Was eine Vollnarkose über das menschliche Bewusstsein verrät

Vollnarkosen gehören heute zum medizinischen Alltag. Weltweit werden jedes Jahr mehr als 350 Millionen Operationen unter Allgemeinanästhesie durchgeführt. Dennoch ist bis heute nicht vollständig verstanden, wie genau Narkosemittel das Bewusstsein ausschalten.

Gerade dieses Rätsel macht die Allgemeinanästhesie für die Hirnforschung besonders interessant. Denn wenn Wissenschaftler untersuchen, was im Gehirn geschieht, sobald das Bewusstsein verschwindet, hoffen sie zugleich besser zu verstehen, wie Bewusstsein überhaupt entsteht.

Noch vor rund zwei Jahrhunderten sah die medizinische Realität völlig anders aus. Als dem britischen Admiral Horatio Nelson im Jahr 1797 der rechte Arm amputiert wurde, soll ihm der Überlieferung zufolge lediglich Rum zur Schmerzlinderung angeboten worden sein. Über weite Teile der Menschheitsgeschichte mussten selbst schwere Operationen bei vollem Bewusstsein durchgeführt werden.

Die Einführung der Vollnarkose im Jahr 1846 veränderte die Medizin grundlegend. Erstmals konnte das Bewusstsein eines Menschen für die Dauer eines Eingriffs gezielt und vorübergehend ausgeschaltet werden.

Heute stehen zahlreiche unterschiedliche Narkosemittel zur Verfügung. Einige Anästhetika blockieren vor allem Schmerzen, andere sorgen dafür, dass Patienten schläfrig und entspannt werden. Eine Vollnarkose geht jedoch weiter: Sie versetzt einen Menschen in einen Zustand, in dem er keinerlei bewusste Wahrnehmung des Geschehens hat.

Zu den verwendeten Substanzen gehören sehr unterschiedliche Stoffe. Das Spektrum reicht von Gasen wie Xenon, das in der Praxis nur selten eingesetzt wird, bis hin zu Propofol, einem der weltweit am häufigsten verwendeten Mittel zur Einleitung und Aufrechterhaltung einer Vollnarkose.

Obwohl sich die chemische Struktur dieser Medikamente stark unterscheiden kann, haben sie eine wichtige Gemeinsamkeit: Sie stören die Kommunikation zwischen Nervenzellen im Gehirn.

Untersuchungen mit Magnetresonanztomografie zeigen, dass während einer Vollnarkose die Aktivität im gesamten Gehirn abnimmt. Unklar ist jedoch weiterhin, wie genau diese Veränderungen dazu führen, dass ein Mensch sein Bewusstsein verliert.

Eine zentrale Frage lautet deshalb, ob für Bewusstlosigkeit tatsächlich das gesamte Gehirn heruntergefahren werden muss oder ob bestimmte Hirnregionen eine besonders wichtige Rolle spielen.

Der Biophysiker und Anästhesieforscher Nick Franks vom Imperial College London weist darauf hin, dass manche Gehirnbereiche offenbar empfindlicher auf Narkosemittel reagieren als andere. Einige Regionen reduzieren ihre Aktivität bereits früh, bevor sich die Veränderungen auf größere Teile des Gehirns ausbreiten.

Besondere Aufmerksamkeit gilt dabei dem Thalamus. Diese tief im Gehirn liegende Struktur dient als eine Art Schaltzentrale für die Kommunikation zwischen verschiedenen Hirnregionen. Beobachtungen deuten darauf hin, dass seine Aktivität unter einer Vollnarkose besonders früh abnimmt.

Der Thalamus spielt außerdem eine wichtige Rolle beim Einschlafen und bei der Steuerung von Wachheit. Deshalb untersuchen Forscher die Frage, ob Narkosemittel möglicherweise jene natürlichen Mechanismen des Gehirns nutzen, die normalerweise den Schlaf regulieren.

Experimente an Tieren liefern dafür Hinweise. Werden bestimmte Bereiche des Thalamus gezielt stimuliert, können narkotisierte Tiere teilweise wieder aufgeweckt werden. Auch bei einzelnen Menschen mit schweren Bewusstseinsstörungen wurde beobachtet, dass eine Stimulation dieser Hirnregion die Wachheit beeinflussen kann.

Andere Wissenschaftler vermuten dagegen, dass vor allem die Großhirnrinde, der sogenannte Cortex, für das Bewusstsein entscheidend ist. Diese gefaltete äußere Schicht des Gehirns ist an zahlreichen komplexen Denk- und Wahrnehmungsprozessen beteiligt.

Auch Stirn- und Scheitellappen werden mit Veränderungen des Bewusstseins unter Narkose in Verbindung gebracht. Der Frontallappen spielt unter anderem eine wichtige Rolle bei komplexem Denken und Entscheidungsprozessen. Der Parietallappen ist stark an der Verarbeitung von Sinneseindrücken beteiligt.

Besonders spannend ist die Frage, ob Bewusstsein tatsächlich nur zwei klar getrennte Zustände kennt: wach oder bewusstlos.

Einige Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass es einen Zwischenzustand geben könnte.

Für die meisten Menschen bedeutet eine Vollnarkose, dass sie während einer Operation keinerlei bewusste Erinnerungen haben. In seltenen Fällen berichten Patienten jedoch nach dem Erwachen von Erinnerungen an Teile des Eingriffs. Schätzungen zufolge betrifft eine solche unbeabsichtigte Wahrnehmung etwa einen von 15.000 operierten Patienten.

Der Anästhesist Jaideep Pandit von den Oxford University Hospitals vermutet, dass manche Menschen während einer Operation einen Zustand erleben könnten, der weder vollständig bewusst noch vollkommen bewusstlos ist.

In Experimenten erhielten Patienten sowohl ein Narkosemittel als auch ein muskelentspannendes Medikament. Ein Unterarm wurde jedoch mithilfe einer Manschette davor geschützt, vollständig gelähmt zu werden.

Dadurch konnten die Patienten ihre Hand weiterhin bewegen, obwohl ihr übriger Körper durch das Muskelrelaxans unbeweglich war.

Erstaunlicherweise konnte etwa ein Drittel der untersuchten Patienten auf Aufforderung die Finger eines Forschers drücken. Gleichzeitig zeigten sie keine gewöhnlichen Zeichen dafür, dass sie wach waren oder Schmerzen empfanden.

Pandit interpretiert diese Beobachtungen als möglichen Hinweis auf einen dritten Bewusstseinszustand zwischen Wachsein und völliger Bewusstlosigkeit.

Die Frage, wie Bewusstsein überhaupt entsteht, zählt weiterhin zu den großen ungelösten Problemen der Wissenschaft. Forscher sprechen dabei häufig vom „harten Problem des Bewusstseins“.

Gerade Vollnarkosen bieten eine besondere Möglichkeit, dieses Phänomen zu untersuchen. Zwar geht auch im normalen Schlaf das bewusste Erleben teilweise verloren, doch eine Narkose erlaubt es Wissenschaftlern, Bewusstsein gezielt und zu einem genau bestimmten Zeitpunkt auszuschalten.

Der Neurowissenschaftler Andrea Luppi von der University of Cambridge untersucht deshalb, wie sich die Kommunikation zwischen verschiedenen Teilen des Gehirns unter Vollnarkose verändert.

Dazu analysierte er funktionelle MRT-Aufnahmen von Menschen unter Narkose. Mit dieser Methode lässt sich anhand der Durchblutung erkennen, welche Hirnregionen gleichzeitig aktiv sind und wie stark sie miteinander zusammenarbeiten.

Besonders interessiert Luppi die sogenannte funktionelle Konnektivität. Sie beschreibt, wie unterschiedliche Regionen des Gehirns miteinander kommunizieren und ihre Aktivität koordinieren.

Im wachen Zustand besitzt jeder Mensch dabei ein erstaunlich individuelles Muster. Die Aktivitätsstruktur des Gehirns ist so charakteristisch, dass sie mitunter mit einem persönlichen Fingerabdruck verglichen wird.

Unter Vollnarkose verändert sich dieses Bild deutlich.

Luppi und seine Kollegen stellten fest, dass die individuellen Unterschiede zwischen den Gehirnen kleiner wurden. Die Aktivitätsmuster verschiedener Menschen ähnelten sich unter Narkose stärker als im wachen Zustand.

Darüber hinaus wurden die Gehirnmuster narkotisierter Menschen den Aktivitätsmustern anderer Primaten ähnlicher.

Nach Ansicht der Forscher könnte dies darauf hindeuten, dass Narkose besonders stark jene Bereiche beeinflusst, die sich im Verlauf der menschlichen Evolution vergleichsweise spät entwickelt haben.

Ein weiteres auffälliges Merkmal ist die eingeschränkte Kommunikation zwischen verschiedenen Hirnregionen.

Im Wachzustand können weit voneinander entfernte Bereiche des Gehirns miteinander kooperieren, selbst wenn sie nicht direkt anatomisch verbunden sind. Unter Narkose scheint diese flexible Kommunikation stark abzunehmen.

Dann tauschen vor allem jene Regionen Informationen aus, die auch unmittelbar miteinander verbunden sind.

Luppi beschreibt das wache Gehirn als ein System, dessen Aktivitätsmuster durch einen fortlaufenden Strom bewusster Erfahrungen gelenkt werden. Unter Narkose verliere dieser Prozess gewissermaßen seine Richtung.

Diese Beobachtungen unterstützen eine Theorie, nach der Bewusstsein nicht an einem einzigen Ort des Gehirns entsteht.

Stattdessen könnte es das Ergebnis eines weit verzweigten Netzwerks sein, in dem zahlreiche Regionen gleichzeitig miteinander kommunizieren und ihre Aktivität koordinieren.

Fällt diese Kommunikation aus, könnte auch das Bewusstsein verschwinden.

Ein vergleichbares Bild wäre ein Staat, dessen einzelne Einrichtungen zwar weiterhin existieren, aber nicht mehr miteinander kommunizieren können. Erst das Zusammenspiel des gesamten Systems ermöglicht koordinierte Abläufe.

Interessanterweise lassen sich Vollnarkosen auch mit Substanzen vergleichen, die einen nahezu gegenteiligen Effekt auf das Gehirn haben.

Psychedelische Stoffe wie LSD oder Psilocybin scheinen neue Kommunikationswege zwischen Hirnregionen zu öffnen. Narkosemittel dagegen reduzieren offenbar die Verbindung und den Informationsaustausch zwischen verschiedenen Bereichen.

Diese gegensätzlichen Effekte könnten Forschern helfen, besser zu verstehen, welche Rolle die Kommunikation im Gehirn für unser bewusstes Erleben spielt.

Trotz jahrzehntelanger Forschung ist das Wissen über die Entstehung des Bewusstseins allerdings noch immer begrenzt.

Boris Heifets, Professor für Anästhesiologie sowie perioperative und Schmerzmedizin an der Stanford University, beschreibt das heutige Verständnis des Bewusstseins als noch vergleichsweise rudimentär.

Damit bleibt eine der grundlegendsten Fragen der Neurowissenschaft offen: Wie entsteht aus elektrischen und chemischen Vorgängen in Milliarden Nervenzellen das subjektive Gefühl, bewusst zu erleben?

Vollnarkosen liefern darauf bislang keine endgültige Antwort. Sie bieten Forschern jedoch eine seltene Möglichkeit, das Bewusstsein gezielt auszuschalten und anschließend wieder zurückkehren zu lassen.

Genau darin könnte ein wichtiger Schlüssel liegen, um eines der größten ungelösten Rätsel des menschlichen Gehirns besser zu verstehen.