Wie Narkose Gehirnwellen entkoppelt: Kyoto University misst Transferentropie

Narkose nimmt dir das bewusste Erleben der Welt – ohne dass die Aktivität im Gehirn einfach verschwindet. Ein Team in Kyoto hat deshalb nach dem konkreten physikalischen Faktor gesucht, der dabei tatsächlich fehlt.

„Zählen Sie von zehn rückwärts“, sagt die Anästhesistin oder der Anästhesist. Du kommst bis sieben, vielleicht bis sechs. Und dann ist Bewusstsein auf einmal weg.

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

Neuronen feuern unter Narkose weiter – teils sogar mit mehr roher elektrischer Wucht als in dem Moment, als du noch wach warst und mit der Anästhesie gesprochen hast.

Wenn die Lichter also noch an sind: Was genau wird dann ausgesteckt?

Eine Frage der Weiterleitung

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

Erstens ein Gehirn, das Reize aus der Welt überhaupt kodieren kann. Zweitens ein Gehirn, das diese Kodierung zwischen weit entfernten Arealen weiterreichen kann, damit der gesamte Kortex daran „teilnimmt“.

Die erste Säule gilt als gut belegt. Der visuelle Kortex kodiert, was die Augen sehen – und man kann das direkt beobachten.

Wacklig war lange die zweite Säule. Denn es fehlte eine klare Beschreibung des physikalischen Mechanismus, der Informationen tatsächlich von einem Kortexbereich zum nächsten trägt.

Genau diese Lücke wollte ein Team der Kyoto University schliessen.

Kaio Misawa, Yutaka Komura und Kolleginnen und Kollegen machten sich auf die Suche nach dem Träger selbst – und sie meinten zu wissen, wo er zu finden ist.

Wellen im Gehirn

Gehirne erzeugen wandernde Wellen. Elektrische Aktivität geht nicht nur punktuell an und aus, sondern breitet sich aus: Sie rollt über die Oberfläche des Kortex, ähnlich wie Wellenringe, die sich von einem Stein im Wasser nach aussen bewegen.

Um solche Wellen sauber zu erfassen, reicht keine einzelne Sonde; man braucht Fläche. Das Team fertigte daher eine ultradünne Elektrodenfolie mit 116 Kanälen. Sie war breit genug, um fast den gesamten Kortex der rechten Hemisphäre einer Ratte abzudecken.

Dann wählten sie einen bestechend einfachen Test: Sie blitzten mit einer LED ins linke Auge der Ratte und verfolgten, wie die ausgelöste Welle weiterzog.

Das geschah in 45 Aufnahmesitzungen – zuerst im wachen Zustand bei fixiertem Kopf, danach erneut unter Isofluran-Narkose.

Im Wachzustand „kamen die Wellen herum“: Sie hielten länger an und drängten über den visuellen Bereich hinaus – bis in parietale und temporale Regionen sowie in Areale für Hören und Tastsinn.

Eine Clusteranalyse zeigte ausserdem ein ganzes Repertoire an Wellenformen, das nur im wachen Zustand auftrat.

Unter Narkose führte derselbe Lichtreiz dagegen zu einer deutlich anderen Antwort: Das Signal war kürzer und blieb auf die sensorischen Regionen beschränkt, in denen es gestartet war.

Wellen, die einen täuschen können

Hier kommt der Dreh, der diese Arbeit besonders streng macht: Eine wandernde Welle kann sehr leicht so aussehen, als würde Information durchs Gehirn „fliessen“.

Statt das einfach gleichzusetzen, prüften die Forschenden gezielt, ob beides wirklich dasselbe ist.

Sie simulierten zwei unterschiedliche Systeme. In einem wurde Aktivität tatsächlich von Knoten zu Knoten weitergereicht – wie bei einer Eimerkette. Im anderen kommunizierten zwei Knoten überhaupt nicht miteinander, sondern reagierten nur zeitverzögert auf denselben gemeinsamen Input. Von aussen betrachtet erzeugten beide Simulationen Wellenmuster, die sich fast nicht unterscheiden liessen.

Damit gilt: Die Welle an sich beweist noch nicht, dass überhaupt etwas übertragen wurde.

Also brauchte das Team ein zweites Werkzeug. Es nutzte 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?

Information und Richtung

An dieser Stelle trennte sich das echte Gehirn von der Simulation. Das Team wählte eine Referenzelektrode und setzte die Zugrichtung der Welle als Nullrichtung fest.

Anschliessend bestimmten sie den Informationsfluss zu jeder der acht benachbarten Elektroden – für jeden Winkel rund um die Referenz.

Das Ergebnis: Der Fluss war direkt nach vorn am stärksten, also genau in der Richtung, in die die Welle rollte. Je weiter man sich davon wegdrehte, desto stärker nahm er ab.

Diese Geometrie nennen sie informationelle Abstimmung. Es ist eine neue Art, Gehirne zu beschreiben: nicht nur, wo Aktivität auftritt, sondern ob die „Informationsleitungen“ zur physikalischen Welle passen.

Im Wachzustand waren die Abstimmungskurven zudem schärfer – enger, selektiver und stärker auf eine Richtung festgelegt als unter Narkose.

Eine Richtungsabstimmung liess sich auch unter Narkose nachweisen, und statistisch war sie in beiden Zuständen robust. Verändert war die Präzision, nicht das grundsätzliche Vorhandensein.

Das laute, schlafende Gehirn

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

Mehr Informationsbewegung klingt nach mehr Erleben, mehr Wahrnehmung – mehr „Ich“.

Diese Annahme trifft hier jedoch nicht zu, zumindest nach diesem Mass: Die absolute Transferentropie war unter Narkose höher.

„This unexpected finding suggests that while the anesthetized brain is flooded with random, noisy information, the awake brain selectively regulates information in specific directions,“ sagte Komura.

„In other words, the awake brain excels in the ‘reliability’ and precision of information communication, rather than just the raw quantity.“

Man kann es sich wie einen vollen Raum vorstellen: 200 Menschen, die alle gleichzeitig schreien, erzeugen objektiv mehr Schallenergie als zwei Personen, die leise über einen Tisch hinweg sprechen. Aber nur in einer der beiden Situationen findet ein Gespräch statt.

Grenzen der Studie

Ratten können nicht berichten, was sie erlebt haben. Bewusstsein wird hier aus dem Zustand abgeleitet – wach versus narkotisiert. Das ist ein plausibler Stellvertreter, aber nicht dasselbe.

Das verwendete Narkosemittel war spezifisch Isofluran. Andere Substanzen unterdrücken Bewusstsein über andere Wege, und Schlaf ist wiederum ein ganz anderes Phänomen.

Die Erklärung der Autorinnen und Autoren lautet: Eine Rückkopplungskontrolle im wachen Gehirn verschärfe die Balance zwischen Erregung und Hemmung und forme die Wellenausrichtung genauer.

Das wird als Hypothese angeboten, nicht als nachgewiesener Mechanismus.

Was Narkose tatsächlich verändert

Es handelt sich um eine Beobachtungsstudie, die zu Bewusstseinstheorien passt – nicht um eine Lösung für den Ursprung des Bewusstseins.

Das sind zwei sehr unterschiedliche Behauptungen, und das Team achtet darauf, nur die erste zu beanspruchen.

„Our future goal is to bridge the gap between our findings on informational tuning and deeper neural circuit mechanisms,“ sagte Komura.

Damit zurück zum Rückwärtszählen – und zu der Lücke zwischen der Sieben und dem Moment, in dem eine Pflegekraft deinen Namen sagt.

Die beste Vermutung, die diese Arbeit anbietet: Im Gehirn der Ratten ging nichts einfach aus. Die Wellen liefen weiter. Information schwappte weiter umher – möglicherweise sogar mehr als sonst.

Was fehlte, war ihre Disziplin: der Anteil, der festlegt, wohin ein Signal gehen soll, und der dafür sorgt, dass es irgendwo ankommt, wo es etwas bewirkt.

Die vollständige Studie ist in der Zeitschrift iScience veröffentlicht.