Medizintechnik

Erfindungen eines Freiburgers halfen, Hirnströme sichtbar zu machen

Wulf Rüskamp

Von Wulf Rüskamp

Sa, 13. Februar 2021 um 17:09 Uhr

Bildung & Wissen

Krankheiten wie Epilepsie und Parkinson lassen sich über das Messen der Hirnströme im Kopf feststellen. Jan Friedrich Tönnies’ Apparate erleichterten die Aufzeichnung. Vor 50 Jahren starb er in Freiburg.

Man kann einem Menschen nicht hinter die Stirn schauen: Was für viele nur eine Redensart ist, bedeutete für Hirnforscher lange Zeit ein verzweifeltes Problem, gerade dann, wenn sie neurologische Erkrankungen behandeln wollten. Wolf Singer, früherer Direktor des Max-Planck-Instituts für Hirnforschung in Frankfurt am Main, erzählte vor mehr als zwei Jahrzehnten eine dazu passende Anekdote: So habe sich vor dem Zweiten Weltkrieg ein Wissenschaftler am damaligen Kaiser-Wilhelm-Institut für Hirnforschung in Berlin von seinem Kollegen Tönnies ein Loch in seine Schädeldecke bohren lassen, um eine Elektrode möglichst nahe an seinem Gehirn platzieren zu können. "Ein heroischer Selbstversuch", so Singer.

Die Geschichte verdeutlicht drastisch die Entschlossenheit der Hirnforscher, eben jenes Organ zu verstehen, das so entscheidend den Menschen auszumachen scheint. Sie hat allerdings einen Fehler: Nämlich dass sie in dieser Form nicht passiert ist. Denn eben jener Tönnies, der hier den Bohrer angesetzt haben soll, war kein Mediziner und erst recht kein Neurochirurg, sondern von Haus aus Ingenieur. Und als solcher hat sich Jan Friedrich Tönnies, der vor 50 Jahren in Freiburg gestorben ist, dem Gehirn und dem Nervensystem nur von außen genähert. Er lieferte die elektrotechnischen Geräte, mit deren Hilfe man den Geheimnissen des Gehirns näher zu kommen und die Krankheiten des Nervensystems genauer zu verstehen hoffte.

Tönnies’ Erfindungen gehen in die Medizingeschichte ein

Der Hirnforschung ermöglichte er mit seinen Apparaten wichtige Fortschritte. Sie dienten der Verstärkung von Hirnströmen und deren Aufzeichnung – Techniken, die auch heute noch in der Elektroenzephalographie (EEG) genutzt werden. Die meist passgenau angefertigten Einzelstücke aus der Produktion seines Freiburger "Laboratoriums für Elektrophysik" haben daher häufig ihren Platz in den Museen der Medizingeschichte gefunden.

Die Kenntnis, dass das Nervensystem und damit auch das Gehirn mit elektrischen Strömen arbeiten, ist noch keineswegs alt: 1875 wurde dies an Gehirnen von Affen und Kaninchen erstmals entdeckt, zugleich mit der Feststellung, dass sich dieses System auf dem gleichen Weg auch von außen stimulieren lässt. Was allerdings im Einzelnen dabei vor sich geht, wusste man zunächst nicht – und das gilt bis heute für komplexe Denkprozesse: Immer noch ist nicht vollständig verstanden, wie unmittelbare Wahrnehmung und Erinnerung so ineinandergreifen, dass im Kopf ein Bild von der Welt konstruiert wird und daraus ein Bewusstsein unserer Selbst entstehen kann – schon weil sich die elektrischen (und chemischen) Vorgänge im Gehirn nicht mit konkreten Inhalten verbinden lassen. Eben deswegen wurde vor 20 Jahren das 21. Jahrhundert zum Jahrhundert der Hirnforschung ausgerufen.

1924 bis 1929 entwickelte Hans Berger in Jena die Elektroenzephalographie. Mit dieser Methode konnten die minimalen elektrischen Ströme über Elektroden, die außen auf dem ganzen Schädel verteilt waren, beobachtet werden: Sie lieferte ein grobes Bild dessen, was darunter im Gehirn stattfand. Grob auch deshalb, weil man zwar die Aktivität messen, aber nicht den Ort bestimmen konnte, an dem sie stattfand. Dennoch war Bergers Entdeckung der erste Schritt, die verschiedenen Gehirnaktivitäten sukzessive einzugrenzen und die Zonen zu bestimmen, wo etwa Sehen, Hören, bestimmte Emotionen oder Denkfähigkeiten angesiedelt waren – durch die jeweils stärkeren Stromflüsse.

Differenzverstärker als Grundlage moderner Hirnforschung

Um diese Stromflüsse messen und dokumentieren zu können, bedurfte es des technischen Genies von Tönnies. Denn die Ströme, die an der Kopfhaut gemessen werden, besitzen eine Spannung von nur 5 bis 100 Mikrovolt, das ist weniger als ein Millionstel der Spannung, die für Haushaltsstrom üblich ist. Um Veränderungen deutlich zu machen, braucht es daher elektronische Differenzverstärker, die gleichzeitig alle anderen Störfaktoren aussondern. Tönnies entwickelte noch am Berliner Institut für Hirnforschung den ersten einsatzfähigen Apparat, der die Stromflüsse messen und aufzeichnen konnte. 1932 waren seine Geräte so weit, dass sie Schwankungen der schwachen elektrischen Signale des Gehirns um das 300 000-fache verstärken und in fortlaufender Tintenschreibung direkt aufzeichnen konnten, in einem Neurographen, wie Tönnies das nannte.

All diese Fortschritte trugen Tönnies 1935 die Einladung nach New York ans renommierte Rockefeller-Institut für medizinische Forschung ein, wo er für vier Jahre Chef der technischen Abteilung wurde. Seine Geräte für neurophysiologische Messungen wie auch für die Aufzeichnung der Ergebnisse – wie heute noch beim Elektroenzephalogramm Kurven auf meterlangen Papierstreifen – bildeten mit die Grundlage für die großen wissenschaftlichen Erfolge der Hirnforschung am Rockefeller-Institut, die 1944 (und 1963) mit Nobelpreisen belohnt wurden. Zu diesem Zeitpunkt war Tönnies, den man in New York gerne gehalten hätte, aus persönlichen Gründen schon nach Deutschland zurückgekehrt. Zur Wissenschaft fand er erst nach Kriegsende wieder, und zwar im Rahmen der Freiburger Medizin, die ihn 1968 mit dem Titel eines Ehrendoktors auszeichnete.

Über seinen Studienfreund Richard Jung, seit 1941 Professor für Neurologie an der Universität, fand der Ingenieur Tönnies, der auch eigene neurologische Forschungen unternommen hat, wieder zur Entwicklung von Geräten für die Elektrophysiologie zurück. Das führte 1952 zur Gründung eines eigenen Unternehmens, des Laboratoriums für Elektrophysik, in dem die damals rund 70 Mitarbeiter bis 1970 nahezu nur Einzelstücke nach Vorgaben der Besteller anfertigten. Eine der herausragenden Innovationen war ein EEG-Analysator, der die geraffte Aufzeichnung von Hirnaktivitäten während des Schlafs oder in der Narkose erlaubte.

Tönnies blieb bis zu seinem Tod 1970 ein unermüdlicher Erfinder. Seine vielfach patentierten Apparate lieferten die Basis für Entwicklungen auch auf anderen elektrotechnischen Gebieten. So halfen er und Jung dem Eisenbacher Unternehmer Franz Morat dabei, in 15-jähriger Entwicklungsarbeit 1963 die erste vollelektronische Rundstrickmaschine auf den Markt zu bringen – was auch immer diese Maschine mit dem menschlichen Gehirn gemeinsam hat.

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