Neurowissenschaften

Medizinische Expertise: Dr. med. Nonnenmacher
Qualitätssicherung: Dipl.-Biol. Elke Löbel, Dr. rer. nat. Frank Meyer

Letzte Aktualisierung am: 3. September 2026

Dieser Artikel wurde unter Maßgabe medizinischer Fachliteratur und wissenschaftlicher Quellen geprüft.

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Die Neurowissenschaft beschäftigt sich mit Aufbau, Funktion und Störungen von Nerven. Diese werden dabei aus medizinischer, biologischer sowie psychologischer Sicht betrachtet. Im Mittelpunkt stehen neben den einzelnen Elementen vor allem komplexe Nervensysteme und die Zusammenarbeit der Strukturen sowie aus Erkrankungen resultierende Beschwerden.

Was sind die Neurowissenschaften?

Die Neurowissenschaft beschäftigt sich mit Aufbau, Funktion und Störungen von Nerven.

In dem wissenschaftlichen Spektrum beschäftigen sich Experten mit dem Aufbau und der Funktion von Nerven in sämtlichen Situationen. Zum einen werden die einzelnen Systembestandteile und Neuronen betrachtet, zum anderen liefert die Neurowissenschaft einen makroskopischen Überblick. Von besonderem Interesse sind dabei auch Gliazellen. Generell möchten Neurowissenschaftler jedoch die Vernetzung von Nerven und deren Funktion analysieren.

So geht es zum Beispiel um eine Untersuchung des Zentralen Nervensystems bei Wirbeltieren. Weiterhin kümmern sie sich um Erkrankungen, welche in den Bereich der Neurologie fallen. Die Neurowissenschaften differenzieren sich in unterschiedliche Richtungen. Eine davon ist beispielsweise die Gehirnforschung, welche Aufbau sowie Leistungen des Gehirns bei Menschen und Tieren untersucht. Zum einen wird Grundlagenforschung betrieben, zum anderen geht es um die Ermittlung von Ursachen bestimmter Krankheiten wie zum Beispiel Alzheimer und Epilepsie.

Damit beschäftigt sich die Neurowissenschaft auch mit verschiedenen Beschwerden des Nervensystems: Sie erforscht deren Ursachen und erarbeitet die Grundlagen, auf denen die klinischen Fächer Diagnose und Behandlung aufbauen. Ein weiterer wichtiger Unterpunkt ist die Wahrnehmung von Informationen aus dem Umfeld, zum Beispiel in Form von Sinneseindrücken sowie die Entstehung emotionaler Reaktionen.

Der Plural im Namen ist kein Zufall. „Neurowissenschaften“ bezeichnet kein einzelnes Fach mit einem festen Lehrbuch, sondern ein Bündel von Forschungsrichtungen, die sich denselben Gegenstand aus unterschiedlichen Blickwinkeln vornehmen. Beteiligt sind unter anderem die Medizin, die Biologie, die Psychologie, die Pharmakologie, die Physik, die Informatik und die Mathematik; bei Fragen nach Sprache, Bewusstsein oder Entscheidungsverhalten kommen die Sprachwissenschaft und die Philosophie hinzu. Was die Beteiligten verbindet, ist nicht die Methode, sondern die Frage, wie Nervengewebe Informationen aufnimmt, verarbeitet, speichert und in Verhalten übersetzt.

Von den klinischen Nachbarfächern unterscheiden sich die Neurowissenschaften vor allem dadurch, dass sie keinen Behandlungsauftrag haben. Die Neurologie untersucht und behandelt Patienten mit Erkrankungen des Nervensystems, die Neurochirurgie operiert, die Psychiatrie behandelt seelische Erkrankungen. Die Neurowissenschaften erklären. Sie liefern das Wissen, auf das sich diese Fächer stützen, treten dem Patienten aber nicht als behandelnde Instanz gegenüber. Ein neurowissenschaftliches Studium führt dementsprechend auch nicht zur ärztlichen Approbation; wer Menschen behandeln will, benötigt dafür eine eigene ärztliche oder psychotherapeutische Qualifikation.

Innerhalb der Neurowissenschaften haben sich mehrere Zweige herausgebildet, die sich vor allem in der betrachteten Größenordnung unterscheiden. Die molekulare und zelluläre Neurowissenschaft befasst sich mit einzelnen Nervenzellen, ihren Bausteinen und den Vorgängen an der Synapse, also der Kontaktstelle zwischen zwei Zellen. Die systemische Neurowissenschaft untersucht, wie ganze Zellverbände zusammenarbeiten und wie Sinnesreize verarbeitet werden. Die kognitive Neurowissenschaft fragt nach den Grundlagen von Aufmerksamkeit, Sprache, Gedächtnis und Entscheidungen. Die Verhaltensneurowissenschaft verknüpft beobachtbares Verhalten mit Vorgängen im Nervensystem, und die theoretische oder rechnergestützte Neurowissenschaft bildet solche Vorgänge in mathematischen Modellen und Computersimulationen ab. Die klinische Neurowissenschaft schließlich richtet den Blick auf Krankheiten.

An dieser Stelle berührt sich das Feld eng mit der Neuropsychologie, die den Zusammenhang zwischen Hirnfunktion und Erleben und Verhalten untersucht und die selbst aus der Verbindung von Neurowissenschaft und Psychologie hervorgegangen ist. Deutlich wird daran, dass sich die Grenzen zwischen den Teilgebieten nicht scharf ziehen lassen: Eine einzelne Arbeitsgruppe kann gleichzeitig an Zellkulturen, an Versuchstieren und an Testpersonen arbeiten.

Ihren Gegenstand hat die Forschung dabei nie auf das Gehirn beschränkt. Zum Nervensystem gehören ebenso das Rückenmark, die aus ihm austretenden Nervenbahnen, die Nerven in den Gliedmaßen und in den inneren Organen sowie die Empfängerstrukturen in den Sinnesorganen. Auch die Stützzellen des Nervengewebes, lange als bloßes Füllmaterial angesehen, stehen inzwischen im Mittelpunkt eigener Forschungsrichtungen.

Historisch hat sich das Feld in mehreren Schüben entwickelt. Am Anfang standen die Anatomie des Nervengewebes und die Beobachtung von Menschen, bei denen ein umschriebener Hirnschaden mit einem umschriebenen Ausfall einherging - daraus entstand die Vorstellung, dass sich bestimmte Leistungen bestimmten Regionen zuordnen lassen. Die Mikroskopie und geeignete Färbetechniken machten die einzelne Nervenzelle sichtbar und führten zu der Einsicht, dass das Nervengewebe aus voneinander abgegrenzten Zellen besteht. Elektrische Messungen zeigten anschließend, dass diese Zellen ihre Signale in Form von Spannungsänderungen weitergeben. Mit der Molekularbiologie kamen die beteiligten Eiweiße und Gene in den Blick, mit den bildgebenden Verfahren die Möglichkeit, dem lebenden Gehirn bei der Arbeit zuzusehen, und mit leistungsfähigen Rechnern die Auswertung sehr großer Datenmengen.

Behandlungen & Therapien

Die genaue Herausbildung von Alzheimer ist noch nicht vollkommen erforscht und steht somit im Mittelpunkt neurowissenschaftlicher Experimente. Die Positronen-Emissions-Tomographie kann jedoch eine Ablagerung spezifischer Proteine sichtbar machen. Diese lassen sich oft bereits Jahre vor dem Einsetzen erster Beschwerden im Gehirn des Betroffenen feststellen. Vermutlich behindern die Eiweiße die Kommunikation zwischen den Nervenzellen, woraus die typischen Alzheimer-Symptome resultieren. Hier ist die Neurowissenschaft an einer weitergehenden Forschung in Bezug auf Ursachen und Behandlung interessiert. Eine weitere Erkrankung, die im Blickwinkel der Neurowissenschaft steht, ist Epilepsie. Neben erblichen Komponenten und Stoffwechselstörungen werden die Anfälle unter anderem von Gehirnschäden verursacht.

Insbesondere in einem solchen Fall kommt die Neurowissenschaft zum Einsatz. Letztendlich resultieren die Symptome aus einer Störung der Nervenzellen, in deren Folge es zu einer krankhaften Entladung kommt. Welche Symptome sich bemerkbar machen und wie intensiv diese ausfallen, hängt zum Beispiel von der genauen Lage der Entladung ab und ob diese auf einer Gehirnhälfte auftritt oder beidseitig. Ein weiterer wichtiger Bereich der Neurowissenschaft sind Hirntumore und Kopfverletzungen. Der Tumor kann gut- oder bösartig sein und zu unterschiedlichen Beschwerden führen, wie Kopfschmerzen, Erbrechen und einer Veränderung der Persönlichkeit.

Kopfschmerzen werden von den meisten Menschen als quälend wahrgenommen. Am häufigsten handelt es sich um Spannungskopfschmerzen, gefolgt von der Migräne. Diese wiederum steht im Interesse der Neurowissenschaft. Im weiteren Verlauf können sich neben Kopfschmerzen auch neurologische Symptome bemerkbar machen wie eine veränderte Sicht.

Bei all diesen Krankheitsbildern gilt allerdings eine Einschränkung: Die Neurowissenschaft behandelt selbst nicht. Sie stellt das Wissen bereit, aus dem Behandlungen entstehen, und prüft, ob sich eine Vermutung über die Entstehung einer Krankheit halten lässt. Der Weg von einer Beobachtung im Labor bis zu einer Therapie, die Patienten tatsächlich hilft, ist lang: Auf eine erste Beobachtung folgen die Prüfung an Zellen und Modellen, die Suche nach einem Ansatzpunkt, die Entwicklung eines Wirkstoffs oder Verfahrens und schließlich die klinische Erprobung. Viele Ansätze, die in einem Modell überzeugen, halten dieser Prüfung nicht stand.

Wie sich neurowissenschaftliche Grundlagen niederschlagen können, zeigt der Begriff des Botenstoffs. Die Erkenntnis, dass Nervenzellen einander über chemische Botenstoffe erreichen, hat die Behandlung zahlreicher Krankheiten geprägt. Bei Parkinson beruht die Therapie darauf, den Mangel eines bestimmten Botenstoffs auszugleichen, dessen Bedeutung für die Steuerung von Bewegungen erst erforscht werden musste; bei einer Depression und bei einer Schizophrenie greifen Medikamente in die Übertragung an den Kontaktstellen der Nervenzellen ein. Welche Rolle einzelne Botenstoffe wie Dopamin oder Serotonin tatsächlich spielen, ist Gegenstand fortdauernder Forschung; die verbreitete Vorstellung, eine seelische Erkrankung lasse sich auf einen einzigen Stoff zurückführen, greift zu kurz.

Ein zweites Beispiel ist die Erkenntnis, dass sich das Nervensystem verändern kann. Verbindungen zwischen Nervenzellen werden durch Gebrauch verstärkt und durch Nichtgebrauch geschwächt, und benachbarte Bereiche können einen Teil der Aufgaben ausgefallener Bereiche übernehmen. Auf dieser Grundlage beruht die neurologische Rehabilitation nach einem Schlaganfall: dass gezieltes, häufig wiederholtes Üben verlorene Funktionen zumindest teilweise zurückbringen kann. Auch Verfahren wie das Neurofeedback, bei dem Betroffene eine Rückmeldung über die eigene Hirnaktivität erhalten, greifen dieses Grundprinzip auf.

Weitere Krankheitsbilder, die neurowissenschaftlich bearbeitet werden, sind die Multiple Sklerose, bei der körpereigene Abwehrzellen die Hüllen der Nervenfasern angreifen, die Migräne, deren Anfälle heute nicht mehr allein als Gefäßgeschehen verstanden werden, chronischer Schmerz, bei dem das Nervensystem selbst Schmerz aufrechterhalten kann, sowie die Sucht, bei der die Wirkung von Substanzen auf das Belohnungssystem im Mittelpunkt steht. Auch Verletzungen des Rückenmarks, Entwicklungsstörungen und Schlafstörungen fallen in dieses Feld.

Aus der Verbindung von Neurowissenschaft und Technik sind darüber hinaus Geräte hervorgegangen, die ausgefallene Funktionen ersetzen oder Nervengewebe gezielt beeinflussen. Dazu gehört das Cochlea-Implantat, das Schall in elektrische Reize umsetzt und den Hörnerv unmittelbar erregt, ebenso wie implantierte Stimulationsgeräte, mit denen sich Bewegungsstörungen oder schwer behandelbare Anfallsleiden beeinflussen lassen. Solche Verfahren sind aufwendig, an strenge Voraussetzungen gebunden und kommen nur für ausgewählte Patienten infrage.

Zugleich ist Zurückhaltung angebracht, wenn neurowissenschaftliche Befunde für Aussagen über den einzelnen Menschen in Anspruch genommen werden. Aus der Beobachtung, dass eine Hirnregion bei einer Aufgabe stärker durchblutet wird, folgt nicht, dass diese Region die Aufgabe „verursacht“, und aus einem Mittelwert über eine Gruppe folgt keine Aussage über eine bestimmte Person. Angebote, die aus Hirnmessungen Rückschlüsse auf Charakter, Schuld oder Begabung ziehen, gehen deutlich über das hinaus, was die Verfahren tragen.

Diagnose & Untersuchungsmethoden

Bei anatomischen Erkrankungen wird häufig das Gehirn eines erkrankten Menschen mit einem gesunden Gehirn verglichen. Durch einen solchen Vergleich können die Wissenschaftler aufgrund der beschädigten Areale Rückschlüsse auf ihre Funktion ziehen. Eine solche Untersuchung findet in einer Läsionsstudie statt. Diese kann jedoch erst dann abschließend vollzogen werden, wenn der Tod des Patienten eingetreten ist und sich die Beschädigung exakt lokalisieren lässt. Durch den technischen Fortschritt hat eine solche Läsionsstudie an Bedeutung verloren. So kann heutzutage zum Beispiel durch ein EEG die Arbeit des Hirns nachvollzogen werden. Grundlage ist hier die Messung elektrischer Ströme, die aus der Funktion der Nervenzellen in Form eines elektrischen Feldes resultieren. Auf diese Weise können Erkenntnisse über Verarbeitungsprozesse des Gehirns gewonnen werden.

Eine Computertomographie ermöglicht die genaue Lokalisierung einer eventuellen Schädigung, ohne dass eine Öffnung des Gehirns notwendig wäre. Insbesondere durch die Computertomographie ließ sich die Neurowissenschaft revolutionieren. Der technische Fortschritt sorgt für neue Erkenntnisse, weil die Geräte es möglich machen, das Gehirn sofort nach dem Eintreten von Beschwerden oder eines Unfalls zu untersuchen. Läsionen können räumlich sichtbar gemacht werden, Informationen über Nervenzellen lassen sich aufgrund einer solchen Untersuchung jedoch nicht sammeln.

Die transkranielle Magnetstimulation gehört zu den wenigen Verfahren, die beim Menschen gezielt in die Arbeitsweise des Gehirns eingreifen. Es werden durch magnetische Impulse spezifische Regionen des Gehirns vorübergehend außer Gefecht gesetzt, um die Abfolge von neurologischen Schritten zu erforschen. Die Wirkung eines Impulses ist zeitlich eng begrenzt, und bleibende Schäden werden nach dem gegenwärtigen Kenntnisstand nicht erwartet. Unbedenklich ist das Verfahren damit nicht: Vor der Anwendung wird geprüft, ob Vorerkrankungen, Medikamente oder Metall im Kopfbereich dagegen sprechen, und Reizstärke sowie Abfolge der Impulse werden innerhalb festgelegter Grenzen gehalten.

Ordnen lassen sich die Verfahren am ehesten nach der Größenordnung, die sie erfassen. Auf der Ebene der einzelnen Zelle arbeiten Färbungen und mikroskopische Techniken, mit denen sich Form, Lage und Verknüpfung von Nervenzellen darstellen lassen, sowie Ableitungen, bei denen die Spannungsänderungen an einer einzelnen Zelle unmittelbar gemessen werden. Genetische und molekularbiologische Methoden zeigen, welche Eiweiße eine Zelle herstellt und welche Bausteine bei einer Erkrankung fehlen oder verändert sind.

Eine Ebene darüber geht es um Verbände von Zellen und um ihre Verbindungen untereinander. Hier werden Ableitungen von vielen Zellen gleichzeitig vorgenommen, Nervenbahnen mit Markierungsstoffen nachverfolgt oder einzelne Zellgruppen gezielt aktiviert und stillgelegt, um zu prüfen, welchen Beitrag sie zu einer Leistung liefern. Solche Eingriffe sind beim Menschen aus naheliegenden Gründen nicht möglich und beschränken sich auf Tiermodelle.

Auf der Ebene des ganzen Gehirns kommen die nicht eingreifenden Messverfahren zum Zug. Neben dem Elektroenzephalogramm, das die elektrische Aktivität von der Kopfhaut ableitet, misst die Magnetoenzephalographie die zugehörigen sehr schwachen Magnetfelder. Die Magnetresonanztomographie liefert Bilder der Struktur, und in ihrer funktionellen Form zeigt sie Unterschiede der Durchblutung, aus denen auf Aktivität geschlossen wird. Beide Verfahrensgruppen ergänzen einander: Die elektrischen und magnetischen Messungen bilden schnelle Vorgänge zeitlich sehr genau ab, sind aber ungenau darin, woher ein Signal stammt; die bildgebenden Verfahren verhalten sich umgekehrt.

Für das Nervensystem außerhalb von Gehirn und Rückenmark stehen eigene Messverfahren zur Verfügung. Die Elektromyographie erfasst die elektrische Aktivität von Muskelfasern, die Bestimmung der Nervenleitgeschwindigkeit misst, wie schnell ein Reiz entlang einer Nervenfaser weitergeleitet wird. Beide Verfahren stammen aus der klinischen Anwendung, liefern der Forschung aber ebenso Daten über den Zustand der Nervenbahnen.

Nicht jede neurowissenschaftliche Untersuchung braucht ein Gerät. Ein erheblicher Teil der Erkenntnisse stammt aus sorgfältig gebauten Verhaltensversuchen, in denen Reaktionszeiten, Fehler oder Blickbewegungen gemessen werden, und aus standardisierten Testverfahren, mit denen sich Aufmerksamkeit, Merkfähigkeit oder Sprachleistungen erfassen lassen. Solche Verfahren sind vergleichsweise einfach durchzuführen und liefern gerade in der Verbindung mit Messdaten aussagekräftige Ergebnisse. Hinzu tritt die rechnergestützte Auswertung: Aus großen Datenmengen werden Muster herausgearbeitet und in Modellen abgebildet, die anschließend selbst wieder Vorhersagen liefern, an denen sie sich prüfen lassen.

So unterschiedlich diese Zugänge sind, gilt für alle dieselbe Einschränkung: Sie messen nicht das Denken, sondern Begleitgrößen. Ein Ausschlag im Elektroenzephalogramm, ein Durchblutungsunterschied im Bild oder eine veränderte Reaktionszeit sind Hinweise, deren Deutung von der Fragestellung, vom Aufbau des Versuchs und von der Auswertung abhängt. Zeitlicher Zusammenfall belegt keine Ursache, und ein Ergebnis, das sich in einer Untersuchung zeigt, muss sich in einer weiteren erst bestätigen. Diese Nachprüfbarkeit ist in den vergangenen Jahren zu einem eigenen Thema des Faches geworden: Studien werden vorab angemeldet, Auswertungswege vorher festgelegt und Daten offengelegt, damit andere Arbeitsgruppen dieselbe Rechnung nachvollziehen können.

Alle Untersuchungen unterliegen zudem rechtlichen und ethischen Bindungen. Vorhaben am Menschen setzen eine Beratung durch eine unabhängige Kommission sowie die freiwillige und schriftliche Einwilligung der Teilnehmenden nach vorheriger Aufklärung voraus; Teilnehmende dürfen ihre Zustimmung jederzeit ohne Nachteile zurückziehen. Tierversuche sind an eine behördliche Genehmigung gebunden, in der begründet werden muss, warum sich die Frage nicht anders beantworten lässt. Auch der Umgang mit Zufallsbefunden gehört zu diesen Fragen: Wird bei einer Aufnahme, die zu Forschungszwecken angefertigt wurde, eine auffällige Veränderung entdeckt, muss vorher geregelt sein, wie die betroffene Person davon erfährt und wer sie ärztlich berät.

Quellen

• Jäncke, L.: Lehrbuch kognitive Neurowissenschaften.
  ISBN: 9783456863467

• Sturm, W. (Hrsg.): Lehrbuch der klinischen Neuropsychologie.
  ISBN: 9783827416124

• Hacke, W., Poeck, K.: Neurologie.
  ISBN: 9783662468913

• Goldenberg, G.: Neuropsychologie.
  ISBN: 9783437211737

• Trepel, M.: Neuroanatomie.
  ISBN: 9783437413292

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