Transformanten anwendbar. Eine Besonderheit stellt die Optogenetik dar, bei der genetisch modifizierte Zellen durch Bestrahlung mit Licht aktiviert oder inhibiert werden können. Zudem ermöglicht sie die Beobachtung der Aktivität von ganzen Populationen bestimmter Zelltypen unter dem Lichtmikroskop. ⓘ

Literatur

• Olaf Breidbach: Die Materialisierung des Ichs. Zur Geschichte der Hirnforschung im 19. und 20. Jahrhundert. Suhrkamp, Frankfurt 1997, ISBN 978-3-518-28876-4 (Reihe: Wissenschaft, 1276).
• Thomas Budde, Sven Meuth: Fragen und Antworten zu den Neurowissenschaften. Huber, Bern 2003, ISBN 3-456-83929-4.
• Hans Burkert: Die Neuro-Bilddiktatur der Hirnforschung. Vernissage, Heidelberg 2009, ISBN 978-3-941812-01-7.
• Suitbert Cechura, Kognitive Hirnforschung (PDF; 124 kB) – Mythos einer naturwissenschaftlichen Theorie menschlichen Verhaltens, Hamburg 2008, VSA, ISBN 978-3-89965-305-2.
• David Chalmers: Mind papers. Bibliographie. 18.000 Einträge. [1]
• Brigitte Falkenburg: Mythos Determinismus. Wieviel erklärt uns die Hirnforschung? Springer, 2012, ISBN 3-642-25097-1.
• Michael Hagner: Homo cerebralis. Der Wandel vom Seelenorgan zum Gehirn. Insel, Frankfurt 2000, ISBN 3-458-34364-4.
  • dsb.: Geniale Gehirne. Zur Geschichte der Elitegehirnforschung. 2. Aufl. München 2007.
  • dsb.: Der Geist bei der Arbeit. Historische Untersuchungen zur Hirnforschung. Wallstein, Göttingen 2006, ISBN 3-8353-0064-4.
• Felix Hasler: Neuromythologie: Eine Streitschrift gegen die Deutungsmacht der Hirnforschung. Transcript, Bielefeld 2012 (3. Aufl. 2013), ISBN 3-8376-1580-4.
• Torsten Heinemann: Populäre Wissenschaft: Hirnforschung zwischen Labor und Talkshow. Wallstein, Göttingen 2012, ISBN 978-3-8353-1073-5.
• Leonhard Hennen, Reinhard Grünwald, Christoph Revermann und Arnold Sauter: Einsichten und Eingriffe in das Gehirn. Die Herausforderung der Gesellschaft durch die Neurowissenschaften. Edition Sigma, Berlin 2008, ISBN 978-3-8360-8124-5.
• Ulrich Herrmann: Neurodidaktik. Grundlagen und Vorschläge für gehirngerechtes Lehren und Lernen. Beltz, Weinheim 2006 (2. Auflage 2009), ISBN 978-3-407-25511-2.
• Peter Janich: Kein neues Menschenbild: Zur Sprache der Hirnforschung. Suhrkamp, Frankfurt 2009, ISBN 3-518-26021-9.
• Eric Richard Kandel, James H. Schwartz, Thomas M. Jessel (Hrsg.): Neurowissenschaften. Eine Einführung. Spektrum, Heidelberg/Berlin/Oxford 1995, ISBN 3-86025-391-3. Aus dem Englischen und erweitert nach:
  • Essentials of neural science and behavior. Appleton & Lange, Norwalk 1995.
  • Principals of Neural Science. 4. Auflage. McGraw-Hill, New York 2000, ISBN 978-0-8385-7701-1.
• Jürgen Peiffer: Hirnforschung in Deutschland 1849 bis 1974. Springer, Berlin 2004, ISBN 3-540-40690-5.
• Guido Rappe: Neuro-Religion.
  • Neuro-Religion I. Der Homunkulus und die Gefühle. Projektverlag, Bochum 2016, ISBN 978-3-89733-401-4. 
  • Neuro-Religion II. Was die Neuro-Wissenschaft immer noch nicht erklären kann. Projektverlag, Bochum 2016, ISBN 978-3-89733-405-2. 
• Ewald Richter: Wohin führt uns die moderne Hirnforschung? Duncker & Humblot, Berlin 2005, ISBN 3-428-11786-7.
• Christine Zunke: Kritik der Hirnforschung. Neurophysiologie und Willensfreiheit. Akademie, Berlin 2008, ISBN 3-05-004501-9.
• Antonio Damasio: Selbst ist der Mensch: Körper, Geist und die Entstehung des menschlichen Bewusstseins. Pantheon Verlag 2013, ISBN 978-3-570-55179-0. ⓘ

Rundfunkberichte

• Martin Hubert: Hirnforschung – Das Hypothesengenie – Das Gehirn als Vorhersagemaschine (Manuskript), Deutschlandradio, „Wissenschaft im Brennpunkt“ vom 19. Januar 2014 ⓘ