Als zentrales Denk- und Steuerorgan unseres Bewusstseins ist das Gehirn ein faszinierendes Wunder der Natur – doch seine Prozesse direkt zu beobachten, bleibt eine große Herausforderung. Schließlich können wir nicht einfach Köpfe öffnen und hineinschauen, um zu erfassen, was in ihrem Inneren geschieht. Um Fragen wie „Wie entstehen Gedanken und Gefühle?“, „Welche Mechanismen ermöglichen es uns, Erinnerungen zu speichern?“ und „Wie beeinflusst unser Gehirn unsere Wahrnehmung der Welt?“ wurden frühe Erkenntnisse vor allem aus Fallstudien neurologischer Patienten gewonnen. Seit etwas mehr als einem halben Jahrhundert ermöglichen moderne Verfahren der wissenschaftlichen Hirnforschung aber einen detaillierten Blick auf die Gehirnaktivität und die Neurowissenschaft nutzt hierfür bildgebende und neurophysiologische Methoden wie:
- EEG (oder: Elektroenzephalographie) misst elektrische Gehirnströme mit hoher zeitlicher Auflösung und wird zur Untersuchung kognitiver Prozesse und neurologischer Störungen eingesetzt.
- MRT und fMRT: Die MRT (Magnetresonanztomographie) liefert hochauflösende Bilder der Hirnstruktur, während die fMRT (funktionelle MRT) aktive Hirnareale anhand des Sauerstoffgehalts im Blut sichtbar macht.
- MEG (= Magnetoenzephalographie) misst magnetische Felder neuronaler Aktivität und bietet eine bessere räumliche Auflösung als EEG.
- PET (= Positronen-Emissions-Tomographie) aber auch NIRS (= Nahinfrarotspektroskopie) ergänzen diese Methoden, etwa zur Untersuchung des Stoffwechsels oder bei mobilen Experimenten.
Diese Technologien haben die Erforschung des Gehirns revolutioniert, indem sie nicht-invasive Echtzeitbeobachtungen ermöglichen. Hierbei ist die Magnetresonanztomographie zu einer der wichtigsten Methoden der neurowissenschaftlichen Forschung und medizinischen Diagnostik geworden. Sie wurde in den 1970er Jahren entwickelt und nutzt starke Magnetfelder sowie Radiowellen, um detaillierte Bilder des Gehirns zu erzeugen – ohne schädliche Strahlung.
Das MRT-Verfahren basiert auf den Wasserstoffatomen im Körper. Das heißt:
- Im Normalzustand sind deren Kerne zufällig ausgerichtet.
- Das starke Magnetfeld des MRT-Geräts ordnet sie ausgerichtet an.
- Gezielte Radiowellenimpulse stören diese Ordnung kurzzeitig.
- Beim Zurückkehren in den Ursprungszustand senden die Kerne elektromagnetische Signale aus.
Empfindliche Sensoren erfassen diese Signale, und ein Computer verarbeitet sie zu hochauflösenden Bildern. Da unterschiedliche Gewebe – wie graue und weiße Hirnsubstanz – verschieden reagieren, lassen sich präzise Hirnstrukturen erkennen. Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) erweitert diese Technik, indem sie Gehirnaktivität sichtbar macht. Dies geschieht durch die Messung von Sauerstoffgehalt und Blutfluss, wodurch aktive Hirnregionen identifiziert werden können.
Im Gegensatz dazu wird das EEG hauptsächlich genutzt, um die zeitliche Dynamik von Gehirnprozessen zu untersuchen. Da es die elektrische Aktivität im Millisekundenbereich misst, ist es besonders geeignet, um zu erfassen, wann bestimmte Hirnregionen aktiv werden – etwa beim Sehen, Hören, Denken oder Erinnern. Forschende setzen das EEG ein, um kognitive Prozesse wie Aufmerksamkeit, Sprachverarbeitung oder Entscheidungsfindung zu analysieren. Auch in der Erforschung von Schlaf, Emotionen und Bewusstseinszuständen spielt es eine wichtige Rolle.
In der klinischen Diagnostik ist das EEG besonders bedeutsam bei der Erkennung von Epilepsie, da es zuverlässig plötzliche, unkontrollierte Entladungen von Nervenzellen sichtbar machen kann. Zudem liefert es wertvolle Erkenntnisse bei der Untersuchung von Schlafstörungen, im Koma liegenden Patient:innen oder neurologischen Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson. Auch in der Psychiatrie wird das EEG genutzt, um Störungen wie Depressionen oder Schizophrenie besser zu verstehen.
Während das EEG also elektrische Signale misst, erfasst die Magnetoenzephalographie die magnetischen Felder, die durch neuronale Aktivität entstehen. Diese entstehen, weil elektrische Ströme in den Neuronen automatisch schwache Magnetfelder erzeugen. Um diese äußerst geringen Magnetfelder des Gehirns messen zu können, müssen die Proband:innen von den deutlich stärkeren Magnetfeldern der Umgebung – etwa dem Erdmagnetfeld oder elektronischen Geräten – abgeschirmt werden.
Ein entscheidender Vorteil des MEG liegt darin, dass magnetische Signale weniger durch die Schädeldecke verzerrt werden als elektrische. Dadurch sind genauere Messungen möglich, insbesondere auch in tiefer liegenden Hirnregionen, die mit dem EEG schwerer zu erfassen sind. Die MEG kombiniert eine exzellente zeitliche mit einer vergleichsweise guten räumlichen Auflösung. In den kognitiven Neurowissenschaften wird sie genutzt, um millisekundengenau zu untersuchen, wie das Gehirn Gedächtnisaufgaben bewältigt, Sprache verarbeitet, Aufmerksamkeit steuert oder sensorische Reize interpretiert. In der klinischen Neurologie kommt sie vor allem zur präzisen Lokalisierung epileptischer Anfallsherde vor neurochirurgischen Eingriffen zum Einsatz. Ähnlich wie die MRT ist die MEG für die untersuchten Personen unbedenklich. Beide Verfahren haben jedoch den Nachteil, dass sie sehr aufwendig und kostspielig sind.