Anästhesie und Bewusstsein: Was im Gehirn wirklich verloren geht

Eine Anästhesie nimmt uns die bewusste Wahrnehmung der Welt, ohne die Aktivität des Gehirns auszuschalten. Ein Team in Kyoto suchte nach dem konkreten physikalischen Faktor, der dabei tatsächlich verloren geht.

„Zählen Sie von zehn rückwärts“, sagt die Anästhesistin oder der Anästhesist. Sie kommen bis sieben, vielleicht bis sechs. Dann ist das Bewusstsein plötzlich verschwunden.

Das Merkwürdige daran: Das Gehirn schaltet nie einfach ab. Es bleibt ausgesprochen aktiv.

Auch unter Anästhesie feuern Neuronen weiter – teils mit stärkeren rohen elektrischen Ausschlägen, als sie im wachen Zustand während eines Gesprächs mit der Anästhesistin oder dem Anästhesisten zeigten.

Wenn die Lichter weiterhin brennen, was wird dann eigentlich vom Netz getrennt?

Eine Frage der Weiterleitung

Seit Jahrzehnten kursiert in der Bewusstseinsforschung eine Idee: Bewusstes Erleben könnte zwei getrennte Voraussetzungen benötigen.

Zum einen braucht es ein Gehirn, das seine Umwelt kodieren kann. Zum anderen muss es diese Kodierung zwischen weit entfernten Regionen weitergeben können, damit der gesamte Kortex daran beteiligt ist.

Die erste Säule gilt als gut belegt. Der visuelle Kortex kodiert, was die Augen sehen, und dieser Vorgang lässt sich beobachten.

Unsicher blieb dagegen die zweite Säule. Bislang hatte niemand den konkreten physikalischen Mechanismus bestimmt, der Informationen von einem Bereich des Kortex zu einem anderen transportiert.

Genau diese Lücke wollte ein Team der Universität Kyoto schließen.

Kaio Misawa, Yutaka Komura und ihre Kolleginnen und Kollegen suchten nach dem Träger selbst. Sie glaubten zu wissen, wo sie suchen mussten.

Wellen im Gehirn

Im Gehirn entstehen wandernde Wellen. Elektrische Aktivität flackert nicht lediglich an einem einzelnen Ort auf, sondern breitet sich über die Oberfläche des Kortex aus – ähnlich wie Wellen, die sich nach einem Steinwurf auf einem Teich ausbreiten.

Um diese Wellen richtig zu verfolgen, genügt keine einzelne Sonde; entscheidend ist eine großflächige Abdeckung. Das Team entwickelte ein ultradünnes Elektrodenblatt mit 116 Kanälen. Es war groß genug, um beinahe den gesamten Kortex der rechten Hemisphäre einer Ratte abzudecken.

Anschließend wählten sie einen bemerkenswert einfachen Versuchsaufbau: Sie richteten einen LED-Blitz auf das linke Auge der Ratte und verfolgten die dadurch ausgelöste Welle.

Dies geschah in 45 Aufzeichnungssitzungen: zunächst bei wachen Tieren mit fixiertem Kopf, danach erneut unter Isofluran-Anästhesie.

Im Wachzustand reisten die Wellen weiter. Sie hielten länger an und breiteten sich deutlich über den visuellen Bereich hinaus aus – in parietale, temporale, auditive und somatosensorische Regionen.

Eine Clusteranalyse zeigte zudem ein ganzes Repertoire an Wellenformen, die ausschließlich im Wachzustand auftraten.

Unter Anästhesie löste derselbe Lichtblitz hingegen eine deutlich andere Reaktion aus. Das Signal war kürzer und blieb auf die sensorischen Regionen beschränkt, in denen es entstanden war.

Wellen, die täuschen können

Hier liegt die entscheidende Wendung – und sie macht die Studie besonders sorgfältig. Eine wandernde Welle kann leicht den Eindruck erwecken, dass Informationen durch das Gehirn transportiert werden.

Statt beides gleichzusetzen, prüften die Forschenden, ob tatsächlich ein Zusammenhang besteht.

Sie simulierten zwei unterschiedliche Systeme. Im ersten wurde Aktivität wirklich von Knoten zu Knoten weitergereicht, wie bei einer Eimerkette.

Im zweiten standen zwei Knoten überhaupt nicht miteinander in Kontakt, sondern reagierten lediglich zeitversetzt auf denselben gemeinsamen Eingang. Von außen betrachtet erzeugten beide Systeme nahezu identische Wellenmuster.

Die Welle allein beweist also nicht, dass tatsächlich etwas kommuniziert wurde.

Deshalb benötigten die Forschenden ein zweites Werkzeug. Sie nutzten die Transferentropie, ein Maß aus der Informationstheorie.

Sie stellt eine präzisere Frage: Um wie viel verringert das Wissen über die Vergangenheit von Signal A die Unsicherheit über die Zukunft von Signal B?

Informationen und Richtung

An diesem Punkt unterschied sich das lebende Gehirn von der Simulation. Das Team wählte eine Ausgangselektrode und setzte die Ausbreitungsrichtung der Welle auf null.

Danach maßen sie den Informationsfluss zu jeder der acht benachbarten Elektroden – in jedem Winkel um diese Elektrode herum.

Der Fluss erreichte sein Maximum direkt voraus, genau in der Richtung, in die die Welle lief. Je weiter der Winkel davon abwich, desto stärker nahm er ab.

Diese Geometrie bezeichnen sie als informationales Tuning. Damit lässt sich das Gehirn auf eine tatsächlich neue Weise beschreiben: nicht nur danach, wo Aktivität vorhanden ist, sondern auch danach, ob die Informationsleitungen mit der physikalischen Welle übereinstimmen.

Die Tuning-Kurven im Wachzustand waren zudem schärfer. Sie waren enger, selektiver und stärker auf eine Richtung festgelegt als unter Anästhesie.

Auch unter Anästhesie zeigte sich gerichtetes Tuning, und in beiden Zuständen war es statistisch belastbar. Verändert hatte sich nicht seine Existenz, sondern seine Präzision.

Das rauschende Gehirn unter Anästhesie

Die meisten Neurowissenschaftlerinnen und Neurowissenschaftler hätten vermutlich erwartet, dass im Wachzustand insgesamt mehr Informationen übertragen werden.

Mehr zirkulierende Information sollte mehr Erleben, mehr Wahrnehmung und mehr von der eigenen Person bedeuten.

Zumindest nach diesem Maßstab ist diese Annahme falsch. Die absolute Transferentropie war unter Anästhesie höher.

„Dieser unerwartete Befund deutet darauf hin, dass das anästhesierte Gehirn zwar von zufälligen, verrauschten Informationen überflutet wird, das wache Gehirn Informationen jedoch gezielt in bestimmte Richtungen reguliert“, sagte Komura.

„Mit anderen Worten: Das wache Gehirn zeichnet sich eher durch die ‚Zuverlässigkeit‘ und Präzision der Informationskommunikation aus als durch die bloße Menge.“

Man kann es sich wie einen vollen Raum vorstellen. Wenn 200 Menschen gleichzeitig schreien, entsteht objektiv mehr Schallenergie als bei zwei Personen, die sich leise über einen Tisch hinweg unterhalten. Doch nur eine dieser Situationen ist ein Gespräch.

Einschränkungen der Studie

Ratten können nicht berichten, was sie erlebt haben. Bewusstsein wird hier aus dem Zustand – wach oder anästhesiert – abgeleitet; das ist ein sinnvoller Näherungswert, aber nicht dasselbe.

Als Anästhetikum kam gezielt Isofluran zum Einsatz. Andere Medikamente unterdrücken Bewusstsein auf andere Weise, und Schlaf ist wiederum etwas grundlegend anderes.

Die Erklärung der Autorinnen und Autoren lautet: Rückkopplungssteuerung im wachen Gehirn stabilisiert das Gleichgewicht zwischen Erregung und Hemmung und formt die Wellenrichtung präziser.

Das wird als Hypothese vorgeschlagen, nicht als nachgewiesener Mechanismus.

Was eine Anästhesie tatsächlich verändert

Bei dieser Arbeit handelt es sich um eine Beobachtungsstudie, die mit Bewusstseinstheorien vereinbar ist, nicht um eine Lösung für den Ursprung des Bewusstseins.

Das sind zwei sehr unterschiedliche Behauptungen, und das Team unterscheidet sorgfältig zwischen ihnen.

„Unser künftiges Ziel besteht darin, die Lücke zwischen unseren Befunden zum informationalen Tuning und tieferliegenden Mechanismen neuronaler Schaltkreise zu schließen“, sagte Komura.

Damit zurück zum Rückwärtszählen und zu der Lücke zwischen sieben und dem Moment, in dem die Pflegekraft Ihren Namen sagt.

Die beste Vermutung, die diese Arbeit liefert, lautet: Im Gehirn der Ratten wurde nichts abgeschaltet. Die Wellen rollten weiter. Informationen bewegten sich weiterhin umher – möglicherweise sogar in größerer Menge als sonst.

Verloren ging ihre Ordnung: jener Teil, der entscheidet, wohin ein Signal gelangt, und sicherstellt, dass es an einem nützlichen Ziel ankommt.

Die vollständige Studie wurde in der Fachzeitschrift iScience veröffentlicht.