Schon der Begriff «Gedankenblitz» lässt erahnen, dass es in unserem Gehirn elektronisch zugeht. Und so lernen wir es auch in Schulen und Universitäten. Für die Ägypter 1500 vor Christus stand noch fest: Die Seele und der Verstand sitzen im Herzen. Dem faltigen Organ unter der Schädeldecke traute man das hingegen nicht zu. Weswegen die Einbalsamierer seinerzeit den Toten alle möglichen Organe fürs Jenseits mitgaben, nicht aber das Gehirn.
Die ersten, die auf die Idee kamen, dass dort möglicherweise die Ursprünge aller Ideen sitzen würden, waren die antiken Griechen. Wobei ausgerechnet der grosse Aristoteles davon noch nichts wissen wollte: Er hielt das Gehirn für ein Organ zum Kühlen des Blutes.

Doch vierhundert Jahre später stand für den griechischen Arzt Galen fest: Die Heimat von Fühlen und Denken ist das Gehirn. Genauer gesagt die Hirnflüssigkeit namens «Spiritus animalis», in der Empfindungen und Gedanken umherwandern wie Nussschalen auf einem Fluss. Es ist eine Vorstellung, über die heutige Hirnforscher eher milde lächeln. Denn in ihrem Fokus stehen die rund 86 Milliarden Neuronen, die bei ihrer Arbeit immer wieder «feuern», also elektrische Spannung erzeugen. Was man bekanntlich auch in den zuckenden Kurven im EEG (Elektroenzephalogramm) beobachten kann.

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Einer gegen alle

Doch Biophysiker Thomas Heimburg, mittlerweile Professor am Niels-Bohr- Institut der Universität Kopenhagen, hält diese unumstössliche Beweislage nicht davon ab, ein ganz anderes Modell der Hirnarbeit zu entwickeln. Strom spielt da nur eine Nebenrolle, und es gibt auch eine gewisse Nähe zum alten Galen und seinem Spiritus.

Die Anstösse zur Entwicklung seines Modells fand Heimburg bei Klassikern der Physik, wie Hermann von Helmholtz. Auf ihn geht ein bekannter Kernsatz der Thermodynamik zurück, wonach Energie wohl ihre Form ändern kann, doch weder aus dem Nichts entstehen noch ins Nichts zurückgehen kann. Und Helmholtz hatte damals – Mitte des 19. Jahrhunderts – auch schon die Nervenleitgeschwindigkeit im Auge gehabt. «Ich halte es für unumgänglich, diese historischen Werke zu lesen», betont Heimburg. Denn sie lieferten die Basis für das Verständnis von Physik.

Bei Heimburg führten sie dazu, dass er das Anästhesie-Konzept der Medizin infrage stellte. Diesem Modell zufolge wirken Betäubungsmittel dadurch, dass sie die Kanäle der Neuronen blockieren, auf denen sonst Natrium- und Kaliumionen ein- und ausströmen, sodass elektrische Ladung entsteht. Das klingt zwar auf den ersten Blick überzeugend, doch tatsächlich gibt es sehr viele Betäubungsmittel wie Lachgas, Äther und Xenon, alle mit völlig unterschiedlicher Zusammensetzung – und trotzdem soll jedes von ihnen imstande sein, die Ionenkanäle der Nervenzellen zu blockieren? Diese Vorstellung findet Heimberg nur wenig überzeugend. Es müsse da etwas viel Grundlegenderes am Werk sein: nämlich die Thermodynamik.

Für Heimburg steht fest, dass Neuronen keine elektrischen, sondern mechanische Signale übertragen. Und als Übertragungsweg benutzen sie ihre Zellmembranen. Darin befinden sich Fettmoleküle, die normalerweise flüssig sind, jedoch ab einem bestimmten Druck oder Kompressionszustand eine flüssigkristalline Konsistenz annehmen. Man muss sich also ein aktives Neuron als Schlauch vorstellen, in dessen Hülle sich eine Druckwelle ausbreitet, bei der die Fettmoleküle vom flüssig-chaotischen in den kristallin-geordneten Zustand wechseln und wieder zurück, was den Neuronenschlauch wieder zur Ruhe kommen lässt. Bei diesem Prozess entsteht die im EEG sichtbare Elektrizität, und sie kann auch die Rolle des Impulsgebers spielen, der die Druckwelle in der Nervenwand in Gang setzt – aber sie ist nicht mehr die Grundlage der Signalübertragung selbst.

Dementsprechend wirken Betäubungsmittel nicht durch Ionenblockade, sondern dadurch, dass sie sich in den Neuronenmembranen einlagern und die Umwandlung der Fettmoleküle vom flüssigen in den kristallinen Zustand verhindern.

Dies konnte Heimburg im Laborexperiment untermauern. Genauso wie ihm der Nachweis gelang, wie man den Hemmeffekt aushebeln kann, nämlich durch einen verstärkten Anfangsimpuls in Gestalt eines extra starken Elektroreizes. Dazu verpasste der deutsche Biophysiker seinen Testpersonen erst eine lokale Betäubung mit Lidocain und danach kräftige Stromschläge in die Hand. Bis zu 40 Milliampere, was normalerweise durch eine Fünf-Watt-Glühbirne fliesst! Doch dann war der Nerv in der Hand aktiv, als wenn er überhaupt nicht betäubt worden wäre. Und das spricht für die These von der Druckwelle, die schliesslich durch die deftigen Stromschläge in Gang gesetzt wird; und nicht für die These von den Ionenkanälen, die ja nicht plötzlich von all ihren Betäubungsmittelblockaden befreit werden, nur weil man dem Neuron einen Stromschlag verpasst hat.

Kollegen sind kritisch-interessiert

In Neurologie und Hirnforschung finden Heimburgs Thesen noch wenig Anklang. Als Hauptkritik ist zu hören: Die Ionenkanäle gibt es ja, und Wissenschafter haben in ihnen Hunderte von Transportproteinen gefunden, deren Veränderung teilweise grossen Einfluss auf die Signalweiterleitung von Neuronen hatte. Mike Brügger von der Universität Zürich betont allerdings auch, dass im Hinblick auf die nervöse Reizweiterleitung noch viele Fragen offen seien und daher das Heimburgsche Modell «nicht unspannend» sei. Der Schweizer Hirn- und Schmerzforscher gibt zu Bedenken, dass das Stromschlag-Experiment zwar interessant ist, aber sehr genau überprüft werden müsse. Erstens wisse man, dass Lidocain teilweise schnell abgebaut werden kann. «Zweitens sind so grosse Stromstärken nicht physiologisch und es wäre durchaus denkbar, dass der Körper diesen Strom ausgleichend über andere Nerven leiten muss was die beschriebene Aktivierung ebenfalls erklären könnte», so Brügger.

Niels Birbaumer vom Wyss Center in Genf hält das Druckwellen-Modell der nervösen Signalübertragung für «durchaus plausibel», aber es sei eben mit heutigen Methoden nur schwer nachweisbar. Für den an Locked-in-Patienten arbeitenden Hirnforscher steht daher fest: «Ich bleibe erst mal beim Strom.» Und den unzähligen operierten Patienten auf dieser Welt dürfte ohnehin egal sein, ob das bei ihnen eingesetzt Betäubungsmittel die Ionenkanäle verstopft oder die Druckwellen in den Membranen verhindert – am Ende zählt nur, dass man nichts von dem Eingriff mitbekommt.