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Computersimulation

Bereits heute lassen sich Teile des Gehirns im Computer als Modell nachbauen. Diese Modelle basieren auf den Erkenntnissen jahrelanger experimenteller Hirnforschung. Mithilfe der Modelle lassen sich nun im Computer neue Hypothesen überprüfen. Sie können auch verwendet werden, um elementare neuronale Netzwerke zu simulieren und zu untersuchen.
Darüber hinaus lassen sich Computersimulationen auch nutzen, um zu ergründen, wie bestimmte Phänomene, die man beobachtet hat, im Gehirn umgesetzt sein könnten. Die Ergebnisse können dann experimentell überprüft werden.

Organoide

Organoide sind, vereinfacht gesagt, wenige Millimeter große Miniorgane, die man aus Stammzellen gewinnen kann. Dazu können embryonale Stammzellen, iPS-Zellen oder auch adulte Stammzellen eingesetzt werden. Als Stammzellen bezeichnet man Zellen, die noch nicht auf eine Funktion im Organismus festgelegt sind. Sie können sich sozusagen im Laufe ihrer Entwicklung spezialisieren und zum Beispiel eine Muskel-, Haut- oder Nervenzelle werden.

Für die Beantwortung bestimmter Fragestellungen sind sie besser geeignet als bisherige 2D-Gewebemodelle oder Tierversuche. Die Forschung an Organoiden trägt so unter anderem dazu bei, Tierversuche zu reduzieren. Aber auch ihr Einsatz hat Grenzen: nach wie vor kann man zum Beispiel die Reizverarbeitung im lebendigen Gehirn anhand dieser Zellstrukturen nicht vollumfänglich untersuchen, weil die Organoide nur einzelne Zellverknüpfungen darstellen können. Darüber hinaus fehlen ihnen wichtige Strukturen ihrer Organvorbilder, wie zum Beispiel die Blutgefäße oder auch Immunzellen, so dass man die die hochkomplexe, natürliche Organfunktion des lebendigen Gehirns nicht vollständig über Organoide nachvollziehen kann.

Tierversuche

Es gibt Fragestellungen, zu deren Erforschung Tierversuche nicht durch andere Methoden ersetzt werden können – so zum Beispiel bei der Erklärung, wie die Signalübertragung im Gehirn auf der Zellebene funktioniert. Um das zu beantworten, sind invasive Untersuchungen am lebendigen Gehirn erforderlich. Am ESI erfolgen die meisten Untersuchungen an Nagern (Mäusen, Ratten). Wir untersuchen auch nichtmenschliche Primaten, um höhere kognitive, visuelle und motorische Funktionen zu erforschen. Sie sind unseren neurologischen Systemen am ähnlichsten, was sie unverzichtbar in der biomedizinischen Forschung macht. Diese Forschung hat zu bedeutenden Entdeckungen geführt, die die Diagnose und Weiterentwicklung von Therapien bei schwerwiegenden neurologischen Erkrankungen, wie Parkinson oder psychischen Störungen, ermöglichen.

EEG, MEG, MRT, fMRT

Aktive Gehirnbereiche erzeugen lokal elektro-magnetische Felder, die sich an der Schädeloberfläche messen lassen. Bei der Elektroenzephalographie (EEG) wird mittels einer Elektrodenhaube, die die Probanden auf dem Kopf tragen, die elektrische Komponente der von den Nervenzellen erzeugten Felder gemessen. Dem gegenüber kann mit der Magnetenzephalographie (MEG) die magnetische Komponente dieser Felder bestimmt werden. Beide Methoden können sehr schnelle Vorgänge im Gehirn darstellen, erlauben aber nur eine begrenzte Lokalisierung, wo genau sich der Ort der Aktivität befindet.