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Arbeitsgruppe Kognitive Neurophysiologie

An der Universität Bremen wird Grundlagenforschung mit Rhesusaffen (Macaca mulatta) im Bereich der Hirnforschung durchgeführt. Unsere Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wollen dadurch die  physiologischen Grundlagen von Aufmerksamkeits- und Gedächtnisleistungen, perzeptuellen Entscheidungen und Wahrnehmung besser verstehen lernen. Das Wissen um die Physiologie von Verarbeitungsprozessen im gesunden Gehirn ist Voraussetzung dafür, die vielfältigen Formen von Erkrankungen und Beeinträchtigungen des Gehirns in Zukunft besser behandeln zu können. Das Gehirn besteht aus ungefähr 100 Milliarden Nervenzellen, die in sehr komplexer Weise miteinander verschaltet sind. Derzeit ist wenig darüber bekannt, wie sich diese Zellen von Augenblick zu Augenblick zu unterschiedlichen funktionellen Gruppen verschalten, um die vielfältigen kognitiven Leistungen zu erbringen, die unseren Aktionen zu Grunde liegen.

Professor Andreas Kreiter und sein Team haben in den vergangenen Jahren wichtige Beiträge in Bezug auf die Beantwortung vieler hiermit zusammenhängender Fragen leisten können und ihre Forschungsergebnisse kontinuierlich in internationalen wissenschaftlichen Fachzeitschriften publiziert. Hierzu gehören neben wichtigen Ergebnissen zum flexiblen Austausch von Information zwischen Nervenzellen in großen Nervenzellverbänden (z. B.https://doi.org/10.3389/fncir.2018.00071 und https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.0689-20.2020) auch Arbeiten zur Nutzbarmachung neuer Messtechniken in medizinischen Zusammenhängen (z. B.https://rdcu.be/cl4g6, siehe auch Pressemitteilung Juni 2021: https://www.uni-bremen.de/universitaet/hochschulkommunikation-und-marketing/pressemitteilungen/detailansicht/hirnforschung-studie-zeigt-vorteile-neuer-multielektrodenmatte).

Es ist das Ziel der im Institut durchgeführten Untersuchungen, dass die erworbenen Grundlagenerkenntnisse auch direkt in die angewandte Forschung einfließen können, wo immer dies bereits heute erreichbar ist.

Grundsätzlich gilt: Im deutschen Tierschutzgesetz ist festgelegt, dass Tierversuche nur durchgeführt werden dürfen, wenn keine Alternativmethoden genutzt werden können. Die zuständige Behörde genehmigt einen Tierversuchsantrag nur dann, wenn Forschende den Nachweis erbringen können, dass das Forschungsvorhaben nicht ohne Tierversuche auskommt und der zu erwartende Nutzen des Experiments das mögliche Leiden des Tieres ethisch rechtfertigt. Einen besonderen Schutz durch das Gesetz genießen Primaten, für die spezielle, hohe Auflagen gelten und an denen nur dann Forschung durchgeführt werden darf, wenn dies mit Nicht-Primaten nicht möglich ist. Unsere Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler gehen dabei sehr verantwortungsvoll vor und unterliegen anspruchsvollen gesetzlichen Auflagen, die sie sorgfältig erfüllen.

Für die an der Universität Bremen mit Rhesusaffen durchgeführten Studien gibt es keine alternativen Forschungsmethoden zu Tierversuchen:

Eine häufige Behauptung ist, man könne die Physiologie des Gehirns im Computer nachbilden, um anschließend Forschung mit Hilfe von Simulationen zu betreiben. Nachbilden kann man jedoch nur, was man zuvor erforscht hat und bereits kennt. Um die physiologischen Prozesse des Gehirns nachzubilden, wäre eine vollständige Kenntnis der oben dargelegten Vorgänge erforderlich. Das ist derzeit genauso unmöglich wie beispielsweise das Universum dadurch zu erforschen, dass man es im Computer nachzubilden versucht. Die schiere Menge der Vorgänge im Universum, die man noch nie beobachten konnte und die Vielzahl der noch nicht verstandenen Vorgänge macht dies unmöglich. Gleiches gilt für die Erforschung des Gehirns, dass ein ähnlich komplexes und unerforschtes System darstellt.

Allerdings besteht ein wissenschaftlicher Ansatz darin, einzelne, eng definierte Prozesse zunächst experimentell zu erforschen, diese mathematisch zu erfassen und anschließend in einem Computer-Modell zu simulieren, mit dem weitere, bislang unerforschte Vorgänge modelliert werden. Die so erzielten Ergebnisse besitzen jedoch immer nur Gültigkeit im Rahmen der Beobachtungen und Annahmen, die in das Modell eingeflossen sind und müssen ihrerseits experimentell auf Gültigkeit im realen Gehirn überprüft werden. Solche Strategien werden in den Neurowissenschaften und auch am Institut von Prof. Kreiter und seiner Mitarbeiter:innen vielfältig verfolgt. Ein aktuelles Beispiel findet sich hier: Ernst, Bohnenkamp, Chao, Galashan, Wegener, "Dynamic divisive normalization circuits explain and predict change detection in monkey area MT", PLoS Computational Biology 17(11): e1009595.

Ein anderes herangezogenes Beispiel sind die Leistungen von sogenannten Deep Learning Networks, einem Zweig der KI-Forschung. Derartige Netzwerke können beeindruckende Leistungen im Bereich der Mustererkennung vollbringen. Diese Netzwerke sind durch Befunde aus den Neurowissenschaften inspiriert, jedoch bilden sie das Gehirn nicht nach. Dies wird zum Beispiel daran deutlich, dass die computergestützte Mustererkennung sehr rechen- und zeitaufwändig ist und erst nach Stunden Ergebnisse liefert, die das menschliche Gehirn innerhalb eines Wimpernschlags errechnet.

Für die am Institut untersuchten Fragestellungen gibt es keine technischen Ersatzmöglichkeiten und auch ist deren Untersuchung nicht in anderen Wirbeltieren möglich.

Im Tierhaus des Instituts werden derzeit 19 Makaken gehalten. Die Tierhaltung verfügt über großzügige Innen- und Außenbereiche und alle Tiere werden täglich durch fachkundiges Personal bezüglich Gesundheit und Wohlbefinden in Augenschein genommen. Die Räumlichkeiten sind umfangreich mit sogenanntem Environmental Enrichment (Bereicherung des Lebensumfeldes durch artspezifisches Beschäftigungsmaterial oder Gruppenhaltung) ausgestattet. Hierzu gehören vielfältige Kletter- und Sprungmöglichkeiten, verschiedenartiges Spielmaterial, Bereiche zum Ausweichen und Verstecken ebenso wie verschiedene Fütterungstools. Die verantwortlichen Personen verfügen über langjährige Sachkunde, die gegenüber den zuständigen Kontroll- und Genehmigungsbehörden in Form entsprechender Dokumente und Zertifikate nachgewiesen ist. Die Haltungen und Labore an der Universität Bremen werden regelmäßig von externen Tierärzt:innen und der zuständigen Behörde kontrolliert. Der Kontrolle unterliegen alle mit den gesetzlichen Bestimmungen zusammenhängenden Faktoren, beispielsweise der Nachweis der Durchführung von Reinigungs- und Hygieneprozeduren, die Kontrolle der Tierhaltung inklusiver aller Haltungsaspekte (Luftaustausch, Temperatur, Licht, Geräuschlevel, Beschäftigungsmöglichkeiten etc.), die behördliche Inaugenscheinnahme der Tiere, der Nachweis der Tierversorgung und -gesundheit, die konkret durchgeführten experimentellen Prozeduren etc.

Im Laufe des Rechtsstreits um die Versuche mit den Makaken vor mehreren Jahren (Urteil des BGH im Jahr 2014) wurden mehrere Fachgutachten erstellt, die im Detail untersucht haben, ob und in welchem Maße die im Institut von Professor Andreas Kreiter durchgeführten Untersuchungen Leiden bei den Tieren hervorrufen. Das Ergebnis dieser Gutachten war übereinstimmend, dass die angewendeten Methoden die Tiere allenfalls mäßig belasten. Diese Einschätzung hat sich auch das Bundesverwaltungsgericht in seinem Urteil zu eigen gemacht. Eine aktuelle Untersuchung der über einen Zeitraum von mehr als 15 Jahren routinemäßig vorgenommenen veterinärmedizinischen Einschätzung der Versuchstiere sowie der von ihnen verfügbaren Blutproben, an der auch die betreuenden Tierärzte beteiligt wurden, bestätigt dies nachdrücklich (siehe: Wegener et al, eNeuro 2021 (https://doi.org/10.1523/ENEURO.0284-21.2021).

Immer wieder wird der Vorwurf laut, dass die Makaken nicht genug Flüssigkeit bekommen. Ein Flüssigkeitsentzug im Sinne einer Versorgung unterhalb des physiologischen Bedarfs findet nicht statt. Richtig ist vielmehr, dass die Tiere einen erheblichen Teil ihres Flüssigkeitsbedarfs während der Durchführung von Verhaltensaufgaben erhalten, die Teil der wissenschaftlichen Untersuchungen im Institut sind. Dabei dient die Flüssigkeit als Feedback-Signal, das den Tieren Information darüber gibt, ob ihre Strategie, die Aufgabe zu lösen, richtig war. Je nach Vorliebe bekommen die Tiere hierbei entweder Wasser oder Fruchtsaft. Das Tier bestimmt den Umfang der Flüssigkeitsmenge, die es sich im Rahmen der Verhaltensaufgabe zuführt, selbst. Die Tiere können während der Durchführung der Verhaltensaufgabe Pausen machen, die Aufgabe wird erst beendet, wenn das jeweilige Tier eindeutig zu erkennen gibt, dass es kein weiteres Interesse mehr hat.

Es ist nicht das Interesse der Wissenschaftler:innen, dass die Tiere stark dursten. Vielmehr würde starker Durst bei den Tieren Stress induzieren und dazu führen, dass sie bei den Versuchen entweder gar nicht mitmachen oder viele Fehler machen würden. Dies wäre nachvollziehbarerweise nicht im Interesse eines Forschungsvorhabens. Wenn die Tiere nicht an einer Untersuchung teilnehmen (beispielsweise am Wochenende oder während zum Teil mehrmonatiger Pausen zwischen zwei Blöcken von Untersuchungen) werden ihnen großzügige Mengen verschiedener Sorten von Obst und Flüssigkeit zur Verfügung gestellt.

Die Makaken leben über viele (meist 10 bis 15) Jahre in der Haltung der Forscher:innen. Die Aufgaben, die sie für die Bearbeitung der Forschungsfragen erlernen (Aufmerksamkeits- und Gedächtnisaufgaben, die auch für menschliche Probanden eine Herausforderung darstellen), benötigen viele Monate des behutsamen Trainings, bevor sie so gut gelernt wurde, dass die damit verbundene Forschungsfrage konkret untersucht werden kann, sodass das Wohlergehen der Tiere für die Forschenden von zentraler Bedeutung ist. Wenn ein Tier ein hohes Alter (im Allgemeinen 15 bis 20 Jahre) erreicht hat, wird es eingeschläfert, um abschließende Untersuchungen an Hirngewebe vornehmen zu können. Diese abschließenden Untersuchungen sind für die Forschenden aus einer ganzen Reihe von Gründen wichtig und liefern unter anderem medizinische Hinweise, die es erlauben würden, ein gesundheitliches Problem in der angewendeten Methodik zu identifizieren und auszuschließen. Sie liefern außerdem wichtige Daten für andere wissenschaftliche Fragestellungen, was dazu beiträgt, die Gesamtzahl der wissenschaftlich genutzten Rhesusaffen zu reduzieren.

Regelmäßige Begutachtung

Alle durchgeführten Untersuchungen wurden bezüglich ihrer wissenschaftlichen Bedeutung und der zur Anwendung gebrachten Methoden und Verfahren durch die für Tierversuche zuständige Ethikkommission begutachtet und durch die zuständige Behörde bewilligt und entsprechen in vollem Umfang den durch die EU Richtlinie 2010/63, dem Deutschen Tierschutzgesetz sowie der Deutschen Tierschutz-Versuchsverordnung spezifizierten Anforderungen. Die Tiere befinden sich in artgerechter Haltungen und werden täglich durch fachkundiges Personal bezüglich Gesundheit und Wohlbefinden in Augenschein genommen.

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Einblicke in die Haltung der Makaken

Die Fotos zeigen Makaken in ihrem Gehege am Institut für Hirnforschung der Universität Bremen. Forschende, Tierpfleger:innen und Tierärzt:innen achten auf eine artgerechte Haltung der Tiere, die in Gruppen leben. Die Mitarbeitenden sorgen bei den Makaken regelmäßig mit wechselnden Spielgeräten und einer Veränderung der Gehege für Abwechslung.