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Schwerpunkte der Forschungstätigkeit von Martha Lehmann-Koukkou bildeten unter anderem Untersuchungen der elektrophysiologischen Korrelate der informationsverarbeitenden Hirnprozesse bei ersterkrankten Schizophrenen.
Nach dem Medizinstudium und dem Medizinischen Staatsexamen an der Universität Athen promovierte Martha Lehmann-Koukkou 1958 mit einer Arbeit über die «Wirkung des Thyroidea-Hormons und der Diät auf das Eiweiss der Leber». Nach Stationen als Assistenzärztin in Athen und München folgten 1967 bis 1970 Forschungsaufenthalte als Research Fellow und Research Specialist am Medical Center der University of California sowie als Associate Research Member am Institute of Medical Sciences der University of Pacific in San Francisco. 1971 begann Martha Lehmann-Koukkou ihre Arbeit als Assistenzärztin an der Psychiatrischen Universitätsklinik Zürich, wo sie 1972 zur Oberärztin und Leiterin des Labors für Klinische Neurophysiologie ernannt wurde. 1989 wechselte sie dann als Stationsleiterin des EEG- und EEG-Brain-Mapping-Labors an die Psychiatrische Universitätsklinik Bern.
Martha Lehmann-Koukkou habilitierte sich 1970 an der Medizinischen Fakultät der Universität Athen mit einer Arbeit über «Neue experimentelle Untersuchungen der Hirnelektrophysiologie des Lernens» für das Gebiet der Neurophysiologie-Psychophysiologie und zu Beginn des Wintersemesters 1986/87 an der Universität Zürich mit der Arbeit «Hirnmechanismen normalen und schizophrenen Denkens» für das Gebiet der Psychophysiologie in der Psychiatrie und wurde zur Privatdozentin ernannt. Für ihre zu einem Buch umgearbeiteten Habilitationsschrift erhielt sie den Hans-Jörg Weitbrecht-Preis für biologisch-klinische Psychosenforschung. Ihre Antrittsvorlesung hielt sie Ende Oktober 1987 in der Aula der UZH zum Thema «Hirnmechanismen schizophrenen Denkens – psychobiologische Reflexionen». 1993 wurde Sie an der UZH zur Titularprofessorin ernannt.
Schwerpunkte der Forschungstätigkeit von Martha Lehmann-Koukkou bildeten Untersuchungen der elektrophysiologischen Korrelate der informationsverarbeitenden Hirnprozesse bei ersterkrankten Schizophrenen und bei gesunden Kontrollgruppen in verschiedenen Bewusstseinslagen. Weitere Studien befassten sich mit dem Einfluss von Neuroleptika auf die elektrische Hirnaktivität und ihre Beziehungen zum Therapieerfolg. Martha Lehmann-Koukkou hat ingesamt drei Labors für hirnelektrophysiologische Untersuchungen aufgebaut. Ihre Studien haben zu zahlreichen wichtigen Publikationen geführt.
Martha Lehmann-Koukkou galt als motivierte Dozentin, die die Studierenden anzuregen und für die Wissenschaft zu begeistern wusste. Auch nach ihrem Wechsel an die Psychiatrische Universitätsklinik Bern hielt sie an der UZH eine gut besuchte Vorlesung über die Psychophysiologie des Verhaltens und beteiligte sich am Psychiatrischen Kolloquium.