Komplexe Wellen im Gehirn

Mark Belan / Quanta Magazine

Ich stehe aus dem Bett auf. Ich gehe durch den dunklen Flur und denke daran, was in meinem Kühlschrank ist und was ich zum Frühstück essen soll. Ohne große Anstrengung bewege ich mich in meiner Umgebung, nutze mein Gedächtnis und prüfe, wie viel Energie mein Körper hat. Alles passiert in wenigen Sekunden. Wie kann das Gehirn das machen?

Ein Grund ist Elektrizität. Das Gehirn nutzt etwa die Hälfte seiner Energie, um elektrische und chemische Gleichgewichte zu halten. So sind die Nervenzellen (Neuronen) immer bereit zu feuern. Das gibt dem Gehirn viel Flexibilität im Alltag. Die elektrische Aktivität von vielen Neuronen zusammen sieht man als Wellen. Sie bewegen sich von einer Region zur nächsten, wie eine La-Ola-Welle im Fußballstadion.

Neue Forschung zeigt: Diese Wellen sind komplexer als früher gedacht. Normalerweise misst man sie mit Elektroden. Früher dachte man, es sind nur einfache, flache Wellen: einfache Schwingungen der Aktivität. Viele Neurowissenschaftler dachten, das ist nur ein Zeichen, dass das Gehirn arbeitet. So wie das Geräusch eines Motors. Aber neue Ergebnisse bei Menschen und Tieren zeigen: Wanderwellen spielen eine zentrale Rolle für die Funktion des Gehirns.

Earl K. Miller ist Kognitions-Neurowissenschaftler am Massachusetts Institute of Technology (MIT). Er sagt: "Die neue Arbeit ändert die Frage von 'Sind sie wichtig?' zu 'Das ist ein wichtiges Muster, wie die Hirnrinde Informationen verarbeitet.'"

In einer Studie im April 2026 in der Zeitschrift Nature Communications haben Neurowissenschaftler Wanderwellen gemessen. Sie haben viele verschiedene Muster gesehen: Quell-Wellen, die von einem Ort starten, Senken-Wellen, die an einem Ort zusammenlaufen, und Spiral-Wellen wie ein Wirbel. Das Team, zu dem Joshua Jacobs und Anup Das von der University of Chicago gehören, hat gefunden: Verschiedene Aufgaben hängen mit verschiedenen Wellen-Mustern zusammen.

Joshua Jacobs und Anup Das waren Teil eines Teams, das komplexe Muster von Gehirnwellen mit Elektroden im Gehirn beobachtet hat. Foto mit freundlicher Genehmigung von Joshua Jacobs

Neuronen können ihre Verbindungen zu Nachbarn mit der Zeit ändern. Aber das passiert normalerweise in Tagen oder Monaten. Verhalten muss sich aber in Sekunden anpassen. Viele Neurowissenschaftler glauben jetzt: Diese großen Wellen-Muster helfen, das Gehirn in Echtzeit neu zu organisieren. So kann es die Aufgaben im Wachzustand erfüllen.

Joshua Jacobs sagt: "Auch wenn die Wanderwelle nur das Ergebnis von feuernden Neuronen wäre, wie das Geräusch des Motors, sagt sie uns trotzdem etwas sehr Interessantes über das Gehirn und was die Person gerade tut. Wenn man sieht, wie sich ein Geräusch in eine Richtung über den Motor bewegt, bedeutet das, dass etwas im Motor in eine Richtung organisiert ist."

Hin und zurück

Schon in den 1920er Jahren haben Neurowissenschaftler die Aktivität des Gehirns gemessen. Sie haben Elektroden auf die Kopfhaut gelegt. Das nennt man Elektroenzephalografie (EEG). Wenn wir aufmerksam sind, uns erinnern oder schlafen, ändert sich die große Frequenz der elektrischen Aktivität. Diese verschiedenen Schwingungen heißen Alpha-, Beta-, Gamma- und Theta-Wellen. Man misst sie in Hertz.

Aber wenn man die elektrische Aktivität von außerhalb des Schädels misst, bekommt man weniger genaue Informationen. Das Labor von Jacobs ist spezialisiert auf Messungen im Inneren des Gehirns. Menschen mit schwerer Epilepsie bekommen manchmal Elektroden direkt ins Gehirn. So finden Ärzte den Ort der Anfälle. Mit etwa 100 Elektroden in einer bestimmten Hirnregion und mit Erlaubnis der Patienten kann das Team von Jacobs sehr genaue Daten sammeln. Die Daten sind genau in Raum und Zeit, während die Teilnehmer Denkaufgaben machen.

Jacobs und seine Kollegin Uma Mohan, die jetzt Neuroingenieurin an den National Institutes of Health ist, waren Teil eines Teams, das diese Technik für Gedächtnisaufgaben genutzt hat. In einer Studie im Jahr 2024 in der Zeitschrift Nature Human Behaviour haben sie Wellen beschrieben, die sich in entgegengesetzte Richtungen über die äußere Schicht des Gehirns, die Hirnrinde (Kortex), bewegen. Jacobs sagt: "Sie gehen entweder von hinten nach vorne oder von vorne nach hinten durch das Gehirn."

Jacobs sagt, man kann das Ergebnis so verstehen: Die Wellen zeigen die Richtung der Information. Die Seh-Regionen sind hinten. Der präfrontale Kortex, die "höhere" Gedächtnis-Region, ist vorne. Wenn du aufmerksam schaust, gehen Signale von den Augen nach hinten zum visuellen Kortex und dann nach vorne in den Rest des Gehirns. Die Welle trägt die Information, um eine Erinnerung zu bilden. Jacobs sagt: "Das Zeichen dafür ist, dass man Wellen von hinten nach vorne sieht."

Mohan erklärt: "Wir dachten, das ist ein Weg, wie das Gehirn diese Organisation nutzt, um sehr schnell zwischen zwei Funktionen zu wechseln: neue Informationen speichern und Erinnerungen abrufen. Es hängt davon ab, was das Gehirn gerade tun muss."

Wechselnde Muster

Die Forschung von Jacobs und Das aus dem Jahr 2026 macht dieses Bild komplizierter. Sie zeigt: Diese Wellen können viel mehr verschiedene Formen, Muster und kleine Wellen haben. Das geht weit über einfache Auf-und-Ab- und Vor-und-Zurück-Wellen hinaus.