Hirnmodelle: Gedanken aus der Petrischale?

Stell dir einen Hirnforscher vor. 

Lässt du dich von Filmen und Büchern inspirieren?
Denkst du vielleicht an einen verrückten Bösewicht, der in seinem dunklen und gruseligen Labor ganze Regale voller Einmachgläser mit Gehirnen in giftgrünen Flüssigkeiten lagert?
Ja – dann hat deine Vorstellung mehr und gleichzeitig weniger mit der Realität zu tun, als du vielleicht denken magst.
Tatsächlich werden Gehirne für viele Forschungsfragen verwendet, um aber nicht zu Bösewichten werden zu müssen, greifen Forschungsgruppen auf verschiedene Gehirnmodelle zurück: von einfachen Zellkulturen bis hin zu komplexen, künstlichen Mini-Gehirnen. Hier findest du einen kurzen Überblick zu Experimenten zum Gehirn ohne echte Gehirne und erfährst, wie weit wir von Gedanken aus den Petrischalen entfernt sind.

Wozu Hirnmodelle?

Wir alle würden gerne mehr über das Gehirn wissen: Ärztinnen interessiert, wie Krankheiten entstehen und früher erkannt werden können, Neurowissenschaftler wollen herausfinden, wie das Gehirn ganz genau funktioniert, Pharmazeutinnen möchten Medikamente für neurologische Erkrankungen verbessern und Entwicklungsforscher wollen wissen, wie genau sich das Gehirn vom Embryo an über das ganze Leben eines Menschen verändert. Zwar können viele Erkenntnisse mit Versuchstieren gewonnen werden, die Ergebnisse allerdings nur begrenzt auf den Menschen übertragen werden. Zudem müssen wir Tierversuche stets kritisch hinterfragen und weitestmöglich reduzieren. Noch schwieriger sind selbstverständlich Experimente mit Menschen.

Daher greifen Forscher auf Modelle zurück, die zwar aus menschlichen Zellen hergestellt, aber künstlich im Labor ohne Lebewesen gehalten werden können. Diese Zellen können dann gentechnisch verändert, mit Medikamenten und Giftstoffen behandelt, ganz genau beobachtet, vermessen und untersucht werden. Damit erlangen wir ein wertvolles Verständnis für Vorgänge im Gehirn und neurologische Erkrankungen.

Welches Modell wann verwenden?

Das ist die Riesenfrage, die alle Forschenden umtreibt. Heutzutage werden verschiedenste Hirnmodelle verwendet, die in Komplexität (und Kosten) hirnrissige Unterschiede aufweisen. Je komplexer das Modell, desto schwieriger und aufwendiger ist die Herstellung, aber umso realitätsnäher die Ergebnisse. Je einfacher das Modell, desto leichter können die Zellen spezifisch verändert und der Effekt genau dieser Veränderung auf die Zellen untersucht werden, aber eventuelle Zusammenhänge sind nur vereinfacht oder können in der Realität nur begrenzt vorliegen.

Die Auswahl des Hirnmodells für ein Experiment ist demzufolge kritisch (das ist auch stets die erste Frage, die beim Lesen eines wissenschaftlichen Experiments gestellt werden muss: Ist das gewählte Modell passend, um die Forschungsfrage zu beantworten? Spoiler: Ist es manchmal nicht!). 

Hirnmodelle zur Auswahl sind in aufsteigender Komplexität folgende:

2D-Monolayer-Zellkulturen

Das sind die einfachsten und am längsten etablierten Modelle.

Dafür benötigt werden menschliche Stammzellen –  die Joker unter den Zellen, sie können sich selbst erneuern und in verschiedene Zelltypen entwickeln. Besonders cool sind die sogenannten induced pluripotent stemcells (iPSC) –  komplizierter Name, der Stammzellen bezeichnet, die künstlich aus fertig differenzierten Zellen (beispielsweise aus ein paar Hautzellen) durch Rückprogrammierung mit spezifischen Transkriptionsfaktoren (Yamanaka-Faktoren) erzeugt werden ¹. Das “Pluripotent” im Namen der iPSCs beschreibt ihre Fähigkeit sich im Anschluss wieder in verschiedene Zellen spezialisieren zu können zum Beispiel in bestimmte Nervenzellen. So erhalten Wissenschaftler einschichtige Zellkulturen eines bestimmten Nervenzelltyps, an denen sie leicht Gene verändern und biochemische Analysen durchführen können.

Außerdem ist es möglich, aus Zellen von erkrankten Menschen solche Zellkulturen herzustellen, um ihre Erkrankung besser untersuchen zu können ². Auf Zellebene gibt das wichtige Einblicke, allerdings fehlt diesen flachen Kulturen die dreidimensionale Architektur des echten Gehirns. Schließlich liegt in deinem Gehirn nicht nur eine homogene Masse einer Zellart vor, sondern ein komplexes Konstrukt mit Gefäßen, verschiedensten Zellkontakten und der extrazellulären Matrix – einem ausgeklügelten Gerüst aus Proteinen und Kohlenhydraten.

Zell-Ko-Kulturen und Blut-Hirn-Schranken-Modelle

Eine Weiterentwicklung der Monolayer-Zellkultur sind Modelle mit mehreren Zelltypen. Die einfachste Form davon ist das Sandwich-Modell, wie bei einem Vesperbrot mit einem Salatblatt auf einer Scheibe Käse, wird dabei eine Schicht Nervenzellen auf einer Gliazellschicht (Helfer- und Strukturzellen im Gehirn) gezüchtet. Noch komplizierter wird es mit einem dritten Zelltyp, beispielsweise Mikroglia (die Immunzellen im Nervensystem), um Entzündungsreaktionen untersuchen zu können ³. Um nun Kommunikation zwischen Zellen zu untersuchen, können die Zellen durch eine teilweise durchlässige Membran getrennt werden. So können mit zusätzlichen Zellen der Blutgefäße auch Modelle der Blut-Hirn-Schranke nachgebastelt werden ⁴. Trotzdem ist auch hier die dreidimensionale Architektur stark vereinfacht und es können nur begrenzt die echten Bedingungen im Gehirn nachgestellt werden.

Organoide

Von Hirnorganoiden – Mini-Gehirnen im Labor – spricht man dann, wenn die dreidimensionale Architektur des Modells das echte Organ nachahmt. Hergestellt werden sie aus pluripotenten Stammzellen wie den iPSCs, dabei ordnen sich die Zellen eigenständig an. Die Stammzellen durchlaufen dabei Entwicklungsprozesse, die der natürlichen Organentwicklung ähneln. Damit dieser Prozess ablaufen kann, werden ein künstliches Gerüst, das der extrazellulären Matrix ähnelt, und spezifische Wachstumsfaktoren benötigt ⁵. Auch hier kann die Komplexität variieren: von ungerichteter räumlicher Organisation über regionsspezifische Bildung von Gehirnbereichen bis hin zu Organoiden mit Gefäßen ⁶. Zwar ähneln diese Mini-Gehirne immer mehr unserem echten Gehirn, allerdings treten immer wieder Schwierigkeiten auf wie absterbende Zellen, Nachahmung nur einzelner Hirnbereiche und unvollständige Versorgung mit Gefäßen.

Assembloide

Um mehrere verschiedene Gehirnareale und deren Interaktion zu untersuchen, benötigt man Assembloide. Diese werden durch die kontrollierte Fusion von mehreren regionsspezifischen Organoiden hergestellt und ermöglichen die Erforschung komplexerer Vorgänge im Gehirn wie die Wanderung von Zellen, die Kommunikation zwischen Hirnregionen und die Weiterleitung elektrischer Signale ⁷. Allerdings wird diese kurze Beschreibung der enormen technischen Herausforderung bei der Herstellung kaum gerecht. Genau diese Komplexität ist auch der Grund, warum Assembloide bisher eine große Variabilität untereinander aufweisen. 

Brain-on-a-Chip

Die absolute Meisterklasse sind Brain-on-a-Chip-Modelle. Dafür werden die Organoide oder Assembloide auf einem Kunststoff-Chip mit hochkomplexem System aus haarfeinen Kanälen und Kammern kultiviert. So können viele der mechanischen Kräfte im Gehirn simuliert werden, insbesondere Flüssigkeitsfluss und Scherstress (die mechanische Kraft, die fließendes Blut oder extrazelluläre Flüssigkeit auf Zellen ausübt) auf die Zellen ⁸. Durch das Chipsystem können die Wachstumsbedingungen präzise kontrolliert und Nährstoff- sowie Sauerstoffversorgung gezielt eingestellt werden ⁹. Eine enorme Stärke der Brain-on-a-Chip-Modelle ist das Echtzeit-Monitoring von neuronaler Aktivität. Die Forschungsgruppen können den Nervenzellen quasi beim “Feuern” zusehen ¹⁰.

Trotz all der technischen Raffinessen, die bei diesem Modell eingesetzt werden, entspricht es der Realität im menschlichen Gehirn noch nicht ganz. Vor allem fehlen systemische Einflüsse des Körpers wie die des Immunsystems, der Hormone oder die Verbindung zu anderen Organen. Doch die Entwicklung schreitet rasant voran und mit jedem neuen Modell kommen wir dem Verständnis unseres komplexesten Organs ein Stückchen näher.

Können Hirnorganoide denken?

Komplexe Hirnmodelle sind möglich mit verschiedenen Zelltypen, Gefäßen, 3D-Hirnregionen, elektrische Signale sind messbar… Sind das dann etwa künstliche Gedanken? Können komplexe Hirnorganoide denken? Könnten sogar, wenn iPSC aus deinen Zellen zur Herstellung der Hirnorganoide verwendet werden, künstlich Gedanken von dir produziert werden?

Nein, das ist (noch?) nicht möglich! Auch wenn es sich hier um eine philosophisch anmutende Frage handelt (Ab wann handelt es sich bei neuronaler elektrischer Aktivität um wirkliche Gedanken?), ist die Neurowissenschaft sich einig: Es gibt keine Gedanken aus der Petrischale. Zwar können spontane elektrische Signale der Nervenzellen gemessen und sogar komplexere Signalmuster beobachtet werden, aber dies ist weit entfernt von bewusstem Denken ¹¹. Bewusstsein und Gedanken benötigen nach aktuellem Verständnis eine hochgradig organisierte, großflächig vernetzte Hirnarchitektur mit Milliarden von Nervenzellen in spezifischen Schaltkreisen (das menschliche Gehirn besteht aus ca. 86 Milliarden Neuronen mit rund 100 Billionen Synapsen), das erreicht kein Organoid und kein Hirnmodell auch nur annähernd ¹².

Fragst du dich jetzt vielleicht besorgt, wie es mit solchen Hirnorganoiden weitergehen könnte? Tatsächlich stehen wir noch in einem frühen Stadium der Entwicklung – und genau deshalb sind wichtige ethische Diskussionen bereits in vollem Gange! Viele Forscherinnen und Neurowissenschaftler fordern klare Regeln, bevor weiter entwickelt wird ¹³. Internationale Gremien wie die International Society for Stem Cell Research haben bereits Leitlinien dazu veröffentlicht und prüfen weiterhin kritisch die Forschungsentwicklung. 

Was denkst du dazu – siehst du großes Potenzial oder eine Grenze der ethisch vertretbaren Hirnforschung?

Quellen:

1. Takahashi, K. et al. Induction of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts by defined factors. Cell 131, 861–872 (2007). 

2. Sabitha, K. R., Shetty, A. K. & Upadhya, D. Patient-derived iPSC modeling of rare neurodevelopmental disorders: Molecular pathophysiology and prospective therapies. Neurosci Biobehav Rev 121, 201–219 (2021). 

3. Goshi, N., Morgan, R. K., Lein, P. J. & Seker, E. A primary neural cell culture model to study neuron, astrocyte, and microglia interactions in neuroinflammation. J Neuroinflammation 17, 155 (2020). 

4. O’Halloran, L., Akinsete, O., Kogan, A. L., Wrona, M. & Mahdi, A. F. F. 3D in vitro blood–brain barrier models: recent advances and their role in brain disease research and therapy. Front. Pharmacol. 16, (2025). 

5. Li, M. & Belmonte, J. C. I. Organoids — Preclinical Models of Human Disease. New England Journal of Medicine 380, 569–579 (2019). 

6. Acharya, P., Choi, N. Y., Shrestha, S., Jeong, S. & Lee, M.-Y. Brain organoids: A revolutionary tool for modeling neurological disorders and development of therapeutics. Biotechnol Bioeng 121, 489–506 (2024). 

7. Marton, R. M. & Pașca, S. P. Organoid and Assembloid Technologies for Investigating Cellular Crosstalk in Human Brain Development and Disease. Trends Cell Biol 30, 133–143 (2020). 

8. Lino, M. et al. A pumpless microfluidic co-culture system to model the effects of shear flow on biological barriers. Lab Chip 25, 1489–1501 (2025). 

9. Amirifar, L. et al. Brain-on-a-chip: Recent advances in design and techniques for microfluidic models of the brain in health and disease. Biomaterials 285, 121531 (2022). 

10. Kempuraj, D. et al. Brain-on-a-Chip and Blood-Brain Barrier–on-a-Chip Modeling for Neurodegenerative Disorders: Recent Progress. Neuroscientist 10738584261453915 (2026) doi:10.1177/10738584261453915. 

11. Sharf, T. et al. Functional neuronal circuitry and oscillatory dynamics in human brain organoids. Nat Commun 13, 4403 (2022). 

12. Pacitti, D., Privolizzi, R. & Bax, B. E. Organs to Cells and Cells to Organoids: The Evolution of in vitro Central Nervous System Modelling. Front Cell Neurosci 13, 129 (2019). 

13. Pichl, A. et al. Ethical, legal and social aspects of human cerebral organoids and their governance in Germany, the United Kingdom and the United States. Front Cell Dev Biol 11, 1194706 (2023).