Was passiert, wenn mein Gehirn k.o. geht?

Blackout, Narkose, Alkoholvergiftung – ob absichtlich ausgelöst oder nicht, unter bestimmten Umständen schaltet sich unser Bewusstsein aus. Doch was passiert im Gehirn, wenn es die Kontrolle verliert? Die neuesten Forschungen der Neurowissenschaft offenbaren die verborgenen Aktivitäten der menschlichen Schaltzentrale.

Alarmstufe Rot: akuter Sauerstoffmangel. Die Steuerzentrale für die Lebenserhaltungssysteme im Gehirn läuft auf Hochtouren. Alle anderen Bereiche sind ausgefallen: Sinneswahrnehmung, Muskelbewegung, Bewusstsein. Wie bei einem Flugzeug, bei dem die Instrumente nicht mehr funktionieren. Die Maschine ist außer Kontrolle. Sie stürzt in die Tiefe. Nur der Pilot kann die Geräte wieder zum Laufen bringen und das Flugzeug stabilisieren. Im menschlichen Gehirn übernehmen diese verantwortungsvolle Aufgabe einige wenige Neuronen in der Mittelhirnhaube: Sie sind die letzten, die noch Impulse abfeuern – und über alles oder nichts entscheiden. Denn diese Gehirnzellen kontrollieren den Blackout. Ursache für den Notzustand: Eine Herzrhythmusstörung hat die Sauerstoffversorgung des Gehirns kurzfristig unterbrochen. Zehn Sekunden hält das Denkorgan ohne Energieversorgung aus, dann schaltet es viele Funktionen ab, und der Mensch verliert das Bewusstsein. Die Überwachungsneuronen in der Mittelhirnhaube halten die lebenswichtigen Aufgaben, wie Atmung und Herzschlag, aufrecht. Außerdem aktivieren sie die anderen Areale, wie den Neocortex (Sitz des Bewusstseins), erneut, wenn wieder genügend Sauerstoff vorhanden ist.

Es sind genau diese Erkenntnisse, die Wissenschaftler jetzt nutzen wollen, um Koma-Patienten aus ihrem Zustand zu befreien. Sie hoffen, die Steuerzentrale mittels elektrischer Stimulation dazu anregen zu können, die anderen Hirnregionen zu aktivieren – und Menschen zurück ins Bewusstsein zu holen. Dabei sind Neurologen in der Koma-Erforschung bereits zu revolutionären Ergebnissen gelangt: Lange Zeit dachte man, dass die Patienten keine Reize wahrnehmen. Doch Adrian Owen, Neurowissenschaftler an der University of Cambridge, unterhält sich sogar mit ihnen. So bittet er eine Frau, die seit Monaten im Wachkoma liegt und keinerlei Reaktion auf äußere Reize zeigt, sich vorzustellen, Tennis zu spielen – und das macht die Patientin tatsächlich auch: In ihren Gedanken schwingt sie den Tennisschläger. Woran Owen das erkennt? Mittels fMRT-Scans, also Scans, die das Gehirn in Funktion zeigen, kann der Neurowissenschaftler sehen, dass genau die Hirnregion aktiv wird, die bei Gesunden für dieses imaginäre Tennismatch zuständig ist. Damit beweist er, dass die Frau ihn wahrnehmen und sich verständigen kann. Denn wenn der Neuroforscher sie etwas fragt und sie sich vorstellt, Tennis zu spielen, heißt das „Ja". Stellt sie sich vor, durch ein Zimmer zu gehen, heißt das „Nein". Diese Regel hat Owen der Patientin zuvor erklärt, und die Antworten liest er aus den Scans ab – je nachdem, welche Areale aktiv werden.

Doch nicht alle Koma-Patienten sind in der Lage, ihr Umfeld zu erfassen und darauf mittels Gehirnaktivität zu reagieren. Etliche zeigen keinerlei Anzeichen von Bewusstsein. Drei Grade der Bewusstlosigkeit haben Mediziner definiert: den Zustand des Minimal-Bewusstseins, bei dem der Patient wach ist und über minimales Reaktionsvermögen verfügt; das Wachkoma, bei dem der Patient wach ist, aber keine mit bloßem Auge sichtbaren Reaktionen (zum Beispiel Augenzwinkern oder das Bewegen des Zehs) zeigt, wie Owens Patientin; und das Koma als solches, bei dem der Patient nichts von den äußeren Reizen wahrnimmt und somit nicht bei Bewusstsein ist. Meist ist der Grad abhängig von der Hirnschädigung – infolge eines Unfalls, Tumors, Blutgerinnsels oder einer Hirnhautentzündung. Doch manchmal schalten Neurologen das Bewusstsein absichtlich aus.

Zehn Millionen Operationen werden jedes Jahr allein in Deutschland unter Vollnarkose durchgeführt. Doch was passiert dabei genau im Gehirn? Nach der Injektion muss das Anästhetikum die Blut-Hirn-Schranke überwinden, die als eine Art Firewall das Gehirn vor Giftstoffen schützen soll. Das Narkosemittel ist fettlöslich und kann die Membran der Barrierezellen problemlos durchdringen. Wenn es dann ins Gehirn geschwemmt wird, dockt es an die Kontaktstellen der Neuronen an, an die Synapsen. Genauer gesagt: Es verbindet sich mit bestimmten Rezeptoren, die dann für andere Informationen blockiert sind. Mit dieser Methode verstopft das Anästhetikum die Kommunikationskanäle – so lange es im Gehirn zirkuliert. Um den künstlichen Schlaf noch besser zu verstehen, zeichneten Wissenschaftler jetzt erstmals die Gehirnaktivität eines Patienten auf, während er narkotisiert wurde. Ergebnis: Statt dass die elektrischen Impulse nachlassen, nehmen sie in der Narkose zu. „Es scheint so, als ,redeten' die Gehirnregionen verstärkt miteinander," erklärt Prof. Brian Pollard von der University of Manchester. Damit scheint die Narkose sich grundlegend von einem Blackout zu unterscheiden. Stattdessen ähnelt sie eher dem Zustand des Schlafes, bei dem viele Gehirnregionen weiterhin aktiv bleiben oder erst durch die Ruhephase aktiv werden. Neurologen vermuten, dass unsere Schaltzentrale vergeblich versucht, ihr Netzwerk aufrechtzuerhalten. Denn einen Unterschied zum wachen Zustand weist das narkotisierte Gehirn auf: Die verschiedenen Areale sind kaum noch miteinander verbunden. Das heißt, sie können zwar aktiv sein und Informationen aufnehmen, diese aber nicht weiterleiten. Denn das Schlafmittel blockiert die Kommunikation. Erst wenn es abgebaut ist, wacht unsere Schaltzentrale auf – und kann wieder die Kontrolle übernehmen.

Die meisten Komapatienten liegen in einem Wachkoma. Bisher lautete die Annahme: Das Stammhirn steuert noch immer die überlebenswichtigen Funktionen, aber es ist kein Bewusstsein mehr vorhanden. Doch jetzt machten Neurowissenschaftler eine sensationelle Entdeckung: Oft gibt es noch immer eine bewusste Aktivität in manchen Hirnregionen. Die lässt sich etwa mit der Magnetresonanztomografie sichtbar machen. So können Wachkoma-Patienten wieder mit ihrer Umwelt interagieren und sogar Ja-Nein-Fragen beantworten.

Um besser zu verstehen, was im Gehirn passiert, wenn es das Bewusstsein verliert, zeichneten Forscher jetzt zum ersten Mal die neuronale Aktivität in verschiedenen Narkosezuständen auf. Mediziner der Manchester University erstellten mithilfe der Functional Electrical Impedance Tomography by Evoke Response (fEITER) eine 3-D-Animation, die die Entwicklung der Gehirnaktivität vor, während und nach der Injektion des Narkosemittels aufzeigt. Die Ergebnisse überraschten die Neurologen: Statt nachzulassen, nahmen die elektrischen Impulse teilweise sogar zu (grüne Bereiche). Die Forscher vermuten, dass die Impulszunahme Hirnregionen aktiviert, die das Bewusstsein ausschalten.

In jeder Sekunde fließen Billionen winziger Blutkörperchen durch das Tunnelsystem unserer Adern. Sie versorgen das Gehirn mit Sauerstoff und Zucker. Aber diese Pipelines des Körpers können auch Stoffe wie etwa Narkosemittel transportieren, die unser Bewusstsein abschalten und die chemischen Signale der sogenannten Nozizeptoren (Schmerzrezeptoren) so blockieren, dass unser Gehirn keine Schmerzen mehr wahrnimmt.

Die feinen, kapillaren Blutgefäße verfügen über Membranzellen, die in der Regel nur kleine Moleküle wie Sauerstoff oder Zucker hindurchlassen. Zusätzlich zu dieser Barriere „bewachen" sternförmige Zellen, die Astrozyten, die Zugänge zum Gehirn. Narkosemittel bestehen aus ähnlichen Substanzen wie Astrozyten und können daher leicht diese sogenannte Blut-Hirn-Schranke überwinden.