WENN WEltEN VERSCHMElzEN - Spektrum der Wissenschaft

BEIDE FOTOS: PETER FROMHERZ / MPI FÜR BIOCHEMIE
Wissenschaftsgeschichte
H I R N FO R S C H U NG NE U ROTRA N S ISTO R E N
Wenn Welten verschmelzen
Technologie-Utopisten sehen den Menschen künftig ersetzt durch einen mit
so genannten Neurochips aufgerüsteten Übermenschen: den „Cyborg“.
Nicht so schnell, hält Max-Planck-Direktor Peter Fromherz dem entgegen.
Von Ulrich Kraft
G
laubt man dem schillernden
amerikanischen Neuroinformatiker Ray Kurzweil, wird schon in
rund dreißig Jahren nichts mehr
so sein wie heute. Homo sapiens, so prophezeit der Seher vom Massachusetts
Institute of Technology (MIT) in Boston,
werde in seiner selbst geschaffenen
Technosphäre aufgehen und mit dem
Computer verschmelzen. Ins Gehirn implantierte Neurochips sollen der begrenzten menschlichen Intelligenz auf
die Sprünge helfen und eine neue Stufe
der Evolution einläuten – der „Cyborg“
wird geboren.
Peter Fromherz, Direktor am MaxPlanck-Institut für Biochemie in Martins-
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ried bei München, hält von solchen Vorhersagen nicht viel: „Fakten werden mit
Fiktion vermischt“, lautet seine Kritik.
Dabei ist Fromherz selbst einer der Vorreiter bei dem Versuch, die Grenzen zwischen Biologie und Elektronik niederzureißen. Die von ihm bereits 1985 formulierte Frage, ob eine direkte mikroskopische Verbindung zwischen Neuronen im
Gehirn und Siliziumchips im Computer
möglich sei, kann er mittlerweile eindeutig mit Ja beantworten. Gemeinsam mit
seinen Kollegen von der Abteilung für
Membran- und Neurophysik hat der Forscher eine Hybridschaltung aus einem
Netz von lebenden Nervenzellen und einem Halbleiter konstruiert, die unterei-
nander Signale austauschen können. Dieser so genannte Neurotransistor verknüpft – so Fromherz – die „Wasserwelt
des Gehirns mit der Siliziumwelt des
Computers“ und beweist, dass neuroelektrische Systeme prinzipiell funktionieren.
Computer wie Hirne arbeiten mit
elektrischen Signalen. Und trotzdem
sprechen beide Welten eine völlig unterschiedliche Sprache. Während Halbleiter
ihre elektrischen Impulse mit Hilfe von
Elektronen übertragen, kommunizieren
Nervenzellen über sehr viel größere Ionen, geladene Atomrümpfe also. Fromherz überwand diese „Sprachbarriere“
mit einem eleganten Trick: Er koppelte
Chip und Neuron über ein elektrisches
GEHIRN & GEIST 03/2002
Geschlossene Gesellschaft:
Kreisförmig angeordnete, jeweils durch
fünf oder sechs mikroskopisch kleine
Kunststoffstangen fixierte Schneckenneurone verbinden ihre Synapsen zu
einem geordneten Netzwerk (Foto links).
Direkt unter einem Zellkörper befindet
sich jeweils ein Halbleiter als Impulsgeber – jede Änderung der angelegten
Spannung verändert auch das ihn
umgebende elektrische Feld.
Dieses wiederum beeinflusst den
Ionenfluss der Nervenzellmembran.
Mit einem Spannungspuls am Chip
lässt sich so im Schneckenneuron ein
Aktionspotenzial auslösen, das über
die Synapse zur nächsten Nervenzelle
weitergeleitet wird. Dort registriert
ein Feldeffekttransistor dieses Potenzial. Der Silizium-Nervenzell-NervenzellSilizium-Schaltkreis ist geschlossen.
Auch ein Neuron aus dem Gehirn einer
Ratte kann über elektrische Felder an
eine Reihe von Feldeffekttransistoren
gekoppelt werden (rechts).
GEHIRN & GEIST 03/2002
Kommunikation zwischen den zwei Welten geht im Hintergrundrauschen unter.
Im Neurotransistor beträgt der Abstand
zwischen Nervenzelle und Halbleiter nur
50 millionstel Millimeter – weniger als
ein tausendstel Haardurchmesser – und
erlaubt so den Signalaustausch.
Wegen der größeren Ähnlichkeit mit
menschlichem Nervengewebe konzentrieren sich die Wissenschaftler mittlerweile
aber auf ein System mit Rattenneuronen
(siehe Bild rechts). Diese sind im Vergleich zu den Schneckenneuronen geradezu winzig, wodurch auch die Kopplung
an den Halbleiter sehr viel schwächer
ausfällt. „Da wir den Abstand zum Halbleiter aber nicht wesentlich verringern
können, bleibt nur, Chips und Nervenzellen zu verbessern“, so Fromherz.
Aus diesem Grund ist sein Institut
wohl das einzige weltweit, in dem ein
Genlabor und ein Reinst-Raum für Halbleiter Tür an Tür liegen. Im Genlabor
sollen die Neurone der Ratten durch genetische Manipulation dazu gebracht
werden, besonders viele und besonders
durchlässige Ionenkanäle in der Nervenzellmembran zu bilden. Dies dürfte einen stärkeren Stromfluss und somit besseren Kontakt zur Elektronik ermögli-
chen. Sollten Neurochips einmal in den
Menschen eingebaut werden, wäre ein
solcher Eingriff in unsere DNA laut
Fromherz Voraussetzung: „Technisch
wäre es eher ein kleines, ethisch natürlich ein weit größeres Problem.“
Grundsatzdebatten darüber, ob mikroelektronisches Menschentuning moralisch vertretbar ist, hält der 59-Jährige
für deutlich verfrüht: „Langfristig glaube
ich an den Hirnchip“, räumt er zwar ein,
„in den nächsten Jahrzehnten wird es
aber weder Hirncomputer noch Neurochips im menschlichen Gehirn geben.“
In München ist daher der Weg das
Ziel. Die Forscher möchten herausfinden, wie größere Verbände von Nervenzellen untereinander Informationen
austauschen, um so die Funktionsweise
unseres Hochleistungsrechners unter der
Schädeldecke besser zu verstehen. Erst
durch das bioelektrische Interface wird
es überhaupt möglich werden, große
Gruppen vernetzter Neurone bei der Arbeit zu belauschen.
Allerdings werkeln im Gehirn 100
Milliarden Nervenzellen, und jede einzelne kann mit bis zu 10 000 anderen
über Synapsen in Verbindung stehen.
Dieses gigantische System versuchen die
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Feld. Im Gegensatz zu der bisher üblichen direkten Reizung mit Elektroden,
bei der die Zelle angestochen wird, ist
diese Art der Reizung „nicht-invasiv“.
Dadurch wird eine Verletzung des Neurons und eine damit einhergehende Veränderung des Signalverlaufs vermieden.
Die Martinsrieder Arbeitsgruppe
konstruierte den Bio-Elektronik-Zwitter
zunächst in der denkbar einfachsten Variante. Auf einem nicht einmal fingernagelgroßen mit Kollagen beschichteten
Siliziumchip kultivierten die Münchner
Forscher Neurone der Spitzschlammschnecke Lymnea stagnalis (siehe Bild
links). Diese zeichnet eine für Nervenzellen geradezu gigantische Größe aus –
50 tausendstel Millimeter –, was sie besonders gut handhabbar macht. Die Ionenkanäle der Nervenzellmembran und
der Elektronentransport im Halbleiter
standen dabei direkt miteinander in
Verbindung. Die erste funktionierende
Schnittstelle eines lebenden neuronalen
Netzes mit einem elektronischen Siliziumchip war geschaffen.
„Funkkontakt“ besteht jedoch wirklich nur, wenn Zellwand und Chip möglichst eng aneinander liegen. Ansonsten
wird das Signal zu schwach und die
Wissenschaftsgeschichte
Herr der Ringe:
Max-Planck-Direktor Peter Fromherz leistet Pionierarbeit auf
dem Gebiet der Verschmelzung
von Biologie und Elektronik.
Aus urheberrechtlichen
Gründen können wir Ihnen
die Bilder leider nicht
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Wissenschaftler am Max-Planck-Institut
in winzigem Maßstab nachzubilden.
Dass sich Neurone nur sehr ungern vorschreiben lassen, in welche Richtung sie
sich auszubreiten haben, war bis vor kurzem eines der größten Probleme beim
Bau des synthetischen Netzwerks. Mit
Hilfe von auf die Leiterbahnen aufgebrachten Wachstumsfaktoren haben es
Fromherz’ Doktoranden jetzt geschafft,
auf einem Chip absichtsvoll geknüpfte
Verbindungen zwischen einzelnen Nervenzellen zu züchten. Im Reinst-Raum
wurde ein hochintegrierter Halbleiter mit
mehreren tausend Kontaktstellen entwickelt. So entsteht ein halb elektronisches,
halb organisches Miniaturhirn aus der
Retorte, das Fromherz seinem Forschertraum näher bringen soll: „Ich möchte
verstehen, wie ein Zellennetz lernt, wie
sich im Geflecht der Neurone Gedächtnis bildet. Sechs Jahre hab ich bis zur
Pensionierung noch Zeit – zehn wären
mir allerdings lieber.“
Gemessen an der ungeheuren Komplexität des Kosmos im Kopf ist das semisynthetische Netzwerk der Martinsrieder Forscher zwar nur ein bescheidener
Anfang auf dem Weg zum Cyborg.
Grundsätzlich aber ist eine Verschmelzung zwischen Mensch und Maschine
durch die Neuron-Halbleiter-Schnittstelle technisch realisierbar. Über elektrische Felder könnten Prothesenträger beispielsweise ein mit Elektromotoren ausgestattetes künstliches Bein direkt mit
ihren Nervenimpulsen steuern. Mit Hilfe
einer Videokamera ließen sich Bildsignale auf einen ins Gehirn eingepflanzten
Chip übertragen, der die Impulse an den
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visuellen Cortex weitergibt – Blinde
könnten wieder sehen. Und würde nicht
so manchem Computernutzer die Vorstellung gefallen, sein Elektrosklave
könnte durch eine drahtlose Direktverbindung einfach seine Gedanken umsetzen – anstatt auf via Maus oder Keyboard übermittelte Befehle zu warten?
Auch ihn habe am Anfang seiner
Karriere die Vorstellung getrieben, „einfach einen Rechner ans Hirn zu löten“,
gibt Peter Fromherz schmunzelnd zu,
warnt aber gleichzeitig vor übertriebener
Euphorie. „Zwischen dem Stand unserer
Forschungen und den Ideen in den Köpfen klafft eine riesige Lücke.“ Was im
Reagenzglas funktioniert, kann sich in
der viel komplizierteren Welt des Körpers völlig anders verhalten. Ob eine
Kopplung von elektronischen Bauteilen
an echte Hirnstrukturen überhaupt möglich ist, liegt daher – so Fromherz – völlig im Dunkeln. Aller wissenschaftlichen
Zurückhaltung zum Trotz birgt der am
MPI gebaute Nervenzell-HalbleiterchipHybrid aber zumindest theoretisch ein
enormes Potenzial. Eventuell könnte ein
solches System die kognitiven Fähigkeiten des menschlichen Geistes einmal mit
der Rechenpower des Computers vereinen. „Es hätte vielleicht unsere Intuition,
aber die Genauigkeit und Geschwindigkeit eines Computers.“
Utopisten wie Ray Kurzweil stoßen
indessen bereits das Tor zur Unsterblichkeit auf. Auf dem Gehirn ebenbürtigen
Neurochips wollen sie all unsere Erinnerungen, Eigenheiten, Erfahrungen speichern. Das menschliche Bewusstsein
verlässt seinen anfälligen Körper und
findet dauerhafteren Unterschlupf auf
der Festplatte.
„Reine Science-Fiction”, dämpft
Fromherz Erwartungen wie Ängste. Weder für diese noch für die nächste Generation sei eine Verbindung von Mensch
und Maschine denkbar. Was ihn da so
sicher macht? Seine langjährige Erfahrung: „Niemand auf der Welt ist weiter
als wir, und daran können wir sehen, wie
wenig weit wir sind.“ Kurzweils Traum
von der Zukunft muss also wohl noch
einige Jahrzehnte länger seiner Realisierung harren.
◆
Ulrich Kraft ist Mediziner und freier Wissenschaftsjournalist in Berlin.
ANGE ME RKT!
Lehren
aus Erfurt
Die Geschichte der Medien kennen wir
als eine Abfolge technischer Entwicklungen – Buchdruck, Radio, Fernsehen, Internet. Sie entpuppt sich aber auch als eine
Geschichte der Gewalt. In unseren Tagen
wiederholt auf die Anklagebank zitiert: Videospiele. Dabei wissen wir längst, dass
eine künstliche Wirklichkeit, die nur in unseren Köpfen existiert, den Ausbruch realer Gewalt fördern kann. So zog bereits
vor über 200 Jahren ein Bestsellerroman
europaweit eine Serie von Selbstmorden
nach sich. Titel des Buches: „Die Leiden
des jungen Werther“; Autor: ein junger
Wilder namens Johann Wolfgang Goethe.
Was war geschehen? Nie zuvor hatte
ein Erzähler-Ich seine unerhörten Leidenschaften so direkt auf seine Leser übertragen. Einen entsprechenden autobiografischen Hintergrund vorausgesetzt,
identifizierte sich mancher so stark mit
dem unglücklichen Romanhelden, dass
er ihm sogar in den Tod folgte.
Heute bringen elektronische Medien
noch weit plastischere virtuelle Welten
hervor, und nach Erfurt sollten wir dringend über unseren Umgang mit ihnen
nachdenken! Starrten wir in den ersten
Tagen nach dem Amoklauf des Robert
Steinhäuser nicht alle entsetzt auf die
Mattscheibe? Auf sämtlichen Kanälen liefen als Erklärungsversuche diverse Videospiel-Massaker. Immer wieder ähnliche Bilder: In irgendwelchen dämmrigen
Fluren zerplatzen unter den Maschinengewehr-Salven eines „Spielers“ die Körper zahl- wie namenloser „Gegner“.
Was Goethe damit zu tun hat? Des
schockierten Dichters eigene Erklärung
für die durch seinen Roman ausgelöste
Selbstmordwelle lautete, seine jugendlichen Leser glaubten offenbar, „man müsse die Poesie in Wirklichkeit verwandeln
GEHIRN & GEIST 03/2002
und sich allenfalls selbst erschießen“.
Recht hatte er! Werther bediente emotionale Urbedürfnisse des heranwachsenden Menschen: Verliebtsein, Leidenschaft und Aggression – in diesem Fall gegen sich selbst ausgelebt. Und das Besondere an Goethes Roman bestand
eben darin, dass er all dies in eine
sprachliche Form fügte, die sein damaliges Publikum völlig unvorbereitet traf.
Von derart greifbar gemachten Emotionen war nie zuvor zu lesen gewesen!
HERLINDE KOELBL / MIT FREUNDLICHER GENEHMIGUNG
DER FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT
Hier liegt die Verbindung zur Tat von
Erfurt. Fulminant appellieren NetzwerkBallerspiele wie „Counterstrike“ und ähnliche Produkte der heutigen Entwirklichungsindustrie an unser elementares
Verlangen, Aggression auszuleben. Knapp
eine Generation nach dem Einzug von
Pacman und Supermario in die Kinderzimmer ist die Computertechnik so ausgereift, dass die erzeugten Welten die
Wirklichkeit zum Teil ersetzen können.
Wohlgemerkt: Das ist an sich gar nichts
Schlimmes. Bei der Schulung von Piloten
am Flugsimulator etwa profitieren wir von
dieser Entwicklung – bei den im Handstreich per Joystick abgehandelten Tötungsorgien pubertierender Jugendlicher
aber sicher nicht!
Die technisch-mediale Entwicklung ist
weder aufzuhalten noch lässt sich von
vornherein etwas gegen sie einwenden.
Gerade die elektronischen Medien tragen
mit dazu bei, die reale Welt zu verbes-
sern. Ohne Simulation wäre Wissenschaft
heute nicht mehr denkbar.
Neue Möglichkeiten werfen bereits ihre
Schatten voraus. Schon in wenigen Jahren wird der sture Blick auf den Bildschirm durch eine Technik ersetzt sein,
die weitere Teile unserer Sensorik mit
einschließt: Wohin wir den Kopf auch
wenden, die gerade gewählte künstliche
Welt wird uns von allen Seiten umfassen – und dazu noch ertastbar sein. Die
entsprechende Technik erlangt bereits
Produktreife (Foto unten) und könnte
zum Beispiel bei der Ausbildung von Chirurgen einen großen Segen bedeuten. In
Hightech-Anzüge gesteckt, würden die
Mediziner statt an Menschen aus Fleisch
und Blut in einer annähernd perfekten
virtuellen Welt komplizierte Operationen
einüben. Doch blicken wir schon jetzt auf
die Kehrseite dieser Medaille. Auch das
Aufspüren und freizeitliche Exekutieren
des „Feindes“ – man braucht nur eine andere Software einzuspielen – wird dann
abermals um eine Stufe realer!
Noch wissen wir nicht genug darüber,
wie die Gehirne Heranwachsender auf
das Miterleben und aktive Simulieren von
Gewalttaten in virtuellen Welten reagieren. Kaum ein Experte bezweifelt jedoch
noch, dass in künstlichen Wirklichkeiten
ausgelebte Aggression im Einzelfall auch
reale Gewalt nach sich zieht. Der Mechanismus erweist sich als derselbe wie zu
Goethes Zeiten: Erreicht ein Medium eine
neue Perfektionsstufe, indem es Realität
und Virtualität noch subtiler miteinander
verschmelzen lässt, und wird darüber
auch Aggression in einer neuen Dimension künstlich erlebbar, dann gibt es
Opfer – und zwar reale!
Erfahrungsgemäß machen sich Jugendliche neue Medien schneller zueigen als
Erwachsene. Die von Politikern eingeforderte Indizierung einschlägiger Program-
Schöne neue künstliche Welt:
Was bringt uns die virtuelle Zukunft?
GEHIRN & GEIST 03/2002
Carsten Könneker
Stellv. Chefredakteur
me kann daher nur wenig ausrichten, so
wünschenswert eine konsequente Umsetzung wäre. Auch eine verantwortungsvollere Selbstkontrolle der Hersteller und Altersklassifizierungen auf den Verpackungen verhindern nicht, dass fragwürdigste
Software-Produkte weiterhin unter den
Schulbänken die Runde machen.
Um nicht böse überrascht zu werden,
müssen wir die Heranwachsenden bei ihren Ausflügen in die Virtualität begleiten!
Darin besteht die größte Chance zur Eindämmung jugendlicher Gewaltausbrüche,
wie sie in Erfurt ihren bislang blutigsten
Höhepunkt fanden. Hier sollten auch die
professionellen Erzieher Unterstützung
finden. Die Politik ist gefordert, Strukturen für eine entsprechende Lehrerfortbildung zu etablieren. Beispielsweise könnte jede Schule aus den eigenen Reihen
medienbeauftragte Pädagogen berufen,
die regelmäßig über den Stand der technischen Möglichkeiten auf dem Laufenden
gehalten werden und schultypenübergreifend ihre Erfahrungen beim Dialog mit
den Schülern austauschen. Außerdem gilt
es, konkretes Handwerkszeug bereit zu
stellen, die Schüler an einem besonders
sensiblen Punkt überhaupt zu erreichen.
Denn bei dem notwendigen Dialog über
unseren Umgang mit der Virtualität geht
es eben auch um das Stillen von zum Teil
sehr intimen Bedürfnissen.
Gehirn&Geist begleitet die Diskussion.
Namhafte Experten werden bei uns weiterhin über neue psychologische wie neurobiologische Erkenntnisse berichten –
gerade auch im Hinblick auf die Entwicklung von Kindern und Jugendlichen.
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