Phineas Gage: Der Mann, der seinen Stirnlappen verlor

Es war kurz nach halb fünf am Nachmittag des 13. September 1848, an einem Hang aus Glimmerschiefer in der Nähe von Cavendish, Vermont, wo die Rutland and Burlington Railroad eine neue Strecke durch den Fels schlug. Der Vorarbeiter der Sprengkolonne war ein fünfundzwanzigjähriger Mann namens Phineas Gage, nach allen Berichten tüchtig und beliebt, und er bereitete gerade eine Ladung in einem frisch gebohrten Loch vor. Er schüttete das Pulver hinein, und um es festzustopfen, benutzte er eine Stopfstange seiner eigenen Bauart, eine sich verjüngende Stange von etwa 1,1 Metern Länge, an ihrer breitesten Stelle 3,2 Zentimeter dick und rund sechs Kilogramm schwer. Über das Loch gebeugt, ließ er die Stange am Fels schaben. Ein Funke sprang über, das Pulver entzündete sich zu früh, und die Stange schoss wie ein Speer nach oben.

Das Eisen trat unter Gages linkem Wangenknochen ein, verlief hinter seinem linken Auge, durchbohrte den vorderen Teil seines Gehirns und brach oben durch die Schädeldecke wieder hervor, bevor es etwa fünfundzwanzig Meter entfernt im Dreck landete. Nach jeder vernünftigen Erwartung hätte er tot sein müssen, noch ehe er den Boden erreichte. Stattdessen war er innerhalb weniger Minuten bei Bewusstsein, er sprach, und er bat seine Männer, einen Arzt zu holen. Binnen weniger Wochen heilte die Wunde wider alle Wahrscheinlichkeit, und Gage sollte noch zwölf weitere Jahre leben. Im Bruchteil einer Sekunde waren die menschlichen Stirnlappen für die Wissenschaft lesbar geworden.

Dieser Artikel handelt davon, was jener Unfall offenbarte und, ebenso wichtig, was er nicht offenbarte. Bei Gage besteht die Versuchung, eine saubere Fabel zu erzählen: ein guter Mann, durch ein Loch im Kopf in ein Ungeheuer verwandelt. Die Wahrheit ist sorgfältiger und interessanter, und sie öffnet den Blick auf eine zentrale Frage der modernen Neurowissenschaft, nämlich was der vordere Teil des Gehirns tatsächlich tut und wie wir gelernt haben, es zu messen.

Ein Eisenbahnvorarbeiter und ein sechs Kilogramm schwerer Speer

Die physischen Tatsachen des Unfalls von Cavendish sind für die damalige Zeit ungewöhnlich gut dokumentiert, zum Teil deshalb, weil der Fall so spektakulär war, dass sich die Ärzte gedrängt fühlten, ihn festzuhalten. Sein behandelnder Arzt, John Martyn Harlow, betreute ihn bis an Gages Lebensende und hinterließ den verlässlichsten zeitgenössischen Bericht. Das Eisen trat tief auf der linken Gesichtsseite ein und verließ den Schädel hoch durch das Stirnbein, was bedeutet, dass sein Weg es auf beiden Seiten durch den vorderen Teil des Gehirns führte, wobei die schwerste Zerstörung links lag.

Was das Überleben so bemerkenswert macht, ist nicht nur, dass Gage das Trauma durchstand, sondern dass er seine Sprache, sein Gedächtnis, seine Fähigkeit zu gehen und mit den Händen zu arbeiten sowie das Wiedererkennen der Menschen um ihn herum behielt. Keine der Fähigkeiten, die wir gewöhnlich für die Funktionstüchtigkeit eines Menschen verantwortlich machen, ging verloren. Er konnte noch rechnen, sich an seine eigene Vergangenheit erinnern und ein Gespräch führen. Der Schaden war auf einen Teil des Gehirns konzentriert, dessen Aufgabe sich als schwerer sichtbar und schwerer prüfbar erwies als Sprache, Bewegung oder Wahrnehmung.

Lange Zeit stützte sich der Fall fast vollständig auf Harlows schriftliche Berichte und auf Gages erhaltenen Schädel, der schließlich an das Warren Anatomical Museum in Harvard gelangte. Der Schädel mit seinem zerklüfteten Austrittsloch und dem daneben ausgestellten Eisen wurde zu einem der berühmtesten Objekte in der Geschichte der Medizin. Doch ein Schädel ist kein Gehirn, und fast anderthalb Jahrhunderte lang konnte niemand mit Genauigkeit sagen, welche Strukturen das Eisen tatsächlich zerstört hatte.

Die Rekonstruktion des Weges der Eisenstange

Das änderte sich 1994. Ein Team unter der Leitung von Hanna Damasio, das mit Thomas Grabowski, Randall Frank, Albert Galaburda und Antonio Damasio zusammenarbeitete, nahm sorgfältige Messungen an Gages erhaltenem Schädel vor, modellierte ihn dreidimensional und rekonstruierte die wahrscheinlichste Bahn der Stopfstange durch das Gehirn, das ihn einst ausgefüllt hatte. Sie veröffentlichten das Ergebnis in der Zeitschrift Science, und es bleibt ein Meilenstein, weil es eine eindringliche Anekdote in etwas verwandelte, das anatomischer Beweisführung nahekam.

Die Rekonstruktion verortete den Schaden im ventromedialen präfrontalen Kortex, der Region am unteren und mittleren Teil der Stirnseite des Gehirns, beidseitig, doch links schwerer betroffen. Das ist deshalb von Bedeutung, weil der ventromediale präfrontale Kortex bis dahin durch andere Patienten und andere Methoden unabhängig mit Sozialverhalten, emotionaler Regulation und Entscheidungsfindung in Verbindung gebracht worden war. Gages Fall wurde, mehr als ein Jahrhundert nach dem Geschehen, zum begründenden, läsionsgestützten Beleg für die Vorstellung, dass der präfrontale Kortex Persönlichkeit, soziales Verhalten und jenes Bündel von Fähigkeiten steuert, das Neurowissenschaftler als exekutive Funktionen zusammenfassen.

Es lohnt sich innezuhalten und zu bedenken, was ein solches Ergebnis belegen kann und was nicht. Eine einzelne Läsion bei einer einzelnen Person, rekonstruiert aus einem Schädel und nicht in einem lebenden Gehirn abgebildet, ist eher andeutend als schlüssig, und das Damasio-Team war darin vorsichtig. Der Wert der Rekonstruktion liegt darin, dass sie spätere Forscher in die richtige Gegend wies und in ein Muster passte, das sich bereits aus saubereren, moderneren Fällen herausschälte. Gage bewies die Theorie der Stirnlappen nicht. Er begründete sie.

Was der vordere Teil des Gehirns tatsächlich tut

Was also ist die exekutive Funktion, das, was das Eisen beschädigte? Es ist nicht ein einzelner Vorgang, sondern eine Familie verwandter Vorgänge, koordiniert vom präfrontalen Kortex. In einem einflussreichen Übersichtsartikel von 2013 im Annual Review of Psychology ordnete die Entwicklungspsychologin Adele Diamond das Feld um vier grundlegende Fähigkeiten, jede mit einer vorrangigen anatomischen Verankerung im vorderen Teil des Gehirns und jede zumindest teilweise durch eine eigens entwickelte Laboraufgabe messbar.

Die erste ist das Arbeitsgedächtnis, die Fähigkeit, Informationen im Kopf zu behalten und zu verarbeiten, der geistige Notizblock, mit dem man eine Telefonnummer im Sinn behält, während man nach einem Stift greift. Die zweite ist die Hemmungskontrolle, die Fähigkeit, eine automatische oder verlockende Reaktion zugunsten einer angemesseneren zu unterdrücken, was uns davon abhält, das Erstbeste herauszuplatzen, das uns in den Sinn kommt. Die dritte ist die kognitive Flexibilität, die Fähigkeit, zwischen Regeln, Sichtweisen oder Strategien zu wechseln, wenn sich die Umstände ändern. Die vierte ist das Planen, das Zusammenführen dieser Fähigkeiten auf ein künftiges Ziel hin. Lesen, Arbeit, Freundschaft und Selbstbeherrschung schöpfen allesamt aus dieser stillen Maschinerie, und genau deshalb ist ihr Verlust bei flüchtiger Untersuchung so schwer zu bemerken und auf lange Sicht für ein Leben so verheerend.

Zwei Regionen innerhalb des präfrontalen Kortex leisten einen Großteil dieser Arbeit, und sie wirken zusammen. Der dorsolaterale präfrontale Kortex, der den Brodmann-Arealen 9 und 46 entspricht, ist der klassische Sitz des Arbeitsgedächtnisses und des Planens. Seine Rolle wurde in Patricia Goldman-Rakics Experimenten zu Verzögerungsaufgaben nahezu Zelle für Zelle nachgewiesen, bei denen einzelne Neuronen während der Sekunden weiterfeuerten, in denen ein Tier einen erinnerten Ort im Gedächtnis halten musste. Der anteriore zinguläre Kortex, der den Brodmann-Arealen 24 und 32 entspricht, wirkt dagegen als Konfliktwächter, eine Rolle, die in einem Aufsatz von 2001 im Psychological Review von Matthew Botvinick und Kollegen formalisiert wurde. Die Arbeitsteilung ist sauber: Der anteriore zinguläre Kortex erkennt, wann zwei Reaktionen miteinander konkurrieren, und ruft den dorsolateralen präfrontalen Kortex herbei, um den Konflikt zugunsten der richtigen aufzulösen.

Die Tests, die den präfrontalen Kortex bei der Arbeit ertappen

Weil die exekutive Funktion der gewöhnlichen Beobachtung verborgen bleibt, hat die Neurowissenschaft raffinierte Aufgaben ersonnen, um sie sich zeigen zu lassen. Die berühmteste ist die Farb-Wort-Interferenzaufgabe, die J. Ridley Stroop 1935 entwarf. Man bekommt Farbwörter gezeigt, die in farbiger Tinte gedruckt sind, und soll die Tintenfarbe benennen, statt das Wort zu lesen. Bei kongruenten Durchgängen ist das mühelos, doch bei inkongruenten Durchgängen, in denen das Wort ROT in blauer Tinte gedruckt ist, kollidiert die automatische Lesegewohnheit mit der gestellten Aufgabe, und man wird messbar langsamer, typischerweise um hundert bis zweihundert Millisekunden. Diese kleine Verzögerung ist der Preis der exekutiven Kontrolle, die Zeit, die der anteriore zinguläre Kortex braucht, um den Konflikt zu kennzeichnen, und der dorsolaterale präfrontale Kortex, um den Lesereflex zu übersteuern.

Eine zweite klassische Prüfung ist der Wisconsin Card Sorting Test, eingeführt von Grant und Berg 1948 und verfeinert von Heaton in den 1970er und 1980er Jahren. Die Teilnehmer sortieren Karten nach einer Regel, die ihnen nie genannt wird, etwa nach Farbe, nach Form oder nach Anzahl, und lernen sie allein aus der Rückmeldung nach jeder Karte. Sobald sie zehnmal hintereinander richtig sortiert haben, ändert sich die Regel ohne Vorwarnung. Gesunde Teilnehmer bemerken den Wechsel und passen sich an. Patienten mit Stirnlappenschäden zeigen ein charakteristisches Versagen, das man Perseveration nennt: Sie sortieren weiter nach der alten Regel, obwohl die Rückmeldung ihnen wieder und wieder sagt, dass sie nun falsch liegen. Der Test macht kognitive Unbeweglichkeit sichtbar, und er ist zu einem der gängigen klinischen Erkennungszeichen präfrontaler Schädigung geworden.

Hinter diesen Aufgaben steht eine umfassendere Theorie darüber, wann das Gehirn seine exekutive Maschinerie überhaupt einschaltet. Der Neuropsychologe Tim Shallice, der auf einer Arbeit mit Donald Norman von 1986 aufbaute und die Idee in seinem Buch From Neuropsychology to Mental Structure von 1988 vollständig ausarbeitete, zog eine Unterscheidung zwischen zwei Systemen. Routinemäßiges, gut eingeübtes Verhalten läuft über das, was er contention scheduling nannte, einen automatischen Handlungsauswahlprozess, der keiner Aufsicht bedarf, der Autopilot, der einen auf einer vertrauten Strecke nach Hause bringt. Neuartige Situationen, in denen man planen, Fehler beheben oder einen Irrtum korrigieren muss, rufen stattdessen das supervisorische Aufmerksamkeitssystem auf, die exekutive Aufsicht, die im präfrontalen Kortex angesiedelt ist. Gages Eisen beschädigte dieser Sichtweise nach nicht die Routinen, sondern den Aufseher.

Der Mythos vom Mann, der zum Ungeheuer wurde

Hier weicht die sorgfältige Fassung der Geschichte scharf von der populären ab. Das Bild, das die meisten Menschen von Phineas Gage in sich tragen, ist das eines anständigen Mannes, der durch seine Verletzung in eine unwiderrufliche Bestie verwandelt wurde, lästerlich, unzuverlässig, ein Lehrbuchpsychopath, in einem Augenblick erschaffen. Dieses Bild überzeichnet und verzerrt stellenweise schlicht das, was Harlow tatsächlich berichtete. Es besteht kein Zweifel, dass Gage sich veränderte; Harlows berühmter Satz, seine Freunde hätten ihn "nicht länger Gage" gefunden, spiegelt eine reale und bedeutsame Veränderung in Temperament und sozialem Verhalten wider. Doch Veränderung ist nicht dasselbe wie Verfall.

In den Jahren nach dem Unfall arbeitete Gage, und nicht nur als einfacher Tagelöhner. Von 1852 bis 1859 hatte er eine Anstellung als Postkutschenfahrer in Chile, eine anspruchsvolle Beschäftigung, die von ihm verlangte, Pferde zu führen, Fahrpläne einzuhalten, mit Fahrgästen und Geld umzugehen und über lange Strecken hinweg mit anderen zusammenzuarbeiten, nichts davon die Arbeit eines Mannes, der zum Planen oder zur Selbstregulation unfähig wäre. Der Historiker Malcolm Macmillan zeichnete in seinem Buch An Odd Kind of Fame von 2000 nach, wie der Fall über anderthalb Jahrhunderte hinweg stetig übertrieben wurde, oft von Autoren, die Harlow nie gelesen hatten. Macmillan sammelte zudem verstreute Hinweise darauf, dass Gage mit der Zeit einen Teil seiner sozialen Funktion zurückgewonnen haben könnte, was zu dem passen würde, was wir heute über die Anpassungsfähigkeit des Gehirns nach einer Verletzung wissen.

Die Richtigstellung ist aus zwei Gründen wichtig. Erstens aus geistiger Redlichkeit: Ein wirklicher Mensch verdient es, so in Erinnerung zu bleiben, wie er war, nicht als bequeme warnende Fabel. Zweitens aus wissenschaftlicher Genauigkeit: Eine Erzählung, die behauptet, die Stirnlappen beherbergten einen festen Sitz des moralischen Charakters, augenblicklich und dauerhaft zerstört, gibt die Neurowissenschaft falsch wieder. Der präfrontale Kortex stützt Fähigkeiten, die in Abstufungen beeinträchtigt werden können, die mit dem übrigen Leben und den Gewohnheiten eines Menschen in Wechselwirkung stehen und die sich manchmal teilweise erholen können. Gages wahre Geschichte, die unaufgeräumte mit der Postkutsche, lehrt mehr, als der Mythos es je tat.

Wichtigste Erkenntnisse

Der Unfall von Cavendish am 13. September 1848, bei dem eine 1,1 Meter lange Stopfstange durch Phineas Gages Schädel und den vorderen Teil seines Gehirns fuhr, eröffnete die wissenschaftliche Erforschung der Stirnlappen, indem er zeigte, dass ein Mensch diese Region verlieren und dabei Sprache, Gedächtnis und Bewegung behalten konnte, während er sich auf subtilere Weise veränderte; Hanna Damasio und Kollegen verorteten den Schaden in ihrer Science-Rekonstruktion von 1994 im ventromedialen präfrontalen Kortex und machten Gage damit zum begründenden Läsionsfall für die Vorstellung, dass der präfrontale Kortex Persönlichkeit, soziales Verhalten und die exekutive Funktion steuert, eine Familie von Vorgängen (Arbeitsgedächtnis, Hemmungskontrolle, kognitive Flexibilität und Planen), die vorrangig im dorsolateralen präfrontalen Kortex für Arbeitsgedächtnis und Planen sowie im anterioren zingulären Kortex für die Konfliktüberwachung verankert ist, wobei beide so zusammenwirken, dass der zinguläre Kortex konkurrierende Reaktionen erkennt und den dorsolateralen Kortex herbeiruft, um sie aufzulösen; diese Fähigkeiten werden durch Aufgaben wie Stroops Farb-Wort-Interferenztest von 1935 und den Wisconsin Card Sorting Test von 1948 sichtbar gemacht und theoretisch durch Shallices Unterscheidung zwischen routinemäßigem contention scheduling und dem präfrontalen supervisorischen Aufmerksamkeitssystem geordnet; und schließlich überzeichnet das populäre Bild von Gage als augenblicklichem, unwiderruflichem Psychopathen Harlows Aufzeichnungen, da Gage von 1852 bis 1859 als Postkutschenfahrer in Chile arbeitete und der Fall, wie Macmillans An Odd Kind of Fame dokumentiert, weit über die Belege hinaus zum Mythos verklärt wurde.