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Universität Basel

Wie das Gehirn sehen lernt

Christoph Dieffenbacher

Sonja Hofer forscht darüber, wie das Gehirn Seh-Informationen verarbeitet und wie die zugrunde liegenden Netzwerke von Gehirnzellen durch neue Erfahrungen und Lernen verändert werden – kurz: wie das Sehen funktioniert. Ihre Arbeit am Biozentrum kann die Wissenschaftlerin anschaulich vermitteln: Sie gibt nicht nur Seminare für die Studierenden und publiziert Aufsätze in Fachzeitschriften, auch dem Lokalfernsehen gab sie schon Auskunft über ihren Laboralltag.

Gehirnaktivitäten live beobachten: Sonja Hofer in ihrem Labor.
Gehirnaktivitäten live beobachten: Sonja Hofer in ihrem Labor. © Universität Basel, Andreas Zimmermann

Biozentrum, 6. Stock, die Aussicht nach Süden reicht weit bis zu den ersten Jurahöhen. Das kleine Büro wirkt für den Besucher noch etwas provisorisch eingerichtet: ein Schreibtisch mit zwei grossen Bildschirmen, darüber ein Zwei-Brett-Regal mit wenigen Büchern, ein Besprechungstisch, Stühle, einiges stapelt sich noch in einer Ecke. «Mehr Platz braucht es nicht», sagt Sonja Hofer, Neurobiologin und seit anderthalb Jahren Assistenzprofessorin am Biozentrum, und lacht dazu. Viel wichtiger sei für sie, dass ihre Doktoranden und Doktorandinnen genug Platz zum Arbeiten haben. Und dann nehmen in den Nebenräumen auch die Instrumente und Apparate einiges an Raum ein.

100 Milliarden Nervenzellen

An der Bürowand hängt eine weisse Tafel, darauf finden sich Filzstiftskizzen verschiedener Gehirnregionen als Gedächtnisstütze. Im Gespräch über ihre Forschung wirkt Sonja Hofer engagiert und unkompliziert. Nur selten stockt sie beim Erzählen, wenn ihr der englische Fachausdruck rascher über die Lippen geht als der deutsche. Wenn Privates angesprochen wird, gibt sich die 37-Jährige eher zurückhaltend. Sie gilt als ausgezeichnete Wissenschaftlerin, hat bereits mehrere angesehene wissenschaftliche Preise erhalten und Fachaufsätze in international renommierten Zeitschriften wie «Nature», «Nature Neuroscience» und «Neuron» veröffentlicht. Nicht nur dort gibt sie ihr Wissen weiter. Sie versteht es auch, ihre Arbeit locker und anschaulich vorzustellen, etwa beim Interview für das Lokalfernsehen «Telebasel».

«Es sind eigentlich immer noch die Fragen meiner Doktorarbeit, die ich mir heute stelle», sagt die Forscherin und zählt sie auf: Was geschieht im Gehirn, wenn wir sehen? Wie funktionieren diese Vorgänge im visuellen Kortex des Grosshirns genau? Was passiert dabei mit unseren Nervenzellen und ihren Verknüpfungen, den Synapsen? Eine reichlich komplexe Sache – das menschliche Gehirn besteht aus geschätzten 100 Milliarden Nervenzellen und 100 Billionen Synapsen; zudem gibt es da nicht nur eine, sondern sehr viele verschiedene Typen von Zellen. Genauer gesagt, sind es für Sonja Hofer zwei Fragenkomplexe: Der eine, eher grundlegende ist, wie das Sehsystem entsteht, wie die Nerven aufgebaut und miteinander verknüpft sind, wie sie sich im Lauf des Lebens entwickeln. Der zweite Komplex ist dann eine Folge davon: Wie verändern sich die Verbindungen zwischen den Neuronen, wenn unmittelbar neue Erfahrungen dazukommen oder wenn sich äussere Einflüsse und Eindrücke verändern?

«Wir wissen noch wenig»

Bereits einiges bekannt sei von der Plastizität des Gehirns, also von seiner Fähigkeit, sich zu verändern und anzupassen, sagt die Professorin. Lernen sei also in jedem Lebensalter möglich, die Kapazität dafür sei auch im hohen Alter grundsätzlich noch da. «Das Sehsystem dient uns als Modell, um zu erforschen, wie die Netzwerke von Gehirnzellen genau funktionieren und sich verändern – es ist allerdings ein sehr wichtiges System, denn es belegt einen grossen Teil unseres Gehirns.» Durch Forschungen der letzten Jahre wurde zunehmend klar, dass Sehen ein sehr aktiver Vorgang und nicht nur eine passive Reaktion auf äussere Eindrücke ist. Eine wichtige Rolle spielen dabei nichtsensorische Informationen wie Erwartungen, Vorwissen, Erfahrung, die jeweils in die aktuelle visuelle Information integriert werden. «Aber», sagt die Wissenschaftlerin, «wir wissen noch immer wenig darüber, wie die Verarbeitung dieser verschiedenen Informationen im Gehirn funktioniert und dazu führt, wie wir unsere Umwelt wahrnehmen.»

Sonja Hofer und ihr Team arbeiten mit Mäusen, deren Gehirne sie mit neusten bildgebenden Verfahren sozusagen live beobachten können. So leuchten bestimmte Gehirnzellen der Tiere und ihre Synapsen in verschiedenen Helligkeitsstufen und Farben auf, je nachdem, ob sie aktiviert sind oder mit andern kommunizieren. Damit lässt sich mit hoher Auflösung beobachten, wie sich die Gehirntätigkeit verändert, wenn die Tiere neue Erfahrungen machen, zum Beispiel wenn sie auf Bilder reagieren: «Die Mäuse müssen lernen, dass ein bestimmter optischer Reiz mit einer Belohnung assoziiert ist», erklärt sie. Wenn es klappt, erhalten sie ein paar Tropfen Sojamilch zur Belohnung.

Wie sich die Zellen und sogar ihre Synapsen verändern, wenn die Mäuse etwas Bestimmtes lernen, lässt sich mit komplizierten Mikroskopen direkt mitverfolgen, und das auch über längere Zeit. Damit wollen die Wissenschaftler besser verstehen, wie Lernen im Gehirn funktioniert. Diese Grundlagenforschung zielt zwar noch nicht auf mögliche Anwendungen, aber ein Fernziel dabei sei es, herauszufinden, wie man Lernschwächen oder neurologischen Krankheiten wie zum Beispiel Altersdemenzen besser begegnen kann, sagt Sonja Hofer.

Interesse an der Natur

Wie war sie als junge Frau, in München geboren und aufgewachsen, dazu gekommen, Biologie zu studieren? Schon in der Schule habe sie sich für die Natur interessiert, sagt sie, für ihr Funktionieren, so etwa für das Verhalten von Tieren, für die Ökologie, aber auch dafür, wie die Zellen und ihre kleinsten Bausteine wie die DNA aufgebaut sind. An der Technischen Universität München, wo sie studierte, spezialisierte sie sich später immer weiter. Das Gehirn wurde zunehmend zum Objekt ihres Interesses. «Wenn man das Verhalten von Lebewesen verstehen will, muss man mehr über das Gehirn wissen»: Das war für sie eine wichtige Erkenntnis, als sie sich im Studium mit sensorischen Systemen und der Plastizität des Gehirns zu beschäftigen begann.

Erst in der Universität habe sie erfahren, was Forschung eigentlich ist und was man da genau macht, sagt sie mit einem Lächeln. Nach dem Studium gings Schritt für Schritt weiter: Ihre Neugier, immer mehr zu lernen, führte sie nach Martinsried bei München, ihrer Heimatstadt, ans Max-Planck-Institut für Neurobiologie, wo sie ihre Doktorarbeit verfasste. Dann wechselte sie für ihren Postdoc ans University College London, eine der renommierten Universitäten der Grossstadt. Während der letzten zwei Jahre dort leitete sie eine kleine Forschungsgruppe, bevor sie ans Biozentrum nach Basel berufen wurde – und zwar gleich im Doppelpack, zusammen mit ihrem Mann.

Gemeinsam gefördert

Gleich nebenan liegt das Büro von Ehemann Thomas Mrsic-Flogel, der als Associate Professor mit seinem eigenen Team ebenfalls über neurologische Netzwerke forscht und dabei ganz ähnliche Methoden benutzt. Die beiden wurden in einem Dual-Career-Verfahren ans Biozentrum geholt, einem eher neuen Angebot, mit dem die Universität Basel hoch qualifizierte und international ausgewiesene Wissenschaftlerpaare fördern kann – und so diesen weltweit auch von anderen Forschungsinstituten umworbenen Ehepaaren die Möglichkeit bietet, gemeinsam eine Karriere zu verfolgen.

Die beiden wohnen in der Stadt Basel, wo es ihnen sehr gut gefalle, sagt Sonja Hofer. Vieles im Alltag sei einfacher als in der Grossmetropole London, nicht zuletzt auch wegen der kurzen Wege. Sie und ihr Mann werden miteinander wohl auch zu Hause oft und ausgiebig über ihre Forschungsarbeit reden, nimmt der Besucher an, zumal sie zum Teil auch gemeinsam publizieren. Doch neben der wissenschaftlichen Arbeit, die sehr viel Zeit beansprucht, nutzt das Paar auch immer wieder die Möglichkeit, abzuschalten. Entspannung und Erholung, aber auch neue Energie und Inspiration finde sie, sagt sie, am besten beim Wandern in den Bergen: in der Natur, die sie nicht nur erforscht, sondern auch geniessen kann.

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