Author: Frank Amthor
Date: 2013-04-10T00:00:00+00:00
Keywords: Neuroscience; Medical; Science; General; Life Sciences
Description: Haben Sie sich auch schon einmal gefragt, warum die Menschen so sind, wie sie sind? Leicht verständlich und anhand vieler Beispiele erläutert der Psychologe Frank Amthor, wie das Gehirn, das Nervensystem und die fünf Sinne funktionieren. Er erklärt, wie das Gehirn unsere Bewegungen, unser Bewusstsein, unsere Wahrnehmungen und Emotionen steuert. Er erläutert auch, was passiert, wenn die Arbeitsteilung im Gehirn gestört ist und wie die Medizin dann weiterhelfen kann. Sie erfahren, was Intelligenz ausmacht, wie wir Sprache erwerben und verarbeiten und wie das Lernen und die Erinnerung funktionier
Publisher: John Wiley & Sons

Das menschliche Gehirn für Dummies

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

1. Auflage 2013

© 2013 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

Original English language edition Neuroscience for Dummies © 2012 by John Wiley & Sons Canada, Ltd.

All rights reserved including the right of reproduction in whole or in part in any form. This EBook published under license with the original publisher John Wiley and Sons, Inc.

Copyright der englischsprachigen Originalausgabe Neuroscience for Dummies © 2012 by John Wiley & Sons Canada, Ltd.

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Coverfoto: © iStockphoto, Eraxion

Korrektur: Petra Heubach-Erdmann und Jürgen Erdmann, Düsseldorf

Satz: Beltz Bad Langensalza GmbH, Bad Langensalza

Print ISBN: 978-3-527-70913-7
ePub ISBN: 978-3-527-66594-5
mobi ISBN: 978-3-527-66595-2

Inhaltsverzeichnis

Über den Autor

Einleitung

Über dieses Buch

Konventionen in diesem Buch

Was Sie nicht lesen müssen

Törichte Annahmen über den Leser

Wie dieses Buch aufgebaut ist

Teil I: Darf ich vorstellen – Ihr Nervensystem

Teil II: Die innere und äußere Welt wahrnehmen – Unsere Sinne

Teil III: Immer weiter gehen – Das motorische Nervensystem

Teil IV: Intelligenz: Bewusstsein und Denken

Teil V: Der Top-Ten-Teil

Symbole, die in diesem Buch verwendet werden

Wie es weitergeht

Teil I: Darf ich vorstellen – Ihr Nervensystem

Kapitel 1
Ein Kurztrip durch das Nervensystem

Die Entwicklung des Nervensystems verstehen

Spezialisieren und kommunizieren

Sich koordiniert bewegen

Die Entwicklung komplexer Tiere

Der Neokortex

Die Funktion des Nervensystems

Die wichtige Rolle der Nervenzellen

Signalverarbeitung in Schaltkreisen, Segmenten und Modulen

Was für eine Ladung: Elektrizität im Gehirn

Der modulare Aufbau des Nervensystems

Die Basis-Funktionen des Nervensystems

Die Welt wahrnehmen

Immer in Bewegung – motorische Nervenzellen

Entschluss und Tat

Intelligenz und Gedächtnis

Wenn etwas schiefläuft: Neurologische und psychische Erkrankungen

Ein Blick in die Zukunft

Fehlfunktionen behandeln

Unsere Fähigkeiten steigern: Verändern, wer wir sind

Kapitel 2
Gehirn und Rückenmark

Ein Blick in den Kopf: Das Gehirn und seine Areale

Der Neokortex

Unterhalb der Hirnrinde: Der Thalamus

Das limbische System und andere wichtige subkortikale Bereiche

Übertragung zwischen dem Gehirn und dem Rückenmark

Unterschiede: Größe, Aufbau und andere Varianten

Das Rückenmark: Der Vermittler zwischen den Nervensystemen

Der Rückenmarksreflex

Die Muskeln bewegen

Kämpfen oder Fliehen: Das vegetative Nervensystem

Woher wissen wir, wie unser Nervensystem funktioniert?

Die Untersuchung von Hirnverletzungen

Abbildungen des Gehirns: Vom frühen EEG bis heute

Kapitel 3
Wie Neuronen arbeiten

Das Neuron: Eine ganz besondere Zelle

Der Informationsaustausch zwischen Neuronen: Die Synapsen

Informationen aus der Umwelt aufnehmen: Spezialisierte Rezeptoren

Die drei funktionellen Klassen von Neurotransmittern

Neuronen als elektrische Signalgeber

Das Aktionspotenzial

Der Kreis schließt sich: Vom Aktionspotenzial zur Neurotransmitterausschüttung

Bewegung durch Motoneuronen

Keine Nervenzellen: Die Gliazellen

Astrozyten

Oligodendrozyten und Schwann'sche Zellen

Mikrogliazellen

Messtechniken

Einzelne extrazelluläre Mikroelektroden

Scharfe intrazelluläre Elektroden

Patch-Clamp-Technik

Optische Messmethoden

Teil II: Die innere und äußere Welt wahrnehmen – Unsere Sinne

Kapitel 4
Fühlen: Die Sinne der Haut

Die Wahrheit über die Haut und ihre sensorischen Neuronen

Der Aufbau der Haut

Berührung spüren: Die Mechanorezeptoren

Wie funktionieren Mechanorezeptoren?

Temperatur und Schmerz spüren

Lage und Bewegung spüren: Die Tiefensensibilität

Hautrezeptoren, spinale Schaltkreise und Projektionen auf das Gehirn

Signale somatosensorischer Rezeptoren

Empfindungen lokalisieren: Sensorische Areale auf der Hirnrinde

Den Schmerz verstehen

Schmerzen reduzieren

Die periphere Neuropathie

Chronische Schmerzen und individuelle Unterschiede in der Schmerzwahrnehmung

Kapitel 5
Einblicke in das Sehen

Ein flüchtiger Blick auf Ihre Augen

Die Netzhaut: Photonen werden in elektrische Signale umgewandelt

Photonen einfangen: Licht und Fototransduktion

Die Informationen zum Gehirn schicken

Signale der Fotorezeptoren verarbeiten: Horizontal- und Bipolarzellen

Signale senden und formen: Ganglien- und Amakrinzellen

Von den Augen zu den Sehzentren im Gehirn

Reiseziel: Thalamus

Andere Reiseziele

Vom Thalamus zum Okzipitallappen

Sehstörungen und optische Täuschungen

Für mich sieht das gleich aus: Farbenblindheit

Blindheit verstehen

Optische Täuschungen

Kapitel 6
Das Hören

Das Ohr: Schallwellen einfangen und entschlüsseln

Töne einfangen: Das Außenohr

Das Mittelohr

Die Töne kommen zum Gehirn: Das Innenohr

Den Geräuschen einen Sinn geben: Die Hörzentren im Gehirn

Stationen vor dem Thalamus

Endlich im Thalamus: Der Nucleus geniculatus medialis

Geräusche verarbeiten: Der obere Teil des Temporallappens

Die Verarbeitung komplexer auditiver Muster

Töne lokalisieren

Ich kann dich nicht hören: Gehörlosigkeit und Tinnitus

Der Gehörverlust

Dieses ständige Pfeifen und Klingeln

Kapitel 7
Geruch und Geschmack

Wonach riecht es hier?

Gerüche selektieren

Der Geruch geht verschiedene Wege

Im Orbitofrontalkortex wird es spezieller

Lassen Sie es sich schmecken

Geschmacksunterschiede: Die vier Geschmacksrichtungen

Geschmacksinformationen an das Gehirn senden

Geschmäcker erkennen und sich daran erinnern

Lernen und Gedächtnis beim Geschmacks- und Geruchssinn

Den Geruch und Geschmack vermissen

Schlecht oder gar nicht mehr riechen können

Sättigung

Teil III: Immer weiter gehen – Das motorische Nervensystem

Kapitel 8
Die Bewegungs-Basics

Verschiedene Bewegungsarten erkennen

Bewegungen, die Körperfunktionen steuern

Reflexbewegungen

Bewusst gesteuerte Bewegungen

Bewegungssteuerung: Zentrale Planung und hierarchische Ausführung

Die Aktivierung unbewusster Muskelbewegungen

Den Fluchtreflex auslösen

Fortbewegung

Das Gehirn: Steuerungszentrale für komplexe Bewegungsabläufe

Muskelzellen und ihre Aktionspotenziale

Erkrankungen der Muskeln und der Motoneuronen

Myasthenia gravis

Viruserkrankungen: Tollwut und Kinderlähmung

Rückenmarksverletzungen

Kapitel 9
Rückenmark und Leitungsbahnen

Der Fluchtreflex

Die Position halten

Gegensätzliche Kräfte: Beuger-Strecker-Muskelpaare

Modulierende Reflexe: Bewegung und Gleichgewicht

Das Gleichgewicht halten: Der vestibulospinale Reflex

Sich fortbewegen

Fehler korrigieren: Das Kleinhirn

Das Kleinhirnsystem

Die Körperhaltung während der Bewegung vorausberechnen

Kapitel 10
Handlungen planen und ausführen

Vom Reflex zur bewussten oder zielgerichteten Handlung

Die Aufgabe des Frontallappens

Planen, Korrigieren, Lernen: Der Präfrontalkortex und subkortikale Areale

Das Arbeitsgedächtnis

Handlungen in Gang setzen: Die Basalganglien

Supplementär- und prämotorische Areale

Das Kleinhirn: Bewegungen lernen und koordinieren

Und nun alles zusammen

Neue (und mysteriöse) Neuronen entdecken

Die Spiegelneuronen

Von-Economo-Neuronen

Wenn es nicht mehr rund läuft: Motorische Störungen

Verletzungen von Rückenmark und Gehirn

Degeneration der Basalganglien

Kapitel 11
Das vegetative Nervensystem

Arbeit hinter den Kulissen: Das vegetative Nervensystem

Die Funktionen des vegetativen Nervensystems verstehen

Teilen und herrschen: Das sympathische und parasympathische Nervensystem

Das vegetative Nervensystem und chronischer Stress

Süße Träume: Schlaf und zirkadianer Rhythmus

Die biologische Uhr durch Licht synchronisieren

Die verschiedenen Schlafstadien

Schlafzyklen steuern

Keine süßen Träume: Schlafstörungen

Teil IV: Intelligenz: Bewusstsein und Denken

Kapitel 12
Intelligenz, Bewusstsein und Gefühle

Intelligenz definieren

Intelligenz verstehen: Allgemein oder spezialisiert?

Komponenten der Intelligenz

Verschiedene Intelligenzstufen

Steht die Intelligenz über den Emotionen?

Erinnerungen an starke emotionale Reaktionen

Das limbische System

Bewusstsein verstehen

Mutmaßungen über das Bewusstsein

Bewusstseinsarten

Das Bewusstsein studieren

Zwei Lager und ein Mittelweg

Unbewusste Verarbeitung: Rindenblindheit, visueller Neglect und andere Phänomene

Kapitel 13
Wie das Gehirn Gedanken verarbeitet

Das Gehirn übernimmt das Kommando

Alles über den Neokortex

Die vier Hauptlappen des Gehirns und ihre Funktionen

Die graue und weiße Substanz

Konnektivität

Minikolumnen und die Six-degrees-of-separation-Regel

Die sechs Schichten der Großhirnrinde

Begrüßt den Neokortex!

Gedanken kontrollieren: Sensorische Leitungsbahnen und Hierarchien

Sensorische Verschaltungen vom Thalamus zum Kortex

Der Hippocampus: Spezialisiert auf das Gedächtnis

Die Gehirnhälften

Spezialisiert auf Sprache

Asymmetrie bei der Verarbeitung visueller Informationen

Wo das Bewusstsein wohnt

Sprache und Schädigung der rechten oder linken Hirnhälfte

Allem einen Sinn geben

Kapitel 14
Das exekutive Gehirn

Das Gehirn, das wir heute haben: Der Neokortex und das Reptiliengehirn

Mein Neokortex ist größer als deiner: Die relative Größe

Der Präfrontalkortex und die Fähigkeit, Ziele zu verfolgen

Arbeitsgedächtnis, Problemlösung und der seitliche Präfrontalkortex

Das Arbeitsgedächtnis

Die Grenzen des Arbeitsgedächtnisses

Perseveration: Am Alten kleben, auch wenn es nicht mehr sinnvoll ist

Entscheidungen treffen: Der Orbitofrontalkortex

Das Bauchgefühl: Erlernte emotionale Reaktionen

Risikofreudigkeit, Abneigung und Vergnügen

Fallbasierte Schlussfolgerungen: Nachdenken über soziale Konsequenzen

Sind wir schon da? Der vordere Teil des Gyrus cinguli

Aufzeichnungsfehler und Veränderungstaktiken

Handeln ohne Denken

Probleme im vorderen Teil des Gyrus cinguli

Kapitel 15
Lernen und Gedächtnis

Lernen und Gedächtnis: Eine weitere Möglichkeit, sich der Umwelt anzupassen

Anpassung während der Entwicklung

Das klassische Lernen

Mehr oder weniger Signale senden: Anpassung und Verstärkung

Anpassung

Verstärkung

Gewöhnung und Sensibilisierung am Seehasen studieren

Was geschieht beim Lernen: Veränderliche Synapsen

Neuronale Verarbeitungsprozesse: UND- und ODER-Gatter

Die McCulloch-Pitts-Nervenzelle

Das Gehirn neu verkabeln: Der NMDA-Rezeptor

Die Rolle des Hippocampus für Lernen und Gedächtnis

Vom Kurz- zum Langzeitgedächtnis

Die Gedächtnis-Matrix des Hippocampus

Das Gedächtnis: Kortikale Mechanismen

Das episodische Gedächtnis

Gedächtnisverlust: Vergessen und Amnesie

Besser lernen

Lernzeiten auf viele kürzere Abschnitte verteilen

Genug schlafen

In Gedanken üben

Belohnen und bestrafen

Kapitel 16
Schaltkreise entwickeln und verändern: Plastizität

Entwicklung nach der Befruchtung

Entstehung aus dem Ektoderm: Das embryonale Nervensystem

Schichten aufbauen: Die Entwicklung des Kortex

Alles miteinander verkabeln: Wie Axone verschiedene Hirnareale miteinander verbinden

Aus Erfahrungen lernen: Plastizität und die Entwicklung kortikaler Landkarten

Sehen, Hören, Berühren – Landkarten in unserem Kopf

Das Hebb'sche Gesetz

Umwelteinwirkungen: Natur gegen Erziehung

Den falschen Weg einschlagen: Entwicklungsstörungen des Nervensystems

Genetische Entwicklungsstörungen bei Mutantenmäusen

Einflüsse von Umweltfaktoren auf die Entwicklung des menschlichen Gehirns

Das alternde Gehirn

Das Gehirn verändert seine Strategie

Altersspezifische Störungen des Gehirns

Autoimmunerkrankungen

Schlaganfälle

Tumore

Kapitel 17
Psychische Störungen und Medikamente, die auf das Gehirn wirken

Ursachen und Arten psychischer Erkrankungen

Genetische Defekte

Entwicklungsstörungen und Umwelteinflüsse bei psychischen Erkrankungen

Psychische Erkrankungen, bei denen Gene und Entwicklung eine Rolle spielen

Vielversprechende Medikamente

Typische und atypische antipsychotische Medikamente

Medikamente, die GABA-Rezeptoren beeinflussen

Medikamente, die Serotonin beeinflussen

Medikamente, die Dopamin beeinflussen

Einige natürliche psychoaktive Substanzen

Teil V: Der Top-Ten-Teil

Kapitel 18
Wichtige Hirnstrukturen

Der Neokortex

Der Thalamus, das Tor zum Neokortex

Das Pulvinar

Das Kleinhirn

Der Hippocampus

Das Wernicke- und das Broca-Areal

Das fusiforme Gesichtsareal

Die Amygdala

Der seitliche Präfrontalkortex

Die Substantia nigra (Basalganglien)

Der vordere Teil des Gyrus cinguli

Kapitel 19
Tricks der Neuronen

Das Größenproblem lösen

Immer das meiste herausholen

Chemische Kommunikation der Neuronen

Spezialisiert für die Sinne

Signalverarbeitung durch Ionenkanalströme

Die Signalstärke über weite Entfernungen erhalten

Das Axon: Signale vom Kopf bis zum Fuß

Schneller durch Myelinscheiden

Das neuronale Gleichgewicht

Anpassen und Lernen durch die Veränderung der Synapsenstärke

Kapitel 20
Verblüffende Fakten über das Gehirn

Es besitzt 100 Milliarden Zellen und eine Billiarde Synapsen

Das Bewusstsein wohnt nicht in einem speziellen Hirnareal

Das Gehirn besitzt keine Schmerzrezeptoren

Das Durchtrennen der größten Nervenfaserbahn im Gehirn hat nur geringe Nebenwirkungen

Einsteins Gehirn war kleiner als der Durchschnitt

Erwachsene verlieren täglich Hunderttausende Neuronen ohne spürbare Folgen

Unser Gehirn ist ein Energiefresser

Es ist ein Mythos, dass wir nur zehn Prozent unseres Gehirns nutzen

Hirnschädigungen führten zu Inselbegabungen

Auch erwachsene Gehirne können neue Nervenzellen bilden

Kapitel 21
Zukunftsmusik – Vielversprechende Behandlungsmöglichkeiten

Entwicklungsstörungen durch eine Gentherapie korrigieren

Ein Superhirn durch Genmanipulation

Gehirnverletzungen mit Stammzellen heilen

Die Behandlung neurologischer Störungen mit der tiefen Hirnstimulation

Hirnstimulation durch transkranielle Magnetstimulation und transkranielle Gleichstromstimulation

Neuroprothesen gegen Sinnesverlust

Neuroprothesen gegen Lähmungen

Ein besseres Gehirn durch Neuroprothesen

Computergestütztes Lernen

Krankheiten behandeln mit Nanobots

Kapitel 22
Fakten zum Gehirn für Eilige

Die Arten und Funktionen von Neuronen

Die Rolle des Neokortex verstehen

Die rechte und linke Gehirnhälfte

Die vier Gehirnlappen

Der Frontallappen

Der Parietallappen

Der Okzipitallappen

Der Temporallappen

Der Thalamus und das limbische System

Glossar

Stichwortverzeichnis

Über den Autor

Frank Amthor ist Professor für Psychologie an der Universität von Alabama in Birmingham, wo er auch an der medizinischen Fakultät im Fach Neurobiologie, an der Klinik für Augenheilkunde und im Fachbereich für Biomedizintechnik Stellen bekleidet. Seine Forschungstätigkeit wurde insbesondere vom National Institute of Health (NIH) gefördert. In seiner wissenschaftlichen Laufbahn hat sich Frank Amthor besonders mit der zentralen und retinalen Verarbeitung visueller Reize und Neuroprothesen beschäftigt. Frank Amthor hat über 100 Fachartikel veröffentlicht, an Büchern mitgearbeitet und Vorträge gehalten.

Dr. Amthor widmet seine Arbeit dem Verständnis der neuronalen Verarbeitungsprozesse. Außerdem beschäftigt er sich mit den Einsatzmöglichkeiten von Neuroprothesen, mit deren Hilfe bestimmte Funktionen wiederhergestellt oder verbessert werden können. Besonders intensiv erforschte er die komplexen Verarbeitungsprozesse, die in den Ganglienzellen der Netzhaut stattfinden. Dazu nutzte er viele moderne neurophysiologische Messtechniken, mit denen man herausfinden kann, was in einzelnen Zellen geschieht. Aktuell beschäftigt er sich damit, das Wissen, das die Forschung über die Netzhaut angesammelt hat, in der Entwicklung von Neuroprothesen einzusetzen.

Einleitung

Das große Geheimnis, das unser Gehirn umwittert, lässt sich auf einen einfachen Nenner bringen: Wie kann eine Ansammlung vernetzter Zellen aus uns das machen, was wir sind – nicht nur unsere Gedanken, Erinnerungen und Gefühle, sondern unsere Identität. Bis heute kann niemand diese Frage beantworten. Einige Philosophen glauben sogar, dass es auf diese Frage keine Antwort gibt.

Ich bin der Meinung, wir können verstehen, wie das Gehirn aus uns macht, was wir sind. Dieses Buch wird natürlich nicht die vollständige Antwort auf diese Frage liefern, aber es zeigt, wie die Antwort aussehen kann: Das Gehirn besteht aus Neuronen und jedes davon ist ein komplexer kleiner Computer. Einige Teile des Nervensystems sind daran beteiligt, wie Sie Entscheidungen treffen. Andere verarbeiten Sinneswahrnehmungen und geben Informationen darüber, wie es Ihnen gerade geht, an das System weiter. Zudem gibt es andere Bereiche, die mit der Sprachverarbeitung assoziiert sind, die über alle ablaufenden Prozesse einen ständigen Dialog führen: Das ist unser Bewusstsein.

Die meisten Menschen glauben, dass die Neurowissenschaft sehr kompliziert ist. Warum? Weil sich während der Evolution 100 Milliarden Neuronen und eine Billiarde Nervenzellverbindungen entwickeln mussten und es sehr lange gedauert hat, bis der Mensch zu dem wurde, was er heute ist.

Um zu verstehen, wie das Nervensystem funktioniert, müssen Sie drei Dinge wissen. Erstens, wie die Neuronen arbeiten. Zweitens, wie Neuronen in den neuronalen Schaltkreisen miteinander kommunizieren. Und drittens, wie die neuronalen Schaltkreise im Gehirn einzelne Funktionsbereiche bilden. Einige davon machen Sie zum Menschen. Und der Inhalt dieser Bereiche macht Ihre Persönlichkeit aus.

Unser nächster tierischer Verwandter, der Schimpanse, verfügt so ziemlich über die gleichen Neuronen und neuronalen Schaltkreise wie Sie und ich. Wir haben sogar fast die gleichen Funktionsbereiche. Der Mensch besitzt allerdings noch ein paar zusätzliche Bereiche, die das Bewusstsein ausmachen. Wie all das zusammenhängt, möchte ich Ihnen in diesem Buch näherbringen.

Über dieses Buch

Seien wir ehrlich: Die Neurowissenschaften sind ein sehr komplexes Fachgebiet. Das Gehirn ist die komplexeste Struktur des Universums und das Herzstück des Nervensystems. Doch in diesem Buch möchte ich dieses komplizierte Thema so darstellen, dass es jeder verstehen kann. Ganz egal, ob es sich dabei um einen Studienanfänger der Neurowissenschaften oder um Menschen handelt, die sich in der Freizeit mit dem Themenbereich beschäftigen und dabei Spaß haben wollen.

Um dieses Buch zu verstehen, müssen Sie lediglich wissen, dass Sie ein Gehirn besitzen. Ich werde Ihnen alles zum menschlichen Gehirn verständlich und anschaulich erklären. Und haben Sie keine Angst, wenn Sie auf Fachbegriffe wie Gyrus cinguli oder vestibulospinaler Reflex stoßen, denn ich werde Ihnen mit einfachen Worten erläutern, was sie bedeuten.

Dieses Buch ist nach dem Baukastenprinzip aufgebaut, damit Sie alle Informationen schnell finden. Jedes Kapitel besteht aus verschiedenen Abschnitten. Jeder Abschnitt beschäftigt sich mit bestimmten Themen der Neurowissenschaften, wie zum Beispiel:

Den Hauptbestandteilen des Nervensystems

Wie Neuronen arbeiten und welche unterschiedlichen Neuronen es gibt

Welche Systeme bei der Planung und Ausführung bestimmter Aktionen beteiligt sind

Der Rolle des Neokortex bei der Verarbeitung von Gedanken

Das Großartige am Aufbau dieses Buches ist, dass Sie selbst entscheiden können, an welcher Stelle Sie in das Thema einsteigen und was Sie lesen möchten. Sie können ganz nach Belieben zwischen den Kapiteln hin und her springen. Sie müssen nur im Inhaltsverzeichnis oder im Index nachschauen und schon finden Sie die Informationen, die Sie suchen.

Konventionen in diesem Buch

Um Ihnen den Umgang mit diesem Buch zu erleichtern, habe ich mich an einige Konventionen gehalten:

Kursiv geruckt sind Worte, denen ich Nachdruck verleihen möchte, oder neue Begriffe, die erklärt werden.

Fett gedruckt werden die Schlagwörter in Aufzählungen.

Was Sie nicht lesen müssen

Alles, was Sie nicht lesen möchten, müssen Sie auch nicht lesen. Da dieses Buch in verschiedene Teile und Kapitel aufgebaut ist und Sie anhand der Überschriften leicht erkennen, wovon sie handeln, können Sie bei dem Thema einsteigen, das Sie interessiert. Außerdem gehe ich davon aus, dass Sie keine biologischen oder neurowissenschaftlichen Vorkenntnisse besitzen. Deshalb beginne ich jedes Thema mit den notwendigen Grundlagen, bevor ich mich den komplizierteren Themenbereichen widme. Wenn Sie schon viel über Neuronen oder über die Anatomie des Gehirns wissen, können Sie einige der ersten Kapitel überspringen. Falls Sie sehr neugierig sind, dürfen Sie auch mit den vier Kapiteln im Top-Ten-Teil beginnen. Dort bekommen Sie einen kurzen Überblick über den Aufbau des Gehirns, die Gehirnfunktionen, die Zukunft der Neurowissenschaften und über die Behandlung von Nerven- und Gehirnerkrankungen.

Törichte Annahmen über den Leser

Während ich das Buch schrieb, habe ich mir einige Gedanken über Sie gemacht. Nämlich:

Sie sind kein Neurowissenschaftler oder Neurochirurg. Doch das Thema interessiert Sie. (Wenn Sie sehen, dass Ihr Neurochirurg in diesem Buch blättert, bevor er Sie operieren möchte, sollten Sie allerdings lieber noch eine zweite Meinung einholen.)

Sie nehmen an einem Kurs teil, bei dem Themen wie Gehirnfunktion, Wahrnehmung oder Verhalten eine Rolle spielen, und haben das Gefühl, dass Sie besser abschneiden, wenn Sie einen größeren Überblick über die Funktion des Nervensystems und seiner Bestandteile haben.

Sie möchten leicht verständliche Informationen. Und wenn das alles auch noch mit ein wenig Humor geht, umso besser.

Wie dieses Buch aufgebaut ist

Dieses Buch ist in fünf Teile gegliedert, damit Sie schnell die Informationen finden, nach denen Sie suchen. Jeder Teil beschäftigt sich mit einem speziellen Thema der Neurowissenschaften und enthält einzelne Kapitel, die diese Themen genauer behandeln.

Teil I: Darf ich vorstellen – Ihr Nervensystem

In Teil I erläutere ich die allgemeine Struktur des Gehirns und des Nervensystems und erkläre, wie Nervenzellen arbeiten. Kapitel 1 gibt Ihnen einen Überblick über die Neurowissenschaften und Sie erfahren mehr über einige Methoden, mit denen das Nervensystem untersucht wird. In Kapitel 2 finden Sie interessante Informationen zum Gehirn, Rückenmark und zum peripheren Nervensystem. Und in Kapitel 3 stelle ich Ihnen die Nervenzellen, die wichtigsten Bausteine des Nervensystems, näher vor.

Teil II: Die innere und äußere Welt wahrnehmen – Unsere Sinne

In Teil II dieses Buches erfahren Sie, wie die verschiedenen Sinne funktionieren. Kapitel 4 beschäftigt sich mit der Haut als Sinnesorgan – von den Sinnesrezeptoren bis hin zur Reizverarbeitung im Gehirn. In Kapitel 5 erkläre ich das visuelle System. Ich beginne mit den Fotorezeptoren und verfolge das visuelle Signal durch verschiedene Hirnareale, die optische Reize verarbeiten. Kapitel 6 beschäftigt sich mit dem akustischen System. Der Geruchs- und Geschmackssinn sind die Themen von Kapitel 7.

Teil III: Immer weiter gehen – Das motorische Nervensystem

Die Entstehung und Steuerung von Bewegungen ist das Thema von Teil III. Das motorische Nervensystem ist hierarchisch aufgebaut. Es beginnt am Muskel und an der motorischen Nervenzelle und reicht über Rückenmarksreflexe und neuronale Schaltkreise bis hin zu den Bereichen der Hirnrinde, in der Bewegungen gesteuert werden. Auch die frontale und präfrontale Region der Hirnrinde, die zur Planung und Ausführung von Bewegungen wichtig ist, gehört dazu. In Kapitel 8 erfahren Sie mehr zu den Grundlagen der Bewegung. In Kapitel 9 erläutere ich Bewegungen, die sich auf der Steuerungsebene des Rückenmarks abspielen, und erkläre, wie das Rückenmark mit dem Hirnstamm und den übergeordneten Regionen in Verbindung steht. Mehr über die Hirnrinde und über die Planung und Steuerung von Bewegungen erfahren Sie in Kapitel 10. In Kapitel 11 beschäftige ich mich mit dem vegetativen Nervensystem.

Teil IV: Intelligenz: Bewusstsein und Denken

Teil IV beschäftigt sich mit den großen Drei: Intelligenz, Denken und Bewusstsein. In Kapitel 12 beschreibe ich, was Intelligenz ist und warum wir sie besitzen. Wie das Gehirn Gedanken verarbeitet, lernen Sie in Kapitel 13 kennen. In Kapitel 14 erfahren Sie alles über das Gehirn als zentrale Steuerungsinstanz und in Kapitel 15 geht es um Lernen und Gedächtnis. Kapitel 16 beschäftigt sich mit der Formbarkeit und Entwicklung unseres Gehirns. In Kapitel 17 beschreibe ich Funktionsstörungen. Ich erläutere Krankheiten und Sie erfahren einiges über Medikamente, die das Gehirn beeinflussen.

Teil V: Der Top-Ten-Teil

Dieser Teil des Buches ist eine Zusammenfassung aller wichtigen und interessanten Fakten rund um das Gehirn. In Kapitel 18 stelle ich Ihnen zehn wichtige Hirnareale und ihre Funktion vor. Ich Kapitel 19 erkläre ich Ihnen kurz und knapp, wie Nervenzellen arbeiten. Und in Kapitel 20 finden Sie zehn erstaunliche Fakten über das Gehirn. Kapitel 21 enthält interessante Details zu einigen vielversprechenden und vielleicht auch nicht so vielversprechenden Behandlungsmethoden, die Sie in naher Zukunft erwarten können.

Symbole, die in diesem Buch verwendet werden

Symbole kennzeichnen in diesem Buch besondere Informationen. Sie bedeuten Folgendes:

Manchmal sieht man Dinge klarer, wenn man sie aus einem anderen Blickwinkel betrachtet. Dabei helfen Ihnen die »Tipps«.

Dieses Symbol kennzeichnet wichtige Begriffe und allgemeine Grundlagen, die Sie sich vielleicht merken möchten.

Bei einem so komplizierten Bereich wie den Neurowissenschaften ist Fachchinesisch manchmal unvermeidlich. Zum Glück müssen Sie nicht alle Einzelheiten wissen. Doch für die ganz Neugierigen habe ich an diesen Stellen ein paar interessante Fakten zusammengetragen. Sie können diese Abschnitte also lesen oder einfach links liegen lassen.

Um das Gehirn und seinen Einfluss auf Verhalten, Psyche oder Motorik ranken sich einige Mythen. Hier möchte ich einige Missverständnisse aufklären.

Ohne die gewissenhafte Arbeit vieler Wissenschaftler wüssten wir heute nicht so viel über das Gehirn. Sie stellten Fragen und suchten nach Antworten. Dieses Symbol weist Sie auf wichtige Studien oder Beobachtungen hin, die wesentlich zum heutigen Wissensstand über das Gehirn und seine Funktion beigetragen haben.

Wie es weitergeht

Das Buch soll Ihnen dabei helfen, die Funktionsweise der Nervenzellen, des Nervensystems, vor allem des Gehirns, zu verstehen. Doch es gibt noch viele interessante neurowissenschaftliche Themen, die den Rahmen dieses Buches sprengen würden. Dazu gehören beispielsweise die Stoffwechselvorgänge in den Nervenzellen, die Second-Messenger-Kaskade, traditionelle Lerntheorien oder die moderne Genetik.

Teil I

Darf ich vorstellen – Ihr Nervensystem

In diesem Teil ...

Wir benutzen viele Dinge, deren Funktionsweise wir nicht vollständig verstehen – Autos, Fahrstühle oder Computer sind nur einige Beispiele. Das Gehirn (und das übrige Nervensystem) stehen sicherlich ganz oben auf dieser Liste, da es der Sitz des Verstandes ist.

In diesem Teil möchte ich Ihnen das Nervensystem vorstellen. Dabei gehe ich darauf ein, aus welchen verschiedenen Bereichen es sich zusammensetzt und wie die Nervenzellen funktionieren, aus denen es besteht. Sie werden nicht gleich als Neurochirurg arbeiten können, nachdem Sie Teil I gelesen haben, doch Sie werden eine Vorstellung davon haben, wie Ihr Gehirn aufgebaut ist und welche Funktionen die unterschiedlichen Bereiche haben.

1

Ein Kurztrip durch das Nervensystem

In diesem Kapitel ...

Die Entwicklung des Nervensystems

Verstehen, wie das Nervensystem funktioniert

Die grundlegenden Funktionen des Nervensystems

Verschiedene Funktionsstörungen

Ein Blick in die Zukunft

»Mein Gehirn ist mir mein zweitliebstes Organ.«

Woody Allen (Der Schläfer, 1973)

Das Gehirn, das Sie in Ihrem Kopf herumtragen, ist die mit Abstand komplizierteste Struktur in unserem Universum. Und alles, was Sie sind, was Sie waren und was Sie sein werden, entspringt dieser etwa 1400 Gramm schweren Ansammlung von 100 Milliarden Nervenzellen.

Wenn Ihr Gehirn richtig funktioniert, können Sie ein langes, glückliches Leben führen. Ist die Gehirnfunktion gestört, fällt es Ihnen vielleicht schwer, Ihr Leben zu meistern. Ich möchte Ihnen das Nervensystem vorstellen, erklären, wie es funktioniert und was schieflaufen kann.

Die Entwicklung des Nervensystems verstehen

Unsere Erde entstand vor etwa 4,5 Milliarden Jahren. Evolutionsbiologen gehen davon aus, dass weniger als eine Milliarde Jahre später einzellige Prokaryoten (Zellen ohne Zellkern) auf der Erde existierten. Geophysiker glauben, unser Planet hatte sich damals so weit abgekühlt, dass Leben entstehen konnte.

Aus unbekannten Gründen dauerte es dann eine weitere Milliarde Jahre, bis sich Eukaryoten (Zellen mit einem Zellkern) entwickelten. Und noch eine Milliarde Jahre vergingen, bis es die ersten Mehrzeller gab. Und erst eine weitere Milliarde Jahre später bevölkerte der Mensch unsere Erde. Das liegt jetzt weniger als eine Million Jahre zurück. Die Entstehung mehrzelligen Lebens fand in den Ozeanen unseres Planeten statt.

Spezialisieren und kommunizieren

Mehrzellige Organismen bestehen aus verschiedenen Zellen, an die unterschiedliche Anforderungen gestellt werden. Um ihnen gerecht zu werden, mussten sich die Zellen spezialisieren und einen Weg finden, um miteinander zu kommunizieren.

Stellen Sie sich einen Zellklumpen aus einigen Dutzend Zellen vor, der vor Milliarden von Jahren in einem primitiven Ozean schwamm. Die Zellen im Inneren dieses Zellklumpens haben keinen Kontakt zum Meerwasser. Doch vielleicht erledigen sie einige Stoffwechselaufgaben besser als andere Zellen. Sie besitzen allerdings keine Möglichkeit, an die Nährstoffe im Meerwasser heranzukommen und die Abbauprodukte wieder loszuwerden. Um diese Aufgabe zu bewältigen, müssen sie mit den Zellen, die sie umgeben, zusammenarbeiten.

In den Zellen im Inneren des Zellklumpens wurden andere Gene aktiviert als bei den Zellen an der Oberfläche der Mehrzeller. Außerdem wirkten einige Stoffe, die von den Zellen ausgeschüttet wurden, als Signalstoffe, auf die andere Zellen reagierten. Die Zellen von Mehrzellern begannen so, sich zu spezialisieren und miteinander zu kommunizieren.

Sich koordiniert bewegen

Strömungen, Gezeiten und Wellen trieben diese Mehrzeller durch den Ozean. Einige Organismen spezialisierten sich auf die Fotosynthese und entwickelten Auftriebsmechanismen, um in die oberen Wasserregionen, in die das Sonnenlicht noch reicht, zu gelangen.

Einige mehrzellige Organismen hatten den Vorteil, sich aktiv mit Hilfe von kleinen Geißeln zu bewegen. Doch Geißeln, die sich ungeordnet bewegen, sind wenig hilfreich. (Stellen Sie sich ein Ruderboot vor, in dem jeder Ruderer in eine andere Richtung rudert.) Ohne eine Form der Kommunikation, mit der die Geißelbewegungen synchronisiert werden, ist es unmöglich, schnell voranzukommen. Deshalb entwickelten sich Netzwerke spezialisierter Zellen, die durch so genannte Gap Junctions (das sind Zell-Zell-Kanäle) miteinander verbunden waren. Diese Netzwerke ermöglichten eine schnelle Signalweiterleitung innerhalb ringförmiger Nervennetze, die auf die Geißelbewegung spezialisiert waren.

Die Entwicklung komplexer Tiere

Aus den Zellklumpen, die ein einfaches Nervensystem besaßen und in der Lage waren, sich im Ozean zielgerichtet zu bewegen, entwickelten sich komplexe Tiere mit sensorischen und anders spezialisierten Nervenzellen.

Vor etwa 500.000 Jahren eroberten die ersten Wirbellosen, wie beispielsweise Insekten, das Land, um sich an den Pflanzen, die dort seit Millionen von Jahren wuchsen, gütlich zu tun. Später kamen auch Wirbeltiere, die im Wasser lebten, für kurze Zeit an Land. Um wieder ins Wasser zurückzukehren, waren sie häufig gezwungen, sich ein Stück über Land zu schlängeln. Manche mochten es an Land so sehr, dass sie die meiste Zeit dort lebten und sich zu Amphibien entwickelten. Einige entwickelten sich weiter zu Reptilien. Aus ihnen gingen später die ersten Säugetiere hervor, von denen letztlich auch wir abstammen.

Der Neokortex

Wenn Sie ein Gehirn von oben oder von der Seite betrachten, ist fast alles, was Sie sehen, Neokortex. Er wird »neo« genannt, weil er der stammesgeschichtlich jüngste Teil des Gehirns von Säugetieren ist. Reptilien und Vögel besitzen dagegen relativ kleine Gehirne mit hochspezialisierten Bereichen, um sensorische Reize zu verarbeiten und das Verhalten zu steuern.

Während der Entwicklung der Säugetiere vergrößerte sich ein spezieller Teil des Gehirns sehr stark und legte sich über alle älteren Hirnbereiche. Er wurde zu einer zusätzlichen Verarbeitungsebene für sensorische Reize und für die motorische Kontrolle.

Neurowissenschaftler sind sich nicht ganz sicher, wie und warum sich der Neokortex entwickelt hat. Vögel und Reptilien sind mit ihren kleinen, spezialisierten Gehirnen gut zurechtgekommen. Wie auch immer es passiert ist, irgendwann gab es bei den Säugetieren einen Neokortex. Er vergrößerte sich enorm und ließ den Rest des Gehirns, der sich davor entwickelt hatte, vergleichsweise klein erscheinen. Diese Entwicklung fand statt, obwohl ein großes Gehirn für den Stoffwechsel eine Herausforderung darstellt. Das menschliche Gehirn, dessen Gewicht nur fünf Prozent des gesamten Körpergewichts ausmacht, benötigt etwa 20 Prozent des gesamten Energiebedarfs unseres Organismus.

Die Funktion des Nervensystems

Wenn Sie sich ein Bild des Gehirns anschauen, erkennen Sie sofort, dass es aus verschiedenen Bereichen besteht. Es ist keine formlose Masse, die einfach nur den Schädel ausfüllt.

Zu seinem Erscheinungsbild stellen sich zwei wichtige Fragen:

Besitzen die unterschiedlich aussehenden Bereiche des Gehirns auch unterschiedliche Aufgaben?

Haben die Bereiche, die gleich aussehen, auch die gleiche Funktion?

In den folgenden Abschnitten werden Sie die Antwort auf beide Fragen finden.

Die wichtige Rolle der Nervenzellen

Das Nervensystem, das detailliert in Kapitel 2 beschrieben wird, besteht aus dem zentralen Nervensystem (Gehirn und Rückenmark), dem peripheren Nervensystem (sensorische und motorischen Nervenzellen) und dem vegetativen Nervensystem (das Körperfunktionen wie Verdauung oder Herzfrequenz regelt).

Alle Teile des Nervensystems basieren auf der Funktion der Nervenzellen. Nervenzellen, so genannte Neuronen, sind Zellen, die sich darauf spezialisiert haben, Informationen zu verarbeiten. Die Nervensysteme aller Tiere haben vier Arten von Nervenzellen:

Frühe Theorien über die Hirnfunktion

In der kurzen Geschichte der Neurowissenschaften gab es schon viele Theorien dazu, wie das Gehirn arbeitet. Zwei der interessanteren sind die Phrenologie und die Äquipotenzialtheorie.

Die Äquipotenzialtheorie besagt, dass das Gehirn ein einziger großer neuronaler Schaltkreis ist und vor allem die Masse des Gehirns seine Leistungsfähigkeit ausmacht. Man war der Meinung, dass der Aufbau des Gehirns wenig mit seiner Funktion zu tun hat.

Das andere Extrem waren die Phrenologen. Sie waren der Ansicht, dass fast alle menschlichen Charakteristika, einschließlich Vorsicht, Mut und Hoffnung, in bestimmten Hirnarealen liegen. Sie glaubten, dass die Entwicklung dieser Eigenschaften am knöchernen Schädel über diesen Hirnregionen ablesbar sei. Phrenologen nahmen an, dass die Hirnregionen wachsen und den darüberliegenden Schädel nach außen drücken. Mehr zur Phrenologie erfahren Sie in Kapitel 12.

Sensorische Neuronen : Diese Nervenzellen geben Informationen der Sinnesorgane oder der inneren Organe an das Gehirn weiter.

Motorische Neuronen : Sie lösen Muskelkontraktionen aus oder stimulieren Drüsen und Organe.

Interneuronen : Sie haben eine Vermittlerfunktion und leiten Signale von einem Bereich des Nervensystems zu einem anderen weiter. Außerdem verarbeiten sie eingehende Informationen, vergleichen beispielsweise, ob diese bereits im Gedächtnis gespeichert sind und nutzen Informationen, um eine bestimmte Reaktion zu planen und auszuführen.

Was das Nervensystem wirklich von anderen funktionellen Gruppen unterscheidet, ist die Komplexität, mit der die Nervenzellen untereinander verschaltet sind. Das menschliche Gehirn besteht aus etwa 100 Milliarden Neuronen. Jedes einzelne ist vernetzt und besitzt etwa 10.000 Kontaktstellen zu anderen Nervenzellen. Das ergibt etwa eine Billiarde Synapsen. Diese Zahl übersteigt vermutlich Ihre Vorstellungskraft.

In Kapitel 3 erfahren Sie mehr über Neuronen und ihre Funktion.

Signalverarbeitung in Schaltkreisen, Segmenten und Modulen

Den größten Teil des Gehirns, den Sie sehen, wenn Sie es von der Seite oder von oben betrachten, macht die Großhirnrinde aus. Sie ist fast ein Viertel Quadratmeter groß und liegt in vielen Falten, damit sie überhaupt in den Schädel passt. Die Nervenzellen der Großhirnrinde bilden einen komplexen neuronalen Schaltkreis.

Die verschiedenen Bereiche des Gehirns sind hochspezialisiert. Einige verarbeiten Reize, die von den Sinnesorganen aufgenommen werden, andere steuern durch motorische Impulse unsere Bewegung. Dabei bestimmt nicht der Bereich des Gehirns selbst seine Funktion, sondern die Art der Signale und der Ort, an dem sie entstehen, entscheiden darüber.

Auch wenn die Nervenzellen und Schaltkreise des Hörzentrums denen im Sehzentrum oder im motorischen Zentrum gleichen, so ist das Hörzentrum das Hörzentrum, weil es die Signale aus der Hörschnecke (einem Teil des Innenohres) verarbeitet und an Bereiche sendet, die akustische Informationen weiterverarbeiten und sie dafür nutzen, das Verhalten zu steuern.

Auch andere Teile des Nervensystems bestehen aus Schaltkreisen oder Leitungsbahnen:

Das Rückenmark besteht aus einzelnen Segmenten (Hals, Brust, Lende und so weiter), deren Struktur sich fortlaufend wiederholen.

Das Kleinhirn, eine markante Struktur an der Rückseite des Gehirns, unterhalb der Großhirnrinde, steuert die Feinabstimmung von Bewegungen und spielt eine wichtige Rolle beim Erlernen von Bewegungsabläufen. Im Kleinhirn formen neuronale Schaltkreise verschiedene Module, die mit der Planung und Ausführung von Bewegungen und dem Gleichgewicht zu tun haben.

Alle Module des zentralen Nervensystems sind weitreichend miteinander vernetzt. Wenn Sie sich einen Querschnitt des Gehirns ansehen würden, könnten Sie sehen, dass das Gehirn zu einem viel größeren Teil aus der weißen als aus der grauen Substanz besteht. Die weiße Substanz bilden die Axone . Das sind Nervenfasern, die die Nervenzellen miteinander verbinden. Die graue Substanz besteht aus den Körpern der Nervenzellen und den Dendriten, die elektrische Reize aufnehmen und an den Zellkörper weiterleiten. Warum ist das so? Weil das Gehirn die Verbindungen zwischen den Nervenzellen benutzt, um in neuronalen Schaltkreisen Berechnungen durchzuführen. Jedes einzelne Neuron ist nur mit einem Bruchteil der anderen Neuronen in Gehirn verbunden. Um die »Rechenergebnisse« an andere Hirnareale zu übertragen, werden die Signale durch die Axone weitergeleitet.

Was für eine Ladung: Elektrizität im Gehirn

Die meisten Nervenzellen sind darauf spezialisiert, Informationen zu verarbeiten oder weiterzuleiten. Sie besitzen zwei verschiedene Verzweigungen, die aus dem Zellkörper entspringen: die Dendriten und die Axone . Dendriten nehmen die elektrischen Impulse anderer Nervenzellen auf. Axone sind der Teil der Nervenzelle, der Reize weiterleitet und an andere Nervenzellen oder Organe abgibt.

Dendriten sind nicht länger als einige Hundert Mikrometer. Axone können dagegen bis zu einem Meter lang werden (beispielsweise Axone, die vom primär-motorischen Kortex bis zum unteren Ende des Rückenmarks reichen). Da die Verzweigungen der Nervenzellen mitunter sehr weit reichen, brauchen sie Mechanismen, mit denen sie Signale trotzdem schnell verarbeiten können. Das ermöglicht die Elektrizität.

Neuronen benutzen die Elektrizität, um innerhalb der Zelle Informationen weiterzuleiten. Einkommende Signale breiten sich über die Dendriten aus. Das führt zu einem Energiefluss von den Dendriten in den Zellkörper. Der Zellkörper wandelt diese elektrische Energie in Impulse um, die entlang des Axons zu einem anderen Neuron gesendet werden. Wenn Sie mehr darüber wissen möchten, wie Neuronen im Allgemeinen miteinander kommunizieren, sollten Sie zu Kapitel 3 weiterblättern. In den Kapiteln von Teil II erfahren Sie, wie die Reizübertragung im sensorischen Nervensystem funktioniert.

Der modulare Aufbau des Nervensystems

Das Nervensystem ist in Modulen aufgebaut. Die Neuronen arbeiten in neuronalen Schaltkreisen, die aus mehreren Hundert Nervenzellen bestehen und sich aus unterschiedlichen Neuronenarten zusammensetzen. Diese Schaltkreise verarbeiten eingehende Signale und senden die Ergebnisse an andere Schaltkreise.

Mehrere neuronale Schaltkreise bilden einzelne Module, die verschiedene Funktionen besitzen, wie zum Beispiel senkrechte Linien zu erkennen, 10000 Hertz-Töne wahrzunehmen, einen bestimmten Fingermuskel zu bewegen oder die Herzfrequenz zu erhöhen. Gruppen gleicher Module bilden große Hirnregionen. Alle Hirnmodule, das Rückenmark und das periphere und vegetative Nervensystem arbeiten zusammen. Sie regulieren die Funktionen Ihres Organismus und sorgen dafür, dass Sie überleben. Doch das ist nicht alles: Wir haben Gefühle, Erinnerungen, Sehnsüchte und sind neugierig. Wir können sprechen, uns selbst reflektieren, beherrschen die Technik und machen uns Gedanken über unseren Platz im Universum.

Die Basis-Funktionen des Nervensystems

Tiere besitzen ein Nervensystem, Pflanzen nicht. Warum ist das so? Beide sind Vielzeller und viele Pflanzen, wie zum Beispiel Bäume, sind viel größer als die größten Tiere.

Der Hauptunterschied liegt darin, dass sich Tiere bewegen können und Pflanzen nicht. (Abgesehen von der Venusfliegenfalle, doch das wollen wir hier jetzt nicht gelten lassen.) Und Nervensysteme ermöglichen Bewegung.

Das verschwundene Gehirn

Seescheiden sind sessile Manteltiere, die auf dem Meeresgrund leben und ihre Nährstoffe aus dem Meerwasser filtern. Das Interessante an diesen Tieren ist, dass sie im Larvenstadium über eine Gehirnanlage verfügen, die es ihnen ermöglicht, zu schwimmen. Diese Anlage bildet sich wieder zurück und als ausgewachsenes Tier lebt die Seescheide am Meeresboden, verankert wie eine Pflanze.

Die Welt wahrnehmen

Sensorische Nervenzellen messen innerhalb und außerhalb unseres Körpers Energien oder Substanzen. Zu diesen Nervenzellen gehören die Fotorezeptoren im Auge, die Licht wahrnehmen (siehe Kapitel 5), die Haarzellen in der Hörschnecke (Cochlea) nehmen akustische Reize auf (siehe Kapitel 6) und die Mechanorezeptoren in der Haut messen Druck und Vibration (siehe Kapitel 4). Außerdem gibt es noch Sinneszellen, die Moleküle wahrnehmen können. So entsteht der Geruchs- und Geschmackssinn (siehe Kapitel 7).

Unser Körper besitzt Messfühler, die die Körpertemperatur, die CO_2-Konzentration, den Blutdruck und andere Körperfunktionen überwachen. Das zentrale und vegetative Nervensystem (beide werden in Kapitel 11 noch genauer beschrieben) verwendet die Signale dieser inneren Sensoren, um unsere Körperfunktionen zu steuern und in einem Gleichgewicht (Homöostase) zu halten. Das alles geschieht normalerweise, ohne dass wir etwas davon bemerken.

Die sensorischen Neuronen sind von allen Nervenzellen am höchsten spezialisiert. Sie besitzen ausgeklügelte Mechanismen, um spezielle Reize wahrzunehmen. So können manche Tiere das Magnetfeld der Erde spüren, weil sie über Zellen verfügen, die Magnetit-Kristalle enthalten. Diese Kristalle befinden sich im Zellplasma. Sie reagieren auf das Erdmagnetfeld und lösen in der Zelle einen elektrischen Impuls aus. Dieser Impuls wird an andere Zellen des Nervensystems weitergegeben und ermöglicht es den Tieren, sich zu orientieren.

Immer in Bewegung – motorische Nervenzellen

Die meisten Neuronen nehmen Reize auf, verarbeiten sie und geben diese Signale an andere Neuronen weiter. Doch die Nervenzellen, um die es im folgenden Abschnitt geht, sind anders:

Einige Nervenzellen sind auf Sinneswahrnehmungen spezialisiert. Die Informationen für diese Zellen kommen direkt aus der Umwelt und nicht von anderen Neuronen.

Einige Neuronen übermitteln Signale an Muskeln, Drüsen oder Organe anstatt an andere Nervenzellen. In diesem Fall lösen sie eine Reaktion aus. Es kann ein Hormon ausgeschüttet oder eine Körperfunktion reguliert werden. Oder Sie stürmen zur Tür hinaus, weil Sie gehört haben, wie der Eiswagen klingelt.

Es gibt zwei verschiedene Arten von Bewegungen. Die bewusste Bewegung ist das, was die meisten Menschen unter Bewegung verstehen. Sie wird vom zentralen Nervensystem, dessen motorische Nervenzellen die quergestreifte Muskulatur innervieren, gesteuert. Wir besitzen jedoch auch glatte Muskulatur, die von Neuronen des vegetativen Nervensystems versorgt wird. Diese Muskeln finden Sie im Verdauungstrakt oder in den Pupillen. Bewegung ist so ein wichtiger Bereich der Neurowissenschaften, dass ich ihm Teil III dieses Buches gewidmet habe.

Entschluss und Tat

Das Nervensystem von Säugetieren ist sehr komplex. Große Bereiche der Großhirnrinde steuern Bewegungen, verarbeiten Sinneseindrücke und sind miteinander verknüpft. Nur weil ein großer Teil des Gehirngewebes für die Bewegungskontrolle verantwortlich ist, sind komplizierte Bewegungsmuster möglich. Die großen Hirnareale, die sensorische Reize verarbeiten, ermöglichen es Ihnen, diese komplexen Abläufe zu erkennen.

Die Bereiche des Gehirns, die nicht direkt an der Bewegungskontrolle oder an der Verarbeitung sensorischer Reize beteiligt sind, werden Assoziationskortex genannt. Auch wenn es nicht ganz korrekt ist, alle nicht-motorischen und nicht-sensorischen Bereiche des Gehirns unter diesem Oberbegriff zusammenzufassen, so besitzt er doch eine wichtige Funktion bei den Prozessen, die ablaufen, bis Informationen unserer Sinnesorgane ein bestimmtes Verhalten hervorrufen.

Die intelligentesten Säugetiere, wie Menschenaffen, Wale oder Elefanten, besitzen die größte Großhirnrinde. Aber natürlich entscheidet nicht allein die Größe des Neokortex über die Intelligenz eines Lebewesens. Die Größe des Frontallappens spielt dabei ebenfalls eine wichtige Rolle. Die intelligentesten der Tiere, die ich gerade aufgezählt habe (die Menschenaffen), haben im Verhältnis zum restlichen Neokortex den größten Frontallappen.

Der vorderste Teil des Frontallappens wird auch Präfrontalkortex genannt. Dieser Bereich ist bei Primaten, und natürlich ganz besonders beim Menschen, sehr ausgedehnt. Der Präfrontalkortex ermöglicht es uns, Handlungen zu planen.

Wenn Sie keinen großen Frontallappen hätten, würde Ihr Verhalten von Ihren momentanen Bedürfnissen und den Ereignissen in Ihrer direkten Umwelt bestimmt werden. Wären Sie eine Eidechse, hätten Sie entweder Hunger, würden frieren, nach einem Partner suchen oder sich vor einem Räuber in Sicherheit bringen. Sie hätten eine Reihe Verhaltensmuster gespeichert, zwischen denen Ihr Gehirn wählen könnte. Sie suchen beispielsweise einen Partner. In diesem Fall folgen Sie dem Suche-nach-Liebe-Programm. Wenn Sie über sich einen Greifvogel sehen, würden Sie allerdings sofort auf das Greifvogel-Vermeidungs-Programm umschwenken und einen Stein suchen, unter dem Sie verschwinden können.

Säugetiere haben durch ihr Frontalhirn die Möglichkeit, komplexe, mehrstufige Handlungsentscheidungen zu treffen. Sie können sich vor dem Greifvogel in Sicherheit bringen und sich trotzdem daran erinnern, wo der potenzielle Partner war. Wenn die Gefahr vorüber ist, können Sie Ihre Suche dort fortsetzen, wo sie unterbrochen wurde. Säugetiere können in großen sozialen Gruppen leben, in der sie eine ganz individuelle Beziehung zu den anderen Gruppenmitgliedern besitzen.

Intelligenz und Gedächtnis

Wenn wir an Intelligenz denken, denken wir normalerweise an die Unterschiede zwischen Mensch und Tier, auch wenn einige Verhaltensweisen von Tieren zugegebenermaßen als intelligent eingestuft werden können. Zwei Eigenschaften – die Fähigkeit zu sprechen und unser episodisches Gedächtnis – sind untrennbar mit der menschlichen Intelligenz verbunden. Die nächsten Abschnitte geben Ihnen einen kurzen Überblick über Gedächtnis, Sprache und Intelligenz. In den Kapiteln 14 und 15 beschäftige ich mich dann ausführlicher mit dem Thema Intelligenz.

Sprache

Ein Merkmal der menschlichen Intelligenz ist die Sprache. Das Interessante an der Sprache ist aus neurowissenschaftlicher Perspektive, dass sie nur auf einer Hirnhälfte lokalisiert ist (bei den meisten Rechtshändern auf der linken Hirnhälfte).

Das ist so verblüffend, weil beide Hirnhälften des Menschen äußerlich vollkommen gleich zu sein scheinen. Es sind keine Strukturen bekannt, die es nur auf der linken Gehirnhälfte gibt und die erklären würden, warum das Sprachzentrum auf der linken Hirnhälfte zu finden ist.

Episodisches Gedächtnis

Ein anderer Unterschied von menschlicher und tierischer Intelligenz ist das episodische Gedächtnis des Menschen. Das episodische Gedächtnis ist die Erinnerung an Episoden und Ereignisse aus dem eigenen Leben. Es steht dem semantischen Gedächtnis gegenüber, bei dem es sich um allgemeine Fakten handelt. Lassen Sie mich ein Beispiel nennen: Sie wissen, wann Sie gelernt haben, dass die Hauptstadt von Deutschland Berlin ist (episodisch). Und Sie wissen, dass die Hauptstadt von Deutschland Berlin ist (semantisch).

Sogar Tiere besitzen ein Gedächtnis. Das kann man an Beispielen der klassischen oder operanten Konditionierung sehen. (Fällt Ihnen wieder etwas ein, wenn Sie den Namen Pavlov hören?) Bisher gibt es allerdings keinerlei Beweise dafür, dass Tiere auch ein episodisches Gedächtnis besitzen.

Beim Menschen ist der Präfrontalkortex größer als bei anderen Primaten. Und sogar Säugetiere, die keine Primaten sind, besitzen einen Präfrontalkortex. Daraus ergibt sich die Frage, ob die Sprache die Voraussetzung für das episodische Gedächtnis ist. Neurowissenschaftler wissen bisher lediglich, dass die komplexen Pläne, zu denen Menschen in der Lage sind, von den exekutiven Funktionen des Präfrontalkortex abhängen.

Wenn etwas schiefläuft: Neurologische und psychische Erkrankungen

Wenn man bedenkt, wie komplex das Gehirn aufgebaut ist, dann ist es nicht verwunderlich, dass manchmal auch etwas kaputtgehen kann. Psychische Erkrankungen reichen von gänzlich erblich bedingten Erkrankungen, wie dem Down- oder dem Fragilen-X-Syndrom, über Krankheiten, die nur teilweise genetisch bedingt sind, wie Schizophrenie oder Autismus, bis hin zu Erkrankungen, die fast vollständig auf bestimmte Lebensumstände zurückzuführen sind, wie beispielsweise einige Formen der Depression.

Einige psychischen Erkrankungen, wie Alzheimer oder Parkinson, hängen mit dem Alter zusammen. Sie haben keine klaren genetischen Ursachen, obwohl es mittlerweile einige Hinweise darauf gibt, dass es eine genetische Veranlagung für diese Erkrankungen gibt. Die Huntington'sche Krankheit dagegen wird vererbt. Ihre Symptome treten allerdings meist nicht vor dem Erwachsenenalter auf.

Störungen der Gehirnfunktion können in verschiedenen Bereichen auftreten. Ich möchte Ihnen einige Beispiele psychischer und neurologischer Erkrankungen aufzählen:

Entwicklungsstörungen der Gesamtstruktur des Gehirns: Genetische Mutationen oder Umweltgifte können Schäden in der Gehirnstruktur verursachen. Kleine Hirnbereiche wie das Kleinhirn können fehlen oder verändert sein. Oder es fehlen Nervenbahnen, die verschiedene Hirnbereiche miteinander verbinden.

Entwicklungsstörungen in speziellen Schaltkreisen: Einige aktuelle Theorien gehen davon aus, dass bei Autisten das Gleichgewicht zwischen kurzen und langen Nervenverbindungen gestört und in Richtung der kurzen Verbindungen verschoben ist. Man nimmt an, dass das zu der gesteigerten Aufmerksamkeit für Details führt und die Fähigkeit, auf ein Gesamtbild angemessen zu reagieren, stört.

Störungen der Leitungsbahnen: Die Mutation von Genen, die festlegen, wie sich bestimmte Neurotransmitterrezeptoren ausprägen, können dazu führen, dass die Signalverarbeitung im gesamten Gehirn gestört ist. Einige Gehirnbereiche kompensieren diese Störungen, andere nicht. Als Folge davon können Epilepsie oder einige Formen der Depression auftreten.

Umweltbedingte organische Störungen: Das Gehirn kann durch Verletzungen geschädigt werden. Aber auch Gifte, wie Blei und Quecksilber, können das Hirn schädigen.

Umweltbedingte psychische Störungen: Manchmal treten nach einem bestimmten Auslöser psychische Erkrankungen auf, ohne dass vorher irgendwelche psychischen Probleme bestanden haben.

Mehr zu diesen Störungen erfahren Sie in Kapitel 17.

Ein Blick in die Zukunft

Revolutionäre Erkenntnisse der Neurowissenschaften können wir in den kommenden 20 Jahren in zwei Bereichen erwarten:

Behandlung und Heilung von Erkrankungen

Steigerung der Leistungsfähigkeit unseres Gehirns

Fehlfunktionen behandeln

Bis zum letzten Viertel des 20. Jahrhunderts schien es fast unmöglich, Störungen der Gehirnfunktion zu behandeln. Uns fehlten einfach die geeigneten Mittel und das Wissen, sie richtig einzusetzen. Die Hirnforschung hat das verändert und die Fortschritte in diesem Bereich gehen sehr schnell voran.

Medikamentöse Therapien

Die meisten psychischen Erkrankungen, wie Depressionen, Schizophrenie und Angst- und Zwangsstörungen, werden heute hauptsächlich medikamentös behandelt. Die meisten Medikamente wirken auf das Neurotransmittersystem. Die medikamentösen Therapien sind unterschiedlich wirksam und haben unterschiedlich schwere Nebenwirkungen. Von den Medikamenten der ersten und zweiten Generation hat man viel gelernt. Dieses Wissen fließt in die Entwicklung von Mitteln der dritten und aller weiteren Generationen. Medikamente, die psychische Erkrankungen, Persönlichkeitsstörungen oder Drogenabhängigkeit heilen könnten, würden die Menschheit verändern.

Transplantationen

Zelltransplantationen stellen bei neurologischen Erkrankungen wie Morbus Parkinson, bei dem in speziellen Hirnarealen eine kleine Anzahl von Zellen abstirbt, eine große Hoffnung dar. Das transplantierte Gewebe kann von einem Spender stammen oder es werden Stammzellen verwendet, die in der betroffenen Hirnregion zu den benötigten Zellen ausreifen.

Elektrische Stimulation

Die tiefe Hirnstimulation ist eine Technik, bei der bestimmte Hirnbereiche durch elektrische Impulse stimuliert und so krankheitsbedingte Fehlleistungen korrigiert werden sollen.

Die tiefe Hirnstimulation wird erfolgreich bei Morbus Parkinson und bei der Therapie verschiedener Arten des Zitterns eingesetzt. Sie zeigt außerdem schon Erfolge bei der Behandlung einiger Depressionsarten.

Neuroprothesen

Bisher war es nahezu unmöglich, Lähmungen nach Gehirn- oder Rückenmarksverletzungen zu behandeln, denn die motorischen Nerven, die die Muskeln versorgten, wurden entweder bei der Verletzung zerstört oder bildeten sich zurück, weil sie nicht mehr benutzt wurden. Es ist ein lang gehegter Traum in der Rehabilitation von gelähmten Patienten, die motorischen Signale direkt im Gehirn abzufangen, die geschädigte Stelle in Nervensystem zu überbrücken und die Muskulatur direkt mit den elektrischen Impulsen zu versorgen.

Andere Nervenprothesen dienen dazu, sensorische Fähigkeiten zu ersetzen. Am erfolgreichsten ist hierbei das Cochleaimplantat, mit dem gehörlose Patienten wieder hören können. Zum Zeitpunkt, als ich dieses Buch schrieb, waren weltweit etwa 80.000 Cochleaimplantate eingesetzt. In den meisten Fällen können sich die Patienten nach der Operation wieder normal unterhalten, sogar am Telefon.

Implantate, die das Sehen wieder ermöglichen, hatten bisher leider weniger Erfolg. Das liegt sicherlich zum einen daran, dass beim Sehen der Informationskanal wesentlich größer ist (eine Million Axone von Netzhautganglienzellen im Vergleich zu 10.000 Nervenfasern der Hörnerven). Zum anderen ist die Hörschnecke (Cochlea) für solch ein Implantat anatomisch besser geeignet. Bisher gab es Versuche mit Netzhautimplantaten und Implantaten im Sehzentrum des Gehirns. Doch keine der beiden Möglichkeiten führte zum Erfolg. Aber es wird weiter daran geforscht.

Unsere Fähigkeiten steigern: Verändern, wer wir sind

Wir Menschen beginnen damit, uns selbst zu verändern. Das geht weit über Impfstoffe, chirurgische Eingriffe oder Prothesen, die unseren Körper verändern, hinaus. Unser Gehirn wird direkt mit elektronischen Schaltkreisen und darüber dann mit dem Universum verbunden sein.

Die heutigen Technologien entwickeln sich immer weiter. Und irgendwann wird es vielleicht Nervenimplantate geben, die uns direkt mit dem Internet verbinden. Ähnliche Implantate könnten direkt in unserem Kopf Sprachen übersetzen oder wir wären in der Lage, komplizierte mathematische Aufgaben zu lösen. Und wir könnten mit jedem Menschen auf der Welt kommunizieren, indem wir an ihn denken.

Klingt das für Sie zu weit hergeholt? Bedenken Sie, dass es bereits Neuroprothesen gibt und diese einigen blinden oder gelähmten Menschen zu Versuchszwecken implantiert wurden. Die technischen Voraussetzungen, die dafür notwendig sind, existieren bereits. Allerdings muss die Wissenschaft noch an einer besseren Signalverarbeitung und an länger haltbaren Implantaten arbeiten. Doch in den kommenden 20 Jahren wird es in diesem Bereich sicherlich viele Fortschritte geben.

2

Gehirn und Rückenmark

In diesem Kapitel ...

Die Gehirnhälften und Gehirnlappen

Geschlechtsspezifische Unterschiede

Die Rolle des Rückenmarks im zentralen Nervensystem

Das vegetative Nervensystem

Bildgebende Verfahren

Genau in diesem Augenblick, während Sie lesen, verarbeitet Ihr Gehirn die Bilder dieser Seite und wandelt sie in Buchstaben, Wörter und Sätze um. Sie verstehen, was diese Bilder bedeuten, weil Ihr Gedächtnis die deutschen Wörter und die Grammatik abgespeichert hat und weil Ihr Wissen durch diese Wörter aktiviert wird. Doch währenddessen tut Ihr Gehirn noch viel mehr, ganz egal, wie sehr Sie sich gerade aufs Lesen konzentrieren. Es kontrolliert ständig sämtliche Körperfunktionen. Gleichzeitig können Sie sich auf Ihrem Stuhl bewegen, eine Tasse Kaffee nehmen, um einen Schluck zu trinken, und atmen.

Das Gehirn ist ein Netzwerk aus verschiedenen Teilsystemen und miteinander verknüpften Arealen. Gemeinsam mit dem Rückenmark (einschließlich der Netzhaut) bildet es das zentrale Nervensystem. Das Rückenmark ist über das periphere Nervensystem mit Muskeln, Organen und Rezeptoren verbunden. Zum peripheren Nervensystem gehört das vegetative Nervensystem. Es reguliert automatisch ablaufende Prozesse (Herzfrequenz, Verdauung, Körpertemperatur und so weiter). Das Nervensystem besteht aus Nervenzellen (Neuronen), die Signale verarbeiten und weiterleiten, und aus Gliazellen, die die Umgebung bilden, in der die Nervenzellen wohnen. Außerdem übernehmen sie verschiedene Aufgaben, damit die Nervenzellen gut funktionieren und glücklich sind.

Dieses Kapitel beschäftigt sich mit der Anatomie des Gehirns und des Rückenmarks, den umstrittenen Theorien, dass männliche und weibliche Gehirne Informationen anders verarbeiten, und es stellt kurz die Technologien vor, die eingesetzt werden, um zu verstehen, wie das Gehirn arbeitet.

Ein Blick in den Kopf: Das Gehirn und seine Areale

Die komplexeste Struktur dieses Universums ist (soweit uns bekannt ist) diese 1,4 Kilogramm schwere Ansammlung von Nervenzellen in unserem Kopf – das Gehirn. Es besteht aus etwa 100 Milliarden Nervenzellen. Das sind ungefähr genauso viele Zellen, wie es Sterne in unserer Milchstraße und allen Galaxien in dem uns bekannten Universum gibt.

Wie jede komplizierte Maschine besteht auch unser Gehirn aus verschiedenen Teilen, die wiederum in kleinere Bereiche gegliedert sind. Das setzt sich so lange fort, bis man zum kleinsten Baustein des Gehirns, den Nervenzellen, kommt.

In Abbildung 2.1 blicken Sie auf die linke Seite eines Gehirns. In den folgenden Abschnitten erfahren Sie mehr über die verschiedenen Bereiche des Gehirns.

Abbildung 2.1: Die Großhirnrinde

Der Neokortex

Fast das ganze Gehirn, das Sie in Abbildung 2.1 sehen, ist der Neokortex. Neo bedeutet »neu« und Kortex bedeutet so etwas wie »Hülle« oder »Außenhaut«.

Der Neokortex sieht aus wie ein großer dreidimensionaler Klumpen. Ausgebreitet besitzt er eine Fläche von fast einem viertel Quadratmeter. Damit er in den Schädel hineinpasst, ist er zusammengefaltet. So entstanden die Hirnwindungen und Furchen, die wir sehen, wenn wir das Gehirn von außen betrachten.

Ein großer Neokortex unterscheidet die Säugetiere von anderen Tieren. Der Neokortex des Menschen ist so groß, dass er, abgesehen von einem Teil des Kleinhirns, das gesamte Gehirn überzieht. Er ist verantwortlich für die meisten geistigen Fähigkeiten, die den Menschen auszeichnen.

Der Neokortex ist im Gehirn so etwas wie der oberste Kontrolleur. Tierarten, die es bereits vor den Säugetieren gab, können sich bewegen, nehmen ihre Umwelt wahr und legen komplexe Verhaltensmuster an den Tag, wie wir sie beispielsweise von Vögeln oder Echsen kennen. All diese Fähigkeiten werden von Hirnstrukturen gesteuert, die älter und in der Hierarchie unterhalb des Neokortex angesiedelt sind. Der Neokortex erlaubt eine neue Stufe vorausschauenden Verhaltens, insbesondere des Sozialverhaltens. Das gipfelt in der Fähigkeit, Werkzeuge herzustellen und eine Sprache und Bewusstsein zu entwickeln.

In den folgenden Abschnitten erfahren Sie alles über den Aufbau des Neokortex. Dazu zählen die vier Hauptlappen (frontal, parietal, temporal und okzipital), in die der Neokortex unterteilt wird, und einige der Hirnwindungen und Gräben, die man in der Großhirnrinde findet. Außerdem möchte ich Ihnen die Begriffe erklären, die verwendet werden, um die Lage verschiedener Hirnareale genauer zu beschreiben: dorsal, ventral, anterior und so weiter.

Auf dem Neokortex zurechtfinden: Dorsal, ventral, anterior und posterior

Stellen Sie sich einen Hai vor. Die dorsale Flosse ist auf dem Rücken des Hais und schaut aus dem Wasser. Dorsal bezieht sich also auf den Rücken des Hais, der sich oben befindet. Das Gegenteil von dorsal ist ventral und bezieht sich auf die Bauchseite, die beim Hai unten ist. Genauso verhält es sich bei einem Vierbeiner, wo sich dorsal auf oben und ventral auf unten bezieht. Beim Menschen und bei anderen Primaten gestaltet sich das schon schwieriger, denn wir stehen auf zwei Beinen. Wenn man hier vom Rückenmark ausgeht, dann ist dorsal in Richtung des Rückens und ventral in Richtung Bauch.

Wie werden diese Begriffe beim menschlichen Gehirn verwendet? Dort bezeichnet dorsal oben und ventral unten. Der Begriff anterior bezieht sich auf die Vorderseite (Stirn) und posterior bezieht sich auf die Hinterseite des Kopfes.

Windungen und Gräben: Gyri und Sulci

Die Gräben und Furchen der Großhirnrinde werden Sulci (Singular: Sulcus) genannt. Die Hirnwindungen zwischen den Furchen heißen Gyri (Singular: Gyrus). Das Gewebe der Hirnrinde ist sowohl an der Oberfläche der Hirnwindungen als auch am Boden der Furchen gleich (siehe Abbildung 2.2).

Abbildung 2.2: Die Hirnwindungen (Gyri) und Furchen (Sulci) des Neokortex

Manchmal trennen Furchen bestimmte Hirnbereiche wie Hirnlappen oder funktionelle Areale voneinander. Doch oft ist das nicht der Fall. Im Gehirn liegen Bereiche, die in engem Kontakt miteinander stehen, häufig nah beieinander. Doch letztendlich können im Gehirn alle Bereiche miteinander kommunizieren, egal, wie weit sie voneinander entfernt sind.

Einige Furchen und Gräben trennen Teile des Gehirns, die unterschiedliche Aufgaben besitzen (wie der Zentralsulcus, der den Frontallappen vom Parietallappen trennt). Einige Gehirnwindungen scheinen mit bestimmten Funktionen in Verbindung zu stehen (wie das Hörzentrum, das auf der oberen Windung des Temporallappens liegt). Doch den meisten Windungen und Gräben können keine spezifischen Funktionen zugeordnet werden. Außerdem variiert das Muster der Windungen und Furchen nicht nur zwischen den verschiedenen menschlichen Gehirnen, sondern sogar zwischen beiden Gehirnhälften.

Die linke und rechte Gehirnhälfte

Man kann gut erkennen, dass das Gehirn aus zwei fast identischen Gehirnhälften besteht. Die linke Gehirnhälfte kontrolliert hauptsächlich die rechte Körperseite. Sie ist auf Sprache spezialisiert und verarbeitet rationale und analytische Prozesse. Die rechte Hirnhälfte steuert die linke Körperseite und ist für das Erkennen visueller Muster zuständig. Außerdem benötigen wir sie für eine ganzheitliche Wahrnehmung.

Bei den meisten Aufgaben verfolgen beide Hirnhälften die Strategie »teile und herrsche«. Die linke Hälfte verarbeitet die Details und die rechte Hälfte setzt daraus das große Ganze zusammen. Die beiden Gehirnhälften sind durch die größte Leitungsbahn im Gehirn, dem Corpus callosum (auch Hirnbalken genannt), miteinander verbunden. Er besteht aus etwa 200 Millionen Nervenfasern.

Woher kennen Wissenschaftler die Unterschiede zwischen der rechten und linken Gehirnhälfte? Einige Erkenntnisse lieferten Patienten, die unter einer schweren Epilepsie litten und bei denen das Corpus callosum durchtrennt wurde, um zu verhindern, dass sich die Erregung von einer Gehirnhälfte auf die andere ausbreitet. Diesen Patienten konnten Reize nur einer Gehirnhälfte präsentiert werden (beispielsweise ein Gegenstand, den man zeigte). Lenkte man diese Reize auf die rechte (nicht-sprachliche) Gehirnhälfte, konnten die Patienten den Gegenstand nicht benennen, doch sie waren in der Lage, mit ihrer linken Hand (die von der rechten Gehirnhälfte gesteuert wird) auf ein Bild dieses Gegenstandes zu zeigen.

Vor einigen Jahren gab es populärwissenschaftliche Empfehlungen, dass die Menschen die linke analytische Gehirnhälfte meiden und stattdessen lernen sollten, die ganzheitliche, kreative rechte Gehirnhälfte zu benutzen. Die Wahrheit ist, dass wir für fast alle Aufgaben beide Hirnhälften nutzen und dass sogar Aufgaben, die eher von der linken Hirnhälfte übernommen werden, wie beispielsweise das Schreiben von Gedichten, zweifellos auch Kreativität verlangen.

Die vier großen Hirnlappen

Der Neokortex wird in vier große Hirnlappen unterteilt: den Frontal-, Parietal-, Temporal- und Okzipitallappen:

Zum Frontallappen (Stirnlappen) gehören, wie der Name schon sagt, alle vorderen Bereiche des Neokortex. Er reicht bis zu einer großen Furche, dem Zentralen Sulcus, der etwa in der Mitte des Gehirns liegt.

Der Parietallappen (Scheitellappen) reicht vom Zentralen Sulcus fast bis an die hintere Spitze des Gehirns.

Der Okzipitallappen (Hinterhauptslappen) liegt am weitesten hinten. Es gibt bei den meisten Gehirnen keine klare Grenze zwischen Okzipital- und Parietallappen.

Der Temporallappen (Schläfenlappen) ist ein zungenförmiger Ausläufer und reicht von der Grenze zwischen Okzipital- und Parietallappen bis in die vorderen Hirnregionen.

In den nächsten Abschnitten widme ich mich jedem Hirnlappen ausführlicher.

Der Frontallappen

Der Frontallappen (jede Gehirnhälfte besitzt natürlich einen) liegt, wie der Name schon sagt, frontal, also vorne. Er erstreckt sich von der Vorderseite des Schädels bis zu einer Furche, die den Frontallappen etwa auf der Hälfte des Gehirns vom Parietallappen trennt. Diese Furche wird Zentraler Sulcus genannt. Die Hirnwindung, die genau vor dem Zentralen Sulcus liegt und zum Frontallappen gehört, ist der primär-motorische Kortex.

Zellen des primär-motorischen Kortex senden ihre Axone zum Rückenmark und sind direkt mit Motoneuronen verbunden, die die Muskulatur aktivieren. Wissenschaftler wissen das, weil Neurochirurgen wie Wilder Penfield (1891–1976) herausgefunden haben, dass durch die elektrische Stimulation einzelner Hirnbereiche während einer Operation spontane Muskelbewegungen ausgelöst werden konnten. Penfield und andere Kollegen zeigten, dass zwischen dem Areal, das im primär-motorischen Kortex stimuliert wurde, und dem speziellen Muskel, der sich daraufhin bewegte, ein Zusammenhang bestand.

Die motorische Landkarte, auch Homunculus genannt, besitzt einige interessante Eigenschaften. Eine davon ist, dass der Bereich des primär-motorischen Kortex, der beispielsweise die Gesichts- und Handmuskeln steuert, wesentlich größer ist als der Bereich, der viel größere Muskeln wie die Beinmuskulatur kontrolliert. Der Grund dafür ist, dass die Muskeln im Gesicht viel genauer differenziert sind, um sehr komplexe und feine Bewegungsmuster auszuführen (denken Sie nur an die Vielzahl von Gesichtsausdrücken, die wir machen können). Bei größeren Muskeln unterscheidet sich dagegen häufig nur, wie stark sich die Muskelfasern zusammenziehen. Außerdem ist interessant, dass Bereiche, die beispielsweise Körperregionen wie Hände und Gesicht steuern, auf dem Homunculus eng beieinanderliegen. Mehr über diese spannende Landkarte erfahren Sie in den Kapiteln 4 und 10.

In Abbildung 2.3 können Sie sehen, wo der Motorkortex und andere wichtige Bereiche des Frontallappens lokalisiert sind.

Der vorderste Teil des Frontallappens wird Präfrontalkortex genannt. Beim Menschen nimmt er den größten Teil des Frontallappens ein. Bewegt man sich vom primär-motorischen Kortex nach vorne (Richtung Stirn), stößt man auf einige Bereiche mit besonderen Fähigkeiten. Am Nächsten zum primär-motorischen Kortex liegen Areale, die die Bewegung einzelner Muskeln koordinieren.

Abbildung 2.3: Bereiche innerhalb des Frontallappens

Der Präfrontalkortex liegt ganz vorne an der Stirnseite des Gehirns. Er verarbeitet sensorische Signale und steuert auf dieser Basis Handlungen. Das sind sehr komplexe Vorgänge. Nehmen Sie an, Sie spielen Tennis: Wenn der Ball kommt, können Sie sich (falls Sie dazu genügend Zeit haben) entscheiden, ob Sie den Ball mit der Vor- oder Rückhand annehmen wollen und ob Sie einen Topspin oder Slice schlagen. Sie können sich auch dafür entscheiden, den Ball nicht zurückzuspielen, weil Sie glauben, dass er ins Aus gehen wird. Diese Entscheidungen werden im vordersten Teil des Präfrontalkortex getroffen.

Stellen Sie sich den Frontallappen in seiner gesamten Ausdehnung vom Stirnbereich bis zum Zentraler Sulcus vor. Von den hintersten Teilen gehen fast alle Nervenbahnen direkt zu den Muskeln. Davor liegen Bereiche, die Bewegungsabläufe steuern. Davor wiederum liegen Areale, die eine abstrakte Handlungsplanung steuern. In diesen Bereichen wählen Sie aus unterschiedlichsten Handlungsmustern aus, bei denen völlig unterschiedliche Muskeln angeregt und ganz verschiedene Bewegungsabläufe gesteuert werden können. Oder es kann in diesem Bereich die Entscheidung fallen, dass Sie sich gar nicht bewegen (wie beim Tennis, wenn Sie den Eindruck haben, dass der Ball sicher ins Aus geht).

Der Präfrontalkortex ist bei Primaten größer als bei anderen Säugetieren. Und beim Menschen ist er wiederum größer als bei anderen Primaten. Das hängt mit dem Umfang komplexer Handlungssteuerungen der jeweiligen Spezies zusammen. Die meisten Säugetiere folgen einem Instinkt und leben nicht in einer hochdifferenzierten sozialen Gruppe. Primaten dagegen leben in komplexen Hierarchien und müssen zum Teil über Jahre hinweg an ihrer Rangordnung arbeiten. Menschen stellen Werkzeuge her und passen ihre Umwelt ihren Bedürfnissen an. Außerdem unterhalten sie Beziehungen zu Hunderten anderer Individuen (und das war noch vor Facebook).

Der Parietallappen

Gleich hinter dem Zentralen Sulcus befindet sich der Parietallappen. Von dort erstreckt er sich nach hinten, bis er in einem strukturell nicht so klar abgrenzbaren Bereich an den Okzipitallappen stößt (siehe Abbildung 2.1).

Im Parietallappen befinden sich Nervenzellen, die sensorische Informationen von der Haut und der Zunge erhalten. Außerdem werden dort sensorische Informationen der Ohren und Augen verarbeitet, die vorher in anderen Hirnbereichen eingegangen sind. Die meisten sensorischen Informationen der Haut (von Berührungs-, Temperatur- und Schmerzrezeptoren) erreichen über den Thalamus eine spezielle Hirnwindung, die direkt hinter dem Zentralen Sulcus liegt. Auf dieser Hirnwindung befindet sich eine Art Landkarte unserer Haut. Auf dieser Karte nehmen besonders sensible Bereiche, wie unser Gesicht oder die Fingerspitzen, einen deutlich größeren Bereich ein als Hautareale, die nicht so sensibel sind, wie beispielsweise unser Rücken. Wenn Sie das an den Aufbau des primär-motorischen Kortex genau auf der anderen Seite des Zentralen Sulcus erinnert, liegen Sie richtig. Der Homunculus, also die »Hirnkarte« der Haut, ähnelt stark der des primär-motorischen Kortex. Um komplexe motorische Aufgaben auszuführen, wie beispielsweise einen Knoten zu binden, benötigen Sie einen ausgeprägten Tastsinn, um diese Handlung zu steuern. In Kapitel 4 erfahren Sie mehr zur »Hirnkarte« der Haut.

Der Okzipitallappen

An der Rückseite des Gehirns befindet sich der Okzipitallappen. In diesem Bereich werden visuelle Signale verarbeitet, die von der Netzhaut zum Gehirn geschickt werden. Die Informationen der Netzhaut werden in geordneter Form auf den hinteren Bereich des Okzipitallappens projiziert. Dort ist die primäre Sehrinde. Sie wird auch V1 (für primärer visueller Kortex) genannt. Die Aktivitäten in V1 entsprechen dem, was sich gerade in Ihrem Blick befindet. Mit anderen Worten, auch hier findet man eine Art »Hirnkarte«.

Im Okzipitallappen gibt es noch weitere visuelle Landkarten (V2, V3, V4 und so weiter), die sich von V1 unterscheiden. Doch alle sind wichtig, damit wir sehen können. Manche Bereiche sind darauf spezialisiert, Farben zu erkennen, sie dienen der Tiefenwahrnehmung oder ermöglichen es uns, Bewegung zu erkennen. Diese visuellen Sinneswahrnehmungen werden außerdem noch in Bereichen des Parietal- und Temporallappens weiterverarbeitet. Doch das ist immer abhängig von der ersten Verarbeitung im Okzipitallappen. Wissenschaftler wissen das, weil eine Schädigung von V1 zur Blindheit in dem Teil des Gesichtsfeldes führte, das dort projiziert wurde.

Die Tatsache, dass ein ganzer Hirnlappen nötig ist, damit wir sehen können, zeigt, wie wichtig das für uns ist und welchen Stellenwert das Sehen innerhalb aller anderen Sinne für uns hat.

Der Temporallappen

Der Temporallappen übernimmt Aufgaben beim Hören und Sehen. Der obere und mittlere Teil des Temporallappens erhält akustische Signale von dem Teil des Thalamus, an den Sinneswahrnehmungen der Ohren weitergeleitet werden. Der untere Teil des Temporallappens spielt beim Sehen eine Rolle und ist an der Erkennung von Objekten und Mustern beteiligt. Der mittlere und vordere Teil des Temporallappens ist an komplexen Prozessen wie der Erkennung von Gesichtern und dem Wiedererkennen in Zusammenhang mit dem Gedächtnis beteiligt.

Unterhalb der Hirnrinde: Der Thalamus

Was liegt (auch hierarchisch) unterhalb der Hirnrinde? Der Thalamus. Die Hirnrinde kommuniziert mit dem restlichen Gehirn hauptsächlich über eine Struktur, die Thalamus genannt wird. In Abbildung 2.4 können Sie sehen, wo sich der Thalamus im Gehirn befindet.

Abbildung 2.4: Der Thalamus und das limbische System

Der Thalamus und eine andere Struktur, die Hypothalamus genannt wird (und Funktionen wie Körpertemperatur und zirkadianen Rhythmus steuert), bilden das Zwischenhirn (Diencephalon). Das Zwischenhirn hat seinen Namen wegen seiner Lage genau unter der Hirnrinde und seiner Rolle in der Embryonalentwicklung.

Das Wort Thalamus stammt von dem griechischen Wort tholos ab, mit dem Eingangshallen bezeichnet wurden. Sehen Sie den Thalamus also als eine Art Eingangstor zur Hirnrinde. Es werden nahezu alle Signale der Sinnesorgane und anderer subkortikaler Bereiche durch den Thalamus geleitet. Und viele Bereiche der Hirnrinde kommunizieren über den Thalamus miteinander.

Welche Aufgaben hat der Thalamus genau? Man könnte ihn als Kommandozentrale bezeichnen, die kontrolliert, welche Informationen die einzelnen Bereiche der Hirnrinde untereinander und mit dem restlichen Gehirn austauschen. Während die Hirnrinde die Muster, die Sie anschauen, exakt analysiert, kontrolliert der Thalamus, wo Sie hinschauen. Ist die Hirnrinde beschädigt, verlieren Sie spezielle Fähigkeiten. Bei einer Schädigung des Thalamus verlieren Sie das Bewusstsein.

Das limbische System und andere wichtige subkortikale Bereiche

Unterhalb der Hirnrinde und des Thalamus befinden sich verschiedene wichtige subkortikale Gehirnareale. Zu den wichtigsten gehört ein Netzwerk aus entwicklungsgeschichtlich sehr alten Kernen, die das limbische System bilden. (Wenn man sagt, dass die Kerne des limbischen Systems entwicklungsgeschichtlich sehr alt sind, bedeutet das, dass sie schon bei Arten existierten, die viel älter sind als die Säugetiere, wie Vögel, Echsen und vermutlich auch Dinosaurier.) Innerhalb des limbischen Systems gibt es wichtige Hirnstrukturen (siehe Abbildung 2.4).

Das limbische System hat sich entwickelt, damit bei der Kontrolle des Verhaltens durch den Hippocampus und die Amygdala das Gedächtnis mit einbezogen werden kann. Diese Gedächtnisstrukturen kommunizieren nicht nur mit dem Neokortex, sondern auch mit einem älteren Bereich der Hirnrinde, dem Gyrus cinguli. Der Gyrus cinguli ist ein Teil der Hirnrinde, der sich zum obersten Kontrolleur des Verhaltens entwickelt hat.

Viele Gehirnforscher glauben, dass das alles folgendermaßen funktioniert. Tiere wie Echsen (die schon lange vor den Säugetieren existierten) besaßen schon eindeutig ein Gedächtnis, obwohl ihnen ein Neokortex fehlte. Das Gedächtnis modifiziert bei solchen Tieren das Verhalten über Gefühle. Wenn eine Echse einen Kampf gegen einen Rivalen verlor, bekam sie Angst, wenn sie ihn noch einmal traf. Befand sich eine Echse in einem Gebiet, in dem sie bereits erfolgreich nach Nahrung gesucht hatte, wurde sie hungrig und machte sich auf die Suche nach leckeren Insekten.

Allgemeine Verhaltensmuster von Tieren sind angelegt, um spezielle Ziele zu erreichen: Sie können entweder Nahrung suchen, Feinden aus dem Weg gehen oder einen Partner suchen. Viele dieser Ziele sind instinktgesteuert. Hirnareale innerhalb des limbischen Systems speichern Erinnerungen vorangegangener Erfahrungen, um damit den reinen Instinkt zu verändern: Wenn diese Tiere lange nichts gefressen hatten, waren sie wahrscheinlich sehr hungrig, aber vermutlich nicht, wenn gerade ein Raubvogel über ihnen kreiste.

Säugetiere verfügen zusätzlich zu den subkortikalen Hirnarealen, die schon unsere Wirbeltier-Vorfahren besessen haben, über den Thalamus und den Neokortex. Anstatt die älteren Hirnareale zu ersetzen, haben sich leistungsfähigere, übergeordnete Regionen entwickelt. Viele Raubtiere jagen im Rudel. Dabei wechselt sich bei der Jagd manchmal ein Teil des Rudels mit dem anderen Teil ab. Dazu benötigen diese Tiere sehr komplexe und flexible Strategien. Niemals werden Sie eine Echse sehen, die so jagt. Obwohl sie über ein limbisches System und Gedächtnisbereiche wie den Hippocampus verfügt, fehlt ihr ein großer Neokortex, um wirklich komplexe gedächtnisabhängige Handlungen zu planen.

Die folgenden Abschnitte widmen sich detaillierter den für das Gedächtnis wichtigen Bereichen wie Hippocampus und Mandelkern und den Bereichen, mit denen sie in Verbindung stehen.

Der Hippocampus

Das limbische System ist ein Bereich im Gehirn, der an der Entstehung und Verarbeitung von Emotionen beteiligt ist. Mittlerweile ist bekannt, dass der Hippocampus, ein Areal innerhalb dieses Systems, eine entscheidende Rolle bei der Gedächtnisausbildung spielt. Der Hippocampus erhält fast von der gesamten Hirnrinde Informationen, die verarbeitet und dann zurückgesandt werden. Dadurch spielt er eine wichtige Rolle bei der Entstehung des Langzeitgedächtnisses.

Die Amygdala

Vor dem Hippocampus liegt die Amygdala, eine Gedächtnisstruktur, die hauptsächlich an der Verarbeitung von Emotionen beteiligt ist. Sie kommuniziert mit dem Präfrontalkortex, um große Gefühle wie Angst, Wut, Glück, Ekel, Erstaunen oder Traurigkeit zu erzeugen oder zu verarbeiten. Menschen, bei denen die Amygdala geschädigt ist, können mit Situationen, die Angst erzeugen, schlechter umgehen.

Orbitofrontalkortex

Die Amygdala und andere Bereiche des limbischen Systems kommunizieren mit dem Orbitofrontalkortex. Dabei handelt es sich um den mittleren und unteren Teil des Präfrontalkortex. Nehmen wir an, Sie wären an einem Freitagabend auf der Heimfahrt an einer Kreuzung beinahe mit einem anderen Auto zusammengestoßen. Es ist sehr wahrscheinlich, dass Sie ab jetzt immer, wenn Sie diese Kreuzung erreichen (und vor allem an Freitagen), ein mulmiges Gefühl in der Magengrube spüren. Ihr Orbitofrontalkortex hat die Situation und die Amygdala hat die Angst gespeichert.

Der vordere Teil des Gyrus cinguli

Die Amygdala und andere Bereiche des limbischen Systems kommunizieren mit dem vorderen Teil (Pars anterior) des Gyrus cinguli (siehe Abbildung 2.4). Dieses Hirnareal scheint zu kontrollieren, welche Fortschritte bei der Erreichung eines Ziels zu verzeichnen sind, und eine Strategieänderung einzuleiten, falls das Ziel nicht erreicht werden kann.

Die Basalganglien

Andere subkortikale Strukturen, die für Planung, Organisation und für die Ausführung von Bewegungen wichtig sind, sind die Basalganglien. Sie bestehen aus fünf Hauptkernen: Nucleus caudatus (geschweifter Kern), Putamen (Schalenkörper), Globus pallidus, Substantia nigra und dem Nucleus subthalamicus (siehe Abbildung 2.5).

Abbildung 2.5: Die Basalganglien und das Kleinhirn

Die Basalganglien stellen ein Kernsystem dar, das mit dem Thalamus und der Hirnrinde in Verbindung steht, um unser Verhalten zu steuern. In der folgenden Liste wird jeder Teil dieses Systems noch einmal genauer unter die Lupe genommen:

Nucleus caudatus (geschweifter Kern): Informationen vom Neokortex erreichen die Basalganglien hauptsächlich über den Nucleus caudatus und über das Putamen. Diese beiden Bereiche werden auch Striatum genannt. Anatomisch gesehen ist der Nucleus caudatus ein Zellring, der den Basalganglien-Komplex (außer auf der Unterseite) umschließt.

Das Putamen: Das Putamen ist ein ausgedehnter Kern innerhalb des Basalganglien-Komplexes.

Der Globus pallidus: Er sendet größtenteils hemmende Signale an den Thalamus.

Die Substantia nigra : Dieser Kern ist dafür bekannt, dass er bei der Parkinson'schen Erkrankung, die durch das Absterben dopaminerger Nervenzellen in diesem Kern verursacht wird, eine große Rolle spielt. Ohne diese Nervenzellen wird es schwierig, bewusste Bewegungen auszuführen.

Der Nucleus subthalamicus : Dieser Bereich moduliert die Signale, die vom Globus pallidus ausgehen. Er ist häufig das Ziel chirurgischer Eingriffe, wenn zur Parkinson-Therapie eine tiefe Hirnstimulation eingesetzt wird.

Die funktionelle Architektur der Basalganglien ist immer noch nicht gänzlich erforscht. Sie sind ähnlich wie das Kleinhirn (Cerebellum) strukturiert. Die Basalganglien stehen mit dem Kleinhirn in Verbindung. Mehr über das Kleinhirn erfahren Sie im Abschnitt »Bewegung steuern: Das Kleinhirn«.

Übertragung zwischen dem Gehirn und dem Rückenmark

Die nächsten drei Hirnareale, mit denen ich mich beschäftige – das Mittelhirn, Brücke und Medulla und das Kleinhirn – spielen eine wichtige Rolle bei der Signalübertragung vom Gehirn zum Rückenmark. Diese Bereiche sind entwicklungsgeschichtlich sehr alt. Man findet sie bei allen Wirbeltieren. Sie kontrollieren die Fortbewegung, Augenbewegungen und regulieren Körperfunktionen wie Atmung, Herzfrequenz und Körpertemperatur.

Das Mittelhirn

Das Mittelhirn liegt von den drei genannten Hirnarealen am oberflächlichsten. Es enthält Prozessoren, die die Augenbewegung steuern, und hilft dabei, Geräusche zu lokalisieren.

Der große visuelle Bereich im Mittelhirn ist der Colliculus superior, der schnelle, ruckartige Rückbewegungen der Augen, so genannte Sakkaden, steuert. Beim Menschen erhält er von etwa einem Zehntel der Netzhautganglienzellen Informationen. Diese Zahl kann bei anderen Säugetieren weit höher sein. Bei einfachen Wirbeltieren wie Fröschen ist der Colliculus superior das Hauptziel der Netzhaut und der wichtigste Bereich für die Koordination von Verhaltensweisen, die vom Sehen abhängig sind.

Forscher am MIT haben in den späten 50er Jahren herausgefunden, dass bestimmte Ganglienzellen im Froschauge ausschließlich auf kleine, sich bewegende Objekte reagieren, die von der Größe den Insekten entsprechen, die der Frosch jagt. Die elektrische Stimulation bestimmter visueller Hirnareale des Frosches lässt seine Zunge herausschnellen und nach imaginären Insekten schnappen. Bei Säugetieren wie dem Menschen kontrolliert der Colliculus superior hauptsächlich die Augenbewegungen. Die Kontrolle visuell gelenkten Verhaltens, wie das Schlagen eines Tennisballs, übernimmt bei uns das System Thalamus-Neokortex.

Akustische Signale vom Innenohr werden in eine Region übertragen, die genau unter dem Colliculus superior liegt. Sie wird Colliculus inferior genannt. Nervenzellen dieser Region sind mit Nervenzellen des akustischen Teils des Thalamus verbunden. Dieser wiederum steht in Verbindung mit dem Hörzentrum auf dem Temporallappen.

Zum Mittelhirn gehört auch ein Basalganglion, die Substantia nigra (siehe Abbildung 2.5). Andere Kerne im Mittelhirn, wie der Locus caeruleus, die Raphe-Kerne und die ventrale tegmentale Zone, schicken großflächig regulierende Signale zum Neokortex. Das heißt, dass sie viele Nervenzellen in verschiedenen Hirnregionen erreichen und ihnen leichte hemmende oder erregende Signale senden, anstatt hauptsächlich bestimmte Nervenzellen zu stimulieren.

Die Formatio reticularis

Ein wichtiges Hirnareal, das sich durch einige Bereiche unterhalb der Hirnrinde und damit auch durch das Mittelhirn zieht, ist die Formatio reticularis (Retikulärformation). Das Wort reticularis stammt vom lateinischen Wort für »Netz« ab. Die Retikulärformation ist keine umrissene Hirnstruktur, sondern ein Netzwerk, das sich über einige Hirnareale erstreckt und mit zahlreichen Arealen kommuniziert. Sie verläuft durch das Mittelhirn, den Pons (Brücke) und die Medulla und erstreckt sich von retikulären Bereichen über dem Mittelhirn und unterhalb der Medulla bis ins Rückenmark. Die Formatio reticularis kontrolliert alle lebenswichtigen Funktionen, wie Herzfrequenz, Atmung, Körpertemperatur und sogar den Wachheitszustand. Eine Schädigung der Retikulärformation führt normalerweise dazu, dass die Betroffenen im Koma liegen oder sterben.

Der Pons und die Medulla

Im Pons (Brücke ) unterhalb des Mittelhirns befinden sich Kerne, die verschiedene Hör- und Gleichgewichtsfunktionen regeln. Damit Sie beispielsweise ein Geräusch lokalisieren können, vergleichen diese Kerne die Signale beider Ohren miteinander (Lautstärke und unterschiedliches zeitliches Eintreffen eines akustischen Signals). Einige Kerne der Brücke erhalten Signale vom Gleichgewichtsorgan des Innenohrs und kommunizieren mit dem Kleinhirn, damit Sie das Gleichgewicht halten können. Die Brücke erhält sensible Signale vom Gesicht und sendet motorische Nerven zur Gesichtsmuskulatur, um den bewussten und unbewussten Gesichtsausdruck zu kontrollieren.

Unterhalb der Brücke liegt der unterste Teil des Gehirns, der Medulla genannt wird. Das untere Ende der Medulla ist der Beginn des Rückenmarks. Die Medulla besteht größtenteils aus Nervenfasern, die sensorische Informationen von der Haut, den Muskeln und den Sehnen zum Gehirn transportieren und motorische Signale vom primär-motorischen Kortex im Frontallappen über das Rückenmark zu den Muskeln weiterleiten. Die Medulla erhält sensorische Informationen von Mund (dazu gehören auch Signale der Geschmacksnerven der Zunge), Gesicht und Hals.

Bewegung steuern: Das Kleinhirn

Das Kleinhirn (Cerebellum) ist eine komplexe Schaltzentrale zur Steuerung der Motorik. Es enthält etwa die Hälfte der Nervenzellen des gesamten Nervensystems. Wie die Großhirnrinde finden wir auch beim Kleinhirn viele Windungen und Furchen. Es ist einer der entwicklungsgeschichtlich ältesten Teile des Gehirns. Alle Wirbeltiere besitzen ein Kleinhirn. Das Kleinhirn ist zuständig für die Planung und Feinabstimmung von Bewegungsabläufen. Eine Beschädigung des Kleinhirns hätte langsame, ungeschickte, roboterartige Bewegungen zur Folge.

Das Kleinhirn befindet sich in der hinteren Schädelgrube unterhalb des Okzipitallappens. Die meisten Nervenverbindungen reichen über den Thalamus zur motorischen Hirnrinde. Das Kleinhirn besitzt eine äußere Rinde, eine innere weiße Masse und vier Kernpaare. Fast alle Informationen, die das Kleinhirn erreichen oder verlassen, passieren diese tiefen Kerne. Die meisten Signale, die vom Kleinhirn kommen, hemmen den Thalamus, denn dort modifizieren sie die motorischen Signale aus der motorischen Hirnrinde, um weiche, feine Bewegungen zu erzeugen.

Unterschiede: Größe, Aufbau und andere Varianten

Doch das menschliche Gehirn ist nicht bei allen Menschen identisch. Nun stellt sich die Frage, wie viele Unterschiede gibt es und wie wichtig sind sie? Die folgenden Abschnitte gehen auf einige Unterschiede ein.

Meins ist größer als deins

Ein ganz offensichtlicher Unterschied zwischen einzelnen Gehirnen ist die Größe. Ein durchschnittliches Gehirn hat ein Volumen von etwa 1300 Kubikzentimetern. Bei Erwachsenen gibt es häufig eine zehnprozentige Abweichung von diesem Durchschnittswert. Das bedeutet, das Gehirn mancher Menschen kann zehn Prozent größer oder kleiner als 1300 Kubikzentimeter sein.

Die Gehirngröße scheint von der Körpergröße abzuhängen. Dadurch haben große Männer größere Gehirne als kleine Frauen. Doch dieser Unterschied besitzt keine besondere Bedeutung. Es gibt viele dokumentierte Fälle, in denen Genies eher ein kleines Gehirn hatten, und wir haben sicherlich alle schon Dummköpfe mit einem großen Gehirn getroffen (oder zumindest einem großen Kopf, denn das ist das, was wir sehen können).

Die inneren Werte zählen: Strukturelle Unterschiede

Wie sieht es mit dem strukturellen Aufbau des Gehirns aus? Jeder besitzt mehr oder weniger dieselben Hirnwindungen und Furchen, doch auch hier gibt es kleine Abweichungen. Wenn man ein menschliches Gehirn genau betrachtet, kann man erkennen, dass beide Gehirnhälften keine identischen Spiegelbilder voneinander sind.

Diese Unterschiede bestehen nicht nur zwischen den Gehirnhälften, sondern auch zwischen den einzelnen Gehirnen.

Unterschiede in der internen Verschaltung lassen sich so allerdings nicht erkennen.

Geschlechtsspezifische Unterschiede

Auch wenn der allgemeine Aufbau und die inneren Verschaltungen bei den Gehirnen von Männern und Frauen nahezu identisch sind, haben aktuelle Studien ergeben, dass Unterschiede bei der Signalverarbeitung bestehen. Männer bevorzugen den großen Überblick und die bildliche Verarbeitung von Wissen, während Frauen eher ein lineares Wissenssystem besitzen. Fragen Sie einen Mann nach dem Weg, wird er Ihnen im Allgemeinen beschreiben, wo Sie sich gerade befinden und wie Sie von hier aus ungefähr fahren müssen, um ans Ziel zu kommen. Eine Frau wird Ihnen dagegen genau erklären, in welcher Reihenfolge Sie wie abbiegen müssen. Ja – manchmal sprechen Männer und Frauen einfach eine unterschiedliche Sprache.

In den folgenden Abschnitten werden einige kontroverse Hypothesen über die Unterschiede männlicher und weiblicher Gehirne diskutiert.

Welchen Teil Ihres Gehirns nutzen Sie? Seitenunterschiede

Ein offenkundiger (aber strittiger) Unterschied besteht darin, dass sich das Ausmaß der Spezialisierung beider Hirnhälften bei Männern und Frauen unterscheidet. Untersuchungen haben gezeigt, dass Frauen bei gleicher Aufgabenstellung mehr Hirnareale und symmetrischer verteilte Areale als Männer nutzen. Frauen verfügen auch über eine größere Anzahl Nervenfasern im Hirnbalken, der beide Hirnhälften miteinander verbindet.

Man nimmt an, dass die Gehirne von Männern stärker lateralisiert sind. Das bedeutet, dass bei Männern bestimmte Funktionen mehr auf eine Gehirnhälfte festgelegt sind als bei Frauen.

Diese Hypothese besagt weiterhin, dass männliche Gehirne dadurch höher spezialisiert sind, besonders was das räumliche Vorstellungsvermögen in der rechten Gehirnhälfte betrifft. Das hat den Vorteil, dass Männer Aufgaben der rechten Gehirnhälfte besser lösen können. Der Nachteil davon ist allerdings, dass Hirnschädigungen einer Gehirnhälfte größeren Schaden anrichten, da die gespiegelte Region auf der anderen Gehirnhälfte nicht über die gleichen Fähigkeiten verfügt.

Autismus tritt bei Männern häufiger auf als bei Frauen. Man sagt sogar, dass Autismus als eine Ausprägung eines »ultra-männlichen« Gehirns gesehen werden kann, das über hervorragende Inselbegabungen, aber eine sehr schlechte Entwicklung der Sprache und sozialer Fähigkeiten verfügt.

Die Lateralisationstheorie erklärt auch, warum Frauen im Vergleich zu Männern sprachbegabter sind: Die geringere Spezialisierung ermöglicht den beiden Hirnhälften eine bessere Sprachverarbeitung.

Diese Fragen und Annahmen sind noch lange nicht vollständig geklärt. Einige Wissenschaftler sind der Meinung, dass die beobachtete unterschiedliche Hirnaktivität bei Männern und Frauen ausschließlich kulturelle Ursachen hat. Andere wiederum gehen davon aus, dass die Gehirne von Männern und Frauen unterschiedlich empfindlich für die Entwicklung der Lateralisation der Sprache oder des räumlichen Vorstellungsvermögens sind.

Die Rolle der Gehirnentwicklung

Diese Hypothesen sind schwer zu belegen, weil Erfahrungen die Gehirnentwicklung beeinflussen. Deshalb können kulturelle Geschlechterunterschiede echte biologische Unterschiede bei den Gehirnen von Männern und Frauen hervorrufen. Diese kleine Meinungsverschiedenheit hat viele Doktorarbeiten und wissenschaftliche Artikel nach sich gezogen. Und sowohl die Befürworter als auch die Gegner dieser Theorien sind sehr produktiv.

Was kann in der Gehirnentwicklung geschlechtsspezifische Seitenunterschiede hervorrufen? Die Hormone Testosteron, Östrogen und Oxytocin scheinen sich auf das Gehirn auszuwirken. So können Testosteroninjektionen bei Frauen männliches Verhalten und männliche Vorlieben auslösen. Östrogen bewirkt das Gegenteil bei Männern. Oxytocin, ein Hormon, das von Frauen während der Geburt ausgeschüttet wird, kann eine Art »Bärenmutter-Verhalten« hervorrufen. Alle innerhalb der Gruppe werden umsorgt, aber Eindringlingen werden Aggressionen entgegengebracht.

Das Rückenmark: Der Vermittler zwischen den Nervensystemen

Das Rückenmark hat eine Schlüsselfunktion im zentralen Nervensystem. Es verbindet das zentrale mit dem peripheren Nervensystem. Die sensorischen Nerven und Alpha-Motoneuronen bilden das periphere Nervensystem, das das bewusste Verhalten und Fühlen übermittelt.

Das Rückenmark hat auch die Aufgabe, zu koordinieren und zu vernetzen, obwohl es in der Kontroll-Hierarchie eher auf einer unteren Stufe steht. Es übermittelt für alle Gliedmaßen das Feedback zwischen den sensorischen und motorischen Leitungsbahnen und koordiniert die Bewegung der Gliedmaßen während der Fortbewegung.

Der zentrale Muskelgenerator

Einige der ersten neurologischen Experimente von Wissenschaftlern wie Sir Charles Scott Sherrington (1857–1952) bewiesen die Existenz von zentralen Muskelgeneratoren im Rückenmark vierbeiniger Tiere wie Katzen. Der zentrale Muskelgenerator steuert die abwechselnde Bewegung der Vorder- und Hinterbeine und der Gliedmaßen der rechten und linken Seite.

Die Abstimmung zwischen Vorder- und Hinterbeinen ist je nach Gangart unterschiedlich. Beim normalen Vierbeinergang befinden sich die beiden Vorderbeine in einer Antiphase zueinander, genauso wie die beiden Hinterbeine. Und die Vorder- und Hinterbeine einer Körperseite bewegen sich ebenfalls antiphasisch zueinander. Wenn also das linke Vorderbein zurückgeht, wird das linke Hinterbein nach vorne bewegt. Bei anderen Gangarten wie Trab oder Galopp liegen die Bewegungsphasen anders.

Sherrington zeigte in Tierexperimenten, dass diese Gangarten ganz allein vom Rückenmark gesteuert wurden, indem er die Verbindungen des Rückenmarks zum Gehirn kappte. Doch das Gehirn wird zweifellos zur Entscheidung benötigt, welche Gangart ausgeführt werden soll.

Jeder Abschnitt des Rückenmarks ist die Schaltstelle für einen bestimmten Bereich des Körpers. Außerdem findet man Verbindungen zu anderen Rückenmarksegmenten und zum und vom Gehirn (über die Medulla den ganzen Weg bis zum Neokortex). Das obere Ende des Rückenmarks versorgt den Hals, während die unteren Segmente die Muskulatur der Füße innervieren und sensorische Reize der Füße aufnehmen. Das Rückenmark wird in acht Hals-, zwölf Brust-, fünf Lenden-, fünf Sakral- und ein rudimentäres Steißsegment unterteilt. Diese werden von oben nach unten nummeriert. Das oberste Halssegment ist also C1 und das unterste Sakralsegment ist S5.

Der Rückenmarksreflex

Die Grundlage koordinierter Bewegung, die vom Rückenmark übermittelt wird, ist der Rückenmarksreflex. Die Anatomie dieses Reflexes sehen Sie in Abbildung 2.6. Den Kniesehnenreflex kennen Sie bestimmt. Ein Schlag unterhalb der Kniescheibe reizt die Spindelrezeptoren des Oberschenkelmuskels (Quadrizeps). Sie senden ein Signal an das Rückenmark. Durch Interneuronen werden Alpha-Motoneuronen aktiviert. Diese schicken einen Impuls an den Muskel. Er zieht sich zusammen und der Unterschenkel schnellt nach oben.

Alpha-Motoneuronen sind Nervenzellen, die Skelettmuskelfasern innervieren und für die Kontraktion dieser Muskeln zuständig sind. Die Zellkörper der Motoneuronen befinden sich im ventralen Teil des Rückenmarks (zur Bauchseite des Körpers). Die Nervenfasern, die die Muskeln versorgen, verlassen das Rückenmark über die ventrale Wurzel.

An der Rückseite des Rückenmarks (dorsal) verlaufen die Nervenfasern sensorischer Nervenzellen, wie beispielsweise von Dehnungsrezeptoren, die an der dorsalen Wurzel in das Rückenmark eintreten.

Abbildung 2.6: Der Rückenmarksreflex

Wenn der Arzt mit einem Gummihämmerchen leicht unterhalb Ihrer Kniescheibe auf die dort befindliche Sehne klopft, registrieren Dehnungsrezeptoren des Oberschenkelmuskels diesen Reiz und melden ihn an das Rückenmark. Es kommt zu einer Reflexantwort. Der Oberschenkelmuskel zieht sich zusammen und das Kniegelenk wird gestreckt. Mit diesem Test wird die Unversehrtheit Ihres peripheren Nervensystems untersucht.

Was kann man in Abbildung 2.6 nicht sehen? Die Leitungsbahnen und Verbindungen, die die Rückenmarksegmente miteinander verbinden und die Verbindungen zum Gehirn sind nicht zu sehen:

Der Reiz wird zum Gehirn übertragen. Die sensorischen Reize treten über die hintere Wurzel in das Rückenmark ein und werden von dort zum Gehirn übertragen (zur somatosensorischen Hirnrinde, gleich hinter dem Zentralsulcus).

Motorische Reize, die vom Gehirn kommen. Nervenzellen des primär-motorischen Kortex übertragen motorische Signale bis zu den Alpha-Motoneuronen des Rückenmarks. Diese leiten den Bewegungsreiz dann zur Muskulatur weiter und Sie können sich bewegen.

Die Kommunikation zwischen den Rückenmarksegmenten. Die Rückenmarksegmente kommunizieren miteinander, um die Körperbewegungen zu koordinieren. Wenn Sie stehen und dabei Ihr linkes Knie einknickt, wird sich als Kompensation, damit Sie nicht stürzen, vermutlich Ihr rechtes Knie versteifen und Ihr linker Arm wird angehoben. Diese Verbindungen spielen auch beim zentralen Muskelgenerator, der den Gang steuert, eine Rolle.

Die Muskeln bewegen

Wie funktionieren Muskeln? Muskeln bestehen aus Zellen, die in langen, parallel verlaufenden Strängen angeordnet sind. Sie sind an den Enden über Sehnen mit den Knochen verbunden. Die Muskelzellen enthalten Proteinstränge, die Aktin und Myosin genannt werden. Werden diese Proteine stimuliert, gleiten sie übereinander und die Muskelzelle zieht sich auf ihrer gesamten Länge zusammen. Das ist eine Muskelkontraktion.

Die Alpha-Motoneuronen übertragen den Bewegungsreiz und stimulieren die Muskelzellen, indem sie den Neurotransmitter Acetylcholin ausschütten. Die Rezeptoren der Muskelzellen nehmen das Acetylcholin auf. Dadurch wird ein Aktionspotenzial (ein elektrischer Impuls in der Zelle, der zur sofortigen Kontraktion der Muskelzelle führt) ausgelöst. Aktin und Myosin verschieben sich übereinander und es kommt zur Muskelkontraktion.

Kämpfen oder Fliehen: Das vegetative Nervensystem

In den vorangegangenen Abschnitten wurden die Hauptbestandteile des zentralen Nervensystems (das Gehirn und das Rückenmark) genauer unter die Lupe genommen. Außerdem haben Sie erfahren, wie das periphere Nervensystem funktioniert. Doch Sie besitzen noch ein weiteres Nervensystem. Es steuert nicht die Skelettmuskulatur, sondern Drüsen, das Herz oder die glatte Muskulatur von Organen wie dem Verdauungstrakt. Das ist das vegetative Nervensystem.

Das vegetative Nervensystem gliedert sich in zwei Hauptbestandteile, dem sympathischen und parasympathischen Anteil. Sie treten häufig als Gegenspieler zueinander auf. Das sympathische Nervensystem bereitet den Körper zulasten anderer Körperfunktionen auf sofortige Reaktionen vor (Kämpfen oder Fliehen). Die beiden Anteile des vegetativen Nervensystems verwenden zwei unterschiedliche Neurotransmitter (Noradrenalin für den sympathischen und Acetylcholin für den parasympathischen Teil) und haben einen gegensätzlichen Effekt auf die von ihnen gesteuerten Organe. Noradrenalin beschleunigt beispielsweise die Herzfrequenz, während Acetylcholin sie verlangsamt.

Noradrenalin erweitert auch die Pupillen und die Bronchien, vermindert die Verdauung und hemmt die Kontraktion der Harnblase und den Blutfluss zu den Genitalien. Eine Überstimulation des sympathischen Nervensystems durch wiederholten oder chronischen Stress ist für den Körper schädlich und wird auf Dauer zu Herz-Kreislauf- und anderen stressbedingten Erkrankungen führen.

Woher wissen wir, wie unser Nervensystem funktioniert?

Wir können nicht sofort erkennen, dass unser Gehirn für unsere Gedanken, das Bewusstsein und für die Kontrolle der Körperfunktionen verantwortlich ist. Berühmte Wissenschaftler des Altertums glaubten, dass das Gehirn die Aufgabe hätte, den Körper über den Schädel zu kühlen, und dass das Herz der Sitz der Intelligenz sei. Seitdem hat die Wissenschaft natürlich große Fortschritte gemacht. In den folgenden Abschnitten erfahren Sie, welche Untersuchungsmethoden dabei geholfen haben, die Geheimnisse unseres Gehirns und des Nervensystems zu lüften.

Die Untersuchung von Hirnverletzungen

Die ersten Hinweise auf die Funktion des Gehirns erhielten Wissenschaftler durch Funktionsstörungen, die durch Kopfverletzungen hervorgerufen worden waren. Im frühen 20. Jahrhundert machte die Wissenschaft erste große Fortschritte, indem man die zelluläre Zusammensetzung des Gehirns, die so genannte Zytoarchitektur, studierte. Außerdem untersuchte man die Leitungsbahnen, die die unterschiedlichen Hirnareale miteinander verbinden. Dazu wurden histologische Nervengewebspräparate mit bestimmten Substanzen eingefärbt und unter dem Mikroskop untersucht. Die Färbung mit Silbernitrat, nach seinem Erfinder Golgi-Färbung genannt, erlaubte es den Wissenschaftlern, die Struktur von Nervenzellen sehr detailliert darzustellen.

Abbildungen des Gehirns: Vom frühen EEG bis heute

Durch das Elektroenzephalogramm (EEG) erkannte man schon im frühen 20. Jahrhundert, dass das Gehirn ständig elektrische Signale sendet, die von der Schädeloberfläche aus messbar sind. Diese Signale ändern sich durch äußere Reize oder durch eine Veränderung des Denkschemas. Das EEG besitzt allerdings auch einige Nachteile, die das Studium des Gehirns erschweren:

Das EEG macht es schwer, den genauen Ursprung einer Hirnaktivität zu bestimmen.

Die Aktivität im Gehirn ist meist so groß, dass sie die Reaktion, die von einem kleinen äußeren Reiz (beispielsweise dem Blick auf ein Bild) hervorgerufen wurde, überlagert. Dadurch ist das EEG eine eher ungeeignete Methode, um den Effekt verschiedener Reize auf die Hirnaktivität zu messen

Diese Probleme wurden bis zu einem gewissen Grad gelöst, indem man die Reize mehrmals wiederholte und dabei die Gehirnaktivität aufzeichnete. Nach Hunderten Versuchen wurden die Reaktionen auf den Stimulus zusammengezählt, um ihre Stärke zu erhöhen. Die Reaktion wird auch evoziertes Potenzial genannt. Bei Untersuchungen der Sehbahn handelt es sich beispielsweise um visuell evozierte Potenziale (VEP).

Anfang bis Mitte des 20. Jahrhunderts begann man, in die Gehirne von Tieren Mikroelektroden einzusetzen, um herauszufinden, wie einzelne Nervenzellen Aktionspotenziale bilden. Forscher folgten beispielsweise dem Signal, das Fotorezeptoren auf einen Lichtreiz aussendeten, von der Netzhaut über den Thalamus bis hin zum Sehzentrum auf der Hirnrinde. Auch Aktionspotenziale der Muskulatur und Signale von Alpha-Motoneuronen und der motorischen Hirnrinde konnten mit Mikroelektroden aufgezeichnet werden. Da die Elektroden in der Nähe der Nervenzellen platziert werden müssen, um diese Signale zu empfangen, hat diese Untersuchungsmethode für die Anwendung beim Menschen nur eine geringe bis gar keine Bedeutung.

Ab Mitte des 20. Jahrhunderts kamen zunehmend neue bildgebende Verfahren zum Einsatz.

PET und SPECT

PET steht für Positronen-Emissions-Tomographie. Dabei wird den Patienten eine schwach radioaktive Substanz verabreicht. Während der Tomograph (das Aufnahmegerät) das Gehirn der Patienten scannt, werden ihnen einige Denkaufgaben gestellt. Die aktivsten Nervenzellen nehmen wegen ihres erhöhten Stoffwechsels vermehrt diese radioaktive Substanz auf. Dadurch lässt sich später auf den Aufnahmen erkennen, welche Hirnareale besonders aktiv waren.

Normalerweise werden zuerst einige Ruheaufnahmen gemacht (ohne eine Denkaufgabe), um sie später mit den Bildern zu vergleichen, die entstanden sind, während der Patient die Aufgabe gelöst hat. So kann man erkennen, welche Hirnareale aktiv waren. Die PET hat eine millimetergenaue Auflösung, doch da bei dieser Untersuchungstechnik nur Momentaufnahmen des Gehirns geschossen werden, kann man nicht herausfinden, wie sich die Hirnaktivität im zeitlichen Verlauf verändert.

Die Einzelphotonen-Emissions-Computertomographie (SPECT vom englischen Begriff Single Photon Emission Computed Tomographie) ist identisch zur PET, nur dass bei diesem Verfahren die radioaktiven Substanzen Gammastrahlen aussenden.

fMRT

Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) ist eine Form der Magnetresonanztomographie. Sie verwendet starke Magnetfelder und elektromagnetische Wechselfelder im Radiofrequenzbereich, um bestimmte Atomkerne im Gehirn anzuregen. Die fMRT ist ein bildgebendes Verfahren, mit dem Hirnareale in einer hohen räumlichen Auflösung dargestellt werden können.

Auf den Bildern lassen sich Hirnareale mit einer hohen Nervenzelldichte (graue Substanz) millimetergenau von Bereichen mit Nervenfasern (weiße Substanz) abgrenzen. Außerdem können Durchblutungsänderungen von Hirnarealen mit einer zeitlichen Genauigkeit einiger Sekunden sichtbar gemacht werden. Veränderungen in der Durchblutung und des Sauerstoffentzugs sind Parameter, die Rückschlüsse auf die Nervenaktivität zulassen.

MEG

Die Magnetoenzephalographie (MEG) basiert auf elektrischen und magnetischen Feldern. Aktive Nervenzellen produzieren elektrische Ströme, die innerhalb der Zelle und in ihrer Umgebung fließen. Das EEG misst diese Ströme, nachdem sie sich im Bereich außerhalb der Zellen, einschließlich des Schädels zwischen Elektroden und Gehirn, verteilt haben. Dadurch ist die räumliche Auflösung sehr schlecht.

Eine wesentliche Eigenschaft elektrischer Ströme ist es, Magnetfelder zu erzeugen. Die Magnetfelder von Nervenzellen sind sehr schwach. Die Untersuchungsräume der Magnetoenzephalographie müssen deshalb sehr gut abgeschirmt sein und es werden Aufnahmegeräte benötigt, die kleinste Magnetfelder messen können. Diese Sensoren sind die so genannten SQUIDs. Die MEG hat eine zeitliche Auflösung, die dem EEG gleichkommt. Die räumliche Auflösung entspricht der fMRT.

DTI

Die Diffusions-Tensor-Bildgebung (DTI vom englischen Diffusion Tensor Imaging) ist eine Variante der Magnetresonanztomographie. Bei dieser Untersuchungsmethode wird die Diffusionsbewegung von Wassermolekülen im Gehirn gemessen. Da sich Wasser besonders leicht im Zytoplasma langer, zylindrischer Axone nach unten bewegt, lassen sich mit der Diffusions-Tensor-Bildgebung besonders gut die Axon-Bereiche untersuchen. Das ist sehr wichtig, da diese Bereiche durch Schlaganfälle oder Erkrankungen zerstört werden können.

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Wie Neuronen arbeiten

In diesem Kapitel ...

Verstehen, was Neuronen tun und wie sie arbeiten

Kommunikation zwischen Neuronen: Die Rolle der Neurotransmitter

Die Funktion der Gliazellen

Verschiedene Methoden zur Untersuchung der Nervenaktivität

Alles, was Sie denken oder tun, und letztlich alles, was Sie sind, ist das Ergebnis der Arbeit von 100 Milliarden Nervenzellen. Doch was sind Neuronen und wie arbeiten sie zusammen?

Neuronen sind Zellen, die darauf spezialisiert sind, Informationen zu verarbeiten. Einige Neuronen sind Rezeptoren, die sensorische Reize aufnehmen und umwandeln. Andere stimulieren Muskeln oder Drüsen. In diesem Kapitel möchte ich Ihnen erklären, wie Nervenzellen funktionieren, woher wir wissen, wie das Nervensystem arbeitet, und welche modernen Techniken uns dabei helfen, noch mehr über unser Gehirn zu erfahren.

Das Neuron: Eine ganz besondere Zelle

Zuallererst gilt, Neuronen sind Zellen. Neuronen bestehen genauso wie andere Zellen aus Zytoplasma, das von einer Zellmembran umschlossen wird. Im Zytoplasma befinden sich Zellorganellen wie Mitochondrien, die Energie für die Zelle bereitstellen, und Strukturen wie der Golgi-Apparat und das endoplasmatische Retikulum, die Proteine herstellen und verteilen. Im Zellkern befindet sich die DNA. Sie enthält die Erbinformation für den gesamten Organismus.

Das unterscheidet Neuronen von anderen Zellen (wenn Sie sich mit dem Aufbau von Zellen nicht so gut auskennen, können Sie die Grundlagen einfach in einem Biologiebuch nachlesen, wie zum Beispiel in Biologie für Dummies):

Die Nervenzellmembran besitzt selektive Ionenkanäle, die durch elektrische Signale oder Neurotransmitter gesteuert werden können.

Sie verfügt über Dendriten. Das sind kleine Verästelungen des Zellkörpers, die über Synapsen mit anderen Nervenzellen in Kontakt treten.

Außerdem besitzt die Nervenzelle ein Axon. Das ist ein langer Fortsatz des Nervenzellkörpers, der große Strecken überbrücken kann (bis zu einem Meter), um dort den Kontakt zu anderen Nervenzellen herzustellen.

In Abbildung 3.1 sehen Sie den Aufbau eines Neurons. Zwischen einer Nervenzelle und den meisten anderen Zellen gibt es einige auffällige Unterschiede. Typisch für Nervenzellen ist der Dendritenbaum. Dendriten sind feine Verästelungen des Zellkörpers. Außerdem besitzt die Nervenzelle ein Axon, das am Axonhügel entspringt. Das Axon kann sehr lange Strecken überbrücken (bis zu einem Meter), bevor es sich an seinem Ende aufzweigt. Auch die Zellmembran, die den Zellkörper, die Dendriten und das Axon umschließt, unterscheidet sich von der Zellmembran anderer Zellen.

Abbildung 3.1: Der Aufbau einer Nervenzelle

Der Informationsaustausch zwischen Neuronen: Die Synapsen

Wozu dienen die Dendriten und Axone? Lassen Sie uns mit den Dendriten oder dem Dendritenbaum beginnen.

Wozu besitzt ein Baum Äste? Mit seinen Ästen schafft er genug Platz für möglichst viele Blätter. Die Blätter fangen das Sonnenlicht ein und produzieren Energie und organische Stoffe, die der Baum benötigt. Ein Dendritenbaum macht nichts anderes. Er schafft Platz für die Synapsen, die die Informationen von anderen Nervenzellen aufnehmen. Und genauso wie Bäume Tausende Blätter haben, besitzen Nervenzellen Tausende Synapsen.

Während die Dendriten Informationen von anderen Nervenzellen aufnehmen, senden die Axone Signale der Nervenzelle an andere Zellen. Manchmal ähnelt das Axon einem Dendriten. Nur mit dem Unterschied, dass es sich meist nicht so nah am Zellkörper verzweigt.

Ein Blick auf die Synapsen: Prä- und postsynaptisch

Sie fragen sich vielleicht, welche Aufgaben die Synapsen haben? Eines ist sicher, mit Sonnenlicht hat das nichts zu tun. Synapsen übermitteln durch Botenstoffe (Neurotransmitter) Informationen von Zelle zu Zelle. Der Neurotransmitter übergibt dem postsynaptischen Rezeptor (einem Rezeptor am Dendritenbaum der Zelle, die eine Information bekommt) eine Information von der präsynaptischen Zelle (der Zelle, die den Neurotransmitter ausschüttet).

Für die Zelle, die eine Information bekommt, ist es, als würde sie gleichzeitig Hunderten Brokern an der Börse zuhören. Einige Broker verbreiten tolle Nachrichten und machen damit das postsynaptische Neuron glücklich, beziehungsweise erregen es. Andere senden eher schwache Botschaften, die das postsynaptische Neuron weniger erregen. Millisekunde für Millisekunde wird der Erregungszustand des postsynaptischen Neurons durch die eingehenden Signale bestimmt.

Diese Verbindungen zwischen den Zellen spielen eine wichtige Rolle beim Lernen. Erfahrungen verändern die Stärke und Anzahl der Verknüpfungen zwischen den Nervenzellen. So entsteht das Gedächtnis.

Signale an andere Nervenzellen

Wenn das postsynaptische Neuron erregt ist, feuert es elektrische Impulse, die so genannten Aktionspotenziale, ab. Diese Aktionspotenziale werden über das Axon bis zum Axonende (auch Synapsenendknöpfchen genannt) weitergeleitet. Das Axonende hat die Aufgabe, Neurotransmitter freizusetzen und so die Information von einer Nervenzelle zu einer anderen zu übertragen.

Die Verbindung zwischen dem präsynaptischen Axon, das die Neurotransmitter ausschüttet, und dem postsynaptischen Dendriten, der die Neurotransmitter aufnimmt, wird Synapse genannt. Der Raum zwischen dem prä- und postsynaptischen Neuron ist der synaptische Spalt. Der Neurotransmitter gelangt über den synaptischen Spalt vom präsynaptischen Axonende zum postsynaptischen Dendriten.

Informationen aus der Umwelt aufnehmen: Spezialisierte Rezeptoren

Einige Nervenzellen erhalten ihre Informationen nicht über Neurotransmitter von anderen Nervenzellen, sondern über Energie aus der Umwelt:

Im Auge befinden sich lichtempfindliche Sinneszellen, die Fotorezeptoren. Sie nehmen das Licht auf und geben die Information weiter, indem sie Neurotransmitter ausschütten.

Im Innenohr befinden sich so genannte Haarzellen. Sie reagieren auf den Druck von Schallwellen.

Die Haut verfügt über somatosensorische Rezeptoren, die auf Druck und Schmerz reagieren.

In der Nase reagieren olfaktorische Nervenzellen auf Duftstoffe aus der Umwelt. Diese Duftstoffe stellen hier selbst die Botenstoffe dar. Die unterschiedlichen olfaktorischen Rezeptoren reagieren jeweils auf unterschiedliche Duftstoffe.

Auf der Zunge erregen süße, saure, bittere und salzige Moleküle verschiedene Rezeptoren in den Geschmacksknospen.

Die drei funktionellen Klassen von Neurotransmittern

Die Botenstoffe, die vom prä- zum postsynaptischen Neuron wandern, bestehen aus Neurotransmitter-Molekülen. Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Neurotransmitter. Jeder hat an der postsynaptischen Zelle einen unterschiedlichen Effekt oder einen anderen zeitlichen Verlauf. Neurotransmitter werden in drei funktionelle Gruppen unterteilt:

Schnelle, exzitatorische Neurotransmitter : Die wichtigsten Neurotransmitter sind die schnellen, exzitatorischen Neurotransmitter Glutamat und Acetylcholin. Diese geben die Erregung sofort von der prä- zur postsynaptischen Zelle weiter. Im Gehirn werden Reize über weitere Strecken meist durch Axone übertragen, die als Botenstoff Glutamat ausschütten. Die Kontraktionen der Skelettmuskulatur werden ausgelöst, indem die Motoneuronen an den Synapsen zu den Muskelzellen Acetylcholin ausschütten.

Schnelle, inhibitorische Neurotransmitter : Ausschließlich exzitatorisch wirkende Botenstoffe würden zu Instabilität und Überreizung führen. Um eine Balance aufrechtzuerhalten, werden deshalb im Nervensystem auch dämpfende Transmitter gebraucht. Diese Aufgabe übernehmen die schnellen inhibitorischen Neurotransmitter Gamma-Aminobuttersäure (GABA) und Glycin. Sie verhindern, dass Nervenerregungen weitergeleitet werden können.

Langsame Neuromodulatoren, bei denen es exzitatorische und inhibitorische Arten gibt: Die meisten Neuromodulatoren sind kleine Proteine (Somatostatin, Substanz P, Enkephalin ) oder organische Verbindungen (Adrenalin und Noradrenalin), die Katecholamine genannt werden. Diese Botenstoffe wirken eher wie Hormone. Sie wirken langsam, aber lang anhaltend.

Man nimmt an, dass sich einige Neurotransmitter im Laufe der Evolution aus Hormonen entwickelt haben. Hormone werden normalerweise ins Blut abgegeben. So werden sie verteilt und können auf die Zellen des gesamten Körpers wirken. Die Entwicklung von Neurotransmittern scheint eine Möglichkeit des Nervensystems gewesen zu sein, zu gewährleisten, dass nur wenige Zellen gezielt miteinander kommunizieren können. Etwa so, als wenn Sie einigen Ihrer besten Freunde ein Geheimnis zuflüstern, anstatt die Neuigkeiten dem gesamten Auditorium zuzurufen.

Neuronen als elektrische Signalgeber

Nervenzellen besitzen eine einzigartige Fähigkeit, Elektrizität zu nutzen. Sie spielt eine entscheidende Rolle beim Ausschütten der Neurotransmitter und beim Verarbeiten von Informationen. Das funktioniert folgendermaßen: In den Nervenzellmembranen gibt es spezielle Ionenkanäle, bei denen es sich eigentlich um eine aktive Ionenpumpe handelt. Ionen sind geladene Atome, die sich in gelöster Form in der Flüssigkeit innerhalb und außerhalb der Zelle befinden. Zu den wichtigsten Ionen gehören Natriumchlorid (NaCl), Kaliumchlorid (KCl), Kalziumchlorid (CaCl_2) und Magnesiumchlorid (MgCl_2), die zu positiv geladenen Kationen Na+, K+, Ca++ und Mg++ und zu dem negativ geladenen Anion Cl– dissoziieren, wenn sie in einer Flüssigkeit gelöst werden.

Die Flüssigkeit außerhalb der Zelle und in unserem Blut enthält die gleichen Bestandteile wie das Meerwasser. Hauptsächlich Na+, viel weniger K+, Ca++ und Mg++ und Cl–. Die Ionenpumpe in der Nervenzellmembran, auch Natrium-Kalium-Pumpe genannt, transportiert aktiv Na+ aus der Zelle und K+ in die Zelle. Dabei beträgt das Verhältnis von Na+ zu K+ drei zu zwei (siehe Abbildung 3.2).

Diese Pumpen arbeiten ständig, damit sich in der Zelle immer wenig Natrium und sehr viel Kalium befindet. Und weil immer ein positiv geladenes Ion mehr nach außen als nach innen transportiert wird, besitzt die Zelle im Zellinneren durch den Mangel an positiven Ionen eine negative Ladung. Diese Ladung beträgt etwa –70 Millivolt und wird auch Membranpotenzial genannt.

Abbildung 3.2: Die Natrium-Kalium-Pumpe

Das Membranpotenzial der Nervenzelle kann mit Hilfe der Ionenkanäle in der Zellmembran verändert werden. Wenn die Neurotransmitterrezeptoren Kanäle für bestimmte Ionen öffnen, fließen die Ionen in die Richtung, in der sie das Ladungsungleichgewicht, das durch die Natrium-Kalium-Pumpe geschaffen wurde, ausgleichen können. Der Ionenfluss ist ein elektrischer Strom, der dazu führt, dass sich die Spannung entlang der Zellmembran (das Membranpotenzial) schlagartig ändert. Die schnellen exzitatorischen Neurotransmitter Glutamat und Acetylcholin docken beispielsweise an Rezeptoren an, die dafür sorgen, dass Natriumionen durch den Ionenkanal wandern können. Der Eintritt der positiven Ionen kann die negative Ladung des Zellinneren reduzieren oder die Ladung sogar umkehren. Der vorübergehende Polaritätswechsel wird Depolarisation genannt.

Hemmende Rezeptoren binden entweder GABA oder Glycin und öffnen normalerweise Kanäle, die für Cl- oder K+ durchlässig sind. Wenn das Chloridion, das eine negative Ladung besitzt, in die Zelle gelangt, kann es die negative Ladung des Zellinneren verstärken. Das heißt Hyperpolarisation. Wenn die Kalium-Ionenkanäle geöffnet sind, strömt Kalium aus der Zelle, da die Kaliumkonzentration in der Zelle größer ist als außerhalb. Auch das führt zu einer Hyperpolarisation.

Das Aktionspotenzial

Eine Nervenzelle erhält über den Dendritenbaum ständig erregende und hemmende Signale. Diese Signale verändern das Membranpotenzial am Zellkörper. Was macht die Zelle aber mit diesen Signalen und dem veränderten Membranpotenzial? Wie an anderer Stelle bereits erwähnt, leiten die Nervenzellen die verarbeiteten Signale an andere Neuronen weiter, indem sie über ihr Axon Spannungsimpulse an andere Nervenzellen weitergeben. Im folgenden Abschnitt möchte ich Ihnen erklären, wie es zu diesen Spannungsimpulsen kommt und wie sie vom Axon weitergeleitet werden.

Das Problem, von hier nach dort zu kommen

In Ihrer primär-motorischen Hirnrinde gibt es Nervenzellen, die für die Bewegung Ihrer Zehen verantwortlich sind. Sie müssen sich vorstellen, dass Axone wie elektrische Kabel funktionieren. Die über die Dendriten eingehenden Spannungsimpulse summieren sich im Zellkörper der motorischen Nervenzelle. Dieses veränderte Membranpotenzial wandert zum Axonende. Die Membran einer Nervenzelle einschließlich der Axonmembran ist nicht vollkommen undurchlässig für Ionen. Die Impulse würden sich so über die Distanz, die sie von den Axonen weitergeleitet werden, verändern.

Die Signale sollen ankommen: Spannungsabhängige Natriumkanäle

Die Lösung dieses Problems ähnelt einer Technik, die auch bei Transatlantik-Telefonkabeln eingesetzt wird. Bei diesen Transatlantik-Kabeln sind in bestimmten Abständen Verstärker zwischengeschaltet, um die Signale, die auf ihrem langen Weg abgeschwächt wurden, wieder zu verstärken. Nervenzellen verwenden für diese Aufgabe spezielle Ionenkanäle. Dabei handelt es sich um spannungsabhängige Natriumkanäle, die aufgrund ihrer Eigenschaften auch als schnelle Natriumkanäle bezeichnet werden. Diese Kanäle sind die Grundlage dafür, dass die Kommunikation von Nervenzellen auch über längere Strecken funktioniert.

Die spannungsabhängigen Natriumkanäle öffnen sich nicht durch die Ausschüttung eines Neurotransmitters. Diese Kanäle öffnen sich, wenn die Depolarisation der Membran einen bestimmten Schwellenwert überschreitet.

Und so funktioniert das: Eine besonders große Zahl dieser Kanäle findet man an der Stelle, wo das Axon am Zellkörper entspringt, am so genannten Axonhügel (siehe Abbildung 3.1). Wenn die Summe aller erregenden und hemmenden Signale, die an einer Nervenzelle eingehen, zu einer Depolarisation führen, öffnen sich die spannungsabhängigen Natriumkanäle am Axonhügel und sorgen dafür, dass noch mehr Natriumionen durch die Membran ins Zellinnere gelangen können. Das führt zu einer weiteren Depolarisation der Zellmembran, wodurch sich noch mehr spannungsabhängige Natriumkanäle in diesem Gebiet öffnen. Diese Kanäle bleiben nur etwa eine Millisekunde geöffnet. Danach schließen sie sich von selbst wieder für einige Millisekunden.

Der Impuls, der durch die spannungsabhängigen Natriumkanäle am Axonhügel entsteht, wird Aktionspotenzial genannt. Es wandert am Axon entlang und wird dadurch, dass die Membran für Ionen nicht vollkommen undurchlässig ist, abgeschwächt. Deshalb verfügt das Axon in einem gewissen Abstand über die nächste Anhäufung spannungsabhängiger Natriumkanäle. Der Abstand ist so bemessen, dass das abgeschwächte Aktionspotenzial immer noch über der Reizschwelle der Ionenkanäle liegt. Dadurch wird das Signal an dieser Stelle wieder verstärkt. Dieses Aktionspotenzial wandert weiter auf dem Axon, wird wieder abgeschwächt, erreicht die nächste Gruppe schneller Natriumkanäle, erhält wieder eine Verstärkung, wandert wieder weiter auf dem Axon und so weiter. Haben Sie das Prinzip verstanden?

Springen von Ring zu Ring

Viele Axone sind zwischen den Bereichen, in denen die schnellen Natriumkanäle gruppiert sind, von Gliazellausläufern ummantelt, die das Axon wie ein Stromkabel isolieren. Diese Ummantelung ist die Myelinscheide (siehe Abbildung 3.1). Diese isolierten Axone sind so genannte markhaltige Nervenfasern. Die Zwischenräume zwischen den einzelnen Myelinhüllenabschnitten, in denen das Aktionspotenzial wieder verstärkt wird, heißen Ranvier'sche Schnürringe. Und das Springen der Aktionspotenziale von einem Schnürring zum nächsten nennt man saltatorische Erregungsleitung. Myelinisierte Nervenfasern besitzen eine hohe Leitungsgeschwindigkeit. Die Aktionspotenziale werden mit einer Geschwindigkeit von mehreren Hundert Metern pro Sekunde weitergeleitet. Kürzere Axone besitzen häufig keine Myelinscheide und leiten die Aktionspotenziale deshalb viel langsamer weiter. (Bei der multiplen Sklerose werden die Myelinscheiden der Axone beschädigt. Dadurch erfolgt die Erregungsleitung langsamer, ungleichmäßig und die Weiterleitung von Aktionspotenzialen kann sogar gänzlich fehlschlagen.)

Der Kreis schließt sich: Vom Aktionspotenzial zur Neurotransmitterausschüttung

Noch ein Punkt fehlt im Gesamtbild der Kommunikation von Nervenzellen. Wie kommt es zur Ausschüttung der Neurotransmitter? Folgendes geschieht, wenn die Aktionspotenziale auf die Synapsenendknöpfchen am Ende der Axone treffen (sehen Sie sich dazu Abbildung 3.3 an):

Schritt 1 bis 3: Das Aktionspotenzial kommt an. Innerhalb des Synapsenendknöpfchens befindet sich eine andere Art eines spannungsabhängigen Ionenkanals. Dieser Kanal lässt eher Kalzium- statt Natriumionen in die Zelle strömen. Diese Kalziumkanäle öffnen sich durch das Aktionspotenzial und Kalziumionen wandern in das Synapsenendknöpfchen. Im Synapsenendknöpfchen befinden sich Neurotransmitter in kleinen membranumhüllten Bläschen, den Vesikeln. Einige davon befinden sich immer in Membrannähe.

Schritt 4: Die Vesikel verbinden sich mit der Membran. Wenn die Kalziumionen einströmen, verbinden sich die Membranen einiger Vesikel mit der Zellmembran.

Schritt 5: Der Botenstoff wird ausgeschüttet. Wenn die Vesikel sich mit der Zellmembran verbinden, gelangt der Neurotransmitter in den synaptischen Spalt.

Schritt 6: Der Transmitter wird an die Rezeptoren gebunden. Die ausgeschütteten Neurotransmitter-Moleküle (das dauert nur eine Millisekunde) diffundieren durch den synaptischen Spalt und binden sich an die Rezeptoren der postsynaptischen Zelle.

Abbildung 3.3: Signalübertragung an einer Synapse vom präsynaptischen Aktionspotenzial bis zu den postsynaptischen Rezeptoren

So können Sie sich das alles ganz einfach merken: Eine bestimmte Konzentration eines Neurotransmitters außerhalb einer Nervenzelle verändert das Membranpotenzial. Daraus entwickeln sich im Axon Aktionspotenziale. Die führen zur Veränderung der Kalziumionen-Konzentration am Synapsenendknöpfchen. Dadurch kommt es zur Ausschüttung des Neurotransmitters und die Konzentration dieses Botenstoffs nimmt außerhalb der nächsten Nervenzelle zu.

Bewegung durch Motoneuronen

Ursprünglich haben sich Nervenzellen entwickelt, um Muskelkontraktionen zu koordinieren. Große vielzellige Tiere können sich nur effizient fortbewegen, wenn ihre Bewegungen aufeinander abgestimmt werden. Dazu müssen Nerven dafür sorgen, dass sich die Muskulatur nach einem bestimmten Muster kontrahiert. Dieses System wird zusätzlich noch durch sensorische Signale moduliert.

Im neuromuskulären System versorgt immer ein Axon mit seinen Synapsenendknöpfchen eine Muskelzelle innerhalb eines Muskels (ein Motoneuron kann Hunderte Synapsenendknöpfchen besitzen). Das Synapsenendknöpfchen eines Motoneurons schüttet den Botenstoff Acetylcholin aus (siehe Abschnitt »Die drei funktionellen Klassen von Neurotransmittern«). Die Muskelzellen verfügen über Acetylcholin-Rezeptoren, die dafür sorgen, dass sich in der Muskelzellmembran Natriumkanäle öffnen.

Jedes Aktionspotenzial, das über das Axon weitergeleitet wird und am Synapsenendknöpfchen zur Acetylcholinausschüttung führt, erzeugt ein Aktionspotenzial in der Muskelzelle. Es bewirkt, dass sich die Aktin- und Myosinfilamente in der Muskelzelle übereinanderschieben und der Muskel sich dadurch zusammenzieht.

Ein Muskel besteht aus Strängen von Muskelzellen. Je stärker sich jede Muskelzelle und somit auch jeder Muskelstrang zusammenzieht, umso kürzer wird der Muskel. Der Muskel entfaltet eine um so größere Kraft, je mehr Muskelstränge sich zusammenziehen. Diese Abläufe werden von den Motoneuronen gesteuert.

Keine Nervenzellen: Die Gliazellen

Die Vorstellung, dass das Gehirn aus 100 Milliarden Nervenzellen besteht, ist sehr beeindruckend. Doch im Gehirn befinden sich außer den Neuronen noch mindestens zehnmal so viele Zellen, die nicht zu den Nervenzellen zählen. Das sind Gliazellen. Davon gibt es drei Gruppen – Astrozyten, Oligodendrozyten und Schwann'sche Zellen und die Mikroglia. Jede Gruppe hat eine spezielle Funktion, über die Sie in den nachfolgenden Abschnitten mehr erfahren werden.

Astrozyten

Astrozyten sind Zellen, die im Gehirn das Stützgerüst für die Nervenzellen bilden. Sie wirken regulierend auf verschiedene Vorgänge im Gehirn und bilden die Blut-Hirn-Schranke. In den meisten Körperbereichen sind die kleinen Blutgefäße (Kapillaren) für viele Substanzen, wie Sauerstoff, Glukose und Aminosäuren, durchlässig. So können sie vom Blut in das umliegende Gewebe gelangen. Außerdem werden dadurch Kohlenstoffdioxid und andere Abbauprodukte vom Gewebe ins Blut abgegeben und von den dafür zuständigen Organen ausgeschieden. Im Gehirn ist der Stoffaustausch durch die zusätzliche Schranke, die die Astrozyten bilden, eingeschränkt. Die Astrozyten hüllen die Blutgefäße im Gehirn ein und erlauben nur ganz bestimmten Stoffen, zwischen den Kapillaren und dem Gehirn hin und her zu wandern. Dadurch wird für das Gehirn eine ganz besondere Umgebung geschaffen.

Diese chemische Isolation des Gehirns besitzt auch einige Nachteile. Einer davon ist, dass viele Medikamente, die zur Behandlung bestimmter Erkrankungen des Gehirns nützlich wären, diese Blut-Hirn-Schranke nicht passieren können. Ein weiterer Nachteil ist, dass Gehirntumore nicht einfach vom Immunsystem angegriffen werden können, da auch Antikörper diese Schranke schlecht überwinden können.

Oligodendrozyten und Schwann'sche Zellen

Zur zweiten Gruppe der Gliazellen zählen die Oligodendrozyten und Schwann'schen Zellen. Beide Zellarten bilden die Myelinscheiden der Axone, die ich bereits im Abschnitt »Springen von Ring zu Ring« erwähnt habe. Die Oligodendrozyten übernehmen diese Aufgabe im zentralen und die Schwann'schen Zellen im peripheren Nervensystem.

Forschungsergebnisse legen mittlerweile nahe, dass sich die Axone peripherer Nerven nach einer Schädigung wieder regenerieren. Nervenfasern zentraler Nervenzellen tun das hingegen nicht. Sie können sich beispielsweise in den Finger schneiden und dabei die Nerven so sehr beschädigen, dass in ihrer Fingerspitze sowohl die sensorischen als auch die motorischen Funktionen ausfallen. Doch nach ein bis zwei Monaten kehren die Funktionen im Allgemeinen wieder zurück. Dieselbe Verletzung im Rückenmark wird im Gegensatz dazu zu dauerhaften Lähmungen führen. Man nimmt an, dass Oligodendrozyten und Schwann'sche Zellen unterschiedlich auf Verletzungen reagieren.

Mikrogliazellen

Zur letzten Gruppe der Gliazellen gehören die Mikrogliazellen. Das sind Fresszellen, die im Gehirn die Reste abgestorbener Zellen beseitigen. Doch das ist nur eine ihrer Aufgaben. Sie erkennen und beseitigen außerdem schädliche Substanzen und schützen so die Nervenzellen.

Messtechniken

Bei der ältesten Messmethode zur Aufzeichnung von Hirnaktivitäten, dem Elektroenzephalogramm, kurz EEG, werden an der Kopfhaut Elektroden angebracht, um die elektrische Aktivität des Gehirns zu messen und grafisch darzustellen. Mitte des 20. Jahrhunderts haben Wissenschaftler damit begonnen, mit Mikroelektroden die Aktivität einzelner Nervenzellen zu untersuchen. Und Oszilloskope machen es möglich, Ereignisse zu messen, die nur einige Millisekunden oder weniger dauern. Die folgenden Abschnitte zeigen, welche großen Fortschritte Wissenschaft und Technik dabei gemacht haben, die Arbeit von Neuronen aufzuzeichnen.

Einzelne extrazelluläre Mikroelektroden

Extrazelluläre Mikroelektroden sind sehr dünne, nadelartige Kabel. Die Kabelspitzen entsprechen etwa der Größe des Nervenzellkörpers (meist 20 Mikrometer Durchmesser, abhängig von der Nervenzellart). Die Elektrode wird in das Nervengewebe eingeführt, bis sich die Elektrodenspitze in der Nähe einer bestimmten Zelle befindet und die Spannung, die die Elektrode misst, fast vollständig dem Aktionspotenzial entspricht, das von dieser Nervenzelle ausgesendet wird. Diese Elektroden messen manchmal auch Aktionspotenziale benachbarter Neuronen.

Scharfe intrazelluläre Elektroden

Messungen innerhalb der Nervenzellen wurden bei Säugetieren erstmals mit Glaselektroden durchgeführt. Diese werden aus einer Glaskapillare angefertigt. Die Spitze dieser Elektroden kann weniger als einen Mikrometer Durchmesser aufweisen. Wenn man bedenkt, dass ein Neuron etwa einen Durchmesser von 20 Mikrometern besitzt, ist diese Elektrode wirklich sehr klein und kann ins Innere einer Nervenzelle eingeführt werden.

Diese besonderen Elektroden ermöglichen es, die elektrischen Aktivitäten innerhalb einer Zelle zu messen. Doch leider werden die Nervenzellen durch das Einführen dieser Elektroden zerstört. Deshalb sind sie ungeeignet, um bei gelähmten Personen dauerhaft implantiert zu werden und den geschädigten Teil des Nervensystems zu überbrücken und die Signale der Motoneuronen direkt an die Skelettmuskulatur weiterzuleiten.

Patch-Clamp-Technik

Die Patch-Clamp-Elektroden gleichen den Glasmikroelektroden. Doch sie werden nicht in die Zelle eingeführt, sondern gegen die Zellmembran gepresst. Mit dieser Messmethode lässt sich der Strom von einzelnen Ionenkanälen sowie der Strom aller Ionenkanäle der Zellmembran messen.

Optische Messmethoden

Die Fortschritte der optischen Darstellungsmethoden Ende des 20. Jahrhunderts und die Entwicklung von Farbstoffen, die sich dafür eignen, Nervenzellfunktionen sichtbar zu machen, ermöglichen drei optische Messmethoden:

Fluoreszenzmessung der Änderung von Ionenkonzentrationen: Diese Technik verwendet Fluoreszenzfarbstoffe (Farbstoffe, die Licht absorbieren und dann wieder abgeben können), die ihre Fluoreszenz verändern, wenn bestimmte Ionen wie Kalzium, Magnesium oder Natrium vorhanden sind. Die gebräuchlichsten Fluoreszenzfarbstoffe zeigen die Kalziumkonzentration, die normalerweise innerhalb der Nervenzelle sehr niedrig ist und ansteigt, wenn die Nervenzelle aktiv ist. Auf diese Weise kann die Nervenzellaktivität optisch dargestellt und beobachtet werden.

Fluoreszenzmessung des Membranpotenzials : Potenziometrische Farbstoffe binden sich an Nervenzellmembranen und verändern als Reaktion auf den Grad der Depolarisation der Zellmembran ihre Fluoreszenz oder Lichtabsorption. Der Vorteil dieser Messmethode besteht darin, dass man unabhängig von der Konzentration der Kalziumkanäle in der Zellmembran das elektrische Potenzial der Zellmembran messen kann.

Spezifische optische Veränderungen in erregtem Nervengewebe, wie Lichtstreuung: Wenn Nervenzellen eine elektrische Aktivität aufweisen, kommt es im Nervengewebe zu spezifischen optischen Veränderungen. Die Entstehung dieser Veränderungen ist noch unklar. Eine vorübergehende Zellschwellung oder die Neuanordnung der Zellorganellen während der elektrischen Aktivität scheint daran beteiligt zu sein. Methoden, die diese Veränderungen nutzen, um Nervenzellaktivitäten darzustellen, haben den Vorteil, dass keine Farbstoffe eingesetzt werden müssen. Messmethoden, die optische Veränderungen aufzeichnen, verwenden bei der Messung am Menschen Infrarotlicht.

Teil II

Die innere und äußere Welt wahrnehmen – Unsere Sinne

In diesem Teil ...

Unsere Sinne machen uns Menschen zu dem, was wir sind. Wir leben in einer Welt, in der wir sehen, hören und riechen, was uns umgibt. Wir können Dinge spüren, die unsere Haut berühren, und wir können schmecken, was wir essen. All das ist nur möglich, weil wir über hochspezialisierte Nervenzellen verfügen. Das sind Rezeptoren, die auf Licht, Geräusche, Gerüche, Berührungen und Geschmack reagieren.

Die Welt ist für uns ein Spiegel dessen, was unsere Rezeptoren messen. Deshalb können wir auch nicht (ohne spezielle Kameras) sehen, dass Blumen komplexe UV-Licht-Muster besitzen, denn unsere Augen können UV-Licht nicht erfassen. In diesem Teil des Buches möchte ich Ihnen zeigen, wie jeder unserer Sinne Informationen aus der Umwelt aufnimmt und sie verarbeitet, um uns ein Bild von dieser Welt zu geben.

4

Fühlen: Die Sinne der Haut

In diesem Kapitel ...

Informationsweiterleitung von sensorischen Nervenzellen

Wie Signale von der Haut ins Gehirn gelangen

Schmerz: Ursachen, Auswirkungen und Wege, ihn zu lindern

Erkrankungen, die mit dem Tastsinn in Zusammenhang stehen

Die Haut ist unsere Abgrenzung gegenüber der Außenwelt und beeinflusst entscheidend, welches Bild wir von uns selbst haben, auch wenn uns das nicht immer bewusst ist. Oder wie oft fragen Sie sich: »Gehöre ich zu dem Stuhl, auf dem ich gerade sitze?«

Unser Tastsinn lässt uns die Umwelt erspüren. Der Fachbegriff dafür lautet somatosensorische Wahrnehmung. Unsere Haut ist nicht nur für unterschiedliche Arten der Berührung (zum Beispiel Kribbeln, Druck und Bewegung) empfindlich. Wir können durch sie auch andere Sinneseindrücke wie Temperatur und Schmerz wahrnehmen. Dafür gibt es in der Haut verschiedene Rezeptoren.

Dieses Kapitel beschäftigt sich mit den Berührungsrezeptoren und den Vorgängen im Gehirn, die den Tastsinn möglich machen. Außerdem erfahren Sie mehr zu einigen Erkrankungen, die mit dem Tastsinn in Zusammenhang stehen.

Die Wahrheit über die Haut und ihre sensorischen Neuronen

Die Haut gehört zu den größten Organen des Körpers und besitzt zahlreiche wichtige Aufgaben. Sie ist die Schutzhülle unseres Körpers und bildet eine Barriere gegen Bakterien, Schmutz und Parasiten. Die Haut ist relativ wasserdicht und isoliert uns. Außerdem sorgt sie dafür, dass wir unsere Körpertemperatur unabhängig von der Umgebungstemperatur konstant halten können.

Der Aufbau der Haut

Um all diesen Aufgaben gerecht zu werden, besteht die Haut aus verschiedenen Schichten.

Die Lederhaut und Oberhaut

Die äußerste Schicht der Haut wird Oberhaut (Epidermis) genannt. Sie besteht aus verschiedenen Hornzellschichten. Ganz oben befindet sich die Hornschicht. Sie besteht aus abgestorbenen Hautzellen, die unsere Haut vor mechanischen Einflüssen schützen. Da diese Zellen tot sind und sich in dieser Schicht keine Schmerzrezeptoren befinden, wird es kaum wehtun, wenn Sie mit Ihren Fingernägeln leicht über Ihre Haut kratzen. Die Zellen am unteren Ende der Oberhaut, an der Grenze zur Lederhaut, teilen sich ständig, wandern nach oben und sterben ab, um die Zellen der Hornschicht zu ersetzen.

Unter der Oberhaut befindet sich die Lederhaut (Dermis). Sie enthält den Hauptanteil der somatosensorischen Rezeptoren.

Somatosensorische Rezeptoren

In der Haut befinden sich unterschiedliche Rezeptoren, die vielfältige Umweltreize aufspüren und auf die Wahrnehmung einer bestimmten Modalität, zum Beispiel Berührung, Temperatur oder Schmerz, spezialisiert sind. Diese Rezeptoren ermöglichen sowohl aktive als auch passive Berührungsempfindungen.

Passive Berührungsempfindung: Es handelt sich um eine passive Berührungsempfindung, wenn etwas über unsere Haut streicht und wir die Berührung registrieren, bevor wir erkennen, was diese Berührung überhaupt verursacht hat.

Aktive Berührungsempfindung: Die aktive Berührungsempfindung findet hauptsächlich mit unseren Händen und Fingerspitzen statt. Wir können beispielsweise einen Apfel oder ein Ei in den Händen halten und wissen, was es ist, ohne es dabei zu sehen. Für diese Wahrnehmung werden in der Haut verschiedene Rezeptoren aktiviert.

Reize, die wir über unseren Tastsinn aufnehmen, werden für den größten Teil des Körpers (unterhalb des Kopfes) über das Rückenmark, den Thalamus bis hin zu einem Bereich im Parietallappen geleitet, wo es eine Art Berührungslandkarte unseres Körpers gibt.

In der Oberhaut gibt es nur sehr wenige Rezeptoren. Die meisten somatosensorischen Rezeptoren befinden sich in der Lederhaut. In den nächsten Abschnitten erfahren Sie mehr über die verschiedenen Rezeptorarten.

Berührung spüren: Die Mechanorezeptoren

In der Lederhaut gibt es vier unterschiedliche Berührungsrezeptoren. Sie werden auch Mechanorezeptoren genannt (siehe Abbildung 4.1). In den nächsten Abschnitten werden ich jeden dieser Rezeptoren genauer vorstellen.

Abbildung 4.1: Die Hautschichten und einige ihrer Rezeptoren

Die Merkel-Zellen

Die Merkel-Zellen sind scheibenartige Rezeptoren, die im Grenzbereich der Ober- und Lederhaut liegen. Manchmal reichen sie bis in die Oberhaut hinein.

Die Merkel-Zellen sind Druckrezeptoren. Das bedeutet, sie werden gerade in dem Hautbereich aktiviert, der gegen den Stuhl drückt, auf dem Sie gerade sitzen. Wenn sich noch jemand auf Ihren Schoß setzt, werden auch die Druckrezeptoren oberhalb Ihrer Oberschenkelmuskeln aktiviert.

Diese Rezeptoren reagieren auf relativ konstanten Druck, der über kleine Hautbereiche wirkt. Wir können so die Kraft wahrnehmen, die auf verschiedene Bereiche unserer Haut ausgeübt wird.

Meissner-Körperchen

Auch die Meissner-Körperchen reagieren auf Druck. Doch sie registrieren eher schnelle Druckveränderungen, wie sie bei der Einwirkung von Schwerkräften entstehen.

Die Meissner-Körperchen registrieren wie die Merkel-Zellen den Druck über relativ kleine Hautbereiche, die rezeptive Felder genannt werden. Besonders die oberflächlich gelegenen Rezeptoren besitzen kleine rezeptive Felder, während die Rezeptoren, die tief in der Lederhaut liegen, meist große rezeptive Felder aufweisen.

Ruffini-Körperchen

Die Ruffini-Körperchen reagieren auf Dehnungsreize. Sie sind wichtig, um die Haut vor dem Reißen zu schützen. Die Ruffini-Körperchen haben große rezeptive Felder.

Vater-Pacini-Körperchen

Die Vater-Pacini-Körperchen, die tief in der Lederhaut sitzen und große rezeptive Felder besitzen, sind die am schnellsten reagierenden Mechanorezeptoren. Diese Zellen besitzen eine Myelinhülle, ähnlich der Myelinscheide von Axonen (siehe Kapitel 3). Sie erlaubt den Rezeptoren, sehr schnell auf Druckänderungen zu reagieren. Mit den Vater-Pacini-Körperchen können Sie Vibrationen wahrnehmen. Und wenn Sie Ihre Fingerspitzen über Sandpapier gleiten lassen, können Sie dank der Vater-Pacini-Körperchen spüren, wie rau es ist.

Wie funktionieren Mechanorezeptoren?

Somatosensorische Nervenzellen sind ungewöhnlich aufgebaut. Ihr Aufbau ist entscheidend für ihre Funktion.

Die Mechanorezeptoren werden als pseudounipolar klassifiziert. Wenn man ihren Aufbau versteht, versteht man auch ihre Funktionsweise. In Abbildung 4.2 sehen Sie die Darstellung eines typischen Mechanorezeptors.

Abbildung 4.2: Ein Mechanorezeptor: Von der Haut bis zum Rückenmark

Die Zellkörper der somatosensorischen Nervenzellen in den meisten Bereichen unserer Haut (unterhalb von Kopf und Hals) befinden sich in Nervenknoten, die als Ganglien bezeichnet werden und direkt außerhalb der hinteren Wurzel des Rückenmarks liegen. Deshalb werden sie als Hinterwurzelganglien bezeichnet. Diese Ganglien und die Nervenzellen, die sie enthalten, sind ein Teil des peripheren Nervensystems.

Die Zellkörper der somatosensorischen Neuronen besitzen keine Dendriten. Stattdessen verlässt ein Axon den Zellkörper und gabelt sich nach kurzem Verlauf in zwei Teile.

Ein Ende des Axons tritt an der hinteren Wurzel ins Rückenmark ein und bildet an Interneuronen des Rückenmarks normale Synapsen. Das ermöglicht den Dehnungsreflex und die Weiterleitung somatosensorischer Informationen an andere Rückenmarksegmente bis hinauf zum Gehirn.

Doch hier kommt der interessante Teil: Das andere Ende des Axons verlässt das Hinterhornganglion in einem Bündel mit anderen Axonen und endet in der Haut. Dort bildet es einen der Rezeptortypen, um die es im vorangegangenen Abschnitt ging: die Merkel-Zellen und die Meissner-, Vater-Pacini- und Ruffini-Körperchen. Wenn eine mechanische Kraft ein Axonende eines dieser Neuronen reizt, werden die Mechanorezeptoren direkt aktiviert. Diese Aktivierung geschieht durch einen speziellen Ionenkanal, der auf die Dehnung der Membran reagiert. Dabei geschieht Folgendes:

1. Die Dehnung verursacht Aktionspotenziale, die im Axonende entspringen und dann in Richtung Zellkörper im Hinterwurzelganglion weitergeleitet werden (die meisten Axone leiten Aktionspotenziale üblicherweise weg vom Zellkörper).

2. Das Aktionspotenzial passiert die Teilungsstelle des Axons nahe des Zellkörpers und gelangt ins Rückenmark, wo es andere Axonenden erreicht und mit den Interneuronen normale Synapsen bildet.

3. Die Interneuronen verbinden das Rezeptorneuron mit den Motoneuronen. Sie sind an der Entstehung der Reflexe beteiligt und sie übertragen Informationen über die Rezeptoraktivierung an andere Rückenmarksegmente und an das Gehirn.

Temperatur und Schmerz spüren

Neben verschiedenen Druckarten können wir über die Haut auch Temperatur und Schmerz wahrnehmen. Dafür gibt es speziell aufgebaute Rezeptoren. Alle Mechanorezeptoren, die ich im vorherigen Abschnitt beschrieben habe, besitzen am Axonende Ionenkanäle, die auf Dehnung der Membran reagieren. Sie sind in einer bestimmten Struktur, wie einem Körperchen oder einer Scheibe, eingebettet und können so auf ganz bestimmte Reize reagieren.

Schmerz- und Temperaturrezeptoren sind dagegen einfache Axonenden, die nicht von einer anderen Struktur umgeben werden (siehe Abbildung 4.3). Man bezeichnet sie deshalb auch als freie Nervenendigungen. Die freien Nervenendigungen der Temperaturrezeptoren besitzen Ionenkanäle, die auf bestimmte Temperaturen reagieren. Andere freie Nervenendigungen senden Aktionspotenziale aus, wenn die Haut extremen Kräften oder anderen schädigenden Reizen ausgesetzt ist. Das nehmen wir dann als Schmerz wahr. Rezeptoren, die so genannte transiente Rezeptorpotenzial-Kanäle besitzen, reagieren auf beides.

Abbildung 4.3: Freie Nervenendigungen, Schmerz- und Temperaturrezeptoren

Die unterschiedlichen Temperaturrezeptoren reagieren auf bestimmte Temperaturen. Die Wärmerezeptoren werden von Temperaturen aktiviert, die über unserer Körpertemperatur liegen. Kälterezeptoren reagieren dagegen bei Temperaturen unterhalb unserer Körpertemperatur. Sie können ein breites Temperaturspektrum (kühl, klamm, frostig, warm, feuchtwarm, heiß und so weiter) wahrnehmen, da eine bestimmte Temperatur die verschiedenen Rezeptoren in einem bestimmten Verhältnis zueinander aktiviert.

Extreme Kälte, Hitze oder extremer Druck auf die Haut aktivieren immer Schmerzrezeptoren. Auch wenn die verschiedenen Schmerzrezeptorarten unterschiedliche Wirkmechanismen besitzen, haben sie gemeinsam, dass der Schmerz eine drohende Schädigung signalisiert. Es gibt auch Schmerzrezeptoren, die auf chemische Schädigungen durch Säuren oder Basen oder auf andere Schädigungen wie bei einem Schnitt reagieren. Mehr zum Thema Schmerz erfahren Sie im Abschnitt »Den Schmerz verstehen«, später in diesem Buch.

Lage und Bewegung spüren: Die Tiefensensibilität

Die Tiefensensibilität gibt uns Aufschluss über die Position unseres Körpers im Raum (Propriozeption) und über unsere Bewegung (Kinästhesie). Die Rezeptoren, bei denen es sich auch um freie Nervenendigungen oder um Strukturen, die den Ruffini-Körperchen ähneln (siehe Abbildung 4.1), handelt, befinden sich nicht in der Haut.

Diese Rezeptoren befinden sich in der Muskulatur, in Sehnen und in den Bändern um die Gelenke. In den Muskeln und Sehnen reagieren sie ununterbrochen. Sie werden Propriozeptoren genannt und geben uns Informationen über die Muskelspannung und die Stellung der Gelenke. Ähnliche Rezeptoren, mit etwas kurzlebigeren (transienten) Reaktionen, senden Signale, wenn das Gelenk bewegt wird. Das macht unseren Bewegungssinn (Kinästhesie) aus. Dank der Propriozeptoren können Sie mit geschlossenen Augen Ihre Nase berühren. Und mit Hilfe der kinästhetischen Rezeptoren können Sie schnell die Hand ausstrecken und dann an der richtigen Stelle stoppen, um einen Ball zu fangen.

Hautrezeptoren, spinale Schaltkreise und Projektionen auf das Gehirn

Durch die Hautrezeptoren können Sie auf Dinge reagieren, die Ihre Haut berühren, und Sie können erkennen, worum es sich dabei handelt. Diese Rezeptoren verschlüsseln die Berührungs-, Temperatur- und Schmerzinformationen, bevor sie zum Rückenmark und zum Gehirn übertragen werden.

Signale somatosensorischer Rezeptoren

Die Signale, die von den meisten somatosensorischen Rezeptoren ausgesendet werden, sind an mindestens drei verschiedenen neuronalen Schaltkreisen beteiligt:

Lokale Reflexe sind die, die hauptsächlich an der Kontraktion eines einzelnen Muskels beteiligt sind. Wie beispielsweise der Bizeps, der sich zusammenzieht, wenn Sie etwas Heißes berühren. Der Schaltkreis dafür besteht aus den Rezeptoren in der Fingerspitze, die den Temperaturmessfühler für Hitze enthalten, und den Interneuronen im Bereich der hinteren Wurzel des Rückenmarks (siehe Abbildung 4.2). Dadurch werden Motoneuronen desselben Rückenmarksegments aktiviert und die Kontraktion der Muskeln, die den Finger zurückziehen, wird ausgelöst.

Für eine koordinierte Bewegung sind auch Rezeptorverbindungen über Interneuronen zu benachbarten Rückenmarksegmenten notwendig. Wenn Sie etwas werfen, arbeiten Mechanorezeptoren in der Haut der Hand mit propriozeptiven und kinästhetischen Rezeptoren, die mit Muskeln in den Fingern, der Hand, dem Arm und der Schulter in Verbindung stehen, zusammen. Sogar die Beinmuskulatur ist daran beteiligt. Möchten Sie sich fortbewegen, beispielsweise Gehen, müssen sich auch noch verschiedene Rückenmarksegmente untereinander abstimmen, damit Sie nicht einen Fuß schon bewegen, wenn der andere den Boden noch nicht wieder berührt.

Signale der Hautrezeptoren erreichen ebenfalls das Gehirn, wo Sie sich ihrer bewusst werden. Es gibt dafür zwei große Leitungsbahnen, die lemniskale und spinothalamische Leitungsbahn. Beide Bahnen führen zu einem Kern im Thalamus (dem Nucleus ventralis posterior). Dabei erreichen die Signale der rechten Körperhälfte den linken Thalamus-Kern und umgekehrt. (Mehr über das Zusammenspiel der rechten und linken Gehirnhälfte erfahren Sie in Kapitel 2.)

Der Arzt lässt Ihr Bein zucken

Der Rückenmarksreflex gehört zu den Standarduntersuchungen beim Neurologen. Der Arzt löst ihn aus, indem er leicht mit einem kleinen Gummihammer auf die Sehne unterhalb der Kniescheibe schlägt. Dadurch dehnt sich die Sehne. Diese Dehnung simuliert, was geschieht, wenn Sie stehen und das Knie beugen. Es gibt einen automatischen Mechanismus, bei dem durch das Dehnungssignal veranlasst wird, dass sich der Oberschenkelmuskel zusammenzieht und das Knie streckt. Im Sitzen führt das dazu, dass der Unterschenkel nach vorne schnellt. Mit diesem Test wird untersucht, ob die Schaltkreise von den sensorischen Rezeptoren bis zur Muskelkontraktion intakt sind.

Empfindungen lokalisieren: Sensorische Areale auf der Hirnrinde

Reflexe (wie der Kniesehnenreflex, über den etwas im Kasten steht) laufen in lokalen Schaltkreisen ab. Sie sind schneller, als Sie sich ihrer bewusst werden. Dieses Bewusstsein muss warten, bis das Signal im Gehirn angekommen ist. In diesem Abschnitt geht es darum, wie die Signale von der Haut das Gehirn erreichen, zu welchen Hirnarealen sie geleitet werden
und welcher Zusammenhang zwischen der Hirnaktivität und der Empfindungswahrnehmung auf unserer Haut besteht. Außerdem möchte ich Ihnen einige Details zur Signalverarbeitung in den somatosensorischen Leitungsbahnen vermitteln. (Für eine kurze Wiederholung des Gehirnaufbaus und der Signalverarbeitung blättern Sie doch einfach zu Kapitel 2 zurück.)

Der somatosensorische Teil des Thalamus (der Nucleus ventralis posterior) projiziert die Informationen auf den vordersten Teil des Parietallappens. Das ist ein schmaler Streifen Hirnrinde direkt hinter dem Zentralsulcus (siehe Abbildung 4.4).

Abbildung 4.4: Der Parietallappen: die somatosensorische Hirnrinde

Die Zuordnung der Hautrezeptoren zu bestimmten Hirnarealen: Landkarten auf der Großhirnrinde

Die Zuordnung der Hautrezeptoren zu bestimmten Bereichen der Großhirnrinde veranschaulicht eines der grundlegendsten Prinzipien des Gehirnaufbaus. Der Thalamus projiziert die eingehenden Signale systematisch auf die Großhirnrinde. Signale von benachbarten Bereichen der Haut werden auch an benachbarte Neuronen im Gehirn weitergeleitet. So entstehen die Landkarten auf der Großhirnrinde. In Abbildung 4.5 können Sie sehen, wie die Haut auf der Großhirnrinde abgebildet wird.

Abbildung 4.5: Die somatosensorische Landkarte auf der Großhirnrinde

Wir empfinden die Aktivität in diesem speziellen Hirnareal nicht als Hautreize, weil sich dort spezielle Hautneuronen befinden, sondern weil wir dort die Signale, die von der Haut kommen, empfangen und weil von dort aus Verbindungen zum Gedächtnis bestehen, in dem vorangegangene Hautreize und andere damit in Zusammenhang stehende Empfindungen abgespeichert sind. Die Wahrnehmung, die durch die Aktivität in diesem Hirnareal entsteht, ist also eine Folge davon, woher die eingehenden Signale kommen und wohin die Signale aus diesen Bereichen gehen.

Diese Landkarte auf der Großhirnrinde wird auch Homunculus genannt. Das heißt so viel wie »kleiner Mensch«. Die Oberfläche des somatosensorischen Kortex, auf den die Hautrezeptoren ihre Signale projizieren, entspricht jedoch nicht wirklich einer Miniaturausgabe des Körpers. Er ist eher eine Art Band oder Streifen, wie der kanadische Neurochirurg Wilder Penfield (1891–1976) herausfand. Da es schwierig ist, eine dreidimensionale Oberfläche auf einer zweidimensionalen Karte abzubilden (denken Sie nur an normale Landkarten im Vergleich zu einem Globus), ist das Bild, das wir dabei erhalten, verzerrt.

Außerdem liegen einige Bereiche des Körpers (Hände und Finger) auf der Großhirn-Karte ganz nah an Bereichen (Gesicht), die am Körper doch eher weiter voneinander entfernt sind. Einige Wissenschaftler nehmen an, dass der Phantomschmerz, der Menschen nach einer Amputation häufig plagt, entsteht, weil die Projektion der Signale vom Gesicht in Bereiche der Hirnrinde eindringt, die durch die jetzt fehlende Extremität stimuliert worden waren. So werden Empfindungen wahrgenommen, als stammten sie von dieser Extremität, auch wenn sie gar nicht mehr vorhanden ist.

Rezeptordichte

Gleichgroße Bereiche der Haut werden nicht auf entsprechend gleichgroßen Gebieten der Hirnrinde abgebildet. Das liegt an der unterschiedlich hohen Rezeptordichte in der Haut. In den Fingerspitzen befinden sich beispielsweise sehr viel mehr Rezeptoren als auf der gleichgroßen Hautfläche am Bauch oder Rücken. Die höhere Rezeptordichte in den Fingerspitzen erlaubt eine feine Zwei-Punkt-Diskrimination. Dabei handelt es sich um die Fähigkeit, zwei nahe beieinanderliegende Berührungsreize räumlich voneinander zu unterscheiden. In den Fingerspitzen, den Lippen oder an der Stirn liegt der kleinste Abstand, bei dem zwei Reize noch einzeln wahrgenommen werden können, im Millimeterbereich. Am Bauch, Rücken oder an den Beinen sind es dagegen schon Zentimeter. In den Fingerspitzen brauchen Sie diese hohe Zwei-Punkt-Diskrimination, um Gegenstände präzise zu handhaben. Im Gesicht hilft sie Ihnen, bestimmte Gesichtsausdrücke zu machen.

Ein Hirnareal einer bestimmten Größe verarbeitet die eingehenden Signale von etwa der gleichen Rezeptoranzahl. Dadurch nehmen Bereiche mit einer hohen Rezeptordichte wie die Fingerspitzen im Verhältnis einen größeren Bereich der Hirnrinde ein als Hautbereiche, die nur eine niedrige Rezeptordichte besitzen. In Abbildung 4.5 können Sie sehen, wo die Hautrezeptordichte relativ hoch ist.

Den Schmerz verstehen

Schmerzen können verschiedene Ursachen und Auswirkungen haben. Sie können lang anhaltende Stimmungsveränderungen hervorrufen und Ursachen besitzen, die nicht genau lokalisierbar sind. Für den Schmerz haben wir in unserem Gehirn keine Landkarte wie in den Hirnarealen, die für das Fühlen und die Bewegung zuständig sind. Der Schmerz wird auf verschiedensten Bahnen zum Gehirn geleitet, er hat unterschiedlichste Ursachen (multimodal) und beeinträchtigt oft nachhaltig unseren Gemütszustand.

Doch auch im umgekehrten Fall kann unser Gemütszustand die Wahrnehmung von Schmerzen verändern. Die aktuelle Befindlichkeit, aber auch Einstellung (gegenüber Schmerz) kann einen Menschen dazu bringen, Schmerzen zu ignorieren oder gar nicht erst wahrzunehmen, während Angst den Schmerz noch verstärken kann.

Schmerzen reduzieren

Seit Tausenden Jahren wissen wir, dass es möglich ist, eine Schmerzempfindung bewusst abzuschwächen. Denken Sie nur an Soldaten, die schwere Verletzungen ignorieren, Yogis auf einem Nagelbrett oder Menschen, die Schmerzen nach Hypnose nicht mehr spüren. Auch Medikamente können Schmerzen ausschalten oder lindern. Vieles davon ist möglich, weil das Schmerzsystem in unserem Gehirn bestimmte Neurotransmitter verwendet.

Neurotransmitter, die Schmerzen reduzieren oder ausschalten können

Wissenschaftler rätselten sehr lange, warum eine Substanz, die aus einer Mohnblume gewonnen wird (Morphin), Schmerzen bekämpfen kann. Die meisten psychoaktiven Substanzen ahmen die Wirkung bekannter Neurotransmitter nach. Doch bis vor wenigen Jahren war noch kein Neurotransmitter bekannt, der Schmerzen lindern kann.

Das alles änderte sich mit der Entdeckung endogener Opioide (das sind Opioide, die vom Körper selbst produziert werden). Die bekanntesten dieser morphinähnlichen Substanzen sind die Endorphine. Sie werden beispielsweise während einer Entbindung oder auf den letzten Kilometern eines Marathons ausgeschüttet.

Opiate wie Morphin und Heroin verringern die Schmerzempfindung, weil sie die Wirkung von Substanzen nachahmen, die der Körper selber zur Schmerzkontrolle produziert. Sie werden an die gleichen Rezeptoren gebunden und haben schon in geringer Dosierung die gleiche Wirkung. In höherer Dosierung rufen diese Substanzen einen Rausch hervor und machen abhängig.

Die Existenz der Endorphine lüftet noch ein weiteres Geheimnis der Schmerzbekämpfung – den so genannten Placebo-Effekt. Der Placebo-Effekt tritt auf, wenn Patienten ein Medikament verabreicht wird, das keinerlei schmerzstillende Substanzen enthält und der Schmerz sich trotzdem verringert, nur weil die Betroffenen glauben, dass sie ein echtes Schmerzmittel erhalten haben.

Lange Zeit hat man angenommen, dass der Placebo-Effekt ein rein psychisches Phänomen darstellt. Doch mittlerweile hat sich herausgestellt, dass er nicht nur eine psychische, sondern auch eine physische Komponente besitzt, denn durch den Glauben an die Wirksamkeit eines Mittels kommt es nachweislich zur Endorphinproduktion im Körper. Diese Endorphine können Schmerzen lindern, indem sie an Endorphinrezeptoren gebunden werden.

Emotionale Erregung kann Schmerzen lindern: Die Kontrollschrankentheorie

Ein weiteres Rätsel der Schmerzwahrnehmung besteht darin, dass eine hohe emotionale Erregung nachweislich Schmerzen vermindern kann. Es gibt viele Fälle, in denen Menschen lebensgefährliche Situationen überstanden haben, ohne dabei zu bemerken, dass sie schwer verletzt waren. Eine Theorie, mit der man diesen Effekt erklären kann, ist die Kontrollschrankentheorie (engl. Gate-Control-Theory).

Diese Theorie besagt, dass sich Signale von Schmerzrezeptoren im zentralen Nervensystem mit den Signalen normaler Mechanorezeptoren vermischen. Wären nur die Schmerzrezeptoren aktiv, könnten sie die Kontrollschranke einfach passieren und das Gehirn erreichen. Sind aber im Köper noch andere Mechanorezeptoren aktiv, auch in anderen Teilen des Körpers, können sie diese Kontrollschranke blockieren und so das Schmerzsignal zum Gehirn unterdrücken. Wie sich mittlerweile herausgestellt hat, kann auch geistige Tätigkeit diese Kontrollschranke schließen. Der Körper verfügt dadurch über ein körpereigenes Schmerzhemmsystem.

Die periphere Neuropathie

In den vorangegangenen Abschnitten habe ich erläutert, wie man die Schmerzempfindung verringern kann, beispielsweise durch körpereigene Endorphinproduktion. Manche Menschen wundern sich, warum wir überhaupt einen Schmerzsinn besitzen. Schmerzen sind schließlich unangenehm. Wäre es nicht besser, keine Schmerzen empfinden zu können?

Die Antwort auf diese Frage ist ein klares Nein. Das wissen wir so genau, weil es Menschen gibt, bei denen das der Fall ist, zum Beispiel bei Patienten, die an einer peripheren Neuropathie leiden. Bei dieser Erkrankung sind viele Neuronen im peripheren Nervensystem, also auch Schmerzrezeptoren, abgestorben oder geschädigt. Der Verlust der Schmerzempfindung in bestimmten Körperregionen kann auch die Folge eines Schlaganfalls oder einer anderen Gehirnschädigung sein.

Menschen mit einer peripheren Neuropathie neigen dazu, sich selbst zu verletzen, ohne es zu bemerkeie verbrennen sich beim Kochen oder ignorieren eine Verletzung, bis sie sich schwer infiziert hat, weil sie die schmerzhaften Anzeichen einer Infektion nicht wahrnehmen. Schmerzempfindungen sind notwendig, um den Körper vor Schaden zu bewahren.

Patienten, die das Gefühl in einer Extremität verloren haben, sind wie gelähmt, weil sie es vermeiden, diese Extremität zu benutzen, auch wenn die Schaltkreise der Motoneuronen völlig intakt sind. Eine neue Therapiemöglichkeit, die Bewegungsinduktionstherapie, kann dabei helfen, diese »Lähmung« wieder rückgängig zu machen. Dabei wird der Patient gezwungen, beispielsweise den »gelähmten« Arm zu bewegen, weil der gesunde Arm fixiert ist. Durch dieses Training lernen die Betroffenen, den Arm wieder zu benutzen.

Chronische Schmerzen und individuelle Unterschiede in der Schmerzwahrnehmung

Obwohl Schmerz wichtig ist, um den Körper vor Schaden zu bewahren, kann auch der Schmerz selbst den Körper außer Gefecht setzen. Chronische Schmerzen funktionieren nicht mehr als Warnsignal, das den Betroffenen zur Ruhe zwingt und dem Körper dadurch ermöglicht, wieder gesund zu werden. Schmerz kann auch psychische Ursachen haben oder er hat Ursachen, die man nicht nachweisen kann, und deshalb nimmt man einen psychischen Ursprung an, wie bei bestimmten chronischen Schmerzen oder Depression.

Schmerzen, sowohl solche, die als körperlich begründet gelten, als auch solche psychischen Ursprungs, scheinen ein Hirnareal zu aktivieren, das man den anterioren Gyrus cinguli nennt. Dabei handelt es sich um den vorderen Teil eines Bereiches des Mesokortex, genau oberhalb des Hirnbalkens. (In Kapitel 2 erfahren Sie mehr über die verschiedenen Hirnareale. Mehr zur Entwicklung und Aufgabe des Mesokortex können Sie in Kapitel 12 nachlesen.)

Der vordere Teil des Gyrus cinguli scheint ein übergeordnetes Kontrollzentrum zu sein. Es wird bei Schmerzen, der Erwartung von Schmerzen und beim Misslingen zielgerichteter Handlungen aktiviert. Er scheint an der Entscheidung beteiligt zu sein, welche Reaktion aufgrund bestimmter Erfahrungen erfolgt. Wenn Sie sich beispielsweise schon einmal an einer Herdplatte verbrannt haben, sind Sie in Zukunft vorsichtiger beim Kochen.

Auch bei der individuellen Wahrnehmung von Schmerzen gibt es Unterschiede. Männer scheinen chronische Schmerzen schlechter zu tolerieren als Frauen. Akute Schmerzen scheinen sie jedoch viel besser zu verkraften. Die Schmerztoleranz steigt mit dem Alter. Das haben Untersuchungen ergeben, bei denen gemessen wurde, wie lange es Testpersonen aushalten, ihre Hand in Eiswasser zu tauchen. Man weiß jedoch noch nicht, ob diese Zunahme der Schmerztoleranz psychische oder körperliche Ursachen hat. Auch eine hohe Motivation oder intensives sportliches Training können die Schmerzwahrnehmung senken.

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Einblicke in das Sehen

In diesem Kapitel ...

Die Rolle der Augen beim Sehen

Die Sehzentren des Gehirns

Wie wir Farben, Tiefe und Formen sehen

Die Ursachen einer Sehschwäche und die Geheimnisse optischer Täuschungen

Wie sehen Sie? Die meisten Menschen sind der Meinung, dass beim Sehen das Licht, das von unserer Umgebung abgestrahlt wird, vom Auge aufgenommen wird und dort wie in einer Kamera ein Bild erzeugt, das dann an das Gehirn weitergeleitet wird. Doch die Netzhaut ist eine Erweiterung des Gehirns und verändert bereits das kameraartige Bild, das auf die Netzhaut trifft. Dieses veränderte Bild wird dann vom Gehirn weiterverarbeitet.

Beim Sehen treffen Photonen auf Fotorezeptoren der Netzhaut. Die Netzhaut und das Gehirn führen dann eine aufwendige Analyse dieser Informationen durch. Visuelle Informationen werden in parallelen Leitungsbahnen, die von der Netzhaut über den Thalamus bis zum Okzipitallappen reichen, verarbeitet. Verschiedene Nervenzellen in der Netzhaut nehmen unterschiedliche Aspekte des Bildes auf. Dazu gehören Farben, Bewegungen oder die Lage von Kanten. So können Sie Objekte erkennen und einschätzen, wie weit sie von Ihnen entfernt sind.

In diesem Kapitel erfahren Sie mehr über diese besonderen Nervenzellen. In frühen Verarbeitungsstufen des visuellen Systems reagieren die Nervenzellen zum Beispiel auf Farbe und Helligkeit. Weiter oben in der Verarbeitungshierarchie gibt es Zellen, die ausschließlich auf bestimmte Gesichter reagieren. Und wenn Sie alles über die Verarbeitung visueller Reize gelesen haben, können Sie darüber nachdenken, warum sich Blinde, deren Augen keinerlei Informationen liefern, dennoch etwas bildlich vorstellen können.

Ein flüchtiger Blick auf Ihre Augen

Sie haben vermutlich schon einmal gehört, dass das Auge wie eine Kamera funktioniert. Wie Sie in Abbildung 5.1 sehen können, rührt dieser Vergleich daher, dass der Aufbau des Auges den optischen Bestandteilen einer Kamera ähnelt. Die Linse verhält sich dabei wie ein Kameraobjektiv und die Pupille entspricht der Blende.

Gelangt Licht in das Auge, trifft es zuerst auf die Hornhaut. Hier wird es zum ersten Mal gebündelt. Die Linse bündelt das Licht weiter und die Pupille, die zwischen der Hornhaut und der Linse liegt, wird weiter oder enger, um mehr oder weniger Licht ins Auge zu lassen. Das Bild, das von der Hornhaut, der Linse und der Pupille geformt wird, wird auf die Netzhaut , einer Nervenzellschicht innerhalb des Auges, projiziert. Die folgenden Abschnitte beschäftigen sich damit, was mit dem Bild passiert, wenn es auf die Netzhaut trifft.

Abbildung 5.1: Lichteintritt ins Auge

Die Linsenfunktion des Auges kann eigentlich nicht mit der Linse einer Kamera gleichgesetzt werden. Beim Auge übernimmt die Hornhaut 70 Prozent der Lichtbündelung. Die restlichen 30 Prozent übernimmt die Linse. Die Linse des Auges kann außerdem ihre Form verändern, um nahe und weit entfernte Bildpunkte scharf darzustellen. Dieser Vorgang wird Akkomodation genannt.

Die Netzhaut: Photonen werden in elektrische Signale umgewandelt

Die kleinsten Bestandteile des Lichts sind Photonen. Wenn diese Photonen auf die Netzhaut treffen, werden sie von Fotorezeptoren aufgenommen. Dabei handelt es sich um spezielle Nervenzellen der Netzhaut, die Licht in elektrische Signale umwandeln können und so die Ausschüttung eines Neurotransmitters (Glutamat) steuern. Der gesamte Vorgang – von den Photonen über die elektrischen Signale bis zur Ausschüttung des Neurotransmitters – wird Fototransduktion genannt.

Es gibt zwei Fotorezeptorarten:

Stäbchen, die bei sehr wenig Licht arbeiten und so die Nachtsicht ermöglichen.

Zapfen , die nur in hellem Tageslicht funktionieren. Menschen verfügen über drei Arten von Zapfen, die für das Farbsehen wichtig sind.

Nachts, wenn nur die Stäbchen genügend Photonen aufnehmen, um elektrische Signale zu erzeugen, können Sie keine Farben erkennen, denn die Signale eines Stäbchens enthalten keine Informationen über die Wellenlänge des absorbierten Photons. Tagsüber sind dagegen drei verschiedene Zapfenarten aktiv (rot, grün und blau). Die Zapfen selber geben auch keine Informationen über die Wellenlänge weiter, doch das Gehirn kann durch das Verhältnis der Aktivität der verschiedenen Zapfen Rückschlüsse darauf ziehen. Bei einem sehr blauen Licht sind beispielsweise die blauen Zapfen deutlich stärker aktiviert als die grünen und roten.

Da das Farbensehen über diese drei Zapfenarten ermöglicht wird, müssen auch Fernsehgeräte und Computerbildschirme Rot, Grün und Blau für die Darstellung von Farben verwenden. Wenn Sie, wie viele Tiere, nur über zwei Zapfenarten verfügen würden, könnten Bildschirme mit zwei verschiedenen Farbkomponenten auskommen. Hätten Menschen dagegen vier Zapfenarten wie manche Fische, könnte ein Fernsehgerät mit nur drei Farben das Bild nicht korrekt darstellen. Es würde für uns aussehen wie der Ausdruck eines Farbdruckers, bei dem eine Farbpatrone leer ist.

Photonen einfangen: Licht und Fototransduktion

Wenn ein Fotorezeptor ein Photon aufnimmt, läuft eine Reaktionskaskade ab, an deren Ende ein Signal steht, das an andere Nervenzellen der Netzhaut übertragen wird:

1. Es findet eine chemische Reaktion statt.

Das Molekül Rhodopsin, das Photonen absorbiert, besitzt eine abgewinkelte Form, die 11-cis-Retinal genannt wird. Wenn dieses Molekül ein Photon absorbiert, springt es in eine gerade Form und verändert sich zum all-trans-Retinal. Diese beiden Moleküle (11-cis-Retinal und all-trans-Retinal) haben zwar die gleiche chemische Zusammensetzung, besitzen aber eine unterschiedliche Struktur.

2. Das all-trans-Retinal reduziert die Konzentration von cyclischem GMP (cGMP).

cGMP ist ein zellulärer Botenstoff in den Fotorezeptoren, der die depolarisierenden Ionenkanäle in der Zellmembran offen hält.

Diese Ionenkanäle werden nicht durch Neurotransmitter gesteuert (siehe Kapitel 3), sondern durch das Licht. Wenn das Licht die cGMP-Konzentration im Fotorezeptor senkt, verringert sich dadurch die Anzahl der offenen Ionenkanäle und es kommt zur Hyperpolarisation (Spannungserhöhung).

Bei allen Wirbeltieren führt die Lichtabsorption durch den gleichen fotochemischen Vorgang in den Fotorezeptoren zu einer Spannungserhöhung. Bei den wirbellosen Tieren, wie beispielsweise dem Tintenfisch, finden andere fotochemische Vorgänge statt und es kommt durch den Lichteinfall nicht zu einer Hyper-, sondern zu einer Depolarisation.

3. Durch die Hyperpolarisation der Fotorezeptoren kommt es an der ersten Synapse des Sehsystems, den Fotorezeptor-Endfüßchen, zu einer verminderten Ausschüttung von Glutamat, dem Neurotransmitter der Fotorezeptoren.

Das Fotorezeptor-Endfüßchen ähnelt sehr dem Synapsenendknöpfchen, nur dass nicht einzelne Aktionspotenziale zur Neurotransmitterausschüttung führen, sondern dass die Lichtabsorption die Neurotransmitterabgabe kontinuierlich anpasst.

4. Veränderungen in der Glutamatfreisetzung steuern andere Zellen der Netzhaut.

Die Signale der Fotorezeptoren werden an zwei nachgeschaltete Zelltypen, die Bipolar- und Horizontalzellen, weitergeleitet. Diese Zelltypen werden im nächsten Abschnitt genauer beschrieben.

Die Fotorezeptoren schicken nicht direkt ein Bild an das Gehirn. Sie kommunizieren dagegen mit anderen Nervenzellen der Netzhaut, die die Informationen dann weiter zum Gehirn leiten. In den folgenden Abschnitten erkläre ich Ihnen, wie diese Kommunikation funktioniert.

Die Informationen zum Gehirn schicken

Warum schickt das Auge die elektrischen Signale der Zapfen und Stäbchen nicht direkt zum Gehirn? Der Hauptgrund ist, dass es über 100 Millionen Zapfen und Stäbchen gibt, aber nur eine Million Nervenbahnen zum Gehirn zur Verfügung stehen. Da auf diesen Nervenbahnen pro Sekunde nur einige Aktionspotenziale geschickt werden können, ist die Informationsmenge, die so verschickt werden kann, begrenzt.

Es ist interessant, wie die Netzhaut dieses Kapazitätsproblem umgeht. Mehr dazu lesen Sie in den folgenden Abschnitten.

Bei der Vorstellung, dass die Netzhaut ein Bild direkt an das Gehirn schickt, handelt es sich um ein weitverbreitetes Missverständnis. In Wirklichkeit verarbeitet die Netzhaut das Bild und sendet Informationen, die sie aus diesem Bild erhalten hat, über unterschiedliche Leitungsbahnen an mindestens 15 verschiedene Hirnareale.

Mehr Fotorezeptoren in der Augenmitte

In der Mitte der Netzhaut befinden sich mehr Sinneszellen als am Rand. Dieser Bereich wird auch Fovea (Sehgrube) genannt (siehe Abbildung 5.1). Man kann zwar auch in der Peripherie Dinge wahrnehmen, doch um scharf zu sehen, muss das Bild direkt auf die Fovea projiziert werden.

Reaktion wird der durchschnittlichen Lichtmenge angepasst

Die Netzhaut passt sich an, indem die Fotorezeptoren jedes Mal kurz reagieren, wenn sich die Lichtmenge verändert, doch danach gewöhnt sie sich an diesen neuen Zustand und reduziert nach einigen Sekunden die Signalmenge. Es spart Energie, wenn die Zellen dem Gehirn nicht ständig wieder sagen müssen: »Ja. Die Lichtstärke ist immer noch die gleiche wie vor ein paar Sekunden.«

Laterale Hemmung

Die Anpassung der Netzhaut erfolgt außerdem auch durch Wechselwirkungen zwischen neuronalen Schaltkreisen. Bei dem Vorgang der lateralen Hemmung wird die Menge der Informationen reduziert, die an das Gehirn weitergeleitet werden. Die Fotorezeptoren übermitteln eher die Differenz zwischen dem Licht, das sie aufnehmen, und dem Umgebungslicht als die absolute Menge an Licht, das sie erreicht. In den nächsten Abschnitten werden die neuronalen Schaltkreise, die die laterale Hemmung ermöglichen, genauer erklärt.

Signale der Fotorezeptoren verarbeiten: Horizontal- und Bipolarzellen

Wie bereits erwähnt, ist die laterale Hemmung ein Weg, mit dem unser Nervensystem die Kapazitätsgrenze für die Informationsübertragung von der Netzhaut zum Gehirn überwindet. Bei der lateralen Hemmung leiten die Fotorezeptoren nicht das absolute Lichtniveau, das sie erhalten, weiter. Stattdessen übertragen sie die Differenz zwischen dem Licht, das sie erreicht, und dem Umgebungslicht.

Die Fotorezeptoren sind mit zwei unterschiedlichen Zelltypen verbunden: den Horizontal- und den Bipolarzellen (siehe Abbildung 5.2). Die Horizontalzellen vermitteln die laterale Hemmung und die Bipolarzellen übertragen die Signale der Fotorezeptoren, die durch die Horizontalzellen verändert wurden, zum Gehirn. In den folgenden Abschnitten erfahren Sie, wie das funktioniert.

Abbildung 5.2: Fotorezeptoren sind mit Horizontal- und Bipolarzellen verbunden

Schritt 1: Überflüssige Signale reduzieren (Horizontalzellen und laterale Hemmung)

Stellen Sie sich vor, Sie starren auf ein Stoppschild. Sie benötigen nicht alle Zellen, die auf die verschiedenen Abschnitte des Verkehrsschildes reagieren, um genau sagen zu können, dass das gesamte Schild aus dem gleichen Rotton besteht. Die Netzhaut kann durch die laterale Hemmung verhindern, überflüssige räumliche Informationen weiterzuleiten.

Und so funktioniert das: Die Horizontalzellen empfangen die Erregung von den umliegenden Fotorezeptoren und verringern das Signal des zentralen Fotorezeptors. Dadurch kann jeder Fotorezeptor den Unterschied zwischen Lichtintensität und Farbe, die ihn erreichen, und der durchschnittlichen Intensität und Farbe der benachbarten Sinneszellen anzeigen. Der Fotorezeptor kann diese kleinen Unterschiede in Intensität und Farbe dann an die nächsten Zellen, die Bipolarzellen, weitergeben.

Schritt 2: Weiter geht's mit den Bipolarzellen und den verarbeitenden Schichten darunter

Die Signale, die von den Horizontalzellen verändert wurden, werden an die Bipolarzellen weitergeleitet (siehe Abbildung 5.2). Diese übertragen die Signale dann an die nächste Zellschicht der Netzhaut, wo sie weiterverarbeitet werden. Es gibt zwei Arten von Bipolarzellen:

Depolarisierende Bipolarzellen, die durch einen Lichtreiz erregt werden.

Hyperpolarisierende Bipolarzellen, die durch die dunklen Bereiche eines Bildes erregt werden.

Wie können depolarisierende und hyperpolarisierende Bipolarzellen eine genau entgegengesetzte Reaktion auf Licht haben? Beide Zellarten erreicht das Glutamat von den Fotorezeptoren, doch sie besitzen unterschiedliche Glutamatrezeptoren. Der Glutamatrezeptor der depolarisierenden Bipolarzellen ist ein ungewöhnlich schneller Rezeptor, der eine hemmende Wirkung besitzt. Wie bereits erwähnt, werden Fotorezeptoren durch Licht hyperpolarisiert, indem sie bei Lichteinfall weniger Glutamat ausschütten. Diese Verminderung der Glutamatkonzentration reduziert die Hemmung der depolarisierenden Bipolarzellen (mit anderen Worten, die Hemmung der Hemmung = mehr Erregung). Die Glutamatrezeptoren der hyperpolarisierenden Zellen reagieren auf übliche Weise, indem weniger Glutamat zu einer geringeren Erregung der Zelle führt.

Die Bipolarzellen leiten die Signale zur nächsten Schicht der Netzhaut weiter. Dort sind sie mit zwei Zellarten verbunden:

Den Ganglienzellen : Sie senden letztendlich die Signale der Netzhaut zum Gehirn.

Die Amakrinzellen : Sie sorgen für die Verschaltung des neuronalen Netzwerks in dieser Netzhautschicht und verhalten sich ähnlich wie Horizontalzellen.

Beide Zelltypen werde ich im folgenden Abschnitt näher beschreiben. (Bleiben Sie dran, wir sind schon fast im Gehirn!)

Signale senden und formen: Ganglien- und Amakrinzellen

Das Bild, das die Fotorezeptoren erfassen und die Horizontal- und Bipolarzellen verändern, wird danach von den Amakrin- und den Ganglienzellen weiterverarbeitet und zum Gehirn übertragen.

Die Ganglienzellen sind der Ausgang der Netzhaut. Stellen Sie sich eine Art Güterbahnhof vor: Die Informationen der Augen sind geladen und bereit, ihre Reise zum Gehirn anzutreten. Aber wohin? Die Ganglienzellen schicken ihre Informationen an mindestens 15 Areale im Gehirn, die Informationen der Netzhaut verarbeiten. Wieso sind es so viele und welche Aufgabe hat jeder Bereich? Im nächsten Abschnitt erfahren Sie mehr.

Fertig für die Reise: Analoge in digitale Signale umwandeln

In der Netzhaut liegen die Sinneszellen sehr nahe beieinander und die Übertragungswege der Signale sind kürzer als ein Millimeter. Doch die Signale, die vom Auge zum Gehirn geleitet werden, müssen einige Zentimeter überwinden. Das mag Ihnen auch nicht viel erscheinen, doch für eine Zelle ist es ein wahrer Marathon. Um so eine Strecke zu überwinden, müssen Axone Aktionspotenziale weiterleiten. Deshalb wandeln die Ganglienzellen die analogen Signale, die sie von den Bipolarzellen erhalten haben, in einen digitalen Impuls um und senden diesen an das Gehirn. (In Kapitel 3 können Sie noch einmal alles zum Aktionspotenzial nachlesen.)

Die Ganglienzellarten

Es gibt unterschiedliche Ganglienzelltypen. Zu den wichtigsten gehören:

Parvozelluläre Ganglienzellen (kleine Zellen): Sie übermitteln Informationen zu Farben und Details

Magnozelluläre Ganglienzellen (große Zellen): Sie sind für die Bewegungswahrnehmung verantwortlich

Parvozelluläre Ganglienzellen kommen in der Netzhaut am häufigsten vor.

Andere Ganglienzellarten reagieren auf andere Bestandteile visueller Reize und projizieren sie auf spezielle Bereiche des Gehirns. Manche Ganglienzellen reagieren beispielsweise nur auf Bewegungen in einer bestimmten Richtung. Sie helfen Ihnen dabei, das Gleichgewicht zu halten oder Gegenstände, die sich in Bewegung befinden, zu verfolgen. Andere Ganglienzellen reagieren nur auf bestimmte Farben. Dadurch können Sie reife von unreifen Früchten oder die rote von der grünen Ampel unterscheiden. Außerdem gibt es Ganglienzellen, die dafür zuständig sind, dass Sie Kanten und Ränder erkennen.

Die Ganglienzellen senden spezielle Merkmale der visuellen Welt zum Gehirn. Dadurch muss die Netzhaut nicht Millisekunde für Millisekunde eine übermäßige Menge an Bildpunkten zum Gehirn schicken.

Von den Augen zu den Sehzentren im Gehirn

Im vorangegangenen Abschnitt haben Sie erfahren, wie die Netzhaut Licht in Impulse der Ganglienzellen umwandelt und so verschiedene Informationen über ein Bild zum Gehirn schickt. Diese Impulse sind Aktionspotenziale und können über die Axone der Ganglienzellen bis zum Gehirn reisen. In diesem Abschnitt werden Sie erfahren, wohin die Signale im Gehirn gehen und was geschieht, nachdem sie dort angekommen sind.

Reiseziel: Thalamus

Die meisten Informationen der Netzhaut gehen zum Thalamus. (In Kapitel 2 wurde bereits beschrieben, was der Thalamus ist.) Eine Unterregion des Thalamus, die für das Sehen wichtig ist, ist der hintere Teil des Nucleus geniculatus lateralis. Sowohl die parvo- als auch die magnozellulären Ganglienzellen (siehe Abschnitt »Die Ganglienzellarten«) projizieren ihre Informationen in diesen Bereich.

In Abbildung 5.3 sehen Sie, dass jedes Auge ein ganzes Bündel an Nervenfasern verlässt und dass sich diese zwei Faserbündel nach einigen Zentimetern vereinen. Diese Nervenfaserbündel sind die Sehnerven und der Punkt, an dem sich die Sehnerven zum ersten Mal treffen, wird Chiasma opticum genannt und ist die Sehnervenkreuzung.

Abbildung 5.3: Der Thalamus und die Hirnrinde

Die Seite wechseln: Bilder werden rechts und links einsortiert

In der Sehnervenkreuzung geschehen interessante Dinge. Einige Ganglienzellaxone wechseln hier zur anderen Seite des Gehirns, andere nicht. Welche Fasern tun das und vor allem, warum tun sie das?

Betrachten Sie in Abbildung 5.3 das rechte Auge. Der Teil der rechten Netzhaut, der der Nase am nächsten ist (nasale Netzhaut), empfängt Bilder aus Ihrer rechten Umgebung (rechtes Gesichtsfeld), während der Teil der rechten Netzhaut, der am weitesten von der Nase entfernt ist (temporale Netzhaut), von der linken Seite der Umgebung Informationen aufnimmt. Im linken Auge dagegen fällt das rechte Gesichtsfeld auf den Teil der Netzhaut, der von der Nase entfernt liegt. An der Sehnervenkreuzung ordnen sich die Axone dann so, dass alle Informationen des rechten Gesichtsfeldes zur linken Gehirnhälfte gehen, während die rechte Gehirnhälfte die Informationen des linken Gesichtsfeldes verarbeitet.

Das geschieht, weil die Axone der nasal gelegenen Netzhautganglienzellen an der Sehnervenkreuzung zur anderen Seite wechseln, während die Axone der temporal gelegenen Ganglienzellen auf der gleichen Seite bleiben.

Deshalb besteht die Nervenbahn nach der Sehnervenkreuzung aus anderen Axonen als die Sehnerven vor der Kreuzung. Die Sehbahn wird nach der Kreuzung auch Tractus opticus genannt. Der linke Tractus opticus besteht aus Axonen, die von beiden Augen kommen und das rechte Gesichtsfeld abbilden. Der rechte Tractus opticus besteht aus Axonen beider Augen, die die Informationen des linken Gesichtsfeldes weiterleiten.

Das visuelle Signal im Thalamus

Was geschieht mit dem visuellen Signal im Thalamus? Vor 20 Jahren hätten die Wissenschaftler auf diese Frage noch nicht viel zu sagen gehabt, denn die Axone der Ganglienzellen docken im Thalamus an Zellen an, die ähnliche Eigenschaften besitzen wie die Ganglienzellen, von denen sie die Signale erhalten. Aus diesem Grunde wurden sie häufig auch als Schaltzellen bezeichnet.

Doch warum legen die Ganglienzellen dann überhaupt diesen Zwischenstopp im Thalamus ein? Ist es, weil die Axone einfach nicht lang genug werden können? Diese Erklärung ist sehr unwahrscheinlich, da alle Säugetiere diese visuelle Schaltstelle im Thalamus besitzen (bedenken Sie die großen Streckenunterschiede bei einem Elefanten- und einem Mäusehirn). Die wahrscheinlichere Erklärung ist, dass die Thalamuszellen auch noch Signale aus anderen Hirnregionen erhalten. Dabei fungiert der Thalamus als Filter und entscheidet, welche Signale so wichtig sind, dass sie an die Großhirnrinde weitergeleitet werden. Deshalb wird der Thalamus auch als »Tor zum Bewusstsein« bezeichnet.

Wie funktioniert diese Filterfunktion im Thalamus? Stellen Sie sich vor, Sie sollen eine Person treffen, die Sie vorher noch nie gesehen haben. Sie wissen nur, dass diese Person einen roten Pulli anhaben wird. Sie sehen sich um und achten auf alle Menschen, die die Farbe Rot tragen. Diese Aufgabe wird von zahlreichen Bestandteilen des visuellen Systems, einschließlich des Thalamus, ausgeführt. Die Zellen im Thalamus, die auf Rot reagieren, erhöhen jetzt durch die Aufmerksamkeit, die Sie auf die Farbe Rot richten, ihre Reaktionsfähigkeit. Wenn Sie dann aber eine SMS bekommen, dass Ihre Verabredung den roten Pulli ausgezogen hat, weil es zu warm war, und jetzt nur noch ein grünes T-Shirt trägt, lenken Sie Ihre Aufmerksamkeit einfach auf die Farbe Grün. Jetzt werden die Zellen, die auf Grün reagieren, ihre Reaktionsfähigkeit verstärken.

Die Schaltzellen des Thalamus senden ihre Axone wiederum zum Sehzentrum, das sich auf dem Okzipitallappen (siehe Kapitel 2) befindet. Diese Nervenfaserbahn heißt Sehstrahlung. Die Verarbeitung der visuellen Informationen in der Sehrinde erläutere ich später im Abschnitt »Vom Thalamus zum Okzipitallappen«.

Andere Reiseziele

Einige Ganglienzellen der Netzhaut projizieren ihre Informationen nicht auf den Thalamus, sondern auf andere Bereiche. Diese Areale nutzen die visuellen Informationen für andere Funktionen. Dazu gehören die Kontrolle der Augenbewegungen, der Pupillenreflex und der zirkadiane Rhythmus

Colliculus superior: Die Kontrolle der Augenbewegungen

Dieses Areal erreichen Axone von fast allen Ganglienzellarten. Der Colliculus superior kontrolliert die Augenbewegungen. Unsere Augen stehen eigentlich niemals still. Sie springen drei bis vier Mal pro Sekunde von Punkt zu Punkt. Diese schnellen Augenbewegungen werden Sakkaden genannt. Wenn wir etwas suchen, werden diese Sakkaden bewusst gesteuert. Sie finden unbewusst statt, wenn etwas in Ihrem peripheren Gesichtsfeld erscheint, das Ihre Aufmerksamkeit auf sich zieht (wie rote Pullis oder grüne T-Shirts).

Zusätzliche optische und prätektale Kerne

Verschiedene optische und prätektale Kerne erhalten Informationen von Ganglienzellen, die die eigenen Körperbewegungen überwachen. Diese Kerne sind wichtig für das Gleichgewicht. Außerdem ermöglichen sie es Ihnen, dass Sie ein Objekt im Auge behalten, während Sie sich bewegen. Sie projizieren Informationen auf motorische Hirnareale, die die Augenmuskeln steuern, damit sich das Bild, das Ihr Auge aufnimmt, nicht über die Netzhaut bewegt, obwohl sich das Objekt, das Sie beobachten, bewegt.

Eine wichtige Funktion dieser Leitungsbahn ist das visuelle Tracking. Das ist die Fähigkeit, beispielsweise einem Vogel, der am Himmel fliegt, zu folgen und dabei das Bild des Vogels immer auf der Stelle des schärfsten Sehens, der Fovea, abzubilden. Sie können das nicht nur, während Sie stillstehen, sondern auch während des Laufens.

Der Nucleus suprachiasmaticus

Suprachiasmaticus bedeutet oberhalb der Sehnervenkreuzung. Dieses Kerngebiet reguliert den zirkadianen Rhythmus, unsere innere Uhr. Wir Menschen sind dafür gemacht, tagsüber aktiv zu sein und nachts zu schlafen.

Dieser natürliche Rhythmus wird von einer Ganglienzellart gesteuert, die ihre eigenen Fotorezeptormoleküle besitzt und direkt auf Licht reagiert. Diese Zellen senden bei Tag und bei Nacht Informationen über die Lichtintensität an eine Gehirnregion, die Ihren Tag-Nacht-Rhythmus steuert. (In Kapitel 11 können Sie nachlesen, was noch alles im Schlaf passiert.)

Der Edinger-Westphal-Kern

Auch der Edinger-Westphal-Kern erhält Signale der Ganglienzellen, die direkt auf Licht reagieren. Dadurch hat er Informationen über die aktuelle Lichtintensität. Dieses Kerngebiet steuert, wie weit sich die Pupillen öffnen.

Vom Thalamus zum Okzipitallappen

Die Zellen im hinteren Teil des Nucleus geniculatus lateralis im Thalamus, zu denen die Informationen der Netzhaut gelangen, leiten diese zum Okzipitallappen weiter. Diesen Weg nimmt fast alles, was Sie bewusst sehen. Der Bereich des Okzipitallappens, der die Informationen vom Thalamus empfängt, wird auch V1 genannt (V1 kommt aus dem Englischen und steht für »visual area 1«).

Für den Bereich V1 werden auch noch andere Begriffe verwendet. Man nennt ihn nach dem Anatomen Korbinian Brodmann auch Area 17. Dieser deutsche Mediziner des 19. Jahrhunderts hatte die Bereiche der Großhirnrinde nummeriert. Außerdem wird V1 auch noch Cortex striatum genannt, da unter dem Mikroskop in diesem Bereich typische dichte Streifen zu sehen sind. Um es nicht zu verkomplizieren, werde ich dieses Hirnareal weiterhin als V1 bezeichnen.

Die Nervenzellen in V1 schicken Informationen an andere Bereiche der Hirnrinde, die wiederum Informationen an andere Areale weiterschicken. Letztendlich erhalten der gesamte Okzipitallappen, der größte Teil des Parietallappens und der untere Teil des Temporallappens visuelle Informationen. All diese Bereiche (es sind mehr als 30) reagieren auf visuelle Signale und analysieren unterschiedliche Merkmale des Bildes auf der Netzhaut. Sie ermöglichen es Ihnen, Objekte zu erkennen und mit ihnen zu interagieren.

Was geschieht in V1 und anderen Bereichen der Sehrinde?

Achten Sie kurz auf folgende Zahlen. Etwas mehr als eine Million Ganglienzellen der Netzhaut projizieren ihre Informationen auf etwa genauso viele Schaltneuronen im Thalamus. Jedes einzelne Schaltneuron des Thalamus schickt seine Informationen dann an über 100 Nervenzellen in V1.

Neuronen in V1 reagieren auf horizontale, vertikale (und alle Richtungen dazwischen) visuelle Reize. Andere Nervenzellen in diesem Bereich reagieren auf eine bestimmte Bewegungsrichtung. Außerdem gibt es Zellen, die auf die relative Verschiebung der Bildkomponenten beider Augen reagieren, die entsteht, weil beide Augen eine leicht unterschiedliche Blickposition haben (binokulare Disparität genannt).

Wie bereits erwähnt, befindet sich der Bereich V1 im hinteren Teil des Okzipitallappens. Genau vor V1 (Sie haben es bestimmt schon vermutet) befindet sich V2. Davor wiederum liegt der Bereich V3. Die Nervenzellen in diesen Bereichen besitzen fast dieselben Eigenschaften. Betrachten Sie V1–V3 vorerst als einen Komplex, von dem aus Informationen auf andere Hirnbereiche projiziert werden.

Zwei Hauptpfade – Der dorsale und ventrale Pfad

Es ist noch heute eine der größten Herausforderungen der Neurowissenschaften, die komplexen Verarbeitungsvorgänge beim Sehen, für die wir fast die Hälfte unserer Großhirnrinde benötigen, zu verstehen. Eine der wichtigsten Erkenntnisse der bisherigen Forschung ist, dass es eine strukturelle und funktionelle Teilung in der Hierarchie der Verarbeitung visueller Reize gibt.

Die Verarbeitung visueller Informationen scheint über zwei Hauptpfade zu verlaufen: den dorsalen und den ventralen Pfad. Die Reaktionseigenschaften der Nervenzellen und die visuellen Ausfälle nach einer Schädigung dieser Pfade legen nahe, dass diese Bereiche wichtige funktionelle Unterschiede aufweisen.

Der dorsale Pfad

Der dorsale Pfad ist die Projektion auf den Parietallappen. Hirnrindenbereiche im dorsalen Pfad werden von Zellen dominiert, die am besten auf die Bewegung von Bildern reagieren. Dabei gibt es Zellen, die besonders auf Bilder reagieren, die durch eine Eigenbewegung entstehen, wie beispielsweise eine Drehung des gesamten Gesichtsfeldes und auf den optischen Fluss (ein Bewegungsmuster, das uns beispielsweise im Straßenverkehr begegnet, wenn wir die Bewegung anderer Verkehrsteilnehmer wahrnehmen und sie unbewusst bei der eigenen Fortbewegung berücksichtigen). Auch die Bewegungsparallaxe, bei der sich nahe Objekte schneller zu bewegen scheinen als weit entfernte Objekte (wie beim Blick aus dem seitlichen Autofenster, wenn die nahen Bäume schneller weiterwandern als die entfernten Berge), hat ihren Ursprung in bewegungsselektiven Nervenzellen im dorsalen Pfad.

Der dorsale Pfad wird auch »Wo-Pfad« genannt. Untersuchungen nach Schädigungen haben gezeigt, dass dieser Pfad wichtig ist für unser visuell gesteuertes Verhalten, wie beispielsweise einen Ball zu fangen, durch den Wald zu rennen, ohne vor einen Baum zu laufen, oder um einen Brief in einen kleinen Briefumschlag zu stecken. Eine Schädigung des dorsalen Pfades hat eine Apraxie zur Folge. Dabei handelt es sich um eine Bewegungsstörung, bei der die Betroffenen nicht mehr in der Lage sind, erlernte, zielgerichtete Bewegungen auszuführen.

Bewegungen falsch einschätzen

In der Literatur wird der Fall einer Frau beschrieben, bei der es zu einer beidseitigen Schädigung des dorsalen Pfades gekommen war. Auch wenn sie weiterhin normal sehen konnte, war sie trotzdem schwer beeinträchtigt, da sie Bewegungen nicht mehr einschätzen konnte. Sie war nicht mehr in der Lage, eine Straße zu überqueren, weil sie nicht abschätzen konnte, wann ein herannahendes Auto bei ihr sein würde. Wenn sie sich eine Tasse Tee einschenkte, lief die Tasse immer über, denn sie konnte nicht beurteilen, wann der Tee den Tassenrand erreicht.

Der ventrale Pfad

Der ventrale Pfad geht zum Temporallappen. Er wird auch »Was-Pfad« genannt. Er ist wichtig für das Erkennen von Objekten und spielt eine große Rolle bei der Wahrnehmung von Farben, Formen und Mustern. So gibt es im unteren Temporallappen beispielsweise einen Bereich, in dem Zellen lokalisiert sind, die ausschließlich auf Gesichter reagieren. Nach einer Schädigung kann der Patient keine Gesichter (nicht einmal sein eigenes) mehr erkennen, obwohl er noch normal sieht.

Sehstörungen und optische Täuschungen

Wir glauben, dass wir das sehen, was uns wirklich umgibt, doch in Wirklichkeit sehen wir eine Mischung aus dem, was auf unserer Netzhaut abgebildet wird, und den Erfahrungen, die wir gemacht haben. Wenn Sie farbenblind sind, kommen Sie vielleicht mit Socken zur Arbeit, die für Sie völlig gleich aussehen. Ihre Kollegen sehen allerdings zwei ganz unterschiedliche Socken. Außerdem gibt es Phänomene – wie optische Täuschungen – die niemand von uns so sehen kann, wie sie wirklich sind. Sehstörungen und Illusionen verraten Neurowissenschaftlern etwas darüber, wie das visuelle System aufgebaut ist und arbeitet.

Für mich sieht das gleich aus: Farbenblindheit

Wie ich bereits im Abschnitt »Die Netzhaut: Photonen werden in elektrische Signale umgewandelt« erwähnt habe, gibt es in der Netzhaut drei verschiedene Zapfen (rot, grün und blau), die das Farbsehen ermöglichen. Fehlt eine Zapfenart, sind Sie farbenblind.

Die mit Abstand häufigsten Formen der Farbenblindheit entstehen, weil der Netzhaut eine Zapfenart fehlt. Bei einem von 20 Männern und einer von 400 Frauen fehlen die roten oder die grünen Zapfen. Die Betroffenen können dann die Farben Rot und Grün nicht voneinander unterscheiden.

Warum gibt es diese Geschlechtsunterschiede? Die Gene für diese Pigmente liegen auf dem X-Chromosom. Männer besitzen ein X- und ein Y-Chromosom. Sie besitzen dieses Gen deshalb nur einmal und nur in einer Ausführung. Ist es defekt, tritt die Rot-Grün-Blindheit auf. Frauen besitzen dagegen zwei X-Chromosomen und dadurch auch zwei Ausführungen des Rot- und Grün-Gens. Ist nur das Gen auf einem Chromosom defekt, können sie Rot und Grün unterscheiden. Bei Frauen müssen die Gene auf beiden Chromosomen defekt sein, damit die Rot-Grün-Blindheit ausbricht. Deshalb tritt sie bei Frauen sehr viel seltener auf.

Das Fehlen der blauen Zapfen ist bei beiden Geschlechtern viel seltener. Die Betroffenen können dann Blau und Grün nicht voneinander unterscheiden.

Ein Beispiel für eine erworbenen Farbenblindheit ist eine Schädigung im Bereich V4 der Großhirnrinde, die zur cerebralen Achromatopsie führt. Patienten mit dieser Farbwahrnehmungsstörung können keine Farben, sondern nur Kontraste (verschiedene Graustufen) wahrnehmen.

Blindheit verstehen

Menschen haben große Angst, ihr Augenlicht zu verlieren. Auch wenn viele blinde Menschen ein sehr erfülltes Leben führen, wird der Verlust des Sehvermögens immer noch für eine der schlimmsten Beeinträchtigungen gehalten. In diesem Abschnitt möchte ich über die häufigsten Ursachen der Blindheit berichten.

Erkrankungen der Netzhaut sind die häufigsten Ursachen für Blindheit. Dazu gehören Retinopathien, wie die Retinitis pigmentosa, die Makuladegeneration oder die diabetische Retinopathie, bei denen die Fotorezeptoren absterben. Doch es gibt noch zahlreiche andere Ursachen für Blindheit:

Retinitis pigmentosa : Bei der Retinitis pigmentosa besteht eine angeborene Schädigung der Stäbchen. Im Verlauf der Erkrankung kommt es typischerweise erst zur Nachtblindheit. Sie schreitet fort, indem sich das Gesichtsfeld immer stärker einschränkt. Die Betroffenen entwickeln einen Tunnelblick. Die Krankheit schreitet weiter fort, bis sie völlig blind sind. Leider gibt es für die Retinitis pigmentosa noch keine Therapie und der Verlust des Sehvermögens lässt sich nicht wieder rückgängig machen.

Erbliche Stoffwechselstörungen: Bei der Makuladegeneration und der diabetischen Retinopathie sterben Netzhautzellen aufgrund erblicher Stoffwechselstörungen ab. Es beginnt meist mit dem Absterben der Fotorezeptoren, später folgen dann andere Nervenzellen der Netzhaut.

Glaukom (Grüner Star): Anders als bei den vorangegangenen Retinopathien sterben beim Glaukom die Netzhaut-Ganglienzellen hauptsächlich durch einen zu hohen Augeninnendruck ab. Abhängig von den genauen Ursachen kann ein Glaukom operativ oder medikamentös behandelt werden.

Katarakt (Grauer Star): In der dritten Welt sind der Graue Star (Linsentrübung) oder Hornhauttrübungen sehr häufig die Ursache für Blindheit. Doch in den meisten Fällen kann diese Blindheit durch moderne Operationsmethoden behoben werden.

Augen- und Kopfverletzungen: Augenverletzungen, die eine Netzhautablösung verursachen, können zum Absterben der Netzhaut führen. Bei schweren Verletzungen kommt es vielleicht sogar zum Verlust eines oder beider Augen. Kopfverletzungen, Tumore oder Gefäßverletzungen können den Sehnerv oder jedes andere Gebiet der Sehbahn schädigen.

Die Amblyopie ist eine Sehstörung, die Wissenschaftlern und Ärzten lange Zeit Rätsel aufgegeben hat – bis man mehr über die Plastizität des visuellen Kortex wusste (in Kapitel 16 erfahren Sie mehr über Plastizität). Es stellte sich heraus, dass die Augen während der Entwicklung um die kortikalen Synapsen konkurrieren. Wenn die Sehleistung eines Auges in dieser Zeit wegen eines Grauen Stars oder wegen einer extremen Kurzsichtigkeit sehr viel schlechter ist, feuern die Ganglienzellen dieses Auges auch sehr viel schwächer. Das andere Auge übernimmt alle verfügbaren Synapsen in V1. Nach dem sechsten Lebensjahr lässt sich dieser Zustand nicht mehr rückgängig machen. Das benachteiligte Auge ist dann immer noch blind, auch wenn es erfolgreich behandelt wurde. Aus diesem Grund sollten bei Kindern unter sechs Jahren die Augen untersucht und alle Störungen korrigiert werden.

Optische Täuschungen

Wie kommt es, dass wir manchmal etwas sehen, das es gar nicht gibt? Optische Täuschungen wie eine Fata Morgana und ein Regenbogen entstehen durch die optischen Eigenschaften der Atmosphäre und können sogar fotografiert werden.

Andere Täuschungen scheinen dagegen in unserem Gehirn zu entstehen. Wir können dann etwas sehen, das man nicht fotografieren kann. Ein typisches Beispiel ist die Ponzo-Illusion, bei der zwei identische Linien unterschiedlich groß erscheinen, wenn sie auf parallele Linien platziert werden, die in der Ferne zusammenlaufen. Ein anderes Beispiel ist der Necker-Würfel. Dabei handelt es sich um die dreidimensionale Darstellung eines Würfels, bei dem die Wahrnehmungsperspektive immer zwischen »von unten« und »von oben« wechselt. Eine andere bekannte optische Täuschung ist das Kanizsa-Dreieck (siehe Abbildung 5.4), bei dem der Betrachter glaubt, ein weißes Dreieck zu erkennen, das ein Dreieck mit einer schwarzen Umrandung überdeckt. Wo ist der Haken? Es gibt kein weißes Dreieck.

Abbildung 5.4: Das Kanizsa-Dreieck – es gibt kein weißes Dreieck

Jede dieser Täuschungen lässt sich auf die gleiche Weise erklären. Unser visuelles System ist so entwickelt, dass es allem, was sich aus unserer Umgebung auf der Netzhaut abbildet, einen Sinn geben möchte. Mit anderen Worten sehen wir, was wir erwarten zu sehen. Das Bild des Kanizsa-Dreieck ist zum Beispiel ein sehr kompliziertes zweidimensionales Bild, das aus drei exakt angeordneten Winkeln und Kreissegmenten besteht. In der dreidimensionalen Welt ist so ein Bild nur möglich, wenn auch ein weißes Dreieck vorhanden ist. Und genau das sehen wir.

Das Interessante an diesen Illusionen ist, dass sie uns viel darüber sagen, wie unser visuelles System funktioniert. Es leitet das Bild auf der Netzhaut nicht einfach zu einer Hirnregion, in der es betrachtet wird. Stattdessen entnimmt unser visuelles System bestimmte Informationen, die es uns möglich machen, Objekte zu erkennen und mit ihnen zu interagieren. Um das zu tun, muss das System die visuellen Informationen interpretieren und mit unseren inneren Modellen vergleichen, die wir aus Erfahrung gewonnen haben oder die uns von der Evolution mitgegeben wurden.

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Das Hören

In diesem Kapitel ...

Verstehen, welche Rolle Außen-, Mittel- und Innenohr beim Hören spielen

Die Klangverarbeitung im Gehirn

Ein Blick auf häufige Störungen des Hörsinns

Der Hörsinn erfasst genau wie das Sehen Energie aus unserer Umwelt. Beim Hören nehmen wir Geräusche wahr. Das sind Schallwellen, die durch die Vibrationen von Objekten in unserer Umwelt hervorgerufen werden.

Die Schallwellen breiten sich von der Schallquelle aus. Die Schallstärke nimmt mit immer größer werdender Entfernung ab. Am Ende kann der Schall nicht mehr wahrgenommen werden. Unser Hörsinn lässt uns nicht nur Geräusche wahrnehmen. Wir wissen auch, was sie ausgelöst hat, was sie bedeuten und aus welcher Richtung sie kommen. Doch das ist noch nicht alles. Durch das Zusammenspiel verschiedener Teile unseres auditiven Systems sind wir sogar in der Lage, Musik zu mögen und Sprache zu verstehen.

Das Ohr: Schallwellen einfangen und entschlüsseln

Die ersten Stufen, die wichtig sind, damit wir hören können, sind eher mechanischer als neurologischer Natur. Unser auditives System wandelt die eingehenden Schallwellen zuerst physikalisch um. Abbildung 6.1 gibt Ihnen einen Überblick über die Anatomie des Ohres.

Abbildung 6.1: Der anatomische Aufbau von Außen-, Mittel- und Innenohr

Die ersten Umwandlungen sind rein mechanisch und finden im Außen-, Mittel- und Innenohr statt. Folgendes geschieht mit einer Schallwelle, die auf das Ohr trifft:

Das Außenohr : Das Außenohr besteht aus drei Teilen: der Ohrmuschel, dem äußeren Gehörgang und dem Trommelfell. Die Ohrmuschel fängt die Schallwellen ein, filtert sie und leitet sie durch den äußeren Gehörgang zum Trommelfell.

Das Mittelohr : Die drei kleinen Gehörknöchelchen im Mittelohr wandeln die Vibrations- in Druckwellen um und schicken sie weiter zum Innenohr.

Das Innenohr : Die Druckwellen vom Mittelohr wandern zum ovalen Fenster der Hörschnecke. In der Hörschnecke befinden sich Rezeptoren (Haarzellen), die Schall in Nervenimpulse umwandeln. Sie ist so aufgebaut, dass sich Schallwellen mit einer hohen Frequenz am ovalen Fenster konzentrieren, während niedrige Frequenzen bis zum Ende der Schnecke wandern. Diese Schalldruckwellen biegen die Haarzellen in der Hörschnecke. Diese senden dann Aktionspotenziale zum Hörnerv. An dieser Stelle ist die mechanische Umwandlung der Schallwellen abgeschlossen und die Nervenzellen übernehmen die Weiterleitung und Verarbeitung der akustischen Signale.

In den folgenden Abschnitten erfahren Sie noch genauer, welche Rolle die verschiedenen Teile des Ohres beim Hören spielen.

Töne einfangen: Das Außenohr

Die Ohrmuschel, der äußere Gehörgang und das Trommelfell bilden das Außenohr. Es ist der Beginn einer langen Kette, die für das Hören wichtig ist.

Die Ohrmuschel, der erste Teil des Außenohres

Die Schallwellen treffen zuerst auf die Ohrmuschel, die bei jedem Menschen individuell geformt ist. Sie hat zwei Aufgaben:

Die Ohrmuschel fängt die Schallwellen ein. Dabei wirkt sie wie ein Trichter und sam-melt die Schallwellen, um sie in die schmale Öffnung des äußeren Gehörgangs weiterzuleiten.

Durch die spezielle Form der Ohrmuschel können wir außerdem erkennen, aus welcher Richtung (vorne/hinten, oben/unten) ein Geräusch kommt. (Mehr dazu erfahren Sie im Abschnitt »Töne lokalisieren«.)

Den Lehrer einfach übers Ohr hauen

Die Tonfrequenz wird in Schwingungen pro Sekunde gemessen und in der Einheit Hertz (Hz) angegeben. Der für den Menschen hörbare Schall liegt zwischen 20 und 20000 Hertz, zumindest, wenn der Mensch noch jung ist. Wenn wir älter werden, verlieren wir oft die Empfindlichkeit für hohe Frequenzen. Menschen über 60 Jahre hören Töne über 16000 Hertz meist nicht mehr gut. Bei Männern scheint das sogar noch ausgeprägter zu sein als bei Frauen. Manche Schüler machen sich das zunutze und stellen den Klingelton ihres Handys auf so hochfrequente Töne ein, dass der Lehrer sie nicht mehr hören kann.

Weiter geht's in den Gehörgang

Die Ohrmuschel lenkt den Schall in den äußeren Gehörgang. Dessen Aufgabe besteht im Wesentlichen darin, die Ohrmuschel und das Trommelfell zu verbinden. Der Gehörgang besitzt eine Resonanz auf mittlere Tonfrequenzen (Frequenzen, die wichtig sind, um die menschliche Stimme zu hören). Wenn die Schallwellen im äußeren Gehörgang angekommen sind, werden sie weiter umgewandelt, um mehr Energie dieser wichtigen Frequenzen auf das Trommelfell zu übertragen.

Das Trommelfell zum Schwingen bringen

Der äußere Gehörgang endet am Trommelfell. Wenn die Schallwellen, die von der Ohrmuschel eingefangen und vom äußeren Gehörgang weitergeleitet wurden, auf das Trommelfell treffen, beginnt es zu schwingen. So wird im Mittelohr eine Reaktion ausgelöst.

Das Mittelohr

Auf der anderen Seite des Trommelfells befinden sich drei kleine Knöchelchen, die wegen ihres Aussehens Hammer, Amboss und Steigbügel genannt werden. Sie bilden das Mittelohr.

Die drei Gehörknöchelchen sind die kleinsten Knochen im ganzen Körper, aber sie haben eine äußerst wichtige Funktion: Sie übertragen die Schwingungen des Trommelfells auf das ovale Fenster am Eingang der Hörschnecke (einem Teil des Innenohres).

Diese drei Gehörknöchelchen haben eine Hebelwirkung. Ein Hebel kann, wenn er an einem bestimmten Punkt angesetzt wird, eine mechanische Kraft verstärken. So funktioniert das auch bei den Gehörknöchelchen: Das Trommelfell vibriert, wenn eine Schallwelle eintrifft. Gleich hinter dem Trommelfell liegt der Hammer. Auf ihn werden die Schwingungen übertragen. Am anderen Ende der Gehörknöchelchen-Kette befindet sich der Steigbügel. Er hat Kontakt zum ovalen Fenster der Hörschnecke, die mit Flüssigkeit gefüllt ist. Das runde Köpfchen des Hammers, an dem er mit dem Amboss verbunden ist, stellt den Drehpunkt des Hebels dar. So kann eine größere, aber schwächere Bewegung des Trommelfells eine kleinere, aber stärkere Bewegung des Steigbügels bewirken. Die Hebelwirkung der Gehörknöchelchen ist wichtig, da die Flüssigkeit in der Hörschnecke schwerer beweglich ist als die Luft am Trommelfell.

Die Hebelwirkung der Gehörknöchelchen hat das Verhältnis von 100 zu eins. Das bedeutet, dass die Kraft wirklich sehr verstärkt wird. Ein weiterer mechanischer Vorteil besteht darin, dass das Trommelfell eine größere Fläche als das ovale Fenster besitzt. Auch dieser Größenunterschied verstärkt die Kraft.

Die Töne kommen zum Gehirn: Das Innenohr

Nachdem die Gehörknöchelchen das ovale Fenster der Hörschnecke aktiviert haben, beginnt das Innenohr mit seiner Arbeit. Das Innenohr besteht aus der Hörschnecke. Wie diese im Inneren aufgebaut ist, sehen Sie in Abbildung 6.2. Wenn der Steigbügel Schwingungen auf das ovale Fenster am Eingang der Hörschnecke überträgt, werden in der Flüssigkeit, mit der die Hörschnecke gefüllt ist, Druckwellen weitergeleitet. Diese Druckwellen knicken die Haarzellen, die sich im Corti-Organ befinden, ab. Diese Haarzellen sind die Messfühler für verschiedene Töne. Sie sind so empfindlich, dass sie schon auf eine Auslenkung reagieren, die nicht größer als die Breite eines Atoms ist!

Abbildung 6.2: Die Hörschnecke und das Corti-Organ

Ionenkanäle öffnen, um Aktionspotenziale abzufeuern

An der Basis der Haarzellen befinden sich Kanäle, die denen der Mechanorezeptoren ähneln (siehe Kapitel 4). Wenn die Haarzellen abgeknickt werden und sich die Zellmembran dadurch dehnt, öffnen sich die Ionenkanäle und die Haarzellen werden depolarisiert. Es entstehen Aktionspotenziale, die von den Axonen weitergeleitet werden. Über den Hörnerv gelangen diese Signale zu den Schneckenkernen (Nuclei cochleares).

Das Corti-Organ besitzt innere und äußere Haarzellen. Auch wenn es weniger innere als äußere Haarzellen gibt, besitzen die inneren mehr Verbindungen zum Hörnerv. Doch auch die äußeren Haarzellen haben eine wichtige Aufgabe: Sie verstärken die Reaktion der Haarzellen bei schwachen Tönen, besonders im hohen Frequenzbereich, und sie dämpfen sie bei extrem lauten Tönen, um eine Schädigung der Haarzellen zu verhindern.

Informationen über Frequenz und Amplitude senden

Mehr als 30.000 Nervenfasern laufen von der Hörschnecke zu den Schneckenkernen im Hirnstamm. Die Struktur dieser Nervenzellen ist ähnlich wie die der Mechanorezeptoren in den hinteren Wurzelganglien (siehe Kapitel 4). In der Hörbahn befinden sich die Zellkörper der sensorischen Neuronen in den Schneckenkernen. Diese Neuronen besitzen zwei Axone. Eins geht zu den Haarzellen in der Hörschnecke, wo das Abknicken der Haarzellen Aktionspotenziale auslöst. Das andere Axon überträgt das akustische Signal an den Olivenkern.

Die Informationen werden über die Hörbahn zum Gehirn geleitet. Sie bestehen im Wesentlichen aus zwei Eigenschaften von Tönen – der Frequenz und der Amplitude.

Die Hörschnecke ist spiralförmig und besitzt etwa zweieinhalb Windungen (siehe Abbildung 6.2). Sie ist so aufgebaut (Festigkeit und Größe), dass hohe Frequenzen nur nahe des ovalen Fensters Schwingungen erzeugen können. Bei niedrigeren Frequenzen ist das erst am Ende der Hörschnecke, weit entfernt vom ovalen Fenster, der Fall. Die genaue Stelle, an der der Schall in der Hörschnecke ankommt, entspricht der Tonfrequenz. Haarzellen in der Nähe des ovalen Fensters zeigen also hohe Frequenzen, die am Ende der Hörschnecke zeigen die tiefen Frequenzen an. Durch die Aktionspotenzial-Menge und durch die Anzahl der

Haarzellen, die Aktionspotenziale senden, wird die Amplitude der Schallwellen verschlüsselt. Dadurch können die Töne von den Nervenzellen genau abgebildet und zum Gehirn geleitet werden.

Aus Gründen, die mit der Schall-Lokalisation zu tun haben (siehe nachfolgenden Abschnitt »Töne lokalisieren«), feuern die Hörnerven nur auf der Spitze der Schalldruckwelle. Das bedeutet für verschiedene Frequenzen Folgendes:

Für Frequenzen unter 500 Hertz: Die Hörnervenfasern können an jeder Spitze einer Schalldruckwelle feuern. Die Aktionspotenzialrate kodiert also direkt die Tonfrequenz. Mit anderen Worten entspricht bei niedrigen Frequenzen die Aktionspotenzialrate der Tonfrequenz.

Für Frequenzen über 500 Hertz: Die Aktionspotenzialrate entspricht hier nicht der Tonfrequenz, sondern die Nervenfasern feuern nur jede zweite, dritte, fünfte ... Spitze einer Schalldruckwelle. In diesem Fall wird die Frequenz dadurch bestimmt, an welcher Stelle der Hörschnecke der Schall auftrifft und weitergeleitet wird.

Die Amplitude von niedrigen und hohen Tonfrequenzen wird sowohl durch die Aktionspotenzialrate als auch durch die Anzahl der erregten Nervenfasern bestimmt (laute Geräusche aktivieren mehr Fasern als leisere Geräusche).

Warum Hörhilfen funktionieren

Die eindimensionale Frequenzstruktur der Hörschnecke ermöglicht den erfolgreichen Einsatz von Hörprothesen. In den meisten Fällen steht der Hörverlust mit dem Absterben der Haarzellen in Zusammenhang. Hörprothesen bestehen meist aus linear angeordneten Elektroden, die in die Hörschnecke eingeführt werden. Die elektronische Verarbeitung teilt die eingehenden Geräusche in Frequenzbänder auf und erzeugt an der entsprechenden Stelle der Prothese elektrische Ströme, um so direkt die Nervenfasern zu erregen. Durch diese Hörprothesen (Cochleaimplantate) können viele Betroffene wieder verbal kommunizieren. Für den Sehverlust gibt es bisher noch keine vergleichbare Prothese.

Den Geräuschen einen Sinn geben: Die Hörzentren im Gehirn

Die 30.000 Nervenfasern leiten die akustischen Signale zu den Schneckenkernen und anderen Hirnarealen weiter. Dabei reagiert jede Faser auf eine bestimmte Frequenz. Verschiedene Fasern besitzen unterschiedliche Reizschwellen und Aktionspotenzialraten. So wird die Tonstärke verschlüsselt.

Stationen vor dem Thalamus

Die Hörnervenfasern projizieren ihre Informationen nicht direkt auf den Thalamus. Vorher durchlaufen sie noch zwei weitere Stationen. Die Aktionspotenziale gehen erst zu den Schneckenkernen, in denen die Zellkörper der Axone liegen, und lösen ein Aktionspotenzial im Zellkörper aus. Das wiederum löst ein Aktionspotenzial in einem zweiten Axon dieser Zelle aus, das die Erregung zu einem Kernkomplex auf der anderen Hirnhälfte leitet, der obere Olive (Nucleus olivaris superior) genannt wird (siehe Abbildung 6.3). Aktionspotenziale des rechten Schneckenkerns gehen zur oberen Olive auf der linken Hirnhälfte und umgekehrt. Die oberen Olivenkerne befinden sich in der Brücke (in Kapitel 2 können Sie genau nachlesen, wie das Gehirn aufgebaut ist).

Abbildung 6.3: Der Verlauf des akustischen Signals bis zur Hörrinde

Schaltzellen in der oberen Olive projizieren ihre Informationen auf den Colliculus inferior, der sich genau unter dem Colliculus superior im Mittelhirn befindet. Letztendlich leiten die Nervenzellen des Colliculus inferior die Signale an den Nucleus geniculatus medialis im Thalamus weiter, über den Sie im kommenden Abschnitt noch mehr lesen können.

Nachdem die Informationen auf die obere Olive der anderen Hirnhälfte übertragen wurden, werden die Signale nur noch auf der gleichen Seite des Gehirns weitergeleitet. Der Nucelus geniculatus medialis auf der rechten Gehirnhälfte erhält deshalb den größten Teil der Informationen vom linken Ohr und den linken Nucelus geniculatus medialis erreichen die Informationen des rechten Ohres.

Warum legen die akustischen Informationen diese zwei Verarbeitungsstationen ein, bevor sie den Thalamus erreichen? Das hat mit der Geräuschlokalisation zu tun. Auf die obere Olive und den Colliculus inferior werden akustische Informationen beider Körperseiten projiziert. Der Vergleich zwischen den Signalen beider Ohren ermöglicht die Lokalisation der Geräusche. Dabei werden Unterschiede in der Tonlautstärke und im Eintreffen der Töne ausgewertet. Diese Signalverarbeitung muss schon zu Beginn des Verarbeitungsprozesses stattfinden. Im Abschnitt »Töne lokalisieren« werde ich noch genauer darauf eingehen, wie wir es schaffen, Geräusche zu orten.

Endlich im Thalamus: Der Nucleus geniculatus medialis

Der Nucleus geniculatus medialis jeder Gehirnhälfte erhält Informationen der gegenüberliegenden Körperseite. Die Reaktionen der Nervenzellen in diesem Kern scheinen mit denen des Hörnerven übereinzustimmen. So bevorzugt jede Schaltzelle des Nucleus geniculatus medialis ein bestimmtes Frequenzband, das genau dem entspricht, das sie vom Axon des Schneckenkerns erhält. Und lautere Töne bringen mehr Zellen dazu, in höheren Aktionspotenzialraten zu feuern.

Der Thalamus arbeitet gleichzeitig als Filter, der über Aufmerksamkeitsprozesse gesteuert werden kann. Wenn Sie zum Beispiel ein schwaches, ungewöhnliches Geräusch hören, können Sie sich darauf besonders konzentrieren, um es erneut wahrzunehmen. Die Verstärkung auditiver Informationen findet in verschiedenen Hirnarealen statt, zu denen auch der Thalamus gehört.

Geräusche verarbeiten: Der obere Teil des Temporallappens

Wie Sie in Abbildung 6.3 sehen können, leitet der Nucleus geniculatus medialis die akustischen Informationen vom Thalamus zur oberen Windung des Temporallappens weiter. Dort befindet sich der primäre auditive Kortex, der auch Hörzentrum oder Hörrinde genannt wird und das Ende der Hörbahn darstellt. Er wird auch als A1 bezeichnet.

Innerhalb des Hörzentrums existiert eine Art Ton-Landkarte. So wie im visuellen System Bilder aus Mustern von Linien und Kanten bestehen, die mit anderen Informationen im visuellen Kortex zu Formen zusammengesetzt werden, gibt es im auditiven Kortex Frequenzmuster, deren Kombination eine bestimmte Bedeutung beigemessen wird – zum Beispiel das Wort »hallo« oder das Zuschlagen einer Tür. Auch die Lokalisation eines Geräusches wird im Gebiet A1 verarbeitet.

In Abbildung 6.4 sehen Sie den primären auditiven Kortex und andere Hirnareale, die wichtig sind, um Töne zu unterscheiden.

Abbildung 6.4: Der primäre auditive Kortex und andere Schlüsselbereiche

Die Verarbeitung komplexer auditiver Muster

Um das primäre Hörzentrum befinden sich verschiedene übergeordnete Bereiche, die als auditive Assoziations-Areale bezeichnet werden.

Viele Nervenzellen außerhalb der primären Hörrinde reagieren eher auf komplexe Geräusche als auf einzelne Töne. Ein Beispiel für ein komplexes Geräusch ist ein Zwitschern, bei dem sich die Frequenz mit der Dauer des Tons verändert. Es gibt Neuronen, die eher auf bekannte Umweltgeräusche, wie beispielsweise das Schlüsselklappern, das Schließen einer Tür oder das Verschieben eines Tisches, reagieren als auf einzelne Töne.

Auf niedrigeren Stufen des auditiven Systems reagieren die Neuronen auf die meisten Reize. Deshalb sind auch nur vergleichsweise wenige Nervenfasern nötig, um die Informationen zu höher gelegenen Zentren zu übertragen. In der Hirnrinde sind die Nervenzellen schon wählerischer und bevorzugen komplexere Tonmuster, sodass auf bestimmte Geräusche nur sehr wenige Nervenzellen der Hirnrinde anspringen. Da uns jedoch Milliarden an Nervenzellen in unserer Hirnrinde zur Verfügung stehen, ist das Erkennen und Erinnern an bestimmte Geräusche nur an vergleichsweise wenige Nervenzellen, die auf einen ganz typischen Reiz reagieren, gebunden. Diese Genauigkeit der Nervenzellaktionen wird durch Lernen und Erfahrung ausgebildet.

Hören mit Bedeutung: Das Sprachverständnis

Auch wenn die funktionelle Differenzierung der primären Hörrinde noch nicht ganz klar ist, kennt man einen Teil der auditiven Signalverarbeitung mittlerweile ganz genau, denn er ist besonders wichtig für das Sprachverständnis. Dabei handelt es sich um die Projektion auf das Wernicke-Areal (Areal 22) (siehe Abbildung 6.4). Patienten, bei denen das Wernicke-Areal geschädigt ist, haben Probleme, Sprache zu verstehen. Wenn sie sprechen, ergibt das, was sie sagen, häufig keinen Sinn und erscheint dem Zuhörer als zusammenhangsloser Wortsalat.

Das Wernicke-Areal besitzt viele Verbindungen mit einem anderen Sprachzentrum, dem Broca-Areal. Das befindet sich im Frontallappen, ganz in der Nähe der motorischen Kontrollzentren für die Zunge, die Stimmbänder und anderer Teile des Sprachapparates. Bei einer Schädigung des Broca-Areals haben die Betroffenen motorische Probleme beim Sprechen. Defizite im Sprachverständnis fallen nur bei sehr komplizierten Satzstrukturen auf.

Das Broca- und Wernicke-Areal, die Sie beide in Abbildung 6.4 sehen können, befinden sich bei schätzungsweise 95 Prozent der Rechtshänder auf der linken Gehirnhälfte. Komplizierter ist es bei Linkshändern. Bei einer geringen Mehrheit der Linkshänder ist die Sprache auch links lokalisiert. Beim Rest liegt sie auf der rechten Hirnhälfte.

Einige Untersuchungen legen nahe, dass es zwei Arten von Linkshändern gibt: starke Linkshänder, deren Hirnhälften im Vergleich zu Rechtshändern wirklich gespiegelt sind, und gemischte Linkshänder, deren Seitenaufteilung des Gehirns der von Rechtshändern entspricht, die sich aber trotzdem zu Linkshändern entwickelt haben. Es gibt Beweise dafür, dass sich diese zwei Linkshänder-Typen in einigen Merkmalen unterscheiden. Der starke Linkshänder schreibt in einer hakenförmig umgekehrten Handhaltung, während der gemischte Linkshänder dazu neigt, die Hand beim Schreiben genau spiegelverkehrt zur typischen Schreibposition eines Rechtshänders zu halten.

Die Entdeckung der links gelegenen Sprachzentren stellte eines der ersten Beispiele für die funktionelle Lateralisation im Gehirn dar. Wir wissen, dass die Schädigung des Wernicke-Areals auf der linken Hirnhälfte schwere Sprachverständnisstörungen hervorruft. Doch welche Aufgabe hat das gleiche Hirnareal auf der anderen Hirnhälfte? Aktuelle Forschungsergebnisse lassen darauf schließen, dass eine Schädigung des Areals 22 auf der rechten Gehirnhälfte dazu führt, dass die Betroffenen den Satzrhythmus, also die Tonalität und den Rhythmus, nicht mehr erfassen können. Doch die sind für den genaueren Sinn des Gesagten häufig sehr wichtig. Patienten mit einer Schädigung in diesem Bereich haben beispielsweise Schwierigkeiten, sarkastische Bemerkungen oder Humor richtig zu verstehen.

Musik hören: Ich spüre den Rhythmus

Musik ist ein weiterer, sehr komplexer Reiz, der mehr auf der rechten als auf der linken Gehirnhälfte verarbeitet zu werden scheint. Das wird durch die Tatsache unterstützt, dass die meisten Menschen Melodien besser mit dem linken Ohr erkennen (rechte Gehirnhälfte).

Interessanterweise wird von einem Fall berichtet, bei dem die Schädigung höherer auditiver Verarbeitungsareale einen sehr speziellen Verlust, eine Amusie, zur Folge hatte. Der Betroffene war nicht mehr in der Lage, Melodien zu erkennen. Trotz der Amusie konnte er Sprache und komplexe Umweltgeräusche verstehen und er kannte die Titel der Songs auf den Schallplatten, die er besaß. Doch er erkannte die Songs nicht, wenn sie liefen.

Töne lokalisieren

Die Ohren verschlüsseln die Richtung, aus der ein Geräusch kommt, nicht auf einer Art Landkarte. Die Lokalisation von Geräuschen erfolgt durch die neuronale Verarbeitung der eingehenden Signale und durch den neuronalen Vergleich zwischen den beiden Ohren. Diese Verarbeitung beginnt in der oberen Olive und im Colliculus inferior und spiegelt sich wider in den Aktionspotenzialen der Hörrinde, deren Zellen auf Geräusche reagieren, die von einer bestimmten vertikalen oder horizontalen Ebene ausgehen.

Das auditive System verwendet zwei unterschiedliche Methoden, um Geräusche zu lokalisieren. Das hängt davon ab, wo sich die Schallquelle befindet. Bei einer seitlichen Geräuschquelle nutzt unser auditives System die Pegeldifferenz und die Laufzeitdifferenz zwischen beiden Ohren. So können wir bestimmen, ob ein Geräusch von rechts oder von links kommt. Allerdings reicht das noch nicht aus, denn schließlich können Geräusche auch von oben, unten, vorne oder hinten kommen. Hierzu werden Frequenz-Reflexionen der Ohrmuschel ausgewertet.

Geräuschlokalisation der Schleiereulen

Schleiereulen hören extrem gut. Sie können schon die kleinste Bewegung einer Maus so gut wahrnehmen, dass sie in der Lage sind, diese Maus in absoluter Dunkelheit aufzuspüren und zu fangen. Wegen dieser Fähigkeit wurden Schleiereulen benutzt, um die Mechanismen der neuronalen Geräuschlokalisation genauer zu untersuchen. Dabei entdeckten die Wissenschaftler, dass die Ohren der Schleiereule nicht symmetrisch angeordnet waren, sondern so, dass zwischen beiden Ohren eine Intensitätsdifferenz der Töne bestand.

Ich kann dich nicht hören: Gehörlosigkeit und Tinnitus

Wie überall kann es auch im auditiven System zu Störungen kommen. Das kann von absoluter Gehörlosigkeit bis zu einem irritierenden Pfeifen oder Klingeln reichen. Dieser Abschnitt beschäftigt sich etwas genauer mit zwei Störungen – dem Gehörverlust und dem Tinnitus. Beide können sehr verschiedene Ausprägungsgrade aufweisen.

Der Gehörverlust

Gehörlosigkeit oder teilweise Gehörlosigkeit kann angeboren sein oder durch eine Krankheit oder Schädigung hervorgerufen werden. Die angeborene Gehörlosigkeit ist mit einer auf 1000 Geburten im Vergleich zur erworbenen Gehörlosigkeit relativ selten. Ein Viertel aller Betroffenen, die unter einer angeborenen Gehörlosigkeit leiden, weisen eine Fehlbildung des Mittelohres auf. Die anderen Ursachen der angeborenen Gehörlosigkeit sind nicht bekannt. Eine Rötelnerkrankung während der Schwangerschaft kann die Geburt eines gehörlosen Kindes zur Folge haben.

Die Ursachen der erworbenen Gehörlosigkeit lassen sich leichter benennen. Schwere Infektionen des Innenohrs können zu Taubheit führen, weil sie die Gehörknöchelchen zerstören oder schädigen. Bei diesem konduktiven Hörverlust können die Schallwellen nicht mehr vom Trommelfell zur Hörschnecke geleitet werden. Die Otosklerose ist eine Erkrankung, bei der die Gehörknöchelchen knochenartiges Gewebe umgibt und diese fixiert. Sie wird vererbt und bricht meist zwischen dem 15. und 40. Lebensjahr aus. Frauen erkranken etwas häufiger als Männer.

Infektionen können genauso wie andere unbekannte Ursachen die Menier'sche Erkrankung hervorrufen. Dabei kommt es zu einem teilweisen Verlust des Gehörs und der Gleichgewichtsfunktion.

Neben der altersabhängigen Verminderung der Sensitivität für hohe Tonfrequenzen (die fast jeden trifft, besonders Männer) gehören die Schädigung des Trommelfells und der Haarzellen zu den häufigsten Ursachen für einen Hörverlust. Das Trommelfell kann durch Verletzungen beschädigt werden. Laute Geräusche können dem Gehör dauerhaft schaden, weil dadurch die Haarzellen zerstört werden. Je lauter das Geräusch, umso eher wird der Gehörverlust eintreten. Die Folgen von Lärm am Arbeitsplatz können sich im Laufe von Jahrzehnten potenzieren und das Gehör schädigen. Doch auch einzelne, sehr laute Geräusche, wie sie bei einem Rock-Konzert in der Nähe der Lautsprecher messbar sind, können zum Gehörverlust führen. Die Schädigung der Haarzellen lässt sich nicht mehr rückgängig machen. Nur mit Hilfe eines Cochleaimplantats könnten die Betroffenen wieder etwas hören.

Dieses ständige Pfeifen und Klingeln

Patienten, die unter Tinnitus leiden, hören ein ständiges Pfeifen oder Klingeln im Ohr. Ein schwerer, chronischer Tinnitus gehört zu den psychisch belastendsten Störungen, die es gibt. Der Tinnitus hat sehr verschiedene Ursachen: Infektionen, Allergien, Reaktionen auf verschiedene Drogen und sehr laute Geräusche (viele Rockmusiker leiden unter Tinnitus).

Der so genannte objektive Tinnitus, der durch Muskelkrämpfe im Ohr entsteht, kann vom Arzt festgestellt werden. Ein subjektiver Tinnitus kann viele verschiedene Ursachen haben und geht häufig mit einem Hörverlust einher.

Es gibt einige allgemeine Behandlungsmöglichkeiten des Tinnitus. In extremen Fällen tragen die Betroffenen Kopfhörer, über die sie elektronisch erzeugtes weißes Rauschen hören und damit das Tinnitus-Pfeifen überdecken. Das verschafft häufig etwas Erleichterung. In extremen Fällen haben sich Betroffene auch schon zu einer Operation entschlossen, bei der der Hörnerv teilweise zerstört wird, um sie von dem unangenehmen Pfeifen zu befreien. Allerdings wird dadurch auch das normale Gehör geschädigt. Der Tinnitus kann manchmal auch plötzlich auftreten und innerhalb einiger Monate wieder verschwinden.

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Geruch und Geschmack

In diesem Kapitel ...

Geschmack verstehen

Wie Geschmack entsteht

Der Zusammenhang zwischen Geschmack und Geruch

Störungen des Geschmacks- und Geruchssinns

Gehen Sie mit einem Hund nach draußen und Sie werden beobachten, dass er in einer Welt aus Gerüchen lebt. Er läuft herum, schnüffelt, geht weiter und schnüffelt wieder. Nach einer Minute weiß Ihr Hund, wer noch alles in seinem Revier war, was sie gemacht haben und vielleicht sogar, wann sie es getan haben. Hunde und andere Säugetiere leben in einer Welt aus Gerüchen, die uns Menschen zum größten Teil verborgen bleibt. Hunde besitzen etwa eine Milliarde Geruchsrezeptoren. Das entspricht ungefähr der Zahl der Nervenzellen ihres Gehirns. Der Mensch muss dagegen mit etwa zehn Millionen Rezeptoren, die Geruchsinformationen zum Gehirn schicken, auskommen.

Während beim Sehen oder Hören von den Sinneszellen Energie umgewandelt wird (Photonen und Schallwellen), werden beim Geruchssinn tatsächlich Substanzen aus der Umwelt wahrgenommen. Auch unser Geschmackssinn reagiert auf Substanzen. Er hilft uns unter anderem, angenehme von unangenehmen Dingen zu unterscheiden. Er ermutigt uns, Süßes und manchmal etwas Salziges zu essen, denn das ist normalerweise sinnvoll für die Ernährung. Und er hält uns davon ab, Bitteres und Saures zu essen, da diese Geschmacksrichtungen darauf hindeuten, dass das Essen verdorben oder giftig sein könnte. Es gibt vier verschiedene Geschmacksrezeptoren, die sich hauptsächlich auf der Zunge befinden. Doch für komplexe Geschmackseindrücke benötigen wir zusätzlich noch unseren Geruchssinn. (Wenn Sie sich die Nase zuhalten, wird es Ihnen schwerfallen, alleine durch den Geschmackssinn Kirschen, Schokolade oder Kaffee voneinander zu unterscheiden.)

Die Informationen, die uns der Geschmackssinn liefert, werden über den Thalamus zum Gehirn weitergeleitet. Nur der Geruchssinn wird direkt von den Geruchsrezeptoren auf die Großhirnrinde projiziert. In diesem Kapitel erfahren Sie, wie die beiden Sinne funktionieren.

Wonach riecht es hier?

Ob groß oder klein, ob Stups- oder Hakennase – Ihre Nase spielt sowohl beim Atmen als auch beim Riechen eine wichtige Rolle. Sie filtert, wärmt und feuchtet die Luft an, die Sie einatmen, und analysiert die Gerüche, die sich darin befinden.

Diese Analyse beginnt mit den Geruchsrezeptoren, die sich in der Nase oberhalb der oberen Nasenmuschel befinden (siehe Abbildung 7.1). Die Sinneszellen besitzen kleine Flimmerhärchen, die bis in die Schleimhaut reichen, die diesen Bereich der Nase auskleidet. Diese Schleimhaut wird deshalb auch als Riechschleimhaut bezeichnet. Auf den Flimmerhärchen befinden sich Rezeptoren, die auf unterschiedliche Gerüche reagieren.

Abbildung 7.1: Geruchsrezeptoren

Und so funktioniert die synaptische Übertragung im Allgemeinen: Eine präsynaptische Nervenzelle schüttet einen Botenstoff (Neurotransmitter) aus, der geometrisch genau an einen postsynaptischen Rezeptor passt. Diese Bindung löst über einige andere Zwischenschritte wiederum die Öffnung von Ionenkanälen aus. Ähnlich funktioniert das auch beim Geruchssinn, nur dass sich hier ein Geruchsmolekül aus der Umwelt an den Rezeptor bindet und diesen Prozess in Gang setzt.

Gerüche nehmen wir wahr, indem sich Geruchsmoleküle aus der Umwelt an spezielle Rezeptoren anlagern. Die so erhaltenen Informationen werden dann an das Gehirn weitergeleitet und analysiert. Jede der schätzungsweise 1000 unterschiedlichen Geruchsrezeptorarten reagiert auf viele verschiedene Gerüche, die jeweils aus einer bestimmten Geruchsmolekül-Komposition bestehen. Bei jedem Geruch binden sich die Geruchsmoleküle an bestimmte Rezeptoren. So hat jeder Geruch ein bestimmtes Rezeptoraktivitäts-Muster, an dem das Gehirn den Geruch erkennen kann. Bei Säugetieren, die weniger visuell dominiert werden als wir Menschen, ist der Großteil des Gehirns mit der Verarbeitung von Geruchsreizen beschäftigt.

Gerüche selektieren

Der Mensch besitzt etwa zehn Millionen Geruchsrezeptoren. Sie bestehen aus etwa 1000 unterschiedlichen Rezeptorarten, die ihre Informationen zum Riechkolben schicken. Dort befinden sich ein- bis zweitausend Glomeruli (Glomeruli olfactorii), die diese Informationen aufnehmen. Die Anzahl der Rezeptorarten stimmt nicht zufällig mit der Anzahl der Glomeruli überein: Die meisten Glomeruli erhalten ihre Informationen hauptsächlich von einer Rezeptorart. Könnte man einen Schnappschuss davon machen, was im Riechkolben vor sich geht, wenn Sie einen bestimmten Geruch wahrnehmen, würden Sie an den Glomeruli ein für diesen Geruch spezifisches Aktivitätsmuster sehen.

Natürlich ist dieser ganze Prozess etwas komplizierter. Es gibt keinen Rezeptor Typ A, der Rosenduft erkennt, Rezeptor B riecht Kuchen oder Rezeptor C erkennt schmutzige Strümpfe. Gerüche, die uns in unserer Umwelt begegnen, sind immer eine komplexe Mischung verschiedenster Duftnoten. Der Geruch Ihrer Tasse Kaffee besteht beispielsweise aus mindestens 100 verschiedenen Geruchsmolekülen. Das bedeutet, dass Ihr Gehirn das Aktivitätsmuster der Rezeptoren zuerst verarbeiten muss, bevor Sie erkennen, was Sie gerade trinken.

Der Geruch geht verschiedene Wege

Der Riechkolben projiziert die Sinnesinformationen auf unterschiedlichen Wegen auf verschiedene Bereiche im Gehirn. Einzigartig daran ist, dass sie direkt an die Hirnrinde übertragen werden, ohne vorher den Thalamus zu passieren. In Abbildung 7.2 können Sie genau erkennen, welche Wege die Geruchsinformationen gehen.

Abbildung 7.2: Das olfaktorische System

Der Riechkolben projiziert seine Informationen auf folgende Hirnareale:

Den Orbitofrontalkortex: Der Orbitofrontalkortex ist verantwortlich für die bewusste Unterscheidung von Gerüchen.

Der olfaktorische Bereich des Thalamus erhält seine Informationen eher vom Orbitofrontalkortex als vom Riechkolben. Da der Thalamus immer dann wichtig ist, wenn wir uns sensorischer Signale bewusst werden, hat sich dieser indirekte Weg vermutlich entwickelt, damit wir Gerüche bewusst wahrnehmen und ihnen Aufmerksamkeit schenken können.

Den Cortex piriformis : Diese sehr alte Leitungsbahn macht es uns möglich, Gerüche unbewusst zu unterscheiden.

Den entorhinalen Kortex : Die Projektionen auf den entorhinalen Kortex, auf die Amygdala und den Hippocampus sorgen dafür, dass Sie sich an Gerüche erinnern. Die Verbindung zwischen Amygdala und Hippocampus steuert hormonelle Reaktionen auf Gerüche.

Der nächste Abschnitt beschäftigt sich mit einigen wichtigen Leitungsbahnen und damit, welche Bedeutung die Wissenschaft ihnen beimisst.

Die Bahn zwischen Orbitofrontalkortex und Thalamus

Die Bahn zwischen Orbitofrontalkortex und Thalamus steuert die Aufmerksamkeit und andere Aspekte der bewussten Unterscheidung von Gerüchen.

Viele Wissenschaftler sind der Meinung, dass der Thalamus eine der zentralen Steuerungszentralen des Gehirns ist. Er arbeitet wie ein Verkehrspolizist, der in einer Stadt den Verkehr regelt, in der alle Straßen im Zentrum aufeinandertreffen, sodass dringende Nachrichten nur auf Anweisung des Polizisten von einem Teil des Gehirns zu einem anderen gelangen können.

Die Erklärung dafür, warum sich der Geruchssinn von unseren anderen Sinnen unterscheidet, hat damit zu tun, dass er schon bei den ersten Säugetieren gut entwickelt war. Um beim Bild des Straßenverkehrs zu bleiben: Eine Autobahn verläuft durch eine große Stadt. Außerhalb der Stadt verläuft sie ganz regulär, doch in der Stadt mussten beim Bau der Autobahn viele Kompromisse und Ausnahmen gemacht werden. Das Alter des gut entwickelten olfaktorischen Systems zwingt das Gehirn dazu, die Leitungsbahn zum Thalamus zu »hacken«, indem es von der Riechrinde Informationen zurück zum Thalamus projiziert, der dann wiederum Informationen zurück zur Hirnrinde schickt, so wie bei allen anderen Sinneswahrnehmungen auch.

Dieser Informationskreislauf sorgt dafür, dass Sie Flammen, Knistern und Rauchgeruch als ein einheitliches Ereignis begreifen, wenn Sie auf ein Feuer treffen. Dazu gehört natürlich auch die Erinnerung an den Geschmack von etwas Verbranntem und an den Schmerz, wenn Sie etwas Heißes angefasst hatten.

Die Projektion auf die Amygdala und den Cortex piriformis

Andere wichtige Projektionen des Riechkolbens verlaufen zur Amygdala und zum Cortex piriformis.

Der Geruchssinn unterscheidet sich insofern von den anderen Sinnen, dass Gerüche häufig eine emotionale Reaktion auslösen. Obwohl auch störende Geräusche und Bilder emotionale Reaktionen auslösen können, stellen sie doch eher eine Minderheit unserer normalen Seh- und Hörerfahrungen dar (hoffe ich jedenfalls). Im Gegensatz dazu lösen eine Vielzahl von Gerüchen bei uns sofort Ekel und Abscheu (wie der Geruch eines Stinktiers) oder Gefallen (wie das Aroma frisch gebackener Schokoladenkekse) aus.

Die direkte Projektion vom Riechkolben auf den Cortex piriformis und die Amygdala scheint Teil eines neuronalen Schaltkreises zu sein, der unser ablehnendes oder zugewandtes Verhalten auf Gerüche steuert. Einige dieser Verhaltensweisen sind angeboren. Beispielsweise mögen wir von Geburt an süße Gerüche, während uns säuerliche oder schwefelige Gerüche anekeln. Das konnte in Versuchen nachgewiesen werden, bei denen man Neugeborene verschiedenen Gerüchen ausgesetzt und ihren Gesichtsausdruck dabei gefilmt hat.

Das Verhalten auf andere Gerüche, wie beispielsweise auf Käsegeruch, ist erlernt. Kinder wenden sich oft ab, wenn ihnen dieser strenge, säuerliche Geruch von Käse in die Nase steigt. Doch später lernen sie, ihn zu mögen. Das Gegenteil geschieht, wenn einmal etwas Verdorbenes gegessen wurde. Schon ein kleiner »Unfall« kann eine lebenslange Abneigung gegen ein bestimmtes Nahrungsmittel auslösen. Diese erlernte Aversion läuft über die Projektion auf die Amygdala und den Hippocampus, die zu den wichtigsten Hirnstrukturen für unser Gedächtnis gehören. (In Kapitel 2 erfahren Sie mehr über diese beiden Hirnareale.)

Projektion auf den entorhinalen Kortex und den Hippocampus

Bei allen Sinnesorganen außer dem Geruchssinn projizieren die peripheren Rezeptoren die Informationen auf den Thalamus und danach auf bestimmte Bereiche der Hirnrinde, die ihrerseits Informationen an die Bereiche für das Gedächtnis, wie dem entorhinalen Kortex und dem Hippocampus, weitergeben. Der entorhinale Kortex ist dem Hippocampus vorgeschaltet und sortiert die Signale, die ihn erreichen.

Die Informationen des Geruchssinns gehen einen etwas anderen Weg. Hier projiziert der Riechkolben die Informationen direkt auf diese Strukturen. Diese Leitungsbahn ist eher für ganz allgemeine Gerüche wie den Geruch von etwas, das verrottet, zuständig. Bei so komplexen Duftkompositionen wie Haselnusskaffee oder dunkle Schokolade müssen noch übergeordnete Hirnrindenstrukturen die Signale verarbeiten, um herauszufinden, worum es sich bei dem Geruch handelt, bevor er dann in unserem Gedächtnis abgespeichert werden kann.

Projektion direkt auf die Amygdala

Die Amygdala liegt direkt vor dem Hippocampus und besitzt die gleiche Funktion für das Gedächtnis, mit dem Unterschied, dass sie für emotional besonders hervorstechende Gedächtnisinhalte zuständig ist. Das bedeutet, (1) die Amygdala erhält Informationen von Strukturen wie dem Riechkolben, weil verschiedene Gerüche einen starken emotionalen Aspekt besitzen (beispielsweise Fäkalien oder verdorbenes Essen auf der negativen und sexuelle Gerüche auf der positiven Seite). Es bedeutet auch, dass (2) die Amygdala mit Arealen des Frontallappens und des Orbitofrontalkortex kommuniziert, die an der Kontrolle emotionaler Verhaltensweisen beteiligt sind.

Im Orbitofrontalkortex wird es spezieller

Wie schon erwähnt, bekommen die Sinneszellen des Riechkolbens Informationen von den verschiedenen Rezeptorarten in der Riechschleimhaut. Jeder dieser Rezeptoren reagiert auf viele verschiedene Gerüche. Die Nervenzellen im Orbitofrontalkortex sind im Gegensatz dazu viel stärker spezialisiert: Sie reagieren auf weit weniger Gerüche, als es die Geruchsrezeptoren oder die Nervenzellen in den Glomeruli tun.

Menschliche Pheromone: Mythos oder Missverständnis

Es ist bekannt, dass Gerüche beim Sexualverhalten eine Rolle spielen. Was nicht so bekannt ist, ist die Tatsache, dass sich dabei vieles unbewusst abspielt. Gerüche lösen beispielsweise das Interesse am anderen Geschlecht aus, auch wenn wir uns dessen nicht bewusst sind (obwohl die Verwendung von Parfüm diesen Zusammenhang zwischen Geruch und Attraktivität dann doch etwas deutlicher macht). Es wurde nachgewiesen, dass Frauen, die in einer Gruppe zusammenleben, dazu neigen, dass sich ihr Menstruationszyklus durch den Geruch unbewusst einander angleicht.

Die Nase enthält ein weiteres Geruchsorgan – das vomeronasale Organ. Dieses Organ kann Rezeptoren für menschliche Sexual-Lockstoffe haben, die unbewusst im Mandelkern verarbeitet werden und das Sexualverhalten beeinflussen.

Der Fachbegriff für einen Geruch, der zur Kommunikation zwischen Artgenossen dient und deren Verhalten beeinflusst, lautet Pheromon. Nicht alle Wissenschaftler sind der Ansicht, dass man diesen Begriff auch auf die Kommunikation durch Gerüche beim Menschen anwenden kann. Der erste Streitpunkt ist biologischer Natur. Bis vor Kurzem glaubten viele nicht daran, dass auch der Mensch ein vomeronasales Organ besitzt (wir tun das). Der zweite Punkt ist eher philosophischer oder politischer Natur: Sollte ein Begriff, der bisher ausschließlich für das Tierreich verwendet wurde, auf uns Menschen angewendet werden, wo wir doch im Besitz unseres Bewusstseins sind?

Unabhängig davon, wie wir es nennen, Menschen kommunizieren auch über Gerüche. Die Gerüche reagieren mit den Rezeptoren, werden auf bestimmte Hirnareale projiziert und beeinflussen unser Verhalten.

Der Orbitofrontalkortex spielt auch eine wichtige Rolle bei der Wahrnehmung und dem Erlernen von Geschmack:

Schmecken : Die Nervenzellen im Orbitofrontalkortex verbinden Gerüche mit Geschmack, um ein bestimmtes Aroma wahrzunehmen. Indem wir diese beiden Sinne kombinieren, können wir beispielsweise viel einfacher zwischen Schokolade und Kaffee unterscheiden. Ohne unseren Geruchssinn schmeckt unser Essen einfach fad. Jeder von Ihnen hat sicherlich schon einmal diese Erfahrung gemacht, als sein Geruchssinn durch eine Erkältung außer Gefecht gesetzt worden war.

Lernen, welche Nahrungsmittel man meiden sollte: Der Orbitofrontalkortex spielt auch beim Lernen eine sehr wichtige Rolle. Erwachsene essen verschiedene Nahrungsmittel, die Kindern nicht schmecken. Denken Sie nur an Broccoli oder Spinat. Menschen lernen im Laufe ihrer Entwicklung durch kulinarische Erfahrungen, dass ihnen viele Nahrungsmittel schmecken, die sie zuerst nicht mochten. Wir können außerdem schon durch eine einzige schlechte Erfahrung ein Nahrungsmittel ablehnen, das wir ursprünglich einmal mochten. Der Geschmack des Nahrungsmittels wird dann in der Amygdala mit den von ihm ausgelösten Magenschmerzen in Verbindung gebracht. Trifft man dann später wieder auf dieses Nahrungsmittel, wird dadurch eine in der Amygdala und dem Orbitofrontalkortex repräsentierte Erinnerung ausgelöst und die negative emotionale Reaktion auf das Nahrungsmittel führt dazu, dass Sie es meiden.

Der spätere Abschnitt »Lassen Sie es sich schmecken« widmet sich dem Geschmackssinn noch genauer.

Lassen Sie es sich schmecken

Der Menschen gehört zu den Allesfressern. Er isst alles, was einen Nährwert besitzt. Dazu musste der Mensch lernen, giftige von ungiftigen Pflanzen, reife von unreifen Früchten und frisches von verdorbenem Fleisch zu unterscheiden. Da Sie nur schmecken können, was Sie bereits im Mund haben und gleich schlucken werden, müssen Sie all das schnell und genau erkennen.

Auch für den Geschmack gibt es spezielle Rezeptoren. Sie befinden sich in den Papillen auf der Zunge (siehe Abbildung 7.3). Die Papillen sehen wie kleine Höckerchen aus. Sie können sie sehen, wenn Sie Ihre Zunge einmal im Spiegel betrachten.

Abbildung 7.3: Die Zunge und ihre Geschmacksrezeptoren

Es gibt vier Papillenarten: Fadenpapillen, Pilzpapillen, Blattpapillen und Wallpapillen. Außer den Fadenpapillen enthalten alle Papillenarten Geschmacksrezeptoren. Diese Papillen befinden sich an der Zungenspitze und am Zungengrund. In diesen Bereichen schmecken Sie. Im mittleren Teil der Zunge befinden sich fast ausschließlich Fadenpapillen. Sie besitzen eine mechanische Funktion. Schmecken können Sie in diesen Bereichen nicht. (Manche Tiere nutzen ihre rauen Zungen, um Nahrung abzuschaben.)

Geschmacksunterschiede: Die vier Geschmacksrichtungen

Jede Papille, auch Geschmacksknospe genannt, verfügt über etwa 10000 Geschmackszellen. Die meisten Geschmacksknospen besitzen Rezeptoren für unterschiedliche Geschmacksrichtungen. Die vier Hauptgeschmacksrichtungen sind süß, salzig, bitter und sauer. Außerdem gibt es eine fünfte Geschmacksrichtung namens umami, die vor noch nicht allzu langer Zeit von Wissenschaftlern, die dafür einen speziellen Rezeptortyp entdeckt haben, hinzugefügt wurde. Dieser Rezeptor reagiert auf die Aminosäure L-Glutamat. (Der Begriff umami stammt aus dem Japanischen und bedeutet so viel wie »wohlschmeckend«.) Die Geschmacksrezeptoren sind auf der Zunge verteilt und liegen in jeder der drei Papillenarten. Es gibt vielleicht auch CO_2-Rezeptoren, die durch kohlensäurehaltige Getränke aktiviert werden.

Die weitverbreitete Ansicht, dass es auf der Zunge spezielle Geschmackszonen gibt, beruht auf der falschen Übersetzung eines deutschen Artikels durch den berühmten amerikanischen Experimentalpsychologen Edwin G. Boring. Tatsächlich besitzen die meisten Geschmacksknospen Rezeptoren für mehrere Geschmacksrichtungen. Trotzdem deuten einige Untersuchungsergebnisse darauf hin, dass wir an der Zungenspitze besser süß und am Zungengrund besser bitter schmecken können. Doch auch hierbei gibt es große individuelle Unterschiede.

Süßes

Der süße Geschmack wird durch Rezeptoren übertragen, die auf Zucker, der Energiequelle für unseren Stoffwechsel, reagieren. In der Evolution des Menschen war die Energieaufnahme der Hauptgrund, Nahrung zu sich zu nehmen. Der Mensch ist genetisch so programmiert, den Geschmack von Zucker zu mögen. Viele Geschmacksrezeptoren des Menschen reagieren fast ausschließlich auf Zucker. Während es für unsere Vorfahren noch in Ordnung war, so viel Süßes zu essen, wie sie finden konnten, müssen die meisten von uns heute leider viel Disziplin aufbringen, um ihren Süßigkeitenkonsum unter Kontrolle zu halten, da sie sonst unter Übergewicht und anderen Zivilisationserkrankungen leiden.

Salzig

Wie auch bei den Rezeptoren für Süßes reagieren eine große Anzahl der Geschmacksrezeptoren auf unserer Zunge ausschließlich auf Salziges. Diese Rezeptoren reagieren auf Natriumchlorid, doch auch andere Salze wie Kaliumchlorid aktivieren diese Rezeptoren. Auch unser angeborenes Bedürfnis nach Salzigem kann heute dazu führen, dass wir zu viel davon aufnehmen, denn Bluthochdruck und andere gesundheitliche Probleme werden durch einen zu hohen Salzkonsum begünstigt.

Sauer

Saures zu schmecken ist die Fähigkeit, den Säuregrad wahrzunehmen. Die Rezeptoren für Saures reagieren auf Wasserstoffionen. Da sowohl genießbare (Sauerkraut oder Zitronen) als auch verdorbene (verdorbene Milch) Nahrungsmittel säuerlich schmecken können, ist die Reaktion auf den sauren Geschmack sehr komplex und muss erlernt werden.

Bitter

Bitterkeit kann ein Zeichen für die Giftigkeit oder Unreife von Nahrungsmitteln sein. Das beste Beispiel für den bitteren Geschmack ist Chinin. Wir müssen durch Erfahrungen lernen, welche Nahrungsmittel, die eine bittere Note besitzen, wir essen können.

Geschmacksinformationen an das Gehirn senden

Wie ich bereits an anderer Stelle erläutert habe, gibt es etwa 1000 verschiedene Geruchsrezeptoren, die ihre Informationen auf die Rezeptortyp-spezifischen Bereiche im Riechkolben projizieren. Beim Geschmack ist das einfacher, da es nur fünf Geschmacksrichtungen gibt. Allerdings gibt es im Gehirn keine Bereiche, die auf die Informationen bestimmter Rezeptoren spezialisiert wären.

Übertragung der Geschmacksreize über die Chorda tympani und den Nervus glossopharyngeus zum Hirnstamm

Jede Geschmacksknospe besitzt mehrere (fünf bis zehn) Geschmacksrezeptorzellen. In den meisten Geschmacksknospen findet man dabei mindestens eine der fünf Rezeptorarten. Die Geschmacksrezeptoren übermitteln ihre Informationen über zwei Nerven zu einem Bereich im Hirnstamm, der Nucleus tractus solitarii (Geschmackskern) genannt wird (siehe Abbildung 7.4):

Die Chorda tympani (Paukensaite) überträgt die Geschmacksreize vom vorderen Teil der Zunge (hauptsächlich Pilzpapillen).

Der Nervus glossopharyngeus (Zungen-Rachen-Nerv) überträgt die Geschmacksreize der Blatt- und Wallpapillen und von ein paar hinteren Pilzpapillen.

Die Geschmacksübertragung: Ganz speziell oder gut gemischt

Jedes Axon der Chorda tympani erhält Informationen von mehreren Geschmacksrezeptorzellen. Nervenfasern, die sehr selektiv sind, wie beispielsweise einige Salz-Fasern, erhalten ihre Signale ausschließlich von Salz-Rezeptoren. Andere Fasern der Chorda tympani erhalten eine Mischung von Signalen verschiedener Rezeptorzellarten. Diese Nervenfasern können durch ein spezielles Aktivitätsmuster andere Geschmackseindrücke übermitteln.

Die Informationen, die von jeder Faser der Chorda tympani übertragen werden, können einerseits exakt gekennzeichnet (sie reagieren beispielsweise nur auf Salz) oder verteilt (sie reagieren auf viele Geschmacksrichtungen verteilt über viele Fasern) sein:

Abbildung 7.4: Die Geschmacksleitungsbahnen

Gemischte Signale: Ein Großteil der Geschmacksrezeptoren reagieren zu einem gewissen Grad auf süß, salzig, sauer und bitter. Sie übertragen diese Informationen zum Gehirn, wo anhand des Verhältnisses der Rezeptoraktivität der Geschmack identifiziert wird.

Selektive Übertragung: Einige Rezeptoren für Salziges und bis zu einem gewissen Grad auch Rezeptoren für Süßes scheinen hochspezifisch zu sein. Sind diese Nervenfasern aktiviert, kann unser Gehirn darauf schließen, dass das durch Süßes oder Salziges geschehen ist.

Auch andere sensorische Systeme nutzen diese selektive und gemischte Übertragungsstrategie. Das Besondere beim Geschmackssinn ist, dass man die Kombination dieser beiden Möglichkeiten im selben Nerv findet.

Geschmäcker erkennen und sich daran erinnern

Die Informationen der Geschmackszellen erreichen das Gehirn auf unterschiedlichen Wegen (siehe Abbildung 7.4).

Die Rezeptoren im vorderen und seitlichen Teil der Zunge senden ihre Signale über die Chorda tympani.

Die Rezeptoren im hinteren Teil der Zunge leiten die Signale über den Nervus glossopharyngeus.

Einige Rezeptoren im Mund und Rachen schicken ihre Geschmacksinformationen über den Nervus vagus. (Es gibt, verglichen mit der Zunge, so wenige dieser Geschmacksrezeptoren, dass ich nicht weiter darauf eingehen möchte.)

Diese drei Nerven projizieren ihre Informationen auf den Geschmackskern. Doch die Geschmacksneuronen erhalten auch andere Signale, die ihre Aktivität beeinflussen. So wird beispielsweise die Aktivität der Neuronen, die auf Süßes reagieren, nach einiger Zeit geschwächt, wenn Sie Süßes essen. Das mindert die Freude an Süßigkeiten. Ihr Körper sagt Ihnen, dass es jetzt genug ist.

Der Geschmackskern leitet die Informationen weiter an den Thalamus. Die Verbindung zwischen dem Thalamus und den Bereichen der Hirnrinde, die für die Verarbeitung von Geschmacksinformationen zuständig sind, steuert die bewusste Wahrnehmung des Geschmackseindrucks. Eine Schädigung des Thalamus kann zur Ageusie, dem Verlust der Geschmackswahrnehmung, führen.

Der Teil des Thalamus, der die Geschmacksinformationen verarbeitet, leitet seine Informationen an zwei Bereiche der Hirnrinde weiter: zur Insula (Inselrinde) und zum frontalen Operculum (siehe Abbildung 7.4). Beide werden als primäre Geschmacksregion der Hirnrinde betrachtet. Sie sind entwicklungsgeschichtlich alt und in kortikale Schaltkreise eingebunden, die auch vom Sehen und Riechen beeinflusst werden. Außerdem spielen sie eine Rolle bei der Sättigung, beim Schmerz und bei einigen Regulationsmechanismen.

Die Insula und das frontale Operculum projizieren ihre Informationen auf die orbitofrontale Rindenregion, wo sie mit Geruchsinformationen kombiniert werden, um feine Unterschiede im Geschmack zu erkennen. Sie schicken auch Informationen zur Amygdala, die das Gedächtnis für emotionale Erfahrungen steuert. Die Amygdala wiederum sendet Informationen zurück zum Orbitofrontalkortex.

Diese kortikalen Schaltkreise machen es möglich, dass Sie den Anblick, den Duft und den Geschmack spezieller Nahrungsmittel mit Ihrer Erfahrung vor und nach dem Essen verbinden. Diese Erfahrungen programmieren Ihre Vorlieben und machen Ihnen Appetit, wenn Sie Essen sehen oder riechen.

Lernen und Gedächtnis beim Geschmacks- und Geruchssinn

Wie lernen Sie, dass Sie Chili, der Ihnen schon beim ersten Bissen die Tränen in die Augen treibt, mögen? Es ist sehr unwahrscheinlich, dass sich in der Evolution des Menschen eine Vorliebe für scharfe Chilisoße entwickeln konnte. Beim ersten Mal hat Sie der Geschmack vermutlich zuerst überwältigt. Nach ein paar Bissen haben sich die Rezeptoren angepasst (oder sind gestorben!) und Sie fanden den Geschmack (eine Geschmacks-Geruchs-Erfahrung) angenehm.

Essen ist nicht nur eine Sache von Riechen und Schmecken. Auch die Konsistenz der Nahrung, die von Mechanorezeptoren aufgenommen wird, ist wichtig, um das Essen zu genießen.

Den Geruch und Geschmack vermissen

Riechen und Schmecken sind für uns selbstverständlich. Wie bereits erwähnt, kann eine Erkältung unseren Geruchssinn völlig außer Gefecht setzen. Dann fällt es uns auch schwer, etwas zu schmecken. Das macht nicht gerade Appetit. Doch der ist wichtig, damit wir regelmäßig essen.

Schlecht oder gar nicht mehr riechen können

Menschen können Gerüche unterschiedlich gut wahrnehmen und unterscheiden. Frauen haben meist einen besseren Geruchssinn als Männer. Es gibt auch Menschen, die gar nichts riechen können. Diese Störung wird als Anosmie bezeichnet. Das kann angeboren sein oder durch eine Schädigung der Riechschleimhaut oder des Gehirns entstehen.

Es gibt auch Menschen, denen von Geburt an ihr Geschmackssinn fehlt (Ageusie). Der totale Ausfall des Geschmackssinns ist allerdings extrem selten. Häufiger findet man einen unterentwickelten Geschmackssinn (Hypogeusie), der auch durch die Schädigung der Riechschleimhaut hervorgerufen werden kann. Die Hypogeusie ist als angeborene Störung ebenfalls sehr selten. Doch sie kann durch eine Schädigung der Geschmacksnerven entstehen. Die Chemotherapie bei einer Krebserkrankung ist häufig vorübergehend von einer Hypogeusie begleitet. Mit zunehmendem Alter verringert sich die Sensitivität für bitteren Geschmack.

Riechzellen transplantieren

Unsere Geruchssinneszellen werden ständig erneuert. Verglichen mit anderen Sinnessystemen ist das eher ungewöhnlich. Abgestorbene Sinneszellen in der Netzhaut können nicht einfach ersetzt werden. Es gibt Wissenschaftler, die sich mit der Möglichkeit beschäftigen, Sinneszellen der Riechschleimhaut in beschädigte Bereiche des Gehirns oder des Rückenmarks zu transplantieren. Man hofft, dass sich diese Sinneszellen dort nicht nur regenerieren, sondern in Zellarten des Gehirns oder des Rückenmarks verwandeln und deren Aufgaben übernehmen. In Portugal und China wurden sogar schon Versuche am Menschen vorgenommen.

Sättigung

Der Geschmackssinn wird auch vom Sättigungsgefühl beeinflusst. Bisher sind mindestens zwei unterschiedliche Sättigungsmechanismen bekannt. Einer hat seinen Ursprung im Gehirn und der andere in den Geschmacksrezeptoren selbst.

Beim zentralen Mechanismus, den das Gehirn steuert, verliert das, was Sie essen, während Sie essen, langsam seinen Reiz. Dieses Phänomen wird Alliästhesie (»veränderte Wahrnehmung«) genannt. Dabei handelt es sich um einen Mechanismus des Gehirns, der Ihnen anzeigt, dass Sie langsam satt sind. Diesen Mechanismus kann man daran erkennen, dass Geschmacks- und Geruchsneuronen im Orbitofrontalkortex durch den Duft einer Speise weniger Signale feuern, nachdem Sie eine erhebliche Menge davon gegessen haben.

Die sinnesspezifische Sättigung findet direkt in den Geschmacks- und Geruchsrezeptoren statt. Sie verringert Ihren Appetit genau auf das, was Sie gerade essen. Dieser Mechanismus setzt schneller ein als die Alliästhesie.

Verschiedene Verdauungshormone regulieren über ihre Wirkung auf das Gehirn den Appetit. Zu ihnen gehören Ghrelin, Insulin, das pankreatische Polypeptid (PP) und andere, die bestimmte Bereiche des Hypothalamus und des Hirnstamms stimulieren. Sie verändern auch die Informationen, die vom Vagusnerv zum Geschmackskern übertragen werden. Der Hypothalamus bekommt Signale vom Hirnstamm und besitzt Hormonrezeptoren. Der Hypothalamus und der Hirnstamm kontrollieren durch ihre Verbindung zu übergeordneten Hirnarealen, wie der Amygdala und der Hirnrinde, den Appetit.

Teil III

Immer weiter gehen – Das motorische Nervensystem

In diesem Teil ...

Der überwiegende Teil des Nervensystems existiert letzten Endes, um Bewegung zu ermöglichen (sonst wären wir Pflanzen). Und Bewegung benötigt Muskeln. Wie sie gesteuert werden, ist das Thema dieses Buchteils. Sie erfahren, wie Motoneuronen Muskeln dazu bringen, sich zusammenzuziehen, und wie unterschiedliche Koordinationszentren des Gehirns und des Rückenmarks die Muskelkontraktionen steuern, sodass ein Sportler wie Dirk Nowitzki aus zehn Metern Entfernung einen Basketball in einen Korb werfen kann, der kaum größer ist als der Ball selbst.

So wie die Fähigkeit, sich zu bewegen, Tiere von den Pflanzen unterscheidet, unterscheidet uns die Fähigkeit, komplexe Bewegungen zu planen und deren Ergebnisse vorauszusehen, von den Tieren. Wir können nicht nur Werkzeuge herstellen, sondern wir können auch überlegen, wie man sie am besten herstellt. Außerdem können wir mit ihnen viele Tage später ein Problem lösen.

In diesem Teil beschäftige ich mich mit der Bewegungskontrolle auf niedrigster Stufe bis hin zu hochrangigen Planungsfunktionen, die erst durch unseren riesigen Frontallappen möglich sind.

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Die Bewegungs-Basics

In diesem Kapitel ...

Bewegungsarten kategorisieren

Erkrankungen des motorischen Systems

Zum Überleben brauchen wir Essen, einen Unterschlupf und einen Partner. Gleichzeitig müssen wir Feinden und Gefahren aus dem Weg gehen. Deshalb ist es die Aufgabe des Nervensystems, unsere Bewegungen zu steuern. Unser Nervensystem sorgt dafür, dass wir Dinge, die wir brauchen, erreichen und alles, was uns gefährlich werden könnte, umgehen.

Das Nervensystem entwickelte sich bei vielzelligen Meerestieren, um die Bewegungen der Geißeln, die sich an den Zellen auf der Außenseite des Organismus befanden, zu koordinieren. Übersetzt heißt das: Es reicht nicht, alle Ruder im Wasser zu haben, sie müssen sich auch gleichzeitig bewegen. Höher entwickelte Tiere bewegen sich mithilfe ihrer Muskeln, die sich kontrahieren. Außerdem besitzen sie Motoneuronen, die diese Muskeln steuern und ein Nervensystem, das die Reihenfolge und Häufigkeit der Muskelkontraktionen bestimmt

Die Muskulatur ist das Erfolgsorgan des motorischen Systems. Muskelzellen besitzen genauso wie Nervenzellen spezielle Rezeptoren und erzeugen Aktionspotenziale. Die Nervenzellen, die die Muskeln direkt steuern, werden Motoneuronen genannt. Sie liegen im Rückenmark und steuern die Muskulatur des Rumpfes, der Gliedmaßen und Teile der Halsmuskulatur. Die Kopf- und Nackenmuskulatur wird von Hirnnerven versorgt.

Verschiedene Bewegungsarten erkennen

Die verschienenen Bewegungsarten werden von unterschiedlichen neuronalen Schaltkreisen gesteuert.

Bewegungen, die bestimmte Körperfunktionen, wie die Magen- oder Darmbewegungen, regulieren, können Sie nicht bewusst steuern und wahrnehmen.

Reflexbewegungen werden von lokalen Schaltkreisen erzeugt, die schneller sind als Ihr Bewusstsein. Allerdings wird Ihnen der Reflex bewusst werden und Sie können ihn unterdrücken. Ein Beispiel: Sie halten eine heiße Tasse Kaffee lieber ein paar Sekunden in der Hand, als sie auf den Boden fallen zu lassen.

Ganz bewusst gesteuerte Bewegungen , wie die Entscheidung, vom Stuhl aufzustehen, entspringen Ihrem freien Willen. Der Entschluss, diese Bewegungen auszuführen, ist das Ergebnis von Gehirnaktivitäten auf oberster Ebene.

Bewegungen, die Körperfunktionen steuern

Bewegungen, die Körperfunktionen regulieren, werden vom vegetativen Nervensystem (siehe Kapitel 2) gesteuert. Die meisten dieser Bewegungen, wie die Kontraktionen, die unsere Nahrung durch den Verdauungstrakt befördern, nehmen Sie nicht bewusst wahr und können nicht bewusst gesteuert werden.

Auch die Atmung ist eine Bewegung, die Sie normalerweise nicht bewusst kontrollieren. Doch Sie können natürlich die Luft anhalten, wenn Sie tauchen oder Ihre Atmung beim Sprechen bewusst einsetzen.

Reflexbewegungen

Reflexbewegungen entstehen als Reaktion auf einen sensorischen Reiz. Ein klassischer Reflex ist, wenn Sie von einem Schmerz auslösenden Reiz zurückzucken. Außerdem kennen Sie sicherlich den Würgereflex, der Sie davor bewahrt, einen übergroßen Gegenstand zu verschlucken. Der Tauchreflex ist ein Schutzmechanismus, der ausgelöst wird, wenn Sie mit Ihrem Gesicht unter Wasser gehen.

Einige Reflexe sind jedoch etwas komplizierter. Normalerweise müssen Sie nicht besonders darauf achten, beim Stehen Ihr Gleichgewicht zu halten oder auf einer Linie zu balancieren (es sei denn, Sie haben einmal zu viel getrunken). Ihr Gleichgewichtssinn funktioniert wie folgt:

Sensorische Signale von den Dehnungsrezeptoren: Beim Gehen wird die Beinmuskulatur hauptsächlich von Schaltkreisen im Rückenmark gesteuert. Es ist ihre Aufgabe, dass sich die richtigen Muskeln in der richtigen Stärke kontrahieren, damit Sie aufrecht stehen oder auf einer Linie balancieren können. Diese Schaltkreise erhalten ihre Signale von den Dehnungsrezeptoren, die sich in den Muskeln, Gelenken und Sehnen befinden. Dabei sind zwei Signalarten von Bedeutung: die propriozeptiven und kinästhetischen Signale.

• Die Propriozeption bezeichnet die Wahrnehmung der Körperposition im Raum, während die Kinästhesie die Bewegungsempfindung beschreibt. Beide werden von Dehnungsrezeptoren vermittelt. Diese Rezeptoren ähneln Mechanorezeptoren wie den Ruffini-Körperchen (siehe Kapitel 4).

• Die Dehnungsrezeptoren in den Muskeln werden Muskelspindeln genannt. Sie übermitteln Informationen über die Muskellänge (Propriozeption) und die Häufigkeit der Muskellängenänderung (Kinästhesie). Rezeptoren in den Sehnen (die die Muskulatur mit dem Knochen verbinden), die Informationen über die Muskelspannung liefern, werden Golgi-Sehnenorgane genannt. Andere Rezeptoren, die sich beispielsweise in den Gelenkkapseln befinden, geben Auskunft darüber, wie stark ein Gelenk gebeugt ist.

Bewegungsinformationen vom Seh- und Gleichgewichtssystem: Die Informationen vom visuellen System kommen von Neuronen, die besonders auf bestimmte Bewegungsrichtungen reagieren. Ein wichtiger Bestandteil des Gleichgewichtssystems sind die drei Bogengänge, die sich im Innenohr in der Nähe der Hörschnecke befinden. Jeder dieser Bogengänge reagiert auf die Drehbewegung des Kopfes in eine bestimmte Richtung. In Kapitel 5 und 6 erfahren Sie mehr über ihr Seh- und Hörsystem erfahren.

Beim Gehen macht sich Ihr Gehirn die Gleichgewichtsreflexe zunutze. Um zu gehen, verlagern Sie einen Großteil Ihres Gewichts auf ein Bein und lehnen sich dabei nach vorne, als würden Sie fallen. Ihr Reflexsystem bewirkt daraufhin, dass Sie Ihr anderes Bein ausstrecken und Ihr Gewicht abfangen, damit Sie nicht fallen. Danach verlagern Sie Ihr Gewicht auf dieses Bein und »fallen« erneut nach vorne. Im Abschnitt »Fortbewegung« erfahren Sie noch mehr darüber, wie Ihr Körper diese komplexen Bewegungsmuster steuert.

Bewusst gesteuerte Bewegungen

Der Mensch kann vielfältigere und komplexere Bewegungen ausführen als jedes Tier. Warum ist das so? Wenn wir das menschliche Gehirn mit dem Gehirn von Tieren vergleichen, erhalten wir darauf einige Antworten. Jeder weiß, dass der Mensch ein sehr großes Gehirn besitzt, vor allem, wenn man sein Gewicht im Verhältnis zur Körpergröße betrachtet. Bei Primaten ist nicht nur das Verhältnis von Gehirngewicht zu Körpergröße größer als bei anderen Säugetieren, sondern auch das Verhältnis von Frontallappen zum restlichen Gehirn. Wenn Sie das menschliche Gehirn mit den Gehirnen nicht-menschlicher Primaten vergleichen, kommen Sie zum gleichen Ergebnis.

Was bringt uns dieser große Frontallappen? Durch einen größeren Frontallappen können Bewegungen auf mehreren hierarchischen Ebenen repräsentiert werden. Das bringt für die Verarbeitung und Steuerung von Bewegungen nicht nur quantitative, sondern auch qualitative Vorteile.

Manche Wissenschaftler sind der Meinung, dass die Entwicklung der Sprache, der Hauptunterschied zwischen Mensch und Tier, sprichwörtlich Hand in Hand ging mit der Rechtshändigkeit des Menschen. Diese Argumentation legt nahe, dass die Fähigkeiten der linken Gehirnhälfte, die das Lernen einer komplexen Sprache ermöglichen, außerdem die meisten von uns zu Rechtshändern gemacht haben.

Bewegungssteuerung: Zentrale Planung und hierarchische Ausführung

Wie ich schon in vorausgegangenen Abschnitten beschrieben habe, sind für Muskelkontraktionen, die Bewegungen auslösen, bestimmte Voraussetzungen erforderlich. Dabei gibt es bestimmte Bewegungsarten. Sie reichen von automatischen Bewegungen, die Körperfunktionen regulieren, über Reflexbewegungen bis zu bewussten, geplant ausgeführten, komplexen Bewegungsabläufen. In den folgenden Abschnitten möchte ich Ihnen erläutern, welche Kontrollsysteme und neuronale Mechanismen für jede dieser Bewegungen notwendig sind.

Die Aktivierung unbewusster Muskelbewegungen

Unbewusste Muskelbewegungen werden größtenteils von der glatten Muskulatur ausgeführt. Die glatte Muskulatur in den Gefäßwänden ermöglicht es beispielsweise den Blutgefäßen, sich zusammenzuziehen oder auszudehnen, was unter anderem für den Blutdruck von Bedeutung ist. Der Ziliarmuskel im Auge reguliert die Pupillengröße. Auch in unseren Harnwegen und der Gebärmutter findet man glatte Muskulatur.

In manchen Bereichen sind die Muskelzellen der glatten Muskulatur über Gap Junctions miteinander verbunden. Das ermöglicht es der gesamten Muskeleinheit, sich koordiniert und gleichzeitig zu bewegen. Gap Junctions sind spezielle Zellverbindungen, über die einzelne Moleküle zwischen den Zellen ausgetauscht werden können.

Die Gap Junctions der Muskelzellen sorgen dafür, dass die elektrische Erregung einer Muskelzelle (die eine Kontraktion auslöst) direkt auf die benachbarten Muskelzellen überspringt und auch sie veranlasst, sich zusammenzuziehen. Die Signale weniger Motoneuronen oder Hormone reichen dadurch aus, dass sich der gesamte Muskel gleichzeitig kontrahiert. Muskelzellen der glatten Muskulatur, die über keine oder nur sehr wenige Gap Junctions verfügen, müssen von viel mehr Motoneuronen innerviert werden, um feinere und differenziertere Kontraktionsmuster zu erzeugen. Ein typisches Beispiel für glatte Muskulatur, die über Gap Junctions verfügt, ist die Muskulatur der Blutgefäße. Die glatten Muskeln, die die Pupillengröße steuern, verfügen über weniger Gap Junctions, werden dafür aber stärker von Motoneuronen gesteuert.

Einige Muskelzellen der glatten Muskulatur kontrahieren sich spontan, weil diese Zellen ihre eigenen Aktionspotenziale bilden. Dieser Mechanismus wird vor allem dort gefunden, wo sich Muskelzellen rhythmisch zusammenziehen müssen. Ein Beispiel dafür ist die Darmperistaltik im Verdauungstrakt.

Den Fluchtreflex auslösen

Die einfachste Verhaltensweise, bei der sensorische und motorische Komponenten eine Rolle spielen, ist der Fluchtreflex. Sie berühren etwas, das eine unangenehme oder unerwartete Empfindung hervorruft und zucken schon zurück, bevor das Gehirn realisiert, was passiert ist. In Abbildung 8.1 können Sie sehen, wie der Fluchtreflex funktioniert, wenn Sie sich mit einer Reißzwecke in den Finger stechen.

Der Fluchtreflex beginnt damit, dass Ihr Finger die scharfe Spitze der Reißzwecke berührt. Folgende Reaktionen werden dadurch ausgelöst:

1. Die Spitze der Reißzwecke durchdringt die Haut und aktiviert dort Schmerzrezeptoren.

Mehr zu Schmerzrezeptoren finden sie in Kapitel 4.

2. Die Schmerzrezeptoren senden mittels Aktionspotenzialen ihre Signale entlang der Axone über den Arm zur Schulter und von dort weiter zu dem entsprechenden Hinterwurzelganglion im Rückenmark.

3. Das Axon des Schmerzrezeptors schüttet für die Interneuronen des Rückenmarks den Neurotransmitter Glutamat aus.

Interneuronen sind Nervenzellen, deren Signale ausschließlich in einem Segment des Rückenmarks ein- und ausgehen.

4. Die Interneuronen des Rückenmarks kontaktieren die Motoneuronen sowohl für den Beuge- als auch für den Streckmuskel des Armes.

Fast alle willkürlichen Bewegungen werden von sogenannten Beuger-Strecker-Muskelpaaren ausgeführt. Diese Muskeln sind ungleiche Paare, die genau gegensätzlich arbeiten. Durch den Reflex werden die Muskelzellen des Beugemuskels aktiviert. Gleichzeitig erhält der Streckmuskel des Armes weniger Signale von den Motoneuronen und entspannt sich. Das hat zur Folge, dass sich der Arm bewegt.

5. Die Axone der Motoneuronen verlassen das Rückenmark und verlaufen im selben Nerv wie die sensorischen Signale.

Der Nerv, der von der Körperperipherie zum Hinterwurzelganglion zieht, enthält sowohl sensorische als auch motorische Nervenfasern. Die sensorischen Nervenfasern, die zum Rückenmark verlaufen, werden Afferenzen genannt. Die motorischen Nervenfasern, die die Signale vom Rückenmark zur Muskulatur weiterleiten, heißen Efferenzen.

6. Das Ergebnis: Der Streckmuskel entspannt sich, während der Beugemuskel kontrahiert. Dadurch wird der Arm von der Reißzwecke zurückgezogen.

Meistens leiten die Interneuronen des zuständigen Rückenmarksegmentes die Schmerzreize auch noch an andere Segmente weiter. Das kann zur Folge haben, dass nicht nur der Arm, sondern auch der betroffene Finger und die Schulter zurückgezogen werden. Wenn Sie sich richtig erschrecken (falls Sie beispielsweise dachten, es hätte Sie etwas gebissen), kann es sogar sein, dass Sie zurückspringen. Dazu wäre die Aktivierung von Beuger-Strecker-Paaren in beiden Beinen nötig. Mit großer Willenskraft können Sie den Reflex aber auch blockieren und sich zwingen, den Finger auf der Reißzwecke zu lassen.

Der Fluchtreflex läuft unabhängig vom Gehirn ab, noch bevor die sensorischen Signale das Gehirn erreicht haben. Mit anderen Worten zuckt Ihr Arm schon von der Reißzwecke zurück, bevor Sie den Schmerz überhaupt fühlen und »Aua!« sagen können.

Abbildung 8.1: Reflexbogen für den Fluchtreflex

Fortbewegung

Während die Reaktion auf einen Stich in die Fingerspitze ein Beispiel für einen Bewegungsablauf ist, der vom Rückenmark gesteuert wird und meistens innerhalb eines Rückenmarksegments abläuft, ist die Fortbewegung eine koordinierte Aktivität aller vier Extremitäten, die ebenfalls vom Rückenmark gesteuert wird, aber über eine Vielzahl von Rückenmarksegmenten verläuft.

Ende des 19. Jahrhunderts ließ der Engländer Charles Sherrington Katzen, deren Gehirn vom Rückenmark getrennt worden war, auf einem Laufband laufen. Diese Experimente zeigten, dass die sensorische Rückmeldung genügte, um eine souveräne Gehbewegung zu erzeugen. Die Katzen konnten sogar abhängig von der Geschwindigkeit des Laufbands ihre Gangart verändern. Das Rückenmark ist demnach eine hoch kompetente Steuerungszentrale für die Fortbewegung. Innerhalb des Rückenmarks existiert ein zentraler Muskelgenerator, der die abwechselnden Bewegungen der vier Extremitäten koordiniert.

Kurz gesagt bedeutet das, dass Sie nur entscheiden müssen, dass Sie laufen, nicht wie Sie laufen. Fortbewegung ist ein Prozess, der ein vielschichtiges und hierarchisch geordnetes Steuerungssystem benötigt. Dabei kontrolliert das Bewusstsein den allgemeinen Vorgang, aber nicht jeden einzelnen Schritt. Die hierarchische Bewegungssteuerung hat viele Vorteile:

Effizienz: Weil die niedrigeren Ebenen die Details der Bewegung steuern, muss das Gehirn nicht jede einzelne Muskelkontraktion, die für die Bewegung notwendig ist, berechnen und koordinieren.

Geschwindigkeit: Die Übertragung der Nervenimpulse Ihrer Gelenkrezeptoren bis zum Gehirn und wieder zurück zum Muskel braucht Zeit. Sie können schneller laufen, wenn sich ein kürzerer, nicht zentraler Schaltkreis um die meisten Bewegungsdetails kümmert und das Gehirn nur den gesamten Prozess überwacht (etwa wie die Tatsache, ob Sie gerade vor einen Baum laufen).

Flexibilität: Es wäre sicherlich nicht schlecht, wenn das Gehirn die Muskulatur, die wir zum Gehen benötigen, steuern würde, selbst wenn dieser Prozess langsamer wäre. Doch was würde geschehen, wenn wir in ein Loch treten oder über eine Wurzel stolpern? Während wir laufen gelernt haben, wurden die Schaltkreise in unserem Rückenmark darauf trainiert, schnell auf so eine Situation zu reagieren.

Der zentrale Muskelgenerator im Rückenmark steuert die abwechselnden Bewegungen der Extremitäten während des Gehens. Wozu braucht man da noch das Gehirn? Die einfache Antwort lautet, um Entscheidungen zu treffen. Wir leben nicht auf einem Laufband. Deshalb muss unser Gehirn entscheiden, ob wir laufen oder nicht, welchen Gang wir verwenden (gehen oder rennen) und wohin wir gehen. Außerdem können wir Foxtrott tanzen oder Hopse spielen. Dafür müssen wir komplexe Schrittmuster ausführen, für die es keinen Generator im Rückenmark gibt.

Hopsen, hüpfen und springen verlangt mehr, als das Rückenmark alleine steuern kann. Bei einigen Tieren wie uns Menschen oder den Waschbären können die vorderen Extremitäten viel kompliziertere Bewegungen ausführen, als wir für die normale Fortbewegung brauchen. Dazu müssen wir denken, beobachten, Fehlerrückmeldungen verarbeiten und lernen. Mit anderen Worten, dazu benötigen wir ein Gehirn.

Das Gehirn: Steuerungszentrale für komplexe Bewegungsabläufe

Große Flugzeuge fliegen die meiste Zeit auf Autopilot. Der Bordcomputer erhält Informationen über die Höhe, in der das Flugzeug fliegt und den Kurs und vergleicht diese Werte mit den notwendigen Parametern. Wenn nötig verändert der Autopilot bestimmte Einstellungen, um das Flugzeug auf Kurs zu halten.

Sich in mehreren Tausend Metern Höhe auf den Autopiloten zu verlassen, selbst wenn einige Flugparameter korrigiert werden müssen, ist kein Problem. Autopiloten werden jedoch wesentlich seltener während des Starts oder der Landung eingesetzt, da in dieser Phase der Pilot beispielsweise wegen Seitenwinden oder anderen Flugzeugen im Bruchteil einer Sekunde Entscheidungen treffen muss. Ist der Autopilot ausgeschaltet, hat der Pilot die direkte Kontrolle über das Quer-, Seiten- und Höhenruder und benutzt für seine Entscheidungen nur noch diesen hochentwickelten Computer in seinem Kopf.

Genauso kann das Gehirn die direkte Steuerung der Muskulatur übernehmen. In diesem Fall sind die Bewegungsabläufe wesentlich komplexer und beziehen Planung, Wissen und die Fähigkeit, sich an bestimmte Situationen anzupassen, ein. Dann sind Sie von einem einfachen Reflexverhalten weit entfernt.

Muskelzellen und ihre Aktionspotenziale

Bis jetzt habe ich vor allem erklärt, wie das Gehirn und das Rückenmark Muskelbewegungen steuern. Doch im Folgenden möchte ich Ihnen noch etwas mehr zur Muskulatur erläutern. Muskeln bestehen aus Muskelzellen. Muskeln können sich kontrahieren, weil die Muskelzellen sich entlang der Muskelachse zusammenziehen können.

Ihr Körper besitzt zwei Muskelarten: die glatte und quergestreifte Muskulatur. Die glatte Muskulatur habe ich schon im Abschnitt »Die Aktivierung unbewusster Muskelbewegungen« behandelt. Die Muskeln, die für die willkürlichen Bewegungen verantwortlich sind, werden quergestreifte Muskulatur genannt. Sie wird vom Nervensystem gesteuert.

Muskelzellen sind erregbare Zellen, ähnlich wie Nervenzellen. Das bedeutet, dass sie Aktionspotenziale erzeugen können. Bei der quergestreiften Muskulatur (oder auch Skelettmuskulatur) entstehen die Aktionspotenziale, wenn das Axonende des präsynaptischen Motoneurons den Neurotransmitter Acetylcholin ausschüttet. Dieser wird an postsynaptische Rezeptoren der Muskelzelle gebunden. Der Bereich der Muskelzelle, an dem das Axon andockt, heißt neuromuskuläre Endplatte. Der Neurotransmitter Acetylcholin versorgt nahezu die gesamte quergestreifte Muskulatur bei den Wirbeltieren. Die folgenden Punkte beschreiben genau, wie die Bewegungskontrolle funktioniert:

1. Nachdem das Acetylcholin vom präsynaptischen Axonende des Motoneurons ausgeschüttet wurde, wird es an den postsynaptischen Rezeptor der Muskelzelle gebunden.

Ein Axonende eines Motoneurons versorgt genau eine Muskelzelle. Da sich ein Axon in mehrere Axonenden aufzweigt, kann es viele Muskelzellen versorgen.

2. Nachdem das Acetylcholin gebunden wurde, öffnet sich ein Natrium-Kalium-Ionenkanal.

So entsteht ein Endplattenpotenzial, das einem exzitatorischen (erregenden) postsynaptischen Potenzial entspricht.

Das Acetylcholin bleibt nicht dauerhaft an den Muskelzellrezeptor gebunden. Wenn dem so wäre, könnte der Muskel sich nicht wieder entspannen und erneut zusammenziehen. Nachdem sich das Acetylcholin wieder von den Rezeptoren gelöst hat, wirtischen Spalt von dem Enzym Cholinesterase aufgespalten, damit es sich nicht erneut an die Rezeptoren bindet.

3. Das depolarisierende Endplattenpotenzial öffnet spannungsabhängige Natriumkanäle in der Muskelzelle. Dadurch kommt es zu einem Aktionspotenzial.

Das Aktionspotenzial gleicht dem der Nervenzelle, es hält allerdings fünf bis zehn Millisekunden länger an.

4. Das Aktionspotenzial aktiviert spannungsabhängige L-Typ-Kalziumkanäle in der Muskelzellmembran. Dadurch wird innerhalb der Zelle vom sogenannten sarkoplasmatischen Retikulum Kalzium ausgeschüttet.

5. Der Anstieg der Kalziumkonzentration innerhalb der Muskelzelle führt dazu, dass die Aktin- und Myosin-Muskelfilamente übereinander gleiten (siehe Abbildung 8.2) und die Zelle sich entlang ihrer Längsachse kontrahiert.

Die Muskelkontraktion verbraucht Energie. Als Energiequelle dient ATP (Adeonsintriphosphat). ATP ist die Energiequelle für alle metabolischen Vorgänge innerhalb einer Zelle, die Energie benötigen.

Abbildung 8.2: Muskelkontraktion durch übereinandergleitende Muskelfilamente

Muskelzellen sind sehr lang gestreckt. Deshalb werden sie auch Muskelfasern genannt. Ein Muskelstrang besteht aus vielen Muskelfasern. Die Anzahl der kontrahierten Muskelzellen ist verantwortlich für die Verkürzung des Muskels. Diese wiederum ist abhängig von der Anzahl der Muskelzellen, die von den Nerven aktiviert wurden und von dem Grad ihrer Aktivierung. Auch die Kontraktionskraft ist abhängig davon, wie viele Muskelfasern sich zusammenziehen. Die Anzahl der aktivierten Motoneuronen und ihr Aktivierungsgrad können die Muskelkraft sehr genau steuern.

Erkrankungen der Muskeln und der Motoneuronen

Motorische Störungen können durch eine Schädigung auf jeder Ebene des vielschichtigen Kontrollsystems auftreten. Es gibt auch Erkrankungen, die speziell die Motoneuronen oder die neuromuskulären Verbindungsstellen betreffen.

Myasthenia gravis

Die Myasthenia gravis ist eine Erkrankung, bei der die Acetylcholinrezeptoren der Muskeln nicht richtig funktionieren. Sie äußert sich durch Muskelschwäche, Erschöpfung und führt letztendlich zu Lähmungen. Diese Erkrankung kann angeboren sein. Doch die häufigste Ursache ist eine Autoimmunerkrankung.

Die Myasthenia gravis ist nicht heilbar. Cholinesterasehemmer können die Krankheitssymptome manchmal lindern, indem sie die Acetylcholinkonzentration im synaptischen Spalt erhöhen. Die Erkrankung schreitet allerdings immer weiter fort.

Viruserkrankungen: Tollwut und Kinderlähmung

Wenn die Synapsenendknöpfchen der Motoneuronen ihre Membran wieder regenerieren, um neue synaptische Bläschen (Vesikel) zu bilden, sind sie für Viren, die sie in dieser Phase aufnehmen, sehr anfällig. Zwei bekannte Beispiele solcher Viruserkrankungen sind die Tollwut und die Kinderlähmung (Polio). Die Viren dringen in die Synapsenendknöpfchen ein und wandern zum zentralen Nervensystem. Tollwut-Viren greifen andere Nervenzellen an. Die Erkrankung verläuft tödlich, wenn die Betroffenen nicht rechtzeitig einen Impfstoff erhalten, der die Antikörperproduktion anregt.

Polio-Viren zerstören die Motoneuronen. Das führt zu Lähmungserscheinungen. Abhängig vom Ausmaß der Zerstörung können Rehabilitationsmaßnahmen die Lähmungen etwas mildern, indem die verbliebenen Motoneuronen durch die Reha-Maßnahmen dazu angeregt werden, mehr Synapsenendknöpfchen sprießen zu lassen, dadurch wieder mehr Muskelzellen zu innervieren und so eine größere Kontraktionskraft zu erreichen.

Rückenmarksverletzungen

Eine Verletzung kann in jedem Bereich des Nervensystems, der an der Bewegungssteuerung beteiligt ist, zu Lähmungen führen. Solche Schädigungen werden im Gehirn vor allem durch Schlaganfälle und Hirnverletzungen hervorgerufen. Auf Höhe des Rückenmarks kommt es häufig durch schwere Stürze oder andere Unfälle zur Schädigung der Nervenbahnen. Nach einer kompletten Durchtrennung des Rückenmarks ist der Teil des Körpers, der von den Segmenten unterhalb der verletzten Stelle versorgt wird, vollständig gelähmt.

Es gibt viele Versuche, schwere Rückenmarksverletzungen zu behandeln. Folgende Beispiele sind interessant:

Nachwachsende Axone: Viele Wissenschaftler arbeiten in zellbiologischen Versuchen daran, dass die verbliebenen Axone wieder aussprießen, die durchtrennte Stelle im Rückenmark überbrücken und wieder die Muskeln erreichen, die sie immer versorgt haben.

Allerdings ist es der Wissenschaft immer noch ein Rätsel, warum periphere Nerven wieder aussprießen, wenn sie durchtrennt wurden. Doch Nervenzellen des zentralen Nervensystems, besonders der Säugetiere, tun das nicht. Bei Fischen und Salamandern wachsen auch die Axone des zentralen Nervensystems wieder nach, wenn sie durchtrennt wurden. Viele Labore arbeiten derzeit an diesem Problem und in den nächsten Jahren wird es auf diesem Gebiet Fortschritte geben.

Bewegung mechanisch stimulieren: Bei diesem Versuch, das Problem mit technischen Hilfsmitteln zu lösen, sollen Elektroden, die im primär-motorischen Kortex implantiert werden, die geschädigte Stelle im Rückenmark überbrücken und so die Signale zur Muskulatur übertragen. Auch hier macht die Forschung Fortschritte.

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Rückenmark und Leitungsbahnen

In diesem Kapitel ...

Verschiedene Reflexe betrachten

Die Hierarchie der motorischen Steuerung verstehen

Die Aufgabe des Kleinhirns bei der Korrektur motorischer Fehler untersuchen

Bei einem Reflex bewirkt die Aktivierung eines Rezeptors eine Kontraktion der dazugehörigen Muskeln als Reaktion auf das Rezeptorsignal. Ihr Arzt untersucht den klassischen Dehnungsreflex, wenn er mit einem kleinen Gummihämmerchen leicht auf Ihre Kniescheibensehne klopft. Bei dieser Untersuchung aktiviert der Schlag Dehnungsrezeptoren, deren Aktivität normalerweise anzeigt, dass Sie Ihr Knie beugen. Das Rückenmark reagiert darauf, indem es den Quadrizeps (den vierköpfigen Oberschenkelmuskel) aktiviert, um das Bein wieder in die ungebeugte Position zu bringen, damit sie nicht stürzen.

Dieser Reflex ist eine einfache Möglichkeit, zu verstehen, wie das Gehirn eingehende sensorische Signale in ausgehende motorische Signale umwandelt. Auf der niedrigsten Ebene laufen die Reflexe sehr schnell und stereotyp ab: Die Aktivität von Propriozeptoren (Rezeptoren, die die Spannung von Muskeln oder die Gelenkposition messen) veranlasst bestimmte Muskeln dazu, sich zu kontrahieren. Auf höheren Ebenen aktivieren mehr Rezeptoren mehr Muskeln in einem komplexeren Aktivierungsmuster.

In diesem Kapitel möchte ich Ihnen die verschiedenen Reflexarten erklären. Von der niedrigsten Stufe (Open-loop-Systeme) bis zu den höchsten Ebenen (Reflexe, die unsere Fortbewegung ermöglichen). Außerdem beschäftigen wir uns damit, warum das Kleinhirn so ein wichtiger Bestandteil des motorischen Systems ist.

Der Fluchtreflex

Fluchtreflexe sollen den Körper oder einzelne Organe vor Schädigungen schützen. Ein klassischer Fluchtreflex wird ausgelöst, wenn Sie mit den Fingern eine heiße Oberfläche berühren und Ihr Arm daraufhin zurückschnellt. Dieser Reflex läuft ausschließlich über das Rückenmark und wird ausgeführt, bevor Sie sich dessen bewusst werden. Wenn ein Fluchtreflex einmal ausgelöst ist, können Sie ihn nicht mehr aufhalten oder die Bewegung kontrollieren. Sie fassen eine heiße Pfanne auf dem Ofen an, ziehen reflexartig den Arm zurück. Dabei reißen Sie die Salatschüssel um, die in der Nähe auf der Arbeitsfläche steht, da die gesamte Armbewegung als eine Einheit durchgeführt wird, ohne dass es möglich wäre, die Bewegung im Verlauf zu korrigieren (wie den Arm zu stoppen, wenn der Ellenbogen Kontakt zur Salatschüssel hat).

Die Position halten

Reflexe sind notwendig, um eine Art dynamisches Gleichgewicht zu halten, zum Beispiel müssen Sie die Muskelkraft anpassen, um eine Extremität in einer bestimmten Position zu halten. Da Muskeln nur dann Kräfte ausüben, wenn sie angespannt werden, ist die Bewegung der Extremitäten auf zwei gegensätzliche Muskelpaare, die Beuger und Strecker, angewiesen.

Gegensätzliche Kräfte: Beuger-Strecker-Muskelpaare

Ein typisches Beispiel eines Beuger-Strecker-Paares, das den Unterarm am Ellenbogen bewegt, ist das Zusammenspiel von Bizeps und Trizeps (siehe Abbildung 9.1).

Stellen Sie sich vor, Sie beugen Ihren Arm so, dass Ober- und Unterarm etwa rechtwinklig zueinander stehen. Wenn sich Ihr Arm in dieser Position befindet und Sie ihn nicht bewegen, ist der Ellenbogenwinkel das Ergebnis der Kraftdifferenz zwischen Bizeps und Trizeps. Ist der Arm immer noch in dieser Position, aber in Bewegung, kommen durch die Beschleunigung noch weitere Kräfte hinzu.

Abbildung 9.1: Der Gelenk-Positions-Reflex

Da Sie Ihrem Ellenbogen »befehlen« können, in jedem beliebigen Winkel zu stehen, fragen Sie sich sicherlich, wieso es ein Reflex ist, den Arm in einer bestimmten Position zu halten. Hier ist die Antwort: Normalerweise geben Sie den Extremitäten keine Befehle, wie sie ihre Position beibehalten (es sei denn, Sie tanzen Ballett und haben gelernt, in bestimmten Positionen zu stehen). Stattdessen kommen die Positionsbefehle vom primär-motorischen Kortex, dessen Axone das entsprechende Rückenmarksegment erreichen. Dort geben sie ihre Informationen an die Alpha-Motoneuronen weiter, die mit der Muskulatur in Kontakt stehen. Über diesen Weg erreichen die Signale des primär-motorischen Kortex die Muskeln. Die Rückmeldung der Propriozeptoren über die aktuelle Gelenkstellung moduliert die Signale der Alpha-Motoneuronen, um das Gelenk in der gewünschten Position zu halten.

Modulierende Reflexe: Bewegung und Gleichgewicht

Eine andere Art von Reflexen ist dynamisch. Dynamische Reflexe sind die, die systematisch die Position der Extremitäten anpassen, um eine geordnete und ausgeglichene Bewegung zu ermöglichen. Dazu gehört, dass ununterbrochen Signale an Beuger-Strecker-Paare in allen vier Extremitäten gesendet werden, um die Stellung der Extremitäten ständig neu anzupassen.

Stellen Sie sich die Reflexe als eine Hierarchie vor. Auf der untersten Stufe befindet sich der Fluchtreflex, bei dem ein Schmerzrezeptor eine Reaktion auslöst, bei der sich die betroffene Extremität ruckartig von der Schmerzquelle entfernt. Auf der nächsten Ebene befinden sich Reflexe, die ein sensorisches Feedback benötigen. Die Hirnrinde schickt die Signale für die Position zum Rückenmark. Dort werden die Signale an die Alpha-Motoneuronen weitergegeben, die wiederum Muskelpaare aktivieren, um die Extremitäten in einer Position zu halten, die von der Hirnrinde vorgegeben wurde.

Auf der nächsthöheren Ebene liegt der Haltungsreflex. Um ruhig aufrecht zu stehen, müssen Sie nicht nur Ihre Beine gestreckt halten und genug Kraft aufbringen, um die Schwerkraft auszugleichen, sondern Sie müssen auch dafür sorgen, dass Sie nicht zur Seite, nach vorne oder nach hinten fallen. Verglichen mit anderen Wirbeltieren ist diese Aufgabe bei uns Menschen komplizierter, da wir auf zwei statt auf vier Beinen laufen. Im nächsten Abschnitt möchte ich auf den Haltungsreflex etwas genauer eingehen und erläutern, wie ein höheres Kontrollzentrum diesen Reflex für die Bewegung nutzt.

Das Gleichgewicht halten: Der vestibulospinale Reflex

Stellen Sie sich vor, Sie stehen ganz ruhig da. Ihre motorische Hirnrinde sendet Signale, um diese aufrechte Körperposition zu halten. Doch tatsächlich pendeln Sie leicht um diese Position herum, weil der ein oder andere Muskel ermüdet, oder Sie lehnen sich leicht in die eine oder andere Richtung, wenn sich Ihre Blickrichtung ändert. Sie müssen nicht nur bestimmte Gelenke in einer bestimmten Position halten, Sie müssen Ihr Gleichgewicht auch zur Seite, nach vorne und nach hinten halten. Die Rückmeldungen über Ihr Gleichgewicht kommen sowohl vom visuellen System, das Schwanken oder Schaukeln wahrnehmen kann, als auch vom Gleichgewichtssystem.

Das Gleichgewichtsorgan besteht aus drei halbkreisförmigen Kanälen, die sich im Innenohr in der Nähe der Hörschnecke befinden. Die drei Kanäle sind mit einer Flüssigkeit gefüllt und kleine Haarzellen nehmen die Flüssigkeitsbewegungen wahr. So können Drehungen um die Längsachse, um die Horizontalachse von vorne nach hinten und um die Horizontalachse von Ohr zu Ohr wahrgenommen werden.

Die Signale des Gleichgewichtsorgans steuern einen Gleichgewichtsreflex, der vestibulospinaler Reflex genannt wird. An ihm ist nicht nur die Hirnrinde, sondern auch das Kleinhirn beteiligt. Signale des Gleichgewichtsorgans werden auch mit Signalen der Netzhautganglien und der Hirnrinde kombiniert. So können das Gleichgewichtsorgan und das visuelle System zusammenarbeiten, damit Sie sich im Raum orientieren und bewegen und Ihr Gleichgewicht halten können.

Das Gleichgewichtssystem hat Einfluss auf alle Skelettmuskeln Ihres Körpers. Wenn Sie beispielsweise nach rechts fallen, werden Sie zusätzlich zur Aktivierung der Streckmuskeln im rechten Bein Ihren rechten Arm hochreißen, um ein Gegengewicht zu schaffen und Ihr Gleichgewicht wiederherzustellen. Tiere können sogar ihre Schwänze einsetzen, um bei einem Sprung das Gleichgewicht zu halten.

Am Gleichgewichtssinn sind viele Strukturen des Nervensystems beteiligt – das Rückenmark, das Gleichgewichtsorgan, das visuelle System und das Kleinhirn. Das »simple« Kommando der Hirnrinde »stillstehen« setzt ein komplexes, vielschichtiges System voraus, das in schnellen lokalen Schaltkreisen reagiert.

Sich fortbewegen

Natürlich möchten Sie nicht nur stillstehen. Um sich zu bewegen, ist eine weitere Ebene in der Hierarchie notwendig, die einen Bewegungsablauf erzeugen kann. Der Gang ist eine Wiederholung von Arm-Bein-Bewegungen, mit denen wir uns fortbewegen. Gehen, Rennen, Hüpfen, Springen sind alles unterschiedliche Gangarten.

Die Grundlagen der Fortbewegung

Eine Abfolge von Reflexen, die von der untersten bis zur obersten Ebene reicht, ermöglicht uns unsere Fortbewegung:

Reflexe der Propriozeptoren (siehe Kapitel 8), die Ihnen Information über die Stellung Ihres Körpers im Raum liefern, erzeugen in Ihren Beinmuskeln genug Kraft, um Ihr Körpergewicht zu halten und aufrecht zu stehen.

Wenn Sie sich nach vorne lehnen und beginnen, zu fallen (das tun Sie, wenn Sie einen Schritt machen wollen), bewegt ein anderer Reflex das Bein, das das geringere Gewicht trägt, nach vorne, um den Fall abzufangen. Das ist ein Schritt.

Schaltkreise im Rückenmark koordinieren Ihre Arm- und Beinbewegungen, sodass Arme und Beine sich miteinander abwechseln. Sie sorgen dafür, dass sich der rechte Arm zusammen mit dem linken Bein und der linke Arm mit dem rechten Bein bewegt.

Auf einer höheren Ebene können Sie sich in verschiedenen Gangarten bewegen und sind in der Lage, einen unebenen oder rutschigen Untergrund auszugleichen. Sie können auch neue Schrittfolgen, wie zum Beispiel Foxtrott oder Salsa, lernen und mit etwas Übung werden Sie dann vielleicht noch Profitänzer.

Die Koordination zwischen Rückenmark, motorischer Hirnrinde und Kleinhirn ist für die Feinabstimmung von Bewegungen entscheidend.

Fehler korrigieren: Das Kleinhirn

»Übung macht den Meister.« Wer kennt diesen Satz nicht? Die Frage lautet: Wie können wir uns durch ständige Wiederholung verbessern? Dazu gehören vor allem zwei Schritte:

Schritt 1: Fehler erkennen

Schritt 2: Einen Teil der Bewegungsabfolge (wie beispielsweise das Timing) verändern

Die Verbesserung der Bewegungskoordination wird auch motorisches Lernen genannt. Dabei spielt das Kleinhirn eine wesentliche Rolle.

Das Kleinhirn ist entwicklungsgeschichtlich alt. Sogar Fische und Amphibien besitzen es bereits. Es hat eine komplexe Struktur und genauso viele Nervenzellen wie das übrige zentrale Nervensystem (etwa 100 Milliarden Neuronen). Auch wenn man bis heute noch nicht genau weiß, wie die Schaltkreise im Kleinhirn die Korrektur von Bewegungsfehlern steuern, ist doch sicher, dass das Kleinhirn das Zentrum des motorischen Lernens und der Koordination darstellt. Schädigungen des Kleinhirns führen zu einem verminderten Muskeltonus, unbeholfenen und abnormalen Bewegungen und zum Verlust des Gleichgewichtes.

Das Kleinhirnsystem

Das Kleinhirn ist eine Art Computer, der die tatsächliche mit der für eine bestimmte Bewegung benötigten Bewegungsabfolge vergleicht. Verschiedene Bereiche des Kleinhirns erhalten somatosensorische Informationen aus allen Teilen des Körpers, vom Gleichgewichtsorgan und vom visuellen und auditiven System. Äußere Informationen gehen fast ausschließlich an die Kleinhirnrinde. Sie projiziert diese Informationen dann auf tiefer liegende Kleinhirnkerne, deren Projektion in drei Hauptbereiche unterteilt ist: das Neocerebellum, das Spinocerebellum und das Vestibulocerebellum (siehe Abbildung 9.2).

Abbildung 9.2: Anatomie und Funktion der Kleinhirnteile

Die anatomische Trennung zwischen Neocerebellum und Spinocerebellum unterstützt die Annahme, dass es bei der Bewegungskontrolle eine Hierarchie gibt. Das Neocerebellum (der entwicklungsgeschichtlich jüngste Teil) steht mit Bereichen des primär-motorischen Kortex, die für die Planung und Organisation zuständig sind, in Verbindung. Das ältere Spinocerebellum beeinflusst dagegen den primär-motorischen Kortex und Bereiche des Rückenmarks, die für die Bewegungskorrektur auf einer niedrigeren Ebene verantwortlich sind.

Die Körperhaltung während der Bewegung vorausberechnen

Das Kleinhirn muss über neuronale »Modelle« verfügen, die ihm sagen, wie die Muskeln die Extremitäten bewegen. Das Kleinhirn führt Berechnungen durch, mit denen es vorhersagt, wo sich die Extremitäten und andere Körperteile während des Bewegungsablaufes befinden. Wenn Sie beispielsweise rennen und dabei über eine Wurzel stolpern, wird eine Fehlermeldung an das Kleinhirn geschickt, die anzeigt, dass das Bein nicht in der Position ist, in der es hätte sein sollen. Daraufhin werden verschiedene kompensatorische Mechanismen ausgelöst, damit Sie Ihr Gleichgewicht halten und Ihren Lauf fortsetzen können.

Das Kleinhirn kann Bewegungsabläufe vorausberechnen. Das ist der Schlüssel dazu, bestimmte Bewegungsabläufe durch genügend Übung und Training zu perfektionieren. Stellen Sie sich einen Basketballspieler vor, der aus einer Entfernung von sechs Metern einen Basketball durch einen Reifen werfen kann, der nur unwesentlich größer ist als der Ball selbst. Regelmäßiges Training führt dazu, dass das Kleinhirn des Spielers die benötigte Muskelkraft genau berechnen kann. Bei jedem einzelnen Wurf wird der Abstand zum Korb durch das visuelle System gemessen und in das Kleinhirn-Modell überführt. Das wiederum moduliert die Signale des motorischen Kortex so, dass der Spieler den Korb trifft. Manche von uns sind darin geschickter als andere. Es stellt sich die Frage, ob das an einem besseren Training oder an einem besseren Kleinhirn liegt? Neugierige Wissenschaftler möchten das wirklich gerne wissen.

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Handlungen planen und ausführen

In diesem Kapitel ...

Die Komplexität von zielgerichteten Handlungen verstehen

Hirnareale, die bei der Bewegungsplanung eine Rolle spielen, betrachten

Theorien von Spiegelneuronen und von Economo-Neuronen unter die Lupe nehmen

Bewegungsstörungen, die von den Basalganglien ausgehen, untersuchen

Reflexe, die bei Mensch und Tier gleichermaßen vorkommen, sind mittlerweile recht gut erforscht, da man sie an Tieren gut studieren konnte. Doch die menschliche Gesellschaft basiert nicht ausschließlich auf Reflexen. Sie beruht auf der Fähigkeit des Menschen, sich auf der Basis von Denken und Vernunft für eine Handlungsoption zu entscheiden. Wo ist die Stelle im Gehirn, die diesen »freien Willen«, durch den wir uns von den Tieren unterscheiden, unterstützt?

Gehen Sie davon aus, dass unser Verhalten durch ein hierarchisch aufgebautes System gesteuert wird. Betrachten Sie jede Ebene dieses Systems als einen Regulator, der den Sollwert eines Merkmals, beispielsweise der Körperhaltung, aufrechterhält. Die Ebene des Systems, die diesen Sollwert steuert, besitzt eine gewisse Entscheidungsfreiheit. Das gilt nicht für die unteren Ebenen.

Es stellen sich folgende Fragen: Was ist auf der obersten Ebene und gibt es dort wirklich eine Wahlmöglichkeit? Besitzen Menschen eine einzigartige neuronale Ebene, über die Tiere nicht verfügen? Hat sich unser Bewusstsein nur aufgrund unseres großen Gehirns entwickelt? Oder ist das Bewusstsein gar nicht real, sondern eine Illusion, die mit einer komplexen Gehirnaktivität einhergeht – dem, was Philosophen als Epiphänomen bezeichnen?

Vom Reflex zur bewussten oder zielgerichteten Handlung

Wie ich in Kapitel 8 bereits erklärt habe, werden verschiedene Bewegungsarten von unterschiedlichen neuronalen Schaltkreisen gesteuert.

Sogar relativ komplexe Bewegungen wie das Gehen erfordern Reflexe, bei denen die Muskeln vom Rückenmark gesteuert werden. Sie beschließen vielleicht, in die Küche zu gehen, um sich eine Tasse Kaffee zu holen. Aber haben Sie darüber hinaus über jeden Schritt, den Sie nun machen müssen, nachgedacht? Bei dieser reflexartigen Bewegung wird ein motorisches Programm abgespult, bei dem die aktuelle Stellung des Körpers die nächste notwendige Stellung abruft.

Doch nicht alle Bewegungen sind reflexartig. Das Gehirn kann die Muskulatur direkt über das Rückenmark steuern, indem es Signale vom primär-motorischen Kortex (siehe Abbildung 10.1) sendet. Die Neuronen des primär-motorischen Kortex verlaufen nach unten zum Rückenmark, wo sie über eine Synapse mit denselben Motoneuronen verbunden sind, die die Reflexe steuern, über die ich in Kapitel 8 berichtet habe. Theoretisch erlaubt diese direkte Kontrolle eine größere Flexibilität und Anpassungsfähigkeit. Wenn wir das Gehirn einschalten, ist das so, als würden wir den Autopiloten ausschalten. Doch nachdem wir das getan haben, sollten wir genau wissen, wie man das Flugzeug fliegen muss. Wo ist dieses Wissen gespeichert und wie ist es dort hingekommen?

Abbildung 10.1: Die motorischen Hirnareale des Präfrontalkortex

Die Aufgabe des Frontallappens

Der primär-motorische Kortex ist die oberste motorische Schaltzentrale der Hirnrinde. Die Nervenzellen des primär-motorischen Kortex senden ihre Axone zum Rückenmark und innervieren die Alpha-Motoneuronen. Diese steuern die Muskulatur des Rumpfes und der Extremitäten. (Die Kopf- und Halsmuskulatur wird von primär-motorischen Nervenfasern versorgt, die über verschiedene Hirnnerven das Gehirn verlassen.)

Signale vom primär-motorischen Kortex zur Muskulatur

Wissenschaftler fanden in Experimenten heraus, dass die elektrische Stimulation bestimmter Bereiche im primär-motorischen Kortex zur Kontraktion bestimmter Muskeln führte. Diese Bereiche waren wie eine Art Landkarte aufgebaut, die auch motorischer Homunculus genannt wird. (Dieser ist dem sensorischen Homunculus im primären sensorischen Kortex sehr ähnlich. In Kapitel 4 erfahren Sie mehr darüber.)

Die motorischen und somatosensorischen Landkarten auf unserer Hirnrinde ähneln einander. Dort, wo es im Körper eine dichte Innervierung der Muskulatur gibt, wie in den Fingerspitzen oder Lippen, findet man normalerweise auch eine hohe Sensibilität, deren Rückmeldung für das Lernen und die Funktionskontrolle wichtig ist.

Das motorische Kontrollsystem der Hirnrinde ermöglicht beim Bewegungsverhalten eine gewisse Flexibilität und Anpassungsfähigkeit, die nur durch eine Steuerung auf der Ebene des Rückenmarks nicht möglich wäre. Innerhalb des Frontallappens gibt es mehrere Kontrollebenen. Ganz oben in der Hierarchie steht dabei der vorderste Teil des Frontallappens. Sie verläuft weiter zum primär-motorischen Kortex am hinteren Ende des Frontallappens, der am unteren Ende dieser Hierarchie steht und die Signale formt, die vom Frontallappen ausgehen.

Bewegungsziele festlegen

Irgendetwas muss den Neuronen des primär-motorischen Kortex sagen, wann und in welcher Form sie ihre Signale abfeuern sollen. Dazu müssen Sie entscheiden, wohin Sie gehen und wie Sie dorthin kommen wollen. Und zu guter Letzt muss der Plan dann ausgeführt werden.

Nehmen wir an, Sie sind auf einer Party und möchten eine Person am anderen Ende des Raumes fragen, ob sie sich mit Ihnen auf der Terrasse treffen möchte. Dieses Ziel ist noch abstrakt. Sie können es auf unterschiedlichste Weise erreichen. Sie können Ihre Frage quer durch den Raum brüllen. Sie können zu dieser Person gehen und Ihre Frage in normaler Lautstärke stellen. Sie können eine SMS schicken. Sie können Handzeichen geben, um Ihre Frage zu erklären.

Die meisten Möglichkeiten wären unpassend: Sie können keine lange SMS schreiben oder wirr gestikulieren. Sie möchten die Person vermutlich auch nicht anschreien. Sie müssen nun einen Weg auswählen, um Ihr Ziel zu erreichen. Jede Möglichkeit wird verschiedene Muskeln in einer unterschiedlichen Reihenfolge beanspruchen. Nachdem Sie sich für eine Variante entschieden haben – sagen wir, Sie gehen zu dieser Person hinüber –, müssen Sie die Reihenfolge der Muskelbewegungen programmieren, um Ihren Plan zu vollenden.

Doch was geschieht, wenn die Person sich wegbewegt hat, während Sie sich Ihren Weg durch die Menge bahnen? Sie müssen Ihren Plan ändern, das Programm anpassen oder auf ein ganz neues Programm umschalten. Deshalb ist es sehr nützlich, ein Gehirn und vor allem einen großen Frontallappen zu besitzen.

Planen, Korrigieren, Lernen: Der Präfrontalkortex und subkortikale Areale

Komplexe Organismen wie Sie haben Ziele, die aus einzelnen Teilzielen aufgebaut sind. Nehmen wir an, Sie mögen Beethoven und würden gerne eine neue Aufnahme von Beethovens 9. Symphonie, die Sie kürzlich gehört haben, besitzen. Dieses Ziel können Sie erreichen, indem Sie in ein Musikgeschäft gehen und die CD kaufen. Dazu müssen Sie natürlich auch wissen, wo ein Musikgeschäft ist, das möglicherweise diese CD führt. Zum Geschäft können Sie mit dem Auto oder mit dem Bus fahren. Wenn Sie im Geschäft sind, müssen Sie Geld haben, um zu bezahlen. Danach müssen Sie wieder irgendwie nach Hause kommen. Kein normaler Mensch würde Probleme dabei haben, solch einen Plan auszuführen. Doch kein Tier könnte solch einen Plan in die Tat umsetzen.

Komplexe, flexible Ziel-Hierarchien sind im Präfrontalkortex beheimatet. Ein großer Präfrontalkortex erlaubt vielschichtige Pläne und eine hohe Komplexität auf jeder Planstufe. Komplexe Pläne setzen ein Langzeitgedächtnis voraus, das untere Planstufen abrufen kann, beispielsweise wie man ein Musikgeschäft findet, wie man Auto fährt und wie man bezahlt. Sie brauchen allerdings auch ein Kurzzeitgedächtnis, um die notwendigen Planstufen so in den Gesamtplan einzuordnen, dass Sie Ihr oberstes Ziel erreichen.

Das Arbeitsgedächtnis

Viele stellen sich unser Gedächtnis als eine Art Datenspeicher vor. Das Arbeitsgedächtnis ist allerdings anders. Es ist mehr die kurzzeitige Aufrechterhaltung eines dynamischen Musters von Nervensignalen. Jedes Ziel besteht aus einer Reihe neuronaler Repräsentationen, die über das Gehirn verteilt sind (Beethoven, Musik, Nummer 9, Aufnahme, CD-Player und so weiter). Das Arbeitsgedächtnis ist ein temporärer Schaltkreis im Präfrontalkortex, in dem alle Pläne, die damit zu tun haben, in einem immer wiederkehrenden Kreislauf aktiviert werden.

Stellen Sie sich vor, das Arbeitsgedächtnis sei ein Jongleur. Solange die Bälle (die einzelnen Gedächtnisgegenstände) in der Luft sind und erfolgreich von Hand zu Hand gehen, läuft die Show weiter. Doch hört er auf zu jonglieren und die Bälle fallen auf den Boden (mit allen anderen Begriffen im Gehirn), ist die Vorstellung vorbei.

Das Arbeitsgedächtnis kann bis zu sieben Informationseinheiten fassen. Der Mensch hat mit anderen Worten sieben Jongleure zur Verfügung. Während der erste Jongleur die Informationseinheit Beethovens 9. jongliert, wirft er gelegentlich einen Ball, sagen wir den »Die-CD-kaufen«-Ball, zu einem zweiten Jongleur. Dieser entwirft die Informationseinheit des nächstgelegenen Musikgeschäftes und jongliert mit diesen Bällen. Wenn sich diese beiden »Jongleure« etabliert haben, können sie Bälle mit einem dritten Jongleur austauschen, der die Nachricht erhält »Fahre zum CD-Laden in der Einsteinstraße«.

Handlungen in Gang setzen: Die Basalganglien

Der Präfrontalkortex steht auch mit anderen subkortikalen Strukturen, den Basalganglien, in Verbindung. Dieses Zusammenspiel ist äußerst wichtig, um Handlungen, die auf ein bestimmtes Ziel gerichtet sind, einzuleiten.

Die Wechselwirkung zwischen den Basalganglien und dem Präfrontallappen umfasst zwei verschiedene Aspekte, um ein Ziel zu verfolgen: Auswählen und Umschalten.

Auswählen: Wie die Basalganglien als Schaltkreis funktionieren, gehört noch zu den am wenigsten verstandenen Gebieten der Neurowissenschaft, obwohl das für Erkrankungen wie Morbus Parkinson und Chorea Huntington von besonderer Bedeutung wäre. (Diese Erkrankungen werden etwas später im Abschnitt »Wenn es nicht mehr rund läuft: Motorische Störungen« noch genauer erklärt.) Unter den verschiedenen konkurrierenden Zielen des Kortex und den gleichzeitig aktivierten subkortikalen Zielen herrscht das Gesetz »der Sieger bekommt alles«. Sie möchten zwar die Beethoven-CD, aber Sie sind vielleicht zu müde oder zu hungrig, um sich am Abend auf den Weg zu machen. Auf jeder Zielebene bewirkt die Wechselwirkung zwischen dem Präfrontalkortex und den Basalganglien, dass ein Ziel ausgewählt und die anderen gehemmt werden.

Umschalten: Wenn Sie gerade auf dem Weg zum Musikladen sind und dabei auf ein Rudel wilder Hunde treffen, werden sich Ihre Ziele vermutlich schlagartig ändern. Die Änderung Ihres Hauptzieles zieht auch eine Veränderung aller untergeordneten Ziele nach sich. Und im Notfall muss das vegetative Nervensystem die Kampf-oder-Flucht-Reaktion aktivieren. Die Basalganglien kontrollieren auch diese Art der Zieländerung.

Die Basalganglien sind eine Kerngruppe, die in einem großen System kortikaler und subkortikaler Strukturen, die Bewegungen steuern, eingebunden ist (siehe Abbildung 10.2). Signale aus vielen Bereichen der Hirnrinde und des Thalamus erreichen die Basalganglien über ihre Eingangsstation, den Nucleus caudatus (geschweifter Kern) und das Putamen (Schalenkörper). Beide zusammen bilden das Striatum. Das Striatum projiziert Informationen auf drei miteinander vernetzte Kerne im Inneren der Basalganglien, dem Pallidum (bleiche Kugel), Nucleus subthalamicus und der Substantia nigra (schwarze Substanz). Die Signale dieser drei Kerne, insbesondere des Pallidum, hemmen über den Thalamus motorische Bereiche.

Abbildung 10.2: Die Basalganglien und angrenzende Gehirnstrukturen

Unsere scheinbare Multitasking-Fähigkeit ist in Wirklichkeit eine zyklische Zeitaufteilung. Ein Beispiel: Sie fahren Auto und unterhalten sich dabei. Sie hören und reden für ein paar Sekunden, dann richten Sie Ihre Aufmerksamkeit wieder auf die Straße, dann konzentrieren Sie sich wieder auf das Gespräch. Sie können das tun, indem Sie automatisch in einer Folge von kurzen Zeitintervallen von einer Aufgabe zur anderen umschalten. Oder Sie lassen eine Aufgabe dominieren und unterbrechen sie immer wieder für kurze Momente. Die Basalganglien gehören zu den wichtigsten Kontrollstellen solcher Aktivitäten.

Supplementär- und prämotorische Areale

Zwischen dem primär-motorischen Kortex und dem Präfrontalkortex befinden sich zwei Hirnrindenareale, die den Bewegungsablauf steuern. Dabei handelt es sich um das supplementär-motorische und das prämotorische Areal. In Abbildung 10.1 können Sie sehen, wo sich diese Bereiche in Gehirn befinden.

Der prämotorische Kortex: Lernen, es richtig zu machen

Die Aufgabe des prämotorischen Kortex besteht darin, Bewegungsabläufe bewusst zu kontrollieren. Dabei nutzt er die sensorischen Rückmeldungen des Körpers. Nachdem die Basalganglien und der Präfrontalkortex das Ziel ausgewählt haben, koordiniert der prämotorische Kortex die Schritte, um das Ziel zu erreichen. Und wenn es mal nicht weitergeht, sagt er Ihnen, was Sie tun müssen.

Erinnern Sie sich daran, wie es war, als Sie schreiben gelernt haben? Jeder Buchstabe war schwierig und Sie mussten sich sehr anstrengen. Außerdem haben Sie sicherlich immer wieder überlegt, an welcher Stelle des Wortes Sie gerade sind, welcher Buchstabe als Nächstes kommt und wie viel Platz Sie zwischen den einzelnen Buchstaben lassen sollen. Diese Beobachtungen benötigten viele sensorische Rückmeldungen von Ihrem visuellen System, der Hand und den Fingern. Das Schreiben verlangte große Aufmerksamkeit – all das fand in der prämotorischen Hirnrinde statt.

Der supplementär-motorische Kortex: Einfach davonsausen

Sehen Sie Ihre Unterschrift an und vergleichen Sie sie mit Ihrer Schrift von damals. Heute können Sie in einer schnellen und flüssigen Bewegung unterschreiben. Würden Sie über die einzelnen Buchstaben nachdenken, kämen Sie wahrscheinlich ins Stocken oder würden sich verschreiben. Durch jahrelange Übung hat sich der Bewegungsablauf für Ihre Unterschrift automatisiert. Diese feste Bewegungsabfolge wird größtenteils im supplementär-motorischen Areal gespeichert.

Das Kleinhirn: Bewegungen lernen und koordinieren

Noch eine andere subkortikale Struktur verdient etwas Aufmerksamkeit: das Kleinhirn. Es erhält sowohl sensorische Signale der peripheren Rezeptoren, als auch Signale des Präfrontalkortex und anderer Bereiche der Hirnrinde. Informationen projiziert es auf den primär-motorischen Kortex.

Das Kleinhirn gehört zu den höchsten Steuerzentren für die Koordination und das Erlernen von Bewegungsabläufen. Anfangs fällt Ihnen beispielsweise Fahrradfahren noch schwer. Sie machen viele Fehler und brauchen auch viel Zeit für alles. Das Kleinhirn analysiert nun die Fehler und vergleicht sie mit den Zielen, die Sie sich gesetzt haben. So gibt es Ihnen die Möglichkeit, sich durch immer mehr Übung zu verbessern. Auch die Auge-Hand-Koordination findet im Kleinhirn statt. So können Sie einen fliegenden Tennisball mit dem Schläger treffen und zurückspielen.

Auch wenn das Kleinhirn äußerlich als Einheit erscheint, besteht es aus drei unterschiedlichen Bereichen, die mit verschiedenen Hirnarealen verknüpft sind:

Das Vestibulocerebellum am Boden des Kleinhirns erhält Informationen vom Gleichgewichtsorgan und vom visuellen System. Es hat die Aufgabe, die Fehlerkorrektur und das motorische Lernen für das Gleichgewicht zu steuern.

Das im Inneren liegende Spinocerebellum hat die gleichen Funktionen für die Fortbewegung und koordinierte Bewegung des Rumpfes.

Das seitliche Neocerebellum steht mit dem Präfrontalkortex und anderen Rindenarealen in Verbindung und hat Anteil am Lernen komplexer Bewegungsabläufe.

Und nun alles zusammen

Wenn Sie eine Person in einen Magnetresonanztomographen legen und sie bitten, einige Fingerübungen auszuführen, die sie vorher nicht üben konnte, werden Sie in den Aufnahmen eine Aktivierung verschiedener präfrontaler Bereiche, dem prämotorischen Kortex und dem primär-motorischen Kortex erkennen können. Bitten Sie die Versuchsperson dann, die Finger so zu bewegen, wie sie es bereits geübt hat, sehen Sie, dass jetzt eher das supplementär-motorische Areal aktiviert wird.

In Abbildung 10.3 sehen Sie ein Diagramm, in dem das motorische Kontrollsystem des Gehirns dargestellt wird. Die Basalganglien, das Spinocerebellum und der primär-motorische Kortex stehen in der Hierarchie eine Ebene über dem Rückenmark. Das supplemetär-motorische Areal und der prämotorische Kortex bilden die nächste hierarchische Ebene. Und letztendlich bilden der Präfrontalkortex und das seitlich gelegene Neocerebellum eine weitere Kontrollebene. Bedenken Sie aber, dass der Präfrontalkortex ein sehr großes Areal mit vielen Unterbereichen ist. Die Wirklichkeit ist also viel komplizierter als diese einfache Darstellung.

Abbildung 10.3: Das motorische Kontrollsystem des Gehirns

Neue (und mysteriöse) Neuronen entdecken

Es wurden Neuronen entdeckt, die scheinbar nur bei Lebewesen mit großen Gehirnen, wie dem Menschen, Menschenaffen und in manchen Fällen auch bei Walen, anzutreffen sind. In den folgenden Abschnitten möchte ich Ihnen diese mysteriösen Nervenzellarten vorstellen: die Spiegelneuronen und die Von-Economo-Neuronen.

Die Spiegelneuronen

Zu den interessantesten Entdeckungen der letzten beiden Jahrzehnte gehört die Entdeckung der Spiegelneuronen. Das sind visuelle Neuronen, die nicht nur dann Signale senden, wenn ein Affe eine Aufgabe ausführt, die ein visuelles Feedback benötigt, sondern auch, wenn dieser Affe einen Menschen (oder vermutlich einen anderen Affen) bei der gleichen Aufgabe beobachtet.

Wissenschaftler haben bei Affen Spiegelneuronen sowohl im supplementär-motorischen Kortex, im prämotorischen Kortex als auch im vorderen Teil des Parietallappens entdeckt. Diese Neuronen sind aktiv, wenn die Affen eine Aufgabe ausführen, die ein visuelles Feedback erfordert. Die Wissenschaftler überraschte, dass diese Neuronen nicht nur dann aktiviert wurden, wenn die Affen die Aufgabe, die sie eingeübt hatten, ausführten, sondern auch dann, wenn die Affen den Wissenschaftlern in der Trainingsstunde bei dieser Aufgabe zusahen (eine Entdeckung, die zufällig gemacht wurde).

Das Verhalten der Spiegelneuronen wurde in vielen Untersuchungen bestätigt. Mittlerweile weiß man, dass sie auch bei akustischem Feedback anspringen (Spiegelneuronen reagieren auf Geräusche bestimmter Aufgaben, wie dem Bedienen einer schleifenden Kurbel). Bildgebende Verfahren haben auch beim Menschen in den gleichen Hirnarealen wie beim Affen solche Zellaktivitätsmuster nachgewiesen.

Die Aufgabe der Spiegelneuronen ist noch unklar. Dazu gibt es folgende Hypothesen:

Sie helfen dabei, durch Nachahmung zu lernen.

Sie können Teil eines neuronalen Schaltkreises sein, mit dessen Hilfe der Affe (oder der Mensch) die Handlungsabsichten eines anderen verstehen kann. Diese Hypothese steht im Zusammenhang mit der Annahme, dass Menschen (und möglicherweise auch höhere Primaten) befähigt werden, absichtsvolle Handlungen anderer zu verstehen.

Dieser Gedanke hat zu Spekulationen geführt, dass ein Defizit im Spiegelneuronen-System mit der autistischen Neigung zu fehlender Empathie in Verbindung stehen kann. Dieser Gedanke ist allerdings reine Spekulation und bisher nicht nachgewiesen. Dennoch wurden Versuche unternommen, autistische Personen zu behandeln, indem man bei ihnen Hirnareale stimulierte, in denen sich die Spiegelneuronen befinden. Dazu hat man Techniken wie die transkranielle Magnetstimulation (TMS) eingesetzt.

Das Spiegelneuronen-System spielt möglicherweise eine Rolle beim Lernen von Sprache. Dabei imitieren Kleinkinder über Jahre die Sprache, die sie um sich herum hören. Einige Wissenschaftler nehmen an, dass die Spiegelneuronen die Entstehung der menschlichen Sprache ermöglicht haben.

Da die Spiegelneuronen in verschiedenen Hirnarealen vorkommen und deshalb niemals durch eine einzelne Schädigung zerstört werden können, ist es schwierig, diese Hypothesen zu bestätigen oder zu widerlegen. (Wenn sie nur in einem Bereich des Gehirns lokalisiert wären, könnten die Wissenschaftler viel einfacher untersuchen, ob sich eine Schädigung dieses Areals negativ auf eine dieser Fähigkeiten auswirken würde.)

Von-Economo-Neuronen

Diese Neuronen, die nach dem rumänischen Neurologen Constantin von Economo (1876–1931) benannt wurden, werden auch Spindelzellen genannt. Dabei handelt es sich um sehr große spindelförmige Zellen, die einen ungewöhnlich kleinen Dendritenbaum (also wenige Verzweigungen), aber viele axonale Verbindungen besitzen, die über das gesamte Gehirn verteilt sind. Und das ist besonders interessant:

Diese Neuronen sind nur beim Menschen oder großen Menschenaffen (Schimpansen, Gorillas und Orang-Utans), einigen Walen, Delfinen und Elefanten zu finden. Der Mensch verfügt allerdings über die meisten Spindelzellen im Vergleich zu den genannten Spezies.

Die Spindelzellen findet man nur in zwei Gehirnregionen: im vorderen cingulären Kortex und im frontoinsulären und dorsolateralen Präfrontalkortex, die alle zu den Kontrollarealen gehören.

Es gab viele Spekulationen, ob die Spindelzellen einfach nur übergroße Pyramidenzellen sind, die ein Gehirn dieser Größe erfordert, oder ob sie eine eigene Funktion besitzen. Die Funktion der Von-Economo-Neuronen ist bisher noch nicht bekannt. Es gibt Vermutungen, dass diese Neuronen bei Alzheimer und anderen Demenzerkrankungen besonders beeinträchtigt sind. Doch das kann auch eher eine Folge als die Krankheitsursache sein.

Wenn die Spindelzellen die Basis unseres Ichbewusstseins wären, käme das einer Revolution der Neurowissenschaften gleich. Es könnte auch unseren Blick auf andere Spezies, bei denen diese Neuronen ebenfalls gefunden wurden, verändern. Doch die Beweise dafür stehen noch aus.

Wenn es nicht mehr rund läuft: Motorische Störungen

Verletzungen oder Krankheiten, die die motorischen Leitungsbahnen schädigen, können unsere Beweglichkeit einschränken.

Verletzungen von Rückenmark und Gehirn

Die häufigste Ursache für Lähmungen ist zweifellos eine Rückenmarksverletzung, bei der die Nervenbahnen, die vom primär-motorischen Kortex zu den Alpha-Motoneuronen verlaufen, durchtrennt wurden. Wenn die Schädigung des Rückenmarks unterhalb der Halswirbelsäule liegt, kommt es zu einer Paraplegie, einer Lähmung der Beine. Die Arme und Hände sind weiter funktionsfähig. Eine Schädigung oberhalb dieser Stelle führt zu einer Tetraplegie. Dabei sind alle vier Extremitäten gelähmt. Wurden die Nervenbahnen bei einem Unfall durchtrennt, wachsen sie nicht wieder nach. Ein großer Bereich der Neurowissenschaften beschäftigt sich damit, die Ursachen dafür herauszufinden.

Eine zentrale Schädigung kann genauso zu Lähmungen führen. Die Schädigung von Frontallappenarealen, die die Bewegung steuern, kann partielle Lähmungen verursachen. Wird der Parietallappen geschädigt, kann das zur Apraxie führen. Die Betroffenen haben dann Schwierigkeiten, willkürliche, zielgerichtete Bewegungen auszuführen.

Degeneration der Basalganglien

Motorische Störungen entstehen auch durch die Degeneration der Basalganglien. Zwei häufige und relativ bekannte Formen sind der Morbus Parkinson und die Chorea Huntington.

Die Parkinson'sche Erkrankung

Die Degeneration der Substantia nigra (speziell der Verlust der dopaminergen Zellen) verursacht die Parkinson'sche Erkrankung. Die Substantia nigra gehört zu den Basalganglien. (Im Abschnitt »Planen, Korrigieren, Lernen: Der Präfrontalkortex und subkortikale Areale« erfahren Sie mehr darüber, welche Rolle die Basalganglien bei der Bewegung spielen.) Diese Erkrankung ist durch eine nach vorne gebeugte Haltung gekennzeichnet. Den Betroffenen fällt es schwer, eine Bewegung auszuführen oder ihren Gang zu ändern.

Mitte des 20. Jahrhunderts hat man Versuche unternommen, diese Erkrankung mit Dopamininjektionen zu behandeln, doch diese Behandlungsmöglichkeit war nicht sehr effektiv, da das Dopamin die Blut-Hirn-Schranke nicht durchdringen konnte. Doch die Dopaminvorstufe L-Dopa ist dazu in der Lage. Mit ihrer Hilfe gelingt es, wenn auch nur vorübergehend, die Parkinsonsymptome zu lindern.

Die Wirksamkeit einer L-Dopa-Behandlung lässt vielleicht deshalb nach, weil die Zellen, die das L-Dopa zu Dopamin umwandeln, nicht mehr arbeiten oder absterben. In den letzten zwei Jahrzehnten hat man in der Parkinsontherapie einige Erfolge mit der tiefen Hirnstimulation erzielt. Diese Behandlungsmethode war am wirksamsten, wenn die stimulierende Elektrode im Nucleus subthalamicus anstatt in der Substantia nigra platziert wurde. Die Wissenschaftler sind sich nicht sicher, warum diese Lokalisation besser ist. Diese Unsicherheit ist der Beweis dafür, wie wenig der komplexe Schaltkreis der Basalganglien und ihre Verbindungen zum Thalamus und zur Hirnrinde bisher erforscht sind.

Chorea Huntington

Bei dieser Erkrankung sterben Zellen im Striatum (Nucleus caudatus und Putamen, die Eingangsstation zu den Basalganglien) ab. Die Chorea Huntington ist eine Erbkrankheit, die meist erst um das 40. Lebensjahr zu ersten Symptomen führt. Diese Symptome sind das genaue Gegenteil zu den Parkinsonsymptomen.

Während Parkinsonpatienten Schwierigkeiten haben, Bewegungsabläufe in Gang zu setzen, zeigen Patienten, die unter einer Chorea Huntington leiden, unkontrollierte Bewegungen. Im fortgeschrittenen Stadium kommt es beispielsweise zum Schleudern von Armen und Beinen. Den Patienten fällt dann auch das Sprechen und Schlucken schwer.

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Das vegetative Nervensystem

In diesem Kapitel ...

Die Rolle des vegetativen Nervensystems verstehen

Die Besonderheiten des sympathischen und parasympathischen Systems

Den zirkadianen Rhythmus, Schlafzyklen und verschiedene Schlafstadien untersuchen

Schlafstörungen und Störungen des vegetativen Nervensystems bekämpfen

Durch das Sehen, Hören, Fühlen, Schmecken und Riechen können wir unsere Umwelt spüren. Doch wir besitzen auch Sinne, mit denen wir unser Körperinneres wahrnehmen können. Diese Sinne messen und regulieren beispielsweise unsere Körpertemperatur, die Herzfrequenz, das Durst- und Hungergefühl und unseren Wachheitszustand. Viele Funktionen sind Teil der Homöostase, der aktiven Erhaltung eines Gleichgewichtszustandes in unserem Körper.

Die homöostatischen Funktionen unseres Nervensystems existierten bereits vor allen kognitiven Fähigkeiten. Sogar wirbellose Tiere, wie Weichtiere, Würmer und Insekten, besitzen ein Nervensystem, das einige Körperfunktionen reguliert. Dieses Gleichgewicht ist wichtig, damit die Körperzellen leben können. Schon kleine Störungen des Regulationsmechanismus können die Gesundheit deutlich beeinträchtigen. Und wenn er ganz ausfällt, wird der Organismus sterben.

Die meisten dieser Funktionen werden vom vegetativen Nervensystem, das sich vom zentralen und peripheren Nervensystem unterscheidet, gesteuert. In diesem Kapitel erfahren Sie, wie das vegetative Nervensystem funktioniert und welche Rolle es bei der Schlafregulation spielt.

Arbeit hinter den Kulissen: Das vegetative Nervensystem

Auch wenn für uns das Gehirn der Ort ist, an dem unsere Gedanken und Intelligenz beheimatet sind, dürfen wir nicht vergessen, dass es auch eine Reihe wichtiger Körperfunktionen, wie Herzfrequenz, Atmung, Körpertemperatur und zirkadianen Rhythmus, steuert. Dieser Funktion sind wir uns meist nicht bewusst. Bei sehr primitiven Tieren werden diese Funktionen von Zellhaufen gesteuert, die Ganglien genannt werden. Bei hochentwickelten Tieren, wie den Säugetieren, erledigen Hirnstamm und Rückenmark diese Aufgaben.

Die Regulationskomponenten des zentralen Nervensystems arbeiten mit dem vegetativen Nervensystem, das als eigenständiges Nervensystem betrachtet werden muss, zusammen. Das vegetative Nervensystem wird in zwei funktionelle Teile untergliedert, den sympathischen und parasympathischen Zweig, die gegensätzlich zueinander arbeiten. In den folgenden Abschnitten möchte ich Ihnen erklären, was das vegetative Nervensystem ist, was es tut und wie es arbeitet.

Die Funktionen des vegetativen Nervensystems verstehen

Ihr Körper tut ständig viele Dinge, von denen Sie gar nichts merken. Das sind einige Beispiele dafür (es gibt noch viel mehr davon, doch sie sind einfach zu zahlreich, um hier alle aufzuzählen):

Ihr Herz pumpt das Blut durch Ihr Gefäßsystem und befördert so Sauerstoff und Nährstoffe zu den Zellen und transportiert die Abbauprodukte ab.

Sie schwitzen, wenn es heiß ist oder wenn Sie Sport treiben.

Ihr Verdauungstrakt verarbeitet die Nahrung, um an die Nährstoffe zu gelangen und den Rest, den der Körper nicht verwerten kann, zu eliminieren. Auch Ihre Nieren filtern Giftstoffe aus dem Blut.

Die Aktivität verschiedener Organe anpassen

Im Körper gibt es einige Organe, die lebenswichtige Substanzen, die von Zellen aufgenommen oder abgegeben werden, verarbeiten, filtern oder transportieren. Damit all diese Vorgänge reibungslos ablaufen, müssen diese Organe zusammenarbeiten. Wenn Sie beispielsweise schwitzen, um Hitze abzugeben, müssen Ihre Nieren auf den Wasserverlust reagieren, um das Flüssigkeitsgleichgewicht Ihres Körpers aufrechtzuerhalten.

Eine Aufgabe des vegetativen Nervensystems besteht darin, die Aktivität einzelner Organe aufeinander abzustimmen. Diese Anforderungen sind sehr komplex. Doch das vegetative Nervensystem leistet noch viel mehr.

Wechsel zwischen Ruhe und Aktivität

Das Leben besteht nicht nur aus der Verdauung. Wir bewegen uns, manchmal sogar sehr schnell. Wenn das der Fall ist, müssen die Muskeln mit so viel Blut wie möglich versorgt werden. Außerdem steigt die Herz- und Atemfrequenz.

Die beiden Teile des vegetativen Nervensystems entsprechen zwei verschiedenen Zuständen Ihres Körpers:

Ein ausgeglichener Zustand, in dem wir mit unserer Energie sparsam umgehen und Energie, Nährstoffe und Abfallprodukte effizient verteilen.

Ein aktiver, konkurrierender Zustand, in dem wir das Gleichgewicht unterdrücken und alle Ressourcen aktivieren, um zu gewinnen – auch wenn wir danach erschöpft sind und für unsere »Energieschulden« und die gestörte Homöostase »zur Kasse gebeten werden«.

Durch die Art, wie das vegetative Nervensystem arbeitet (ein Vorgang, den ich im nächsten Abschnitt erkläre), kann unser Körper von einem auf den anderen Zustand umschalten.

Teilen und herrschen: Das sympathische und parasympathische Nervensystem

Das vegetative Nervensystem wird in das sympathische und parasympathische Nervensystem unterteilt (siehe Abbildung 11.1). Wie Sie in dieser Abbildung erkennen, bewirken viele Effekte des sympathischen genau das Gegenteil des parasympathischen Nervensystems.

Sehen Sie sich folgende Beispiele an:

Parasympathisches Nervensystem | Sympathisches Nervensystem
Pupillenverengung | Pupillenerweiterung
Anregung des Speichelflusses | Hemmen des Speichelflusses
Anregung der Verdauung | Hemmen der Verdauung
Harnblasenkontraktion | Entspannung der Harnblase
Und so weiter ... | Und so weiter ...

Abbildung 11.1: Das sympathische und parasympathische Nervensystem

Wieso ist das vegetative Nervensystem in zwei gegensätzliche Stränge aufgeteilt? Stellen Sie sich vor, Sie müssten (so wie unsere Vorfahren) Ihr Mittagessen erst jagen, bevor Sie essen können. Das sympathische Kampf-oder-Flucht-System würde dann die Herzfrequenz und die Atmung (und andere Dinge) steigern und die Blutverteilung von der Verdauung zugunsten der Skelettmuskulatur verschieben. Wenn Sie Ihre Mahlzeit erwischt hätten, wäre es an der Zeit gewesen, sich zu setzen und zu essen. Das parasympathische System würde nun Ihren gesamten Stoffwechsel verlangsamen und den Blutfluss zu Ihrem Verdauungstrakt lenken, damit Sie auch alle wichtigen Nährstoffe aus Ihrer Nahrung aufnehmen können.

Der Sympathikus: Kämpfen oder Fliehen

»Kämpfen oder Fliehen« umfasst kurz gesagt alle Aktivitäten, bei denen der Stoffwechsel in der Muskulatur auf Hochtouren läuft. Wenn Sie etwas wahrnehmen, das diesen Zustand notwendig macht (einen Bären, der auf Sie zukommt), wird der sympathische Teil des vegetativen Nervensystems angeregt.

Der Sympathikus besteht aus Nervenzellen, die sich in Rückenmarksegmenten auf Höhe des Brustkorbes und der Lendenwirbelsäule befinden (siehe Abbildung 11.1). Diese cholinergen Neuronen (Nervenzellen, die Acetylcholin als Botenstoff verwenden) senden ihre Fasern zu den Paravertebralganglien. Diese Nervenzellhaufen liegen neben dem Rückenmark und verlaufen parallel dazu. Die Axone der Ganglienneuronen ziehen zu den Organen, wie beispielsweise Herz, Lunge, Blutgefäße und Verdauungstrakt. Sie verwenden Noradrenalin als Neurotransmitter.

Der Parasympathikus: Alles ist in Ordnung

Die Neurone des Parasympathikus liegen im Hirnstamm und der Kreuzbeinregion des Rückenmarks und verwenden ebenfalls Acetylcholin als Neurotransmitter. Ihre Axone ziehen zu Neuronen in verschiedenen Ganglien, die sich in der Nähe der Zielorgane befinden. Diese Ganglienneuronen verwenden ebenfalls Acetylcholin als Neurotransmitter.

Das vegetative Nervensystem und chronischer Stress

Wenn der Körper auf »Kämpfen oder Fliehen« programmiert ist, kann er das nötige Gleichgewicht der Körperfunktionen nicht aufrechterhalten. In dieser Situation ist es wichtiger, alle Kräfte zu mobilisieren. Hält dieser Zustand allerdings länger an, hat das seinen Preis. Die fortwährende Überreaktion des sympathischen Nervensystems wird auch als chronischer Stress bezeichnet. Dieser kann folgende Auswirkungen haben:

Schwächung des Immunsystems

Vermindertes Wachstum (aufgrund der Hemmung des Wachstumshormons)

Schlafprobleme

Gedächtnisstörungen

Chronischer Stress geht mit hohen Cortisolspiegeln im Blut einher. Das Stresshormon Cortisol wird von der Nebennierenrinde ausgeschüttet.

Die Reaktionen auf chronischen Stress sind individuell sehr verschieden. Bei Frauen führt chronischer Stress häufig zur Fettanlagerung im Bereich der Taille. Männer leiden hingegen eher unter einer verminderten Libido oder einer erektilen Dysfunktion. Beide Geschlechter können Depressionen, Haarausfall, Herzerkrankungen und Magengeschwüre bekommen und an Gewicht zulegen. Auch Alkoholismus und Fibromyalgie wird mit chronischem Stress in Zusammenhang gebracht. Stress kann auch zu Schlafstörungen und anderen gesundheitlichen Problemen führen.

Sie sollten jetzt aber nicht denken, dass Stress immer schlecht für Sie ist. Eine langweilige Umgebung, die Sie nicht fordert, kann negative Auswirkungen auf das Lernen und die gesamte Entwicklung haben.

Psychischer Stress ist wie Sport: Angemessene Übungen stärken die Muskulatur. Sind die Übungen aber zu schwer oder die Erholungsphasen zu kurz, können sich Gelenke, Sehnen und Bänder entzünden und dauerhaft Schaden nehmen. Mit dem Stress verhält es sich genauso. Menschen sind dafür gemacht, Stress auszuhalten und angemessen darauf zu reagieren – solange er ein gesundes Maß nicht übersteigt.

Süße Träume: Schlaf und zirkadianer Rhythmus

Alle Tiere mit hochentwickelten Gehirnen schlafen. Schlaf ist ein Stadium des Körpers, in dem das Bewusstsein ausgeschaltet oder stark reduziert ist. Den normalen Schlaf kann man nicht mit dem Winterschlaf oder dem Koma gleichsetzen.

Auch wenn alle Wirbeltiere und die meisten Fische, Reptilien und Amphibien schlafen, weiß niemand so genau, warum das so ist. Es gibt Hypothesen, die davon ausgehen, dass der Schlaf dazu dient, Energie zu sparen, oder einen Vorteil bietet, weil Tiere, die nachts im Verborgenen schlafen, so ihren Feinden aus dem Weg gehen. Bisher gibt es keine Theorie über die Funktion des Schlafes, die nur annähernd allgemein anerkannt wäre.

Wir können die Funktion des Schlafes noch nicht genau erklären. Aber wir wissen, dass während des Schlafes wichtige Dinge passieren. Es ist bekannt, dass es verschiedene Schlafstadien gibt und Schlafmangel negative Auswirkungen auf den Körper hat.

Die biologische Uhr durch Licht synchronisieren

Wie der Schlaf gesteuert wird, ist der Wissenschaft kein Rätsel mehr. Der Schlaf-Wach-Zyklus ist ein zirkadianer Rhythmus. Dabei wird unsere innere Uhr durch das Tageslicht synchronisiert.

Die innere Uhr besteht aus Zellen, die sich in einem Kerngebiet des Hypothalamus befinden. Dieses Kerngebiet heißt Nucleus suprachiasmaticus. Obwohl diese Zellen den zirkadianen Rhythmus beim Menschen und allen anderen Wirbeltieren steuern, findet man sie auch bei primitiven Organismen und Einzellern wie Algen.

Die verschiedenen Schlafstadien

Unser Schlaf verläuft in verschiedenen Stadien. Jedes Stadium besitzt besondere Eigenschaften.

Ein Schlafstadium ist durch schnelle Augenbewegungen gekennzeichnet. Das ist der REM-Schlaf (REM kommt aus dem Englischen und bedeutet Rapid Eye Movement). Dann gibt es noch den Non-REM-Schlaf. Er wird in unterschiedliche Phasen unterteilt, die als N1, N2, N3 und N4 bezeichnet werden (manche Quellen geben kein viertes Non-REM-Schlaf-Stadium an). Diese Stadien treten in absteigender oder aufsteigender Reihenfolge auf. Gelegentlich geht der Schlaf aus der N2-Phase in den REM-Schlaf über.

Der Non-REM-Schlaf

Die erste Schlafphase besteht aus dem Übergang vom Wachsein bis zum Tiefschlaf und durchläuft dabei die Non-REM-Schlaf-Phasen N1, N2, N3 und manchmal auch N4.

Abbildung 11.2 zeigt Ihnen ein typisches Schlafprofil, auch Hypnogramm genannt. (Beachten Sie, dass der REM-Schlaf das Stadium ist, das der Wachheit am nächsten liegt.) Typischerweise fällt der Schlafende zuerst in das Stadium N1, dann N2, N3 und so weiter. Er durchläuft dann immer wieder die N-Phasen nach oben bis zum REM-Schlaf (etwa 90 Minuten, nachdem er eingeschlafen ist), dann wieder zurück nach unten. Im Laufe der Nacht wird der Schlaf flacher und erreicht nicht mehr N3 oder N4. Manchmal gibt es auch kurze Übergänge vom REM-Schlaf zur Wachheit. (Hinweis: Diese Abbildung zeigt einen typischen Verlauf der Schlafphasen. Aber jeder Mensch hat ein etwas anderes Schlafmuster und auch bei ein und derselben Person kann sich dieses Muster von Nacht zu Nacht verändern.)

Abbildung 11.2: Schlafprofil mit Schlafstadien

Der REM-Schlaf

Der REM-Schlaf ist die Schlafphase, in der wir auch träumen. Er nimmt etwa ein Viertel der gesamten Schlafdauer ein. Die Aktivität der Hirnströme, die man in dieser Schlafphase im EEG (Elektroenzephalogramm) aufzeichnen kann, spiegelt die motorische Aktivität (wie beispielsweise Rennen), die wir im Traum oft erleben, wider. Diese Aktivität beruht auf einer Aktivierung von Arealen des Frontallappens, der für Bewegungsabläufe zuständig ist. Doch die Signale werden im Rückenmark blockiert, sodass die Bewegung im Schlaf unterdrückt wird.

REM-Schlaf und Lernen

Neueste Forschungsergebnisse zeigen, dass der REM-Schlaf für die Festigung des angeeigneten Wissens von großer Bedeutung ist. Während des REM-Schlafes wird das, was wir tagsüber gelernt und im Kurzzeitgedächtnis gespeichert haben, ins Langzeitgedächtnis überführt. Wissenschaftler gehen davon aus, dass das Kurzzeitgedächtnis Synapsen im Hippocampus anspricht, die vorübergehend verstärkt werden. Diese Synapsen erhalten gleichzeitig Informationen aus verschiedenen Bereichen der Hirnrinde, die an der Verarbeitung der Informationen, die wir beim Lernen aufgenommen haben, beteiligt waren. Im Schlaf geben die aktivierten Synapsen des Hippocampus wieder Rückmeldung an die Bereiche der Hirnrinde, von denen sie aktiviert wurden, im Sinne eines Resonanz-Schaltkreises.

Träumen

Wir träumen normalerweise in den REM-Schlaf-Phasen und erinnern uns am besten an unseren Traum, wenn wir aus dem REM-Schlaf oder direkt nach dieser Phase aufwachen. Unsere Träume sind oft wie kleine, fantastische Filme, in denen wir manchmal sogar fliegen können, denn physikalische Gesetze spielen dort keine Rolle.

Es gibt Menschen, die glauben, dass uns unsere Träume etwas über unsere Zukunft sagen. Vom Standpunkt der Neurowissenschaften sind Träume ein kognitives Phänomen, das im REM-Schlaf stattfindet. Zur inhaltlichen Bedeutung der Träume hat die Wissenschaft nicht viel zu sagen. Alle Menschen träumen und unsere Träume unterliegen keinen rationalen Einschränkungen.

Eine Welt von Träumern

Wissenschaftler sind der Meinung, dass alle Säugetiere und fast alle Wirbeltiere schlafen. Auch wenn wir nicht genau wissen können, ob Tiere träumen und wenn, was sie träumen, ist sicher, dass viele Tiere im Schlaf ein EEG-Muster aufweisen, das für den REM-Schlaf, der beim Menschen mit Träumen in Verbindung steht, typisch ist.

Sie müssen nur Ihren Hund beim Schlafen beobachten. Sie können seine REM-Schlaf-Phasen genau erkennen, wenn sich im Schlaf seine Augen hinter den geschlossenen Lidern bewegen und Sie unterdrückte Bewegungen und Laute bemerken. Diese Schlafphase unterscheidet sich dadurch von den tieferen Non-REM-Stadien.

Vom evolutionsbiologischen Standpunkt aus legt die Tatsache, dass sowohl Menschen als auch Säugetiere träumen, die Vermutung nahe, dass den Träumen eine bestimmte Bedeutung zukommt. Das Gegenargument dazu ist, dass der REM-Schlaf eine bestimmte Funktion hat, doch die Träume, die im REM-Schlaf stattfinden, erfüllen keine besondere Aufgabe. Derzeit gibt es dazu noch keine einhellige wissenschaftliche Meinung.

Schlafzyklen steuern

Ganz allgemein unterliegt die Kontrolle unseres Schlafes dem zirkadianen Rhythmus, der vom Nucleus suprachiasmaticus wie ein Uhrwerk gesteuert wird. Unsere innere Uhr wird gestellt, indem wir dem Tageslicht ausgesetzt sind. Dabei haben die fotosensitiven Ganglienzellen der Netzhaut eine ganz besondere Bedeutung. Sie projizieren ihre Lichtinformationen über die retinothalamische Leitungsbahn auf den Nucleus suprachiasmaticus.

Bestimmte Schlafzyklen wie der REM-Schlaf werden von besonderen Nervenzellen im Hirnstamm, den REM-On-Neuronen gesteuert. Während des REM-Schlafes wird außerdem weniger Serotonin, Noradrenalin und Histamin und mehr Acetylcholin und Dopamin ausgeschüttet.

Bei den Non-REM-Stadien schlafen wir in den Stadien drei und vier am tiefsten. Es ist bekannt, dass sich der Tiefschlaf verlängert, wenn man vorher länger als normal wach war. Auch im Tiefschlaf können wir träumen, doch das passiert weitaus seltener als im REM-Schlaf. Das hat man herausgefunden, indem man Versuchspersonen aus dem Tiefschlaf aufgeweckt hat.

Obwohl die Acetylcholinspiegel in anderen Schlafstadien im Vergleich zum Wachzustand erhöht sind, sind sie während des Tiefschlafs niedriger. Wissenschaftler nehmen an, dass die hohen Acetylcholinspiegel während des REM-Schlafes den Informationsfluss von der Hirnrinde zum Hippocampus blockieren, während die niedrigen Acetylcholinspiegel im Tiefschlaf den Informationsfluss vom Hippocampus zurück zur Hirnrinde als einen Teil der Gedächtnisstärkung erlauben.

Keine süßen Träume: Schlafstörungen

Etwa vier Millionen Deutsche leiden unter Schlafstörungen, die so schwer sind, dass sie die Lebensqualität beeinträchtigen. In manchen Berufen, in denen Menschen Maschinen bedienen oder viel Auto fahren müssen, können sie lebensgefährlich werden. Auch bestimmte Lebensumstände, wie kleine Kinder oder Schichtarbeit, können zu einem anhaltenden Schlafmangel und zu Schlafstörungen führen. In der folgenden Liste finden Sie einige erwähnenswerte Beispiele für Schlafstörungen:

Primäre Insomnie: Insomnie (Schlaflosigkeit) wird dann als primär bezeichnet, wenn Sie chronische Ein- oder Durchschlafprobleme haben und dafür keine anderen Ursachen, wie beispielsweise Schmerzen, vorliegen. Eine primäre Insomnie kann entstehen, wenn eine stressbedingte Ein- oder Durchschlafstörung anhält, obwohl der Stress längst vorüber ist. Die primäre Insomnie kann jedoch auch durch eine Schädigung des hypothalamischen Schlaf-Kontrollzentrums oder durch eine verminderte Melatoninausschüttung entstehen.

Narkolepsie: Typisch für die Narkolepsie sind häufige, plötzliche Schlafattacken während des Tages. Manchmal ist die Narkolepsie mit einer Kataplexie, dem vollständigen Verlust der Muskelspannung, verbunden. Es ist bekannt, dass die Narkolepsie durch genetische Mutationen verursacht wird. Für wissenschaftliche Studien wurden zu diesem Zweck Labradore und Dobermänner mit einer genetisch bedingten Narkolepsie gezüchtet.

Das Restless-Legs-Syndrom : Bewegungen der Skelettmuskulatur werden normalerweise während des Schlafes unterdrückt. Bei Menschen, die unter dem Restless-Legs-Syndrom (RLS) leiden (dem Syndrom der ruhelosen Beine), bewegen sich im Schlaf die Extremitäten. Meist betrifft das nur die Beine, doch auch Arme oder sogar der Rumpf können betroffen sein. In schweren Fällen führt das RLS zu einem deutlichen Schlafmangel. Es kann sich verschlimmern oder plötzlich wieder verschwinden. Die Ursachen des RLS können genetisch bedingt sein. In vielen Fällen liegt ein Eisen- und Dopaminmangel vor. Schwangerschaft, antipsychotische Medikamente und Antihistaminika können die RLS-Symptome verstärken.

Schlafwandeln: Beim Schlafwandeln verlassen Betroffene im Schlaf das Bett, laufen herum und verrichten sogar bestimmte Tätigkeiten. Auch wenn man die genauen Ursachen dafür noch nicht kennt, scheint es doch eine genetische Komponente zu geben, denn diese Schlafstörung tritt in manchen Familien gehäuft auf. Meist beginnt das Schlafwandeln in der Kindheit. Oft wird es mit zunehmendem Alter besser. Das unterstützt die Theorie, dass das Schlafwandeln mit einer gewissen Reifeverzögerung zusammenhängen kann. Antidepressiva wie Benzodiazepine können das Schlafwandeln verschlimmern.

Jetlag : Der zirkadiane Rhythmus wird von den Hell-Dunkel-Phasen des normalen 24-Stunden-Rhythmus gesteuert. Verändern sich die Hell-Dunkel-Phasen (mehr oder weniger natürliches oder künstliches »Tageslicht«), kann es mehrere Tage dauern, bis unsere innere Uhr wieder im Takt ist. Unsere Vorfahren kannten so etwas nicht, doch Flugreisen und Nachtschichten, bei denen wir künstlichem Licht ausgesetzt sind, verändern diese Lichtphasen. Das führt zu Schlafstörungen, die uns im Falle einer Reise als Jetlag bekannt sind. Dabei befindet sich Ihre innere Uhr noch im alten zirkadianen Rhythmus, obwohl Sie sich körperlich in einem ganz anderen Hell-Dunkel-Zyklus befinden. Auch Schichtarbeiter, die häufig ihren Schichtrhythmus wechseln, kennen Jetlag-Symptome.

Schlafapnoe: Bei der Schlafapnoe kommt es im Schlaf zu Atemaussetzern. Die zentrale Schlafapnoe beruht auf einer Störung des Atemzentrums. Bei der obstruktiven Schlafapnoe werden die Atempausen von einer Blockierung der Atemwege verursacht. Sie wird meist von heftigem Schnarchen begleitet. Tritt diese Erkrankung bei Männern auf, führt das bei ihren Frauen durch die gestörte Nachtruhe häufig zu Schlafmangel.

Teil IV

Intelligenz: Bewusstsein und Denken

In diesem Teil ...

Menschen besitzen Fähigkeiten, die kein Tier hat. Und manche Menschen schaffen Dinge, die noch nie jemand vor ihnen geleistet hat. Wir nennen das Intelligenz. Sie zeichnet unsere Spezies aus und macht sie einzigartig. Intelligenz existiert durch die angeborene Struktur unseres Gehirns und der Tatsache, dass diese Struktur durch Erfahrungen modifiziert werden kann. Mit anderen Worten, Intelligenz – und unsere Fähigkeit zu lernen – besteht darin, die Arbeit der Nervenzellen anzuregen.

Teil IV dieses Buches beschäftigt sich mit den wichtigen Strukturen im Gehirn, die abstraktes Denken, Sprache und Lernen ermöglichen. Ich möchte auch zeigen, wie einzelne Neuronen an diesem Prozess mitwirken, indem sie ihre Kommunikation miteinander leicht verändern. Wenn wir verstehen, wie das Gehirn lernt, können wir verbessern, wie schnell und wie viel wir lernen. Außerdem erhalten wir einen Einblick, wie wir mit all jenen Problemen umgehen können, die auftreten, wenn ein Teil des Gehirns nicht richtig funktioniert.

12

Intelligenz, Bewusstsein und Gefühle

In diesem Kapitel ...

Die Intelligenzarten betrachten

Die Rolle von Emotionen bei der Wahrnehmung verstehen

Wie Emotionen im limbischen System verarbeitet werden

Sich des Bewusstseins bewusst werden

Da der Mensch viele komplexe Aufgaben bewältigen muss, verfügt er über verschiedene Arten von Intelligenz. Dazu gehören unter anderem die sprachliche und logisch-mathematische Intelligenz. Aber auch solche Intelligenzarten wie interpersonale oder musikalische Intelligenz. Intelligenz besitzt außerdem verschiedene Ausprägungsgrade.

In der Schule wird hauptsächlich die logisch-mathematische und sprachliche Intelligenz gefördert. Gefühle bilden einen Gegensatz zu diesem regelbasierten Denken. Sie werden von verschiedenen Umständen ausgelöst und man kann sie häufig nicht in Worte fassen. Gefühle sind ein nützlicher und notwendiger Teil der Wahrnehmung. Sie steuern nicht nur unser instinktives Verhalten, sondern sie spielen auch eine Rolle bei unserem erlernten Verhalten und beim Lernen. Eine Schädigung bestimmter Hirnareale kann dazu führen, dass die Betroffenen einen normalen IQ besitzen, aber Schwierigkeiten haben, Gefühle zu verarbeiten. Das kann dann in ganz normalen Lebenssituationen zu großen Problemen führen.

Dieses Kapitel befasst sich eingehend mit Intelligenz, Emotionen und dem Bewusstsein, der expliziten Wahrnehmung unserer eigenen Gedanken und Erfahrungen, was die höchste Erscheinungsform der Intelligenz ist.

Intelligenz definieren

Intelligenz zeigt sich in unserem Verhalten, das sich an Situationen anpasst und darauf reagiert. Ganz besonders, wenn diese Situationen komplex sind und sich verändern. Ein wichtiges Merkmal der Intelligenz ist es, Vorhersagen treffen zu können. Das wird durch das Lernen und das Gedächtnis ermöglicht. Wenn man feststellt, dass Wolken aufziehen, wäre es beispielsweise intelligent, einen Schirm mit ins Kino zu nehmen, denn es könnte sein, dass es regnet, wenn der Film vorbei ist.

Die Fähigkeit, Vorhersagen zu treffen, liegt zweifellos zum Teil in unseren Genen. Intelligenz hat sich in der Evolution durchgesetzt, da sie eine Voraussetzung dafür war, Verhalten anzupassen, also komplexere Ziele auszuwählen und sie in einer komplexeren Umgebung zu verfolgen.

Intelligenzarten

Man kann das, was als Intelligenzarten bezeichnet wird, ganz unterschiedlich beschreiben. In Prüfungen wird meist die sprachliche und mathematische (und manchmal die analytische) Intelligenz abgefragt. J. P. Guilfords Faktorenanalyse der Intelligenz umfasst dagegen mindestens 150 Faktoren in drei Dimensionen (Denkinhalte, Denkresultate, Denkoperationen). Die jüngste Intelligenztheorie geht auf Howard Gardner zurück, der die Ansicht vertritt, dass es mehrere, voneinander unabhängige Intelligenzen gibt. Diese acht Intelligenzarten möchte ich Ihnen hier vorstellen.

Intelligenz | Begabung für oder Fähigkeit in ...
sprachlich | Verstehen und Verwenden von Sprache
logisch-mathematisch | Mengenbezogenes und logisches Denken
räumlich | Orientierung, Geometrie und Muster
interpersonal | Soziale Interaktionen
intrapersonal | Die eigenen Stärken und Schwächen kennen, Lebenserfahrung
körperlich-kinästhetisch | Sport, Tanzen, feinmotorische Fertigkeiten
musikalisch | Singen, Instrumente spielen, komponieren

naturalistisch

Muster in der Natur verstehen, in einer natürlichen Welt überleben (eher als in einer Welt, die von Menschen gemacht ist)

Während andere Kategorisierungen der Intelligenz sich eher auf Erfolg in der Schule und der westlichen, industrialisierten Welt an sich beschränken, enthält Gardners Einteilung auch verschiedene nicht-akademische Kategorien.

Intelligenz verstehen: Allgemein oder spezialisiert?

Unsere Umwelt ist viel komplexer als die jeder anderen Spezies. Einen Großteil davon haben wir selbst geschaffen. Wir haben unsere Umwelt so verändert, dass es viele Mikroumfelder gibt, die alle unterschiedliche Fähigkeiten erfordern: der Umgang mit einem Stift oder einer Tastatur, soziale Kompetenz im Umgang mit anderen Menschen, sprachliche Fähigkeiten für die Kommunikation, mathematische und räumliche Fertigkeiten, um Landkarten zu lesen und sich zu orientieren, und so weiter.

Eine der ältesten Kontroversen der Psychologie und der kognitiven Wissenschaften ist die Frage, ob Intelligenz etwas Einheitliches ist oder sich in verschiedene Unterkategorien aufteilen lässt.

Auf der einen Seite steht die Verhaltensbiologie, die das Gehirn als eine universelle Lerneinheit betrachtet, auf deren interne Struktur es beim Verstehen von Lernen und Verhalten nicht ankommt. Auf der anderen Seite stehen die Phrenologen, die der Ansicht sind, dass die Entwicklung spezifischer intellektueller Eigenschaften mit dem Wachstum des Gehirns, das beim Wachsen bestimmte Bereiche des Schädels nach außen gewölbt hat, in Zusammenhang steht. Die Phrenologen entwarfen eine aufwendige Karte, die den Sitz Dutzender Eigenschaften lokalisierte, indem sie Menschen untersuchten, von denen man der Ansicht war, dass sie in bestimmten Bereichen besonders ausgeprägte oder unterentwickelte Eigenschaften besaßen. Dazu vermaßen sie die relative Höhe verschiedener Schädelbereiche (siehe Abbildung 12.1).

Abbildung 12.1: Phrenologische Karte des Gehirns

Die Ansichten der Phrenologen sind mittlerweile vollständig widerlegt. Bestimmte Hirnareale sind nicht für bestimmte Arten von Intelligenz zuständig. Außerdem wachsen auch nicht einzelne Hirnbereiche und beulen den Schädel nach außen, wenn sich spezielle Eigenschaften herausbilden.

Andererseits ist das Gehirn aber auch keine diffuser undifferenzierter Klumpen, wie Sie in den folgenden Abschnitten sehen werden.

Sensorische Leitungsbahnen zu spezifischen Hirnarealen

Sensorische und motorische Signale laufen auf verschiedenen Leitungsbahnen und werden hauptsächlich in speziellen Hirnarealen verarbeitet. Die meisten unserer Fähigkeiten beziehen allerdings mehrere Hirnareale mit ein. Der Präfrontalkortex ist äußerst wichtig für alle Fähigkeiten, die Intelligenz voraussetzen.

Eine Schädigung bestimmter Hirnareale kann manche Fähigkeiten, wie beispielsweise das Sprachverständnis oder die Sprachproduktion, deutlich mindern, während andere Fertigkeiten erhalten bleiben. Auch die räumliche Vorstellungskraft scheint durch Schädigungen bestimmter Hirnregionen beeinträchtigt zu werden. Diese Fakten deuten darauf hin, dass Intelligenz spezialisiert ist.

Abbildung 12.2 zeigt einige Fälle, bei denen spezielle Intelligenzmerkmale besonders von örtlich begrenzten Hirnschädigungen betroffen sind. Es ist bekannt, dass die räumliche Intelligenz, wie der Orientierungssinn und die Mustererkennung, in hohem Maße vom rechten Parietallappen abhängen (oberes Bild in Abbildung 12.2). Die Sprache hängt dagegen vom Broca- und vom Wernicke-Areal auf der linken Gehirnhälfte ab (siehe Kapitel 13). Das sehen Sie auf dem unteren Bild in Abbildung 12.2.

Abbildung 12.2: Hirnregionen, bei denen durch eine Schädigung bestimmte Fähigkeiten verloren gehen

Ein interessantes Syndrom, das relativ lokalisiert zu sein scheint, ist die erworbene Amusie. Die Betroffenen können keine Melodien mehr erkennen, auch wenn die Sprache und das Gehör intakt sind. Amusie kann nach ein- oder beidseitiger Schädigung der Hörrinde im hinteren Temporallappen auftreten.

Lokalisation, Plastizität und Erholung nach einer Hirnschädigung

Menschen können sich von erheblichen Hirnschädigungen, wie sie beispielsweise bei einem Schlaganfall auftreten, wieder erholen. Das ist möglich, weil andere Hirnareale die Funktion der geschädigten Bereiche übernehmen:

Lokale Besserung: Die geschädigte Hirnregion und das Gebiet, das diesen Bereich direkt umgibt, werden umstrukturiert, um einen Teil der verloren gegangenen Fähigkeit wiederherzustellen.

Globale Besserung: Diese Art der Genesung ist komplizierter. Unterschiedliche Hirnareale und Leitungsbahnen sind daran beteiligt, die gleiche Aufgabe so wie immer zu lösen oder alternative Wege zu erlernen.

Mehr zur Plastizität des Gehirns können Sie in Kapitel 16 lesen.

Komponenten der Intelligenz

Unabhängig von der Diskussion darüber, wie viele verschiedene Intelligenzarten es gibt, bei den meisten Aufgaben im wirklichen Leben hängt Intelligenz von verschiedenen Fähigkeiten ab. Dazu gehören Aufmerksamkeit, das Kurz- und Langzeitgedächtnis, Vorstellungskraft, Motivation und Erwartungen.

Entscheidungen stellen an die Intelligenz große Herausforderungen. Dabei werden Wissen, Vorstellungskraft, Planung und abstraktes Denken vorausgesetzt. Diese Komponenten sind grenzüberschreitend und betreffen die sprachliche, die logische und räumliche Intelligenz. Kreativität wird von der Intelligenz unterstützt, ist aber nicht notwendigerweise ein direktes Produkt von ihr. Einige sehr kreative Menschen schneiden bei Intelligenztests wirklich schlecht ab und manche sehr intelligente Menschen scheinen nicht dazu in der Lage zu sein, »über den Tellerrand hinauszusehen«.

Die Wissenschaft hofft, die Faktoren aufzudecken, der die gesamte Intelligenz unterliegt. Dann könnte man die Intelligenz verändern, indem man diese Faktoren fördert. Außerdem könnte man durch die Kenntnis dieser Faktoren die Intelligenz besser verstehen.

Biologische Variationen

Wenn man versucht, die Auswirkung biologischer Variationen auf die Intelligenz zu untersuchen, betrachten Wissenschaftler immer die Unterschiede zwischen Menschen und Tieren. In diesen Studien haben sie einen Zusammenhang zwischen Intelligenz und dem Verhältnis von Gehirn- zu Körpergröße und zwischen Intelligenz und der relativen Größe des Präfrontalkortex gefunden.

Intelligenz scheint mit der Größe des Arbeitsgedächtnisses zusammenzuhängen und bei Männern (nicht bei Frauen) mit der Geschwindigkeit der geistigen Verarbeitung, die bei speziellen Reaktionszeiten gemessen wurde.

Erziehung

Wie stark beeinflusst Erziehung die Intelligenz? Eine Möglichkeit, diese Frage zu klären, ist die Beobachtung von eineiigen Zwillingen, die getrennt voneinander aufgewachsen sind. Nur so kann man beurteilen, ob ihre genetischen Voraussetzungen dafür gesorgt haben, dass sie trotz der unterschiedlichen Erziehung nahezu gleich intelligent sind. Wären nur die genetischen Voraussetzungen für die Intelligenz verantwortlich, müssten die IQ-Werte eineiiger Zwillinge gleich sein. Bei Zwillingen, die untersucht wurden, stimmte der IQ in nur etwa 70 Prozent überein. Das deutet darauf hin, dass die Umwelt eine nennenswerte Rolle spielt.

Diese Untersuchungsergebnisse wurden allerdings schon häufig falsch gedeutet. Die Zwillinge, die getrennt voneinander aufgewachsen sind, entsprechen nicht den Richtlinien eines kontrollierten Experimentes, bei dem die Versuchspersonen zufällig ausgewählt werden. Das Ausmaß, in dem beispielsweise die Adoptiveltern den leiblichen Eltern ähneln, verfälscht die Studienergebnisse. Doch auch wenn sich in Studien herausgestellt hat, dass die Umweltkomponente sehr gering ist, heißt das nicht, dass eine untypische Intervention wie eine neue Lehrmethode nicht potenziell einen größeren Einfluss auf die Intelligenz hat.

Die meisten Wissenschaftler sind der Ansicht, dass man die Leistungskapazität als die genetische Komponente der Intelligenz ansehen kann. Für die Größe des Arbeitsgedächtnisses, die Geschwindigkeit der neuronalen Verarbeitung und der Signalweiterleitung über die Nervenfasern gibt es rein biologische Grenzen. Diese Leistungskapazität scheint sich zwischen den einzelnen Individuen nicht wesentlich zu unterscheiden. Doch die Effektivität, mit der diese Kapazität genutzt werden kann, unterscheidet sich schon. Kleine Unterschiede im Erbgut können durch Erfahrung vergrößert werden. Wenn ein Kind beispielsweise sehr gut lesen kann, wird es vermutlich viel lesen, sein Wortschatz wird größer und sein Allgemeinwissen breiter. Das Gleiche gilt für Konzentration und Ausdauer. Es wird mehr Dinge tun, die zu einer höheren Intelligenz führen, als ein Kind mit einer etwas schlechteren Lesekompetenz.

Inselbegabung

Inselbegabte sind Menschen, die eine unerklärliche außergewöhnliche geistige Fähigkeit in einem speziellen Teilbereich besitzen. Manche können zwei vierstellige Zahlen im Kopf multiplizieren, haben sofort den Wochentag eines historischen Datums im Kopf oder besitzen ein fotografisches oder enzyklopädisches Gedächtnis.

Die Neurowissenschaften haben keine Erklärung dafür, wieso diese Menschen zu diesen Leistungen fähig sind oder warum der Rest von uns so etwas nicht kann. Bei einigen Inselbegabten hat man abnorme Hirnstrukturen gefunden, andere haben Gehirne, die völlig normal aufgebaut sind.

Eine Inselbegabung ist allerdings kein Garant für Glück und Erfolg. Viele Inselbegabte leiden unter der Bürde ihres Gedächtnisses oder anderer Fähigkeiten. Sie können einfach nicht abschalten und sich auf Dinge des normalen Lebens konzentrieren. Inselbegabungen scheinen manchmal auch mit Defiziten in anderen Bereichen einherzugehen, die für ein erfolgreiches Leben wichtig sind. Viele Inselbegabte sind beispielsweise Autisten.

Wenn man das genetische Potenzial für die Intelligenz als Leistungskapazität ansieht, dann deutet die Existenz von Inselbegabten darauf hin, dass die meisten von uns ihre Leistungskapazität nicht annähernd ausschöpfen. Oder es gibt einen Mechanismus im Gehirn (der bisher noch nicht entdeckt wurde), der die Kapazität der Inselbegabten derart erhöht.

Verschiedene Intelligenzstufen

Es gibt nicht nur verschiedene Intelligenzarten, wie beispielsweise sprachliche oder räumliche Intelligenz. Intelligenz kommt auch auf unterschiedlichen Stufen vor. Die niedrigste Form von Intelligenz finden wir bei den Einzellern, die höchste Form ist das menschliche Bewusstsein:

Gleichgewicht in der primitivsten Lebensform, wie etwa bei Prokaryoten : Einzellige Organismen sind der erste große Unterschied zwischen Belebtem und Nichtbelebtem. Prokaryoten (Zellen ohne Zellkern) wie Bakterien erhalten ihr Gleichgewicht, indem sie die Bewegung von Substanzen durch ihre Zellmembran regeln. Enzymsysteme bilden Strukturen innerhalb der Zelle, regulieren den Energieverbrauch und die Abgabe von Abfallprodukten. Außerdem ermöglichen sie die Vermehrung durch Zellteilung. Diese regulatorischen Funktionen können als die primitivste Form von Intelligenz angesehen werden.

Zelluläre Spezialisierung bei Eukaryoten : Eukaryoten (Zellen mit einem Zellkern) besitzen Zellorganellen wie den Zellkern und Mitochondrien. Sie sind also auf zellulärer Ebene Multi-Komponenten-Organismen. Vielzellige Organismen bestehen aus eukaryotischen Zellen, die sich spezialisiert haben, um in einem größeren Gefüge zu funktionieren. Diese innere und äußere zelluläre Differenzierung der Zellen erhöht die Anpassungsfähigkeit des Organismus.

Bewusstheit (beziehungsweise bewusste Wahrnehmung) bei Wirbeltieren und möglicherweise auch bei Kopffüßern: Unter den multizellulären Tieren sind es die Wirbeltiere (und vielleicht auch Kraken und Tintenfische), die über eine Bewusstheit zu verfügen scheinen. Bewusstheit setzt voraus, dass der Organismus über interne Modelle verfügt, die mehrstufige, nicht-instinktive Strategien ermöglichen, um ein Ziel zu verfolgen. Bei Säugetieren beruht diese Fähigkeit in großen Teilen auf dem limbischen System und seiner Wechselwirkung mit der Hirnrinde. Doch derzeit kann die Wissenschaft noch nicht erklären, wie es Oktopusse schaffen, mit einem solch kleinen Gehirn, das auch völlig anders aufgebaut ist als unseres, ein derart komplexes, angepasstes Verhalten zu zeigen.

Bewusstsein : Die höchste Ausprägungsform der Intelligenz ist das Bewusstsein, die explizite Bewusstheit unserer Gedanken und Erfahrungen. Das menschliche Bewusstsein ist mit unserer Sprache verbunden. Sie ermöglicht es uns, Dinge zu benennen und einzuordnen, was um uns herum geschieht. Bewusstsein, das durch die Sprache erlangt wird, hängt zum einen Teil von der Gehirngröße und zum anderen Teil von speziellen Fähigkeiten wie der Sprache ab. In rudimentärer Form finden wir auch bei Primaten ein Bewusstsein, doch vollständig existiert es nur beim Menschen.

Metakognition : Die Metakognition, also das Denken über das Denken, stellt die höchste und abstrakteste Stufe des Bewusstseins dar. Wir sind uns der Folgen unseres Handelns bewusst. Zur Metakognition gehört, dass wir uns mit uns und unseren Taten wie ein objektiver Beobachter auseinandersetzen.

Steht die Intelligenz über den Emotionen?

Ein häufig missverstandener Aspekt der Intelligenz ist ihre Beziehung zu den Emotionen. Das drückt sich darin aus, dass Intelligenz als rational angesehen wird, während man Emotionen für animalisch, instinktiv und irrational hält.

Emotionen kann man auf zwei unterschiedliche Arten betrachten. Beide Betrachtungsweisen gehen nicht davon aus, dass Emotionen auf einer niedrigeren Stufe als das rationale, regelbasierte Denken stehen:

Emotionen sind wichtig für das soziale Gefüge, in dem wir leben, denn es gehört zu den komplexesten Umgebungen, die es gibt. Die intelligentesten Tiere zeigen ein Sozialverhalten. Und Emotionen sind die Voraussetzung, um das komplizierte Zusammenspiel der verschiedenen Individuen, bei dem Einzelne bestimmte Rollen oder hierarchische Stellungen einnehmen, zu ermöglichen.

Emotionen sind eine Möglichkeit für das Gehirn, neuronale Informationen auszudrücken, um das Verhalten zu beeinflussen. Beispielsweise besitzen alle Säugetiere, also auch wir Menschen, eine angeborene Angst vor Schlangen. Wenn wir als Kind etwas Schlangenartigem begegnen, haben wir Angst und meiden es, lange bevor wir wissen, was eine Schlange ist, und zwischen giftigen und ungiftigen Arten unterscheiden können.

Viele Hirnregionen beeinflussen unsere Gefühle. Die Bereiche im Gehirn, die Gefühle verarbeiten, sind entwicklungsgeschichtlich alt. Dabei handelt es sich um Strukturen, die zum limbischen System gehören (wie die Amygdala, Septum, Fornix und die vorderen Kerngebiete des Thalamus – mehr zu diesen Hirnstrukturen erfahren Sie im Abschnitt »Das limbische System«). Säugetiere, vor allem die Primaten, weisen zusätzliche Wechselwirkungen zwischen diesen älteren Emotionszentren und jüngeren Bereichen wie dem Orbitofrontalkortex auf.

Der Orbitofrontalkortex sorgt für die Feinabstimmung emotionaler Reaktionen. Anstatt nur vor Gefahren Angst zu haben, die von unserem Instinkt vorgegeben werden (wie der Angst vor Schlangen und Spinnen), können wir vor komplexen Gefahrensituationen Angst entwickeln und lernen, diese zu vermeiden (wie zum Beispiel den Chef zu beleidigen oder ein gebrauchtes Auto zu kaufen, ohne dass es sich vorher jemand genau angesehen hat).

Erinnerungen an starke emotionale Reaktionen

Man kann sich nur schwer vorstellen, dass das Orbitofrontalkortex-Amygdala-System eine Intelligenzart darstellt. Diese Hirnregionen können in bestimmten Situationen ein mulmiges Gefühl erzeugen, das man nicht in Worte fassen kann. Dieser Gedanke wurde von Antonio Damasio in der Hypothese der somatischen Marker aufgegriffen. Nehmen Sie beispielsweise an, dass Ihnen auf einer Straße, die Sie häufig fahren, das Benzin ausgegangen ist. Diese Unannehmlichkeit und die potenzielle Gefahr dieser Situation schafft in diesem Moment eine emotionale Erfahrung. Wenn Sie Tage später wieder diese Straße entlangfahren, beschleicht Sie wahrscheinlich ein mulmiges Gefühl, das Sie nicht verstehen können. Doch es veranlasst Sie dazu, die Tankanzeige zu kontrollieren.

Untersuchungen deuten darauf hin, dass Erinnerungen, die im Orbitofrontalkortex-Amygdala-System erzeugt wurden, sehr beständig sind. Jede unangenehme Situation wird eine Erinnerung erzeugen, die in ähnlichen Situationen wieder aktiviert wird. Der rationale Teil Ihres Gehirns kann sich allerdings über diese mulmigen Gefühle hinwegsetzen. Nehmen wir an, Sie hatten beispielsweise schon einmal einen Autounfall und steckten im Autowrack fest. Es kann sein, dass Sie sich danach für den Rest Ihres Lebens unwohl fühlen, wenn Sie in ein Auto steigen. Doch Sie übergehen dieses Gefühl, weil Sie Auto fahren müssen. Mit der Zeit kann das Gefühl wieder etwas schwächer werden, doch komplett wird es wahrscheinlich nie verschwinden.

Das limbische System

Das limbische System besteht aus einer Reihe subkortikaler Kerngebiete und deren Verbindungen. Früher ging man davon aus, es sei ein evolutionäres System, das primitives Instinktverhalten steuert.

Zum limbischen System gehören folgende Hirnstrukturen: Amygdala, Fornix, Hypothalamus, Hippocampus, Thalamus und der Gyrus cinguli (siehe Abbildung 12.3). Während die ersten drei Strukturen daran beteiligt sind, emotional auffällige Stimuli zu verarbeiten (vor einer Schlange zurückschrecken), sind der Hippocampus und der Thalamus an vielen kortikalen Schaltkreisen beteiligt (Gedächtnis, Verarbeitung sensorischer Informationen), die keine offensichtliche Beziehung zu einer instinktiven Reaktion haben. Der Hypothalamus ist an niedrigeren, »reptilischen« Funktionen, wie der Regulation von Temperatur und Flüssigkeitshaushalt, beteiligt.

Abbildung 12.3: Das limbische System

Der Hippocampus

Der Hippocampus ist die wichtigste Struktur, die Informationen vom Kurz- in das Langzeitgedächtnis überführt. Er empfängt Signale von der gesamten Hirnrinde. Diese Signale gelangen über Synapsen zu den Nervenzellen im Hippocampus, deren Stärke sich verändern kann, wenn viele Signale gleichzeitig eintreffen. Wenn beispielsweise ein Hirnareal, das Farben wahrnimmt, »grau« signalisiert, ein anderes Areal signalisiert »groß« und ein drittes »hat einen Rüssel«, dann kann das Neuron im Hippocampus, auf das alle drei Neuronen ihre Signale projizieren, Teil eines Elefantendetektors sein. Die Neuronen des Hippocampus senden die verarbeiteten Informationen an die Hirnrinde zurück. Sie aktivieren genau die sensorischen Areale, von denen sie die Signale ursprünglich erhalten haben. Jetzt kann sich die geistige Darstellung eines Elefanten formen.

Der Hippocampus ist an unterschiedlichsten Aspekten des Gedächtnisses beteiligt – und nicht nur bei denen, die emotional hervorstechen. Intensive Forschungen an Ratten haben gezeigt, dass sie einen Großteil des Hippocampus zur Orientierung nutzen. Man vermutet, dass das Orientierungsgedächtnis entwicklungsbiologisch die ursprüngliche Aufgabe des Hippocampus gewesen sein könnte und er erst später Aufgaben anderer Gedächtnisarten, wie dem episodischen Gedächtnis, übernommen hat (mehr zu den Unterschieden zwischen episodischem und semantischem Gedächtnis in Kapitel 13).

Triune Brain

Eins der bekanntesten Modelle über die Organisation des Gehirns ist das Triune Brain (dreieiniges Gehirn) des US-amerikanischen Hirnforschers Paul MacLean. Die Grundidee des Triune Brain besteht darin, dass das Gehirn hierarchisch in drei separate Bereiche aufgeteilt ist.

An unterster Stelle steht dabei das protoreptilische Gehirn. Komponenten sind die Basalganglien und der Hirnstamm. Die Basalganglien steuern angeborene Instinkte wie die Kämpfen-oder-Fliehen-Reaktion, Hunger, Territorialverhalten und Fortpflanzung.

Auf der nächsten Ebene finden wir das paleomammalische Gehirn, das aus Strukturen besteht, die das limbische System bilden. Diese Strukturen entstanden bei den ersten Säugetieren und erlauben Gefühle, die ein komplexeres Verhalten, wie elterliche Fürsorge und Leben in sozialen Hierarchien, ermöglichen.

Die letzte Ebene bildet das neomammalische Gehirn, zu dem der Neokortex gehört. Sie erlaubt ein komplexes Sozialverhalten, Intelligenz, verschiedene Wahrnehmungsgrade und schließlich das Bewusstsein.

Das Triune Brain ist ein Modell, das viele interessante Ideen enthält. Es ist allerdings schwer zu erkennen, wo man die Grenze zwischen dem paleomammalischen und neomammalischen Gehirn ziehen soll.

Die Amygdala

Die Amygdala (Mandelkern) scheint Teil verschiedener Gedächtnis-Schaltkreise zu sein. Sie hat einige strukturelle Übereinstimmungen mit dem Hippocampus. Die Informationen, die sie erhält oder sendet, stehen mit emotional hervorstechenden Stimuli in Zusammenhang. Viele Informationen erreichen die Amygdala über einen schnellen Weg direkt über den Thalamus, den Riechkolben oder über andere subkortikale Strukturen. Die Informationen, die die Amygdala verlassen, gehen zu zahlreichen subkortikalen Strukturen wie dem Hypothalamus oder zum Orbitofrontalkortex.

Die Schaltkreise, die die Amygdala einbeziehen, sind nicht nur für die typischen angeborenen Vermeidungsreaktionen (wie auf Schlangen), sondern auch für die Fähigkeit, aus Gefahren oder Schmerzen zu lernen, verantwortlich.

Der vordere Teil des Gyrus cinguli

Der Gyrus cinguli ist ein mesokortikaler Bereich, der sich genau über der Brücke (dem großen Faserstrang, der die beiden Hirnhälften miteinander verbindet) befindet. Der Mesokortex ist entwicklungsgeschichtlich älter als der Neokortex. Neueste Untersuchungen haben ergeben, dass der vordere Teil dieses mesokortikalen Bereichs eine wichtige Kontrollfunktion besitzt, bei der er die Aktivität anderer Hirnareale mit einbezieht.

Der vordere Teil des Gyrus cinguli wird ebenfalls durch die Erwartung von Schmerz aktiviert und scheint eine wichtige Rolle bei Mechanismen zu spielen, die mit Belohnung oder Bestrafung auf ein bestimmtes Verhalten hin zu tun haben. Ein Beispiel: Wenn Sie einen Tennisball nicht richtig treffen und er nicht über das Netz geht, wird der vordere Teil Ihres Gyrus cinguli von dem falschen Gefühl, das Sie beim Schlag hatten, genauso aktiviert, als wenn der Ball tatsächlich ins Netz geht.

Die Aktivierung des vorderen Teils des Gyrus cinguli scheint auch von der Aufmerksamkeit, die Sie einer Aufgabe widmen, abzuhängen. Wenn Sie sich bei einem Schachspiel gerade in einer schwierigen Lage befinden, wird dieser Bereich aktiviert, selbst wenn Sie einen bestimmten schlechten Zug nicht bemerkt haben. In diesem Fall sollen Reserven mobilisiert werden, um mit den Problemen umzugehen. Dazu dient beispielsweise eine höhere Konzentration.

Der Orbitofrontalkortex

Der Orbitofrontalkortex besteht aus dem vorderen und mittleren Teil des Präfrontalkortex. Er ist wichtig für die Einschätzungen von Risiken, für Belohnungen und für etwas, das man »moralisches Urteilsvermögen« nennen könnte. Patienten, deren Gehirn in diesem Bereich geschädigt ist, können normal intelligent sein, lassen aber die elementarsten Verhaltensregeln oder angemessene Reaktionen im sozialen Leben vermissen. Sie verlieren außerdem jegliche Risikoaversion, obwohl ihnen die Konsequenzen bewusst sind.

Die Bedeutung dieses Hirnareals wurde bekannt, als der Eisenbahnarbeiter Phineas Gage einen Unfall erlitt und genau dieses Areal schwer verletzt wurde. Bei einer Sprengung schoss eine Eisenstange von unten nach oben durch seinen Schädel. Gage verlor bei dem Unfall nur kurz das Bewusstsein, schien sich danach aber sofort wieder zu erholen. Nach einigen Tagen, in denen er behandelt wurde, um eine Infektion des Wundkanals zu verhindern, kehrte er zur Arbeit zurück. Nach dem Unfall schien Gage genauso intelligent zu sein wie vorher, doch er war nicht mehr derselbe. Er war jetzt impulsiv und unzuverlässig. Das genaue Gegenteil seiner früheren Persönlichkeit.

Der Orbitofrontalkortex und die Amygdala bilden ein System, mit dem wir lernen, uns angemessen zu verhalten und ein Verhalten, das unangenehme Konsequenzen hat, zu vermeiden. Viele Unfälle, die dem von Gage ähneln, und Untersuchungen des Gehirns mit modernen bildgebenden Verfahren bestätigen die Rolle des Orbitofrontalkortex beim Lernen und der Fähigkeit, sich angemessen zu verhalten.

Bewusstsein verstehen

Neurowissenschaftler diskutierten nicht gerne über das Bewusstsein, da es niemand genau definieren konnte. Außerdem hatte man keinerlei Hoffnung, eine neuronale Erklärung dafür zu finden, warum beispielsweise ein Hund kein Bewusstsein besitzt, der Mensch aber schon. Diese Einstellung hat sich aus folgenden Gründen geändert:

In Untersuchungen mit modernen bildgebenden Verfahren haben sich abhängig vom Bewusstseinszustand deutliche Unterschiede in den Aktivitätsmustern des Gehirns gezeigt.

Die kognitive Neurowissenschaft hat mittlerweile eine Vorstellung davon, was Bewusstheit (beziehungsweise bewusste Wahrnehmung; engl.: awareness) ist, wie sie sich vom Bewusstsein (engl.: consciousness) unterscheidet und wie sie das Bewusstsein unterstützt.

Mutmaßungen über das Bewusstsein

Im Folgenden möchte ich Ihnen einige interessante Meinungen über das Bewusstsein vorstellen und beurteilen, ob diese Ansichten korrekt sind:

Bewusstsein ist das Gefühl der Ganzheitlichkeit. Jeder von uns fühlt sich als ein einzelnes, ganzheitliches, bewusstes Lebewesen, das immer weiß, was es weiß, und nicht weiß, was es nicht weiß.

Trotzdem können Illusionen unseren Blick auf die Realität trüben. Die vorübergehende Vergesslichkeit, die wir alle kennen, zeigt, dass unser Gehirn keine Datenbank ist, von der wir jederzeit jede Information abrufen können.

Außerdem fühlen wir, dass ein lebenswichtiges Kernbewusstsein die letzte Entscheidung trifft oder ein Einspruchsrecht über unsere Handlungen besitzt, auch wenn von Zeit zu Zeit Impulse und Wünsche in unserem Geist aufblitzen.

Dieses Einspruchsrecht gilt für rechtliche Vorstellungen über Schuld und in Religionen für die Sünde. Impulsive Handlungen, die wir später bereuen, widerlegen den Fakt, dass unser Bewusstsein immer an erster Stelle steht. Wir alle hatten schon diese »was habe ich mir nur dabei gedacht«-Augenblicke, die uns zeigen, dass unser Bewusstsein nicht beständig und gleichbleibend ist, es aber abhängt von unsichtbaren inneren und äußeren Kräften, denen wir uns nicht bewusst sind.

Die meisten von uns spüren, dass eine Maschine, ganz egal, wie intelligent sie scheinbar ist (denken Sie nur an einen Schachcomputer), nie dieses Kernbewusstsein besitzen wird.

Niemand glaubt, dass ein moderner Computer ein Bewusstsein besitzt. Doch abgesehen davon gibt es zwei Lager. Die einen sagen, keine elektronische Maschine wird jemals ein Bewusstsein besitzen. Die anderen sind der Ansicht, es fehle derzeit nur an ausreichender Hirnleistung, die künstlich geschaffen werden müsste. Wenn Computer so leistungsfähig wären, dass sie mit dem menschlichen Gehirn mithalten könnten, dann hätten sie auch ein Bewusstsein.

Der Futurist und Unternehmer Ray Kurzweil sagt, dass die Computer noch vor 2030 mit ihrer Rechenleistung so weit sein werden. Die meisten Menschen, die heute leben, werden sehen, ob diese Vorhersage zutrifft.

Bewusstseinsarten

Die am meisten akzeptierte Unterteilung des Bewusstseins unterscheidet zwischen Bewusstheit und Bewusstsein:

Bewusstheit : Bewusstheit kann unser Verhalten bestimmen und als eine Erfahrung empfunden werden. Der Bewusstheit fehlt im Vergleich zum Bewusstsein meist die Sprache, mit der das Erlebte in einem rationalen Schema interpretiert wird. Bei der Meditation wird beispielsweise versucht, einen Bewusstheitszustand zu erreichen, der nicht durch Interpretationen oder Reaktionen überlagert wird.

Bewusstsein : Das Bewusstsein ist meist mit der Sprache verknüpft, indem die Sprache das Erlebnis, das durch unsere Bewusstheit geschaffen wurde, einem allgemeinen, rationalen Schema zuordnet, das mit unserem Gedächtnis verbunden ist. Der Nobelpreisträger Gerald Edelmann nannte das Bewusstsein die »erinnerte Gegenwart«. Die Erinnerung verbindet ein aktuelles Erlebnis mit einem Konzept, das von der Sprache zum Ausdruck gebracht wird.

Das Bewusstsein studieren

Wenngleich Neurowissenschaftler einst Diskussionen über das Bewusstsein als Bereich der Philosophie vermieden haben, gibt es heute unterschiedliche Arten des Bewusstseins, die zumindest teilweise mit einer messbaren neuronalen Aktivität in Zusammenhang stehen. Die Frage lautet nun allerdings, wie kann man etwas messen, das eigentlich eine persönliche Erfahrung darstellt. Die Neurowissenschaften nutzen dafür zwei Vorgehensweisen, die man »teilen und herrschen« und »heranschleichen« nennen könnte:

Teilen und herrschen: Diese Vorgehensweise unterscheidet zwischen einem Gehirnzustand, in dem eine Person bei Bewusstsein ist, und dem Zustand, bei dem sie es nicht ist. Beispiele dafür sind Schlafen gegenüber Wachsein, Koma gegenüber Paralyse und eine Hirnschädigung, bei der das Bewusstsein nicht verloren geht, gegenüber einer Hirnschädigung, bei der das Bewusstsein verloren gegangen ist.

Heranschleichen: Bei dieser Methode vergleichen Wissenschaftler Situationen, die sich leicht voneinander unterscheiden, im Bewusstsein aber einen großen Unterschied ausmachen. Hier liegt die Idee zugrunde, dass es ein Kontinuum ausgehend von der Nicht-Bewusstheit über Bewusstheit bis hin zum vollen Bewusstsein gibt.

Wenn das Bewusstsein mit der Gehirngröße einhergeht, dann würden Tiere mit einem großen Gehirn (Schimpansen) ein Bewusstsein besitzen. Und vermutlich würden in der Zukunft auch Computer darüber verfügen. Ist das Bewusstsein aber untrennbar mit der Sprache verbunden, was ist dann mit Menschen, die ihre Sprache verloren haben (nicht nur die Fähigkeit zu sprechen, sondern die Fähigkeit, verbal zu denken)? Wenn es einen besonderen neuronalen Schaltkreis oder einen bestimmten Zelltyp gibt, der für das Bewusstsein notwendig ist, würden Sie doch sicher gerne wissen, ob auch Tiere darüber verfügen, ob es Menschen gibt, denen sie fehlen, und ob man sie wirklich mit Maschinen simulieren kann.

Schlafen und Wachsein

Das Wachsein und die verschiedenen Schlafstadien unterscheiden sich durch ihren EEG-Rhythmus. Während des Wachseins durchläuft das Gehirn Alpha-, Beta-, Gamma- und Thetawellen. Im Non-REM-Schlaf dominieren Delta- und Thetawellen.

Während des REM-Schlafes, in dem wir auch träumen, gleicht das EEG-Muster sehr stark dem unseres Wachzustandes. Es stellt sich die Frage: Gleicht diese Traumphase eher dem Bewusstsein als dem Non-REM-Schlaf?

Die meisten Neurowissenschaftler würden dem zustimmen, denn sie gehen davon aus, dass das EEG-Muster während des REM-Schlafes und dem Wachsein mit einigen Aspekten der Hirnaktivität verknüpft ist, die das Bewusstsein stützen. An die Träume, die im REM-Schlaf stattfinden, kann man sich erinnern. Sie enthalten Bilder, Bewegungen, Handlungen, Dialoge und andere geistige Prozesse, die auftreten, wenn wir wach sind. Wenn wir Menschen im REM-Schlaf wecken, können sie uns erzählen, was in ihrem Traum passiert ist, so als wären sie bei einer normalen, bewussten Tätigkeit unterbrochen worden.

Der REM-Schlaf besitzt Merkmale, die denen des Bewusstseins im Wachzustand gleichen, und er hat den gleichen EEG-Rhythmus. Der Non-REM-Schlaf hat keins von beidem.

Koma und Paralyse

Hirnverletzungen können viele unterschiedliche Folgen haben – von der Paralyse (Lähmung) bis zum totalen Verlust des Bewusstseins. Eine Paralyse kann mit oder ohne Verlust des Bewusstseins einhergehen. Es gibt viele Fälle, bei denen die paralysierten Patienten noch blinzeln können. Obwohl diese Patienten oft so behandelt werden, als wären sie nicht bei Bewusstsein, waren Kommunikationsversuche (»Blinzel einmal für Ja und zweimal für Nein«) häufig erfolgreich. Bei Patienten, die auch nicht mehr blinzeln können, geht man davon aus, dass sie sich im Wachkoma befinden. Doch bildgebende Untersuchungen haben gezeigt, dass einige von ihnen ihre Umgebung wahrnehmen.

Eine seit Langem bestehende Hypothese darüber, welche Hirnregionen das Bewusstsein unterstützen, besagt, dass für das hochrangige Bewusstsein die sensorischen Hirnrindenbereiche wie der Parietal- und Okzipitallappen einbezogen werden müssen. Außerdem auch noch der Frontallappen und der Thalamus.

Narkose und Bewusstsein

Eine Narkose ist nicht das Gleiche wie Schlafen. Mit einer Narkose soll ein künstliches Stadium der Bewusstlosigkeit geschaffen werden, in dem Sie nicht nur auf Schmerzreize nicht reagieren, sondern diesen Schmerz auch nicht wahrnehmen und sich nicht an ihn erinnern. Eine Narkose unterdrückt nicht die gesamte Hirnaktivität, nur die Aktivität, die mit dem Bewusstsein verbunden ist.

Eines der größten Rätsel der Neurowissenschaften ist, dass niemand wirklich bis ins letzte Detail weiß, wie Narkosemittel funktionieren. Einige, wie Isofluran und Lachgas, sind relativ reaktionsträge Gase. Andere, wie Ketamin und Barbiturate, binden sich an bestimmte Neurotransmitter-Rezeptoren und verhindern so die Signale, die eine Reaktion auslösen würden.

Viele Narkosemittel sind fettlöslich. Deshalb nimmt man an, dass sie die Nervenleitung beeinflussen, indem sie die Myelinscheiden der Nervenbahnen oder die Nervenzellmembran durchdringen. Doch wie diese Medikamente so selektiv wirken können, dass es zum Bewusstseinswechsel kommt, versteht man bisher noch nicht.

Hirnschädigung

Werden höherer Hirnareale wie die Hirnrinde geschädigt, können einige Aspekte des Bewusstseins oder das vollständige Bewusstsein verloren gehen. Eine schwere Schädigung des Hirnstamms (dort werden lebenswichtige Körperfunktionen wie Herzfrequenz, Atmung oder Blutdruck gesteuert) führt meist sehr schnell zum Tode. Die Schädigung der Hirnrinde hat dagegen spezifischere Ausfälle zur Folge. Betrachten Sie folgende Beispiele:

Die Schädigung des vorderen oder seitlichen Präfrontallappens kann das Kurzzeitgedächtnis und Lernen stören, ohne dabei das Langzeitgedächtnis zu beeinträchtigen.

Ein allgemeiner Sauerstoffmangel (zum Beispiel beim Herz-Kreislauf-Stillstand) kann eine vorübergehende Amnesie auslösen.

Die Schädigung des Wernicke-Areals am Übergang zwischen Parietal- und Temporallappen (siehe Kapitel 6) führt zur Wernicke-Aphasie. Diese Patienten können noch sprechen, verstehen aber die Sprache nicht mehr. Das verändert natürlich die Qualität der Wahrnehmung.

Zwei Lager und ein Mittelweg

Der Zusammenhang zwischen Sprache und Bewusstsein ist in den Neurowissenschaften ein heiß diskutiertes Thema. Dabei spalten sich zwei Lager: Die einen sind der Ansicht, dass die Sprache das Bewusstsein darstellt, und die anderen glauben, dass auch nicht-sprachliche Formen des Bewusstseins möglich sind.

Einige nehmen an, dass die gedachte Sprache das Bewusstsein darstellt, weil Menschen in Worten denken. Die Tatsache, dass sich nur wenige von uns noch an ihr Leben vor ihrem zweiten Geburtstag erinnern, wird der tiefgreifenden Reorganisation des Gehirns zugeschrieben, die stattfindet, nachdem wir sprechen gelernt haben. Die Sprache wird als Grundlage des Bewusstseins angesehen. Außerdem können sogar Tiere, wie beispielsweise Schimpansen, lernen, für einzelne Objekte Worte zu verwenden. Sie benutzen dabei aber keine Grammatik und verwenden daher auch keine Sprache. Laut Definition besitzen sie deshalb kein Bewusstsein. Das würde auch bedeuten, dass man Menschen, denen Sprache fehlt (also nicht nur die Fähigkeit zu sprechen), kein Bewusstsein zusprechen könnte.

Einer der bekanntesten Fälle zu Sprache und Bewusstsein ist der Fall von Helen Keller. Sie war bis zum 19. Lebensmonat völlig gesund, als eine unbekannte Infektion ihr das Augenlicht und das Gehör nahm. Sie lebte fast wie ein Tier, bis Ann Sullivan zu ihr nach Alabama kam, um sie die Zeichensprache zu lehren. Die Aufzeichnungen von Frau Keller über ihre Wandlung legt nahe, dass sie ein fast unbewusstes, tierartiges Dasein gefristet hat, bis ihr Zugang zur Sprache verschafft wurde und sie nun fähig war zu kommunizieren.

Andere sind der Ansicht, dass visuell-räumliches Denken und Bildersprache Beispiele für nicht-sprachliche Formen des Bewusstseins sind. Ein Architekt könnte ein kompliziertes Gebäude entwerfen, indem er die mentale Bildersprache einsetzt, aber während des gesamten Prozesses nicht in Worten zu sich spricht. Ist es wirklich möglich, ohne ein Bewusstsein ein Haus zu entwerfen, indem man Wissen anwendet, das man in der Schule gelernt hat?

Ich empfehle folgenden Mittelweg. Die geistige Bildersprache kann, ohne dass wir mit uns selbst sprechen, bewusst sein. Doch sie kann nicht länger als ein paar Stunden aufrechterhalten werden. Letztlich müssen die Gedanken, die in dieser nonverbalen Bildersprachen-Phase aufkommen, zurück in Worte übersetzt werden, damit man sich an sie in einer gebräuchlichen Form erinnern kann. Es kann sein, dass auch im angeblich nicht-sprachlichen Stadium der Bildersprache Subvokalisierung (Mitsprechen der Worte im Kopf beim stillen Lesen) auftritt, aber die Erinnerung daran wird unterdrückt.

Das Bewusstsein scheint von der Fähigkeit zur Kommunikation abzuhängen. Diese Kommunikation kann auf ganz unterschiedliche Weise stattfinden. Das reicht von einer normalen Unterhaltung bis hin zu Informationen, die vom Frontallappen zu anderen Bereichen des Gehirns übermittelt werden.

Unbewusste Verarbeitung: Rindenblindheit, visueller Neglect und andere Phänomene

Die meisten glauben, dass unser zentrales Bewusstsein »den Laden schmeißt« und entscheidet, worauf die Aufmerksamkeit in unserem Gehirn gerichtet wird. Doch eine der wichtigsten Erkenntnisse der Neurowissenschaften ist das Verständnis, dass die Dinge, denen wir uns bewusst sind, nur einen ganz geringen Teil dessen darstellen, was wirklich in unserem Gehirn passiert. Die meisten Prozesse in unserem Gehirn laufen für uns unbewusst im Hintergrund ab und erreichen nur unter bestimmten Umständen das Bewusstsein.

Ich kann mich noch genau an den Tag erinnern, als mein jüngerer Bruder mich bat, ihm zu zeigen, wie man eine Krawatte bindet. Eine Tätigkeit, die ich schon seit einigen Jahren fünf Tage in der Woche machte. Ich war total perplex und habe es nicht geschafft, einen halben Windsorknoten zu binden. Einige Jahre zuvor hatte ich Schritt für Schritt gelernt, diesen speziellen Knoten zu binden. Das erforderte Aufmerksamkeit und Anstrengung. Ein Schimpanse wäre niemals dazu in der Lage. Doch seit dieser Zeit hat sich bei mir der Ablauf beim Knotenbinden automatisiert. Das einzig Bewusste, was ich tat, war die Entscheidung, mir den Krawattenknoten zu binden, nachdem ich mir eine Krawatte ausgesucht hatte.

Eine weitverbreitete Vorstellung über das Bewusstsein ist, dass wir sehen, hören und riechen, worauf wir unsere Aufmerksamkeit richten. Im Gegenzug dazu erreichen Stimuli, die wir ignorieren, nicht unser Gedächtnis. Um etwas zu sehen und wieder abrufen zu können, müssen wir uns dessen bewusst sein. Alles andere tritt in den unbeachteten und vergessenen Hintergrund. Wie die Szenarien in den nachfolgenden Abschnitten zeigen, muss das nicht so sein.

Die Cocktail-Party-Situation

Ein klassisches Beispiel für die unbewusste Verarbeitung finden wir in der Cocktail-Party-Situation. Sie sind gerade in eine Unterhaltung vertieft. In Hörweite unterhalten sich andere Gäste. Im Allgemeinen blenden Sie diese anderen Unterhaltungen aus. Wenn Sie später gefragt werden, könnten Sie nicht sagen, worüber man neben Ihnen geredet hat. Doch wenn jemand in einer dieser anderen Unterhaltungen Ihren Namen erwähnt, nehmen Sie das sofort wahr und könnten vermutlich den ganzen Satz wiederholen, in dem Ihr Name vorkam, obwohl sie ihm vorher keine Aufmerksamkeit geschenkt hatten.

Rindenblindheit

Ein klinischer Befund, der die Aufteilung zwischen dem Registrieren und der bewussten Wahrnehmung eines Ereignisses zeigt, ist das Phänomen der Rindenblindheit. Bei der Rindenblindheit kann der Betroffene zwar sehen, aber das, was er sieht, erreicht nicht sein Bewusstsein.

Rindenblindheit wurde erstmals umfangreich von Lawrence Weisenkrantz, einem britischen Psychologen, dokumentiert. Er untersuchte die Sehfähigkeiten von Patienten, bei denen nahezu die gesamte primäre Sehrinde V1 auf einer Gehirnhälfte zerstört war. Da die Hauptleitungsbahn für die kortikale Verarbeitung visueller Signale über V1 läuft, sind solche Patienten auf der Hälfte des Gesichtsfeldes auf der gegenüberliegenden Seite der Schädigung blind.

Das ist das Interessante an dem, was Weisenkrantz gemacht hat: Nachdem er den Patienten Gegenstände so präsentiert hat, dass sie in der blinden Gesichtsfeldhälfte lagen, in der die Patienten nach eigener Aussage nichts sehen konnten, forderte Weisenkrantz sie auf, ihm entweder zu sagen, wo sich das Objekt in etwa befindet oder was es sein könnte.

In weiterführenden Studien wurden die gleichen Fragen gestellt und obwohl die Patienten angaben, nichts zu sehen, und die Beantwortung einer solchen Frage lächerlich fanden, identifizierten sie das Objekt korrekt, wenn sie gedrängt wurden, trotzdem zu antworten.

Unterbewusste Wahrnehmung und Priming

Neurowissenschaftler haben dieses große Interesse an der Rindenblindheit, weil sie herausfinden möchten, ob sie in Zusammenhang zur unterbewussten Wahrnehmung steht. Die klassische Geschichte zur unterbewussten Wahrnehmung ist der Versuch, in einen Film einzelne Bilder von Popcorn einzuschmuggeln. Die Zuschauer können beim Abspielen des Films diese einzelnen Bilder zwar nicht bewusst wahrnehmen, doch anfängliche Berichte deuteten darauf hin, dass in einer kurzen Pause mehr Menschen Popcorn kauften als bei Filmen ohne diese eingeschmuggelten Bilder. Diese unterschwellige Werbung wurde sogar per Gesetz verboten, obwohl spätere Studien dieses Phänomen nicht bestätigen konnten.

Aktuellere und genauere Studien konnten jedoch einen kleinen Effekt nachweisen. Die unterbewusste Wahrnehmung wird nun mit dem Phänomen des Priming in einen Topf geworfen. Beim Priming führt die unbewusste Wirkung eines Stimulus zur Beeinflussung der nachfolgenden Entscheidung. Wenn Ihnen beispielsweise Bilder von Flüssen gezeigt werden, während Sie das Wort Bank definieren sollen, wird Ihre erste Definition wahrscheinlich Flüssen mehr ähneln als Institutionen, denen man sein Geld anvertraut. Wenn man bedenkt, wie viel Geld in die Webung fließt, ist die mögliche Wirksamkeit unterbewusst wahrgenommener Bilder weiterhin von großem Interesse.

Visueller Neglect

Die Schädigung höherer Abschnitte der visuellen Leitungsbahn kann einen so genannten visuellen Neglect hervorrufen. Beim visuellen Neglect vernachlässigen die Betroffenen eine Hälfte ihres Wahrnehmungsfeldes. Sie sind sich dieser Einschränkung allerdings nicht bewusst. Durch hohe Aufmerksamkeit und fehlende Ablenkung können manchmal noch Objekte gesehen werden.

Der visuelle Neglect tritt häufiger bei Läsionen der rechten Gehirnhälfte auf und betrifft dann das linke Wahrnehmungsfeld.

Eine interessante Beziehung zwischen der bewussten Vorstellung einer visuellen Szene und der Schädigung der parietalen Hirnareale, die das normale Sehen verarbeiten, wurde 1978 von Edoardo Bisiach und Claudio Luzzatti entdeckt. Sie baten einen Patienten, der unter einer Schädigung des rechten Parietallappens litt, sich vorzustellen, dass er an einem Ende einer Piazza steht, die er kennt. Er sollte beschreiben, was er von diesem Punkt aus sehen würde. Der Patient beschrieb alle Häuser auf der rechten Seite des Platzes und einige in der Mitte, aber kein einziges Haus der linken Seite. Bisiach und Luzzetti baten den Patienten dann, sich vorzustellen, nun am anderen Ende des Platzes zu stehen und dadurch in die entgegengesetzte Richtung zu schauen. Der Patient fuhr mit der Beschreibung der Häuser fort, die er zuvor nicht beschrieben hatte, die sich aber jetzt in seiner Vorstellung auf der rechten Seite befanden. Die Häuser auf der linken Seite, die er vorher beschrieben hatte, erwähnte er nicht.

13

Wie das Gehirn Gedanken verarbeitet

In diesem Kapitel ...

Die Struktur des Neokortex verstehen

Sensorische Leitungsbahnen zwischen Neokortex, Thalamus und Hippocampus nachverfolgen

Die Spezialisierung der rechten und linken Gehirnhälfte

Theorien über das Bewusstsein betrachten

Intelligentes, angepasstes Verhalten der Säugetiere wird durch den Neokortex ermöglicht. Er befindet sich hierarchisch an oberster Stelle der neuronalen Verarbeitung. Außerdem laufen im Gehirn viele Funktionen gleichzeitig ab. Die Verarbeitungsprozesse, denen wir uns bewusst sind, beruhen auf einem riesigen Netzwerk unbewusster Verarbeitung, die wir nicht wahrnehmen.

Dieses Kapitel erklärt die Struktur und Funktion des Neokortex. Außerdem werfen wir einen Blick auf den Zusammenhang zwischen Sprache und Bewusstsein. Diese Abläufe auf höchster Ebene beruhen vor allem auf dem Neokortex.

Um die Funktion des Neokortex zu verstehen, müssen Sie die Funktionsweise tieferer Hirnstrukturen verstehen, mit denen er in Wechselwirkung steht. Diese tieferen Hirnstrukturen, wie der Thalamus und der Hippocampus, sind Ergebnisse der Evolution. Tiere, die der Entwicklung des Menschen vorausgegangen sind (beispielsweise wechselwarme Tiere) und keinen großen Neokortex besitzen, kommen ganz gut zurecht. Der Neokortex ist also die Erweiterung eines Systems, das bereits sensorische Reize verarbeiten und eine darauf angemessene Reaktion erzeugen kann.

Es stellt sich die Frage, ob der Neokortex so komplexe Funktionen wie Sprache und Bewusstsein ermöglicht, weil er eine bestimmte Größe besitzt oder ob seine Struktur und Organisation einfach so einzigartig sind.

Das Gehirn übernimmt das Kommando

Viele Neurowissenschaftler unterteilen das Tierreich in Säugetiere, Wirbeltiere, die nicht zu den Säugetieren zählen, und die Wirbellosen (Tiere ohne Wirbelsäule). Hier bekommen Sie einen kleinen Überblick über diese Kategorien:

Wirbellose : Die entwicklungsgeschichtlich ältesten vielzelligen Tiere sind die Wirbellosen. Dazu gehören beispielsweise Weichtiere, Würmer und Insekten. Sie stellen den größten Teil aller Tierarten. Die Wirbellosen haben Neuronen, die einige Ähnlichkeiten mit den Neuronen der Wirbeltiere aufweisen, doch ihre Nervensysteme unterscheiden sich deutlich voneinander. Einige Wirbellose besitzen ein großes Gehirn oder sind sehr anpassungsfähig. Eine Besonderheit sind Weichtiere wie der Oktopus, die Forscher immer wieder mit ihren Fähigkeiten überraschen. Oktopusse sind sehr einfallsreich, wenn sie an Nahrung kommen wollen, die sich in verschlossenen Kästen befindet.

Wirbeltiere , die nicht zu den Säugetieren zählen: Diese Tiere stehen den Säugetieren viel näher. Dazu gehören Reptilien (Krokodile), Amphibien (Frösche), Fische, Vögel und vermutlich auch die Vorgänger der Vögel, die Dinosaurier. Diese Wirbeltiere besitzen relativ zentralisierte Gehirne, die viele Strukturen aufweisen, die man auch bei Säugetieren findet. Dazu gehören der Hirnstamm, das Kleinhirn und die Colliculi inferiores und superiores (untere und obere Hügelchen). Diese Strukturen unterscheiden sich deutlich von denen der Wirbellosen.

Säugetiere : Die Säugetiere entwickelten sich zu der Zeit, als noch Dinosaurier die Erde bevölkerten. Bis diese vor 65 Millionen Jahren ausstarben, gehörten die Säuger nicht zu den dominierenden Landtieren. Das Nervensystem der verschiedenen Säugetiere ähnelt sich untereinander wesentlich stärker, als das bei den Wirbeltieren, die nicht zu den Säugern zählen, der Fall ist. Der größte Unterschied zwischen den Gehirnen dieser beiden Gruppen ist der Neokortex.

Alles über den Neokortex

Wie bereits erwähnt, unterscheiden sich die Gehirne von Säugetieren und Wirbeltieren, die nicht zu den Säugern zählen, vor allem durch den Neokortex. Vor den Säugetieren hatten Gehirne viele hochspezialisierte Bereiche mit unterschiedlichen Nervenzellarten und neuronalen Schaltkreisen, die unterschiedliche Aufgaben besaßen. Bei den Säugetieren bildete sich ein einheitlicher neokortikaler Schaltkreis, der sich ausbreitete und die höchste Ebene in der Hierarchie des zentralen Nervensystems übernahm. Die Primaten und ganz besonders der Mensch haben diese Dominanz des Neokortex dann auf die Spitze getrieben.

Die vier Hauptlappen des Gehirns und ihre Funktionen

Das Erste, was man beim Studium der Neuroanatomie von Säugetieren lernt, ist, dass der Neokortex des Gehirns aus vier Lappen besteht: frontal, parietal, okzipital und temporal. In Abbildung 13.1 sehen Sie den allgemeinen Aufbau des Neokortex (von der linken Seite aus). (Blättern Sie noch einmal zu Kapitel 2, um sich in groben Zügen die Anatomie des Gehirns anzusehen.) Nahezu alles, was Sie sehen können, gehört zum Neokortex (außer einem Stück des Kleinhirns, das unter dem Okzipitallappen hervorschaut.)

Abbildung 13.1: Die vier Hauptlappen des Gehirns

Im Folgenden möchte ich Ihnen eine kurze Übersicht über die Funktionen der vier Lappen geben:

Frontal: Alle Säugetiere besitzen einen Frontallappen. In den vorderen Bereichen findet die allgemeine Planung und Koordination statt. Im hinteren Bereich befindet sich der Motorkortex. Die Tatsache, dass das olfaktorische System, das für das älteste neokortikale System bei den Säugetieren gehalten wird, seine Informationen direkt auf den Frontallappen projiziert, ohne über den Thalamus zu laufen, legt die Vermutung nahe, dass es sich beim frontalen Neokortex um den entwicklungsgeschichtlich ältesten Teil handelt.

Parietal: Der Parietallappen enthält die primären und sekundären sensorischen Bereiche der somatosensorischen Wahrnehmung und die sekundären sensorischen Bereiche der visuellen und auditiven Signalverarbeitung. Insbesondere die Prozesse, die mit der räumlichen Orientierung und Steuerung in Verbindung stehen, laufen hier ab.

Okzipital: Der Okzipitallappen besteht aus dem primären visuellen Kortex und aus Teilen sekundärer visueller Areale. Es ist der einzige Hirnlappen, der nur mit der Verarbeitung eines Sinnes beschäftigt ist.

Temporal: Der Temporallappen besteht aus dem primären und einigen sekundären auditiven Arealen. Außerdem ist er an der Verarbeitung visueller Informationen beteiligt und nimmt am Erkennen von Objekten teil. Sein mittlerer Anteil beherbergt einige visuelle Bereiche der obersten Ebene. Dazu gehört ein Areal, das Zellen enthält, die darauf spezialisiert sind, ausschließlich Gesichter zu erkennen.

Der Neokortex besteht bei allen Säugetieren aus vier Hirnlappen. Doch ihre Größe variiert von Art zu Art. Bei einigen kleinen Säugetieren scheint ein Neokortex auszureichen, der einfach die restlichen subkortikalen Bereiche überzieht, sodass die Hirnrinde ganz glatt und ohne Falten ist. Da die Größe des Neokortex bei komplexen Gehirnen stark zunimmt, wird er »gefaltet«, um trotz der Größe in den Schädel zu passen. So entstanden die Furchen (Sulci) und Windungen (Gyri).

Die graue und weiße Substanz

Die Struktur des Neokortex kann man mit einem gefalteten Tuch vergleichen. Die äußeren drei bis vier Millimeter dieses Tuches bilden die graue Substanz. Sie enthält viele Nervenzellkörper, die dunkler sind als ihre Axone und ihr die graue Farbe verleihen. Unterhalb der grauen Substanz befindet sich die weiße Substanz, die fast ausschließlich aus den Axonen der Nervenzellen besteht, die vom Neokortex zu den subkortikalen Strukturen (und zurück) und von einem Bereich des Neokortex zu einem anderen verlaufen. Abbildung 13.2 zeigt die graue und weiße Substanz.

Abbildung 13.2: Graue und weiße Substanz des Neokortex

Konnektivität

Die Dicke der grauen Substanz ist mit drei bis vier Millimetern bei allen Großhirnrinden von der Maus bis zum Elefanten gleich. Doch abhängig von der Größe des Gehirns unterscheidet sich die Menge der weißen Substanz. Je größer ein Gehirn, umso dicker ist die weiße Substanz.

Stellen Sie sich vor, das Gehirn wäre so aufgebaut, dass jedes Neuron direkt mit jedem anderen Neuron verbunden ist (universelle Konnektivität). Wie Sie in Abbildung 13.3 sehen, ist das nicht schwer, wenn es nur wenige Neuronen gibt. Doch wenn die Anzahl der Nervenzellen steigt, vermehrt sich die Zahl der Axone (Verbindungen) drastisch. Ein konkretes Beispiel: Sagen wir, Sie fügen Ihrem Gehirn, das bereits aus etwa 100 Milliarden Neuronen besteht, genau ein Neuron hinzu. Um das eine Neuron nun mit allen anderen zu verbinden, würden noch einmal 100 Milliarden Axone hinzukommen.

Abbildung 13.3: Die Zunahme der Axone mit mehr Nervenzellen

Aus diesem Grund kann das Gehirn nicht nach dem Prinzip der universellen Konnektivität aufgebaut sein. Bei einem Gehirn, das einige Millionen Neuronen besitzt, würde die weiße Substanz sonst die Größe eines Hauses haben.

Natürlich ist es trotzdem für jedes Neuron erstrebenswert, mit anderen Neuronen in Kontakt zu treten. Die Aktivität in einem isolierten Neuron wäre nur eines: isoliert und nicht sehr nützlich.

Das Gehirn löst dieses Problem, indem es das Kleine-Welt-Schema benutzt. Dabei ist jedes Neuron mit einigen Tausend anderen Neuronen verbunden. Die dichtesten Verbindungen bestehen zu den benachbarten Nervenzellen. So müssen die Axone nicht so lang sein.

Minikolumnen und die Six-degrees-of-separation-Regel

Wie bereist erwähnt, ist jedes Neuron nur mit einigen Tausend anderen Neuronen verbunden und die dichtesten Verbindungen hat es zu den benachbarten Nervenzellen. Diese benachbarten Zellen funktionieren wie ein Freundeskreis und folgen dem Six-degrees-of-separation-Prinzip, das einfach ausgedrückt besagt, dass jeder jeden über sechs Ecken kennt.

So funktioniert dieses Prinzip: Jemand in Ihrem Freundeskreis kennt jemanden in einer Gruppe, die sich etwas näher an der »Zielperson« befindet. Der wiederum kennt jemanden, der wieder etwas näher ist, der wiederum kennt jemanden ... Sie verstehen, wie das gemeint ist. Durch diese Verbindungsserie können Sie mit jedem anderen auf der Welt in Kontakt treten. Ihr Neokortex funktioniert nach dem gleichen Prinzip.

Diese kleinen Gruppen werden im Kortex als Minikolumnen bezeichnet. Sie bestehen aus etwa 100 Neuronen in einer vertikalen Kolumne (Säule), deren Oberfläche etwa 40 Quadratmikrometer beträgt. Der gesamte Neokortex besitzt schätzungsweise 100 Millionen Minikolumnen.

Es ist sehr wahrscheinlich, dass die Aktivität in einer Minikolumne die Aktivität jeder anderen Minikolumne beeinflussen kann, wenn das Signal über sechs oder weniger Synapsen weitergeleitet wurde. Das gestattet Ihrem Gehirn, das aus 100 Milliarden Neuronen besteht, die Axon-Zahl deutlich zu beschränken, damit Ihr Kopf kleiner ist als die große Pyramide von Gizeh.

Die sechs Schichten der Großhirnrinde

Ein besonderes Kennzeichen des Neokortex ist der sechsschichtige Aufbau. In Abbildung 13.4 sind diese Schichten schematisch dargestellt. Die Zellen, die Sie sehen, sind Pyramidenzellen, die ihren Namen der dreieckigen Form ihres Zellkörpers verdanken. (Beachten Sie, dass in der Abbildung die vielen anderen Interneuronen, die an den lokalen Schaltkreisen beteiligt sind, nicht dargestellt wurden.)

Abbildung 13.4: Die sechs Schichten des Neokortex (Hinweis: Interneuronen sind nicht dargestellt.)

Die Aufgabe der Pyramidenzellen

Die Pyramidenzellen erhalten und senden Signale sowohl außerhalb als auch innerhalb der Minikolumnen. Sie besitzen direkt unter dem Zellkörper horizontale Dendriten und einen Dendriten, der am oberen Ende des Zellkörpers entspringt und bis in eine höhere Kortexschicht reicht. Dort verzweigt er sich wieder horizontal.

Die sechs Schichten des Neokortex sind nummeriert von Schicht I bis VI, beginnend an der kortikalen Oberfläche, und bilden die graue Substanz des Kortex. Unterhalb der grauen Substanz liegt die weiße Substanz, die fast keine Zellkörper enthält und aus den Axonen der Nervenzellen besteht. Unterhalb der weißen Substanz befinden sich die subkortikalen Strukturen.

Den sechsschichtigen Aufbau des Neokortex finden wir von der Maus bis zum Elefanten. Diese Tatsache hat die meisten Neurowissenschaftler sehr erstaunt. In diesen sechs Schichten befinden sich die großen, lang gestreckten Pyramidenzellen und zahlreiche Interneuronen (Neuronen, die lediglich an lokalen Schaltkreisen beteiligt sind).

Und so sieht der sechsschichtige Aufbau aus:

Schicht I: Die Schicht I ist der Kortexoberfläche am nächsten und erhält modulatorischen Input, der die Reaktion in Schicht VI beeinflusst. Dieser modulatorische Input kommt von diffus projizierenden Neurotransmittersystemen (wie den biogenen Aminen im Hirnstamm: Dopamin, Noradrenalin, Histamin und Serotonin) und von anderen kortikalen Arealen.

Schicht II: Diese Schicht enthält kleine Pyramidenzellen, die Input von Schicht VI erhalten und Informationen auf benachbarte Rindenregionen projizieren.

Schicht III: Die Pyramidenzellen dieser Schicht erhalten Informationen von modulierenden Bereichen des Hirnstamms und von anderen kortikalen Bereichen und senden Informationen an andere Rindenareale.

Schicht IV: Diese Schicht erhält hauptsächlich Informationen vom Thalamus. Die Pyramidenzellen in dieser Schicht projizieren Informationen lokal an andere Schichten, hauptsächlich Schicht V.

Schicht V: Die Pyramidenzellen in Schicht V erhalten Informationen aus der Schicht IV. Ihre Axone reichen über eine größere Strecke und bilden Verknüpfungen zu tiefer gelegenen Hirnregionen, wie beispielsweise dem Rückenmark.

Schicht VI: Die Pyramidenzellen dieser Schicht erhalten Input vom Thalamus und projizieren Signale auf andere kortikale Schichten. Hauptsächlich schicken sie ihre Signale jedoch zum Thalamus.

Begrüßt den Neokortex!

Der Neokortex scheint entwicklungsgeschichtlich einer der wichtigsten Schritte für die Säugetiere zu sein, denn er ermöglicht es ihnen, sich an veränderte Umweltbedingungen anzupassen. Ein offensichtlicher Vorteil besteht darin, dass ein Areal des Neokortex, das eine bestimmte Funktion hat, seine Größe leicht zugunsten einer anderen Funktion verschieben kann, wenn besondere Bedingungen das notwendig machen.

Nehmen Sie beispielsweise an, dass ein Säugetier sich primär visuell orientiert. Doch aufgrund von veränderten Umweltbedingungen muss es sich plötzlich mehr auf akustische Signale verlassen, um zu überleben. Die visuellen und akustischen Signale des Thalamus liegen auf dem Kortex eng beieinander und konkurrieren um kortikale Synapsen. Diese Konkurrenzsituation, bei der die thalamische Aktivität, die Aufmerksamkeit und andere Faktoren eine Rolle spielen, ermöglicht es dem Säugetier, die kortikale Verarbeitung von visuell auf akustisch umzuschalten.

Gedanken kontrollieren: Sensorische Leitungsbahnen und Hierarchien

Gedanken entspringen aktuellen und vergangenen Wahrnehmungen. Vergangene Stimuli haben ihre Spuren im Gedächtnis nicht nur als Objekte und Ereignisse hinterlassen, sondern auch als Bahnen im Gehirn, über die Reize verarbeitet werden. Sinnesreize werden in Aktionspotenziale umgewandelt, die den Thalamus bombardieren. Die Kerngebiete des Thalamus leiten die Signale dann abhängig vom Sinnesorgan an unterschiedliche Bereiche des Kortex weiter.

Wenn Sie sich erinnern, dann erinnern Sie sich nicht nur daran, welche Dinge dort waren, sondern Sie erinnern sich auch an Farben und Formen, daran, wo Sie waren, als Sie ihnen begegnet sind, und was Ihnen diese Dinge bedeuten. Die neuronale Darstellung all dieser Aspekte entsteht in verschiedenen Hirnregionen. Um sich daran zu erinnern, welche Aspekte zu welchen Dingen gehören, müssen diese Verbindungen gespeichert werden. Diese Verbindungen sind ähnlich wie die Striche, mit denen die Sterne in Sternzeichen verbunden werden, damit man erkennt, welche Sterne zusammengehören. Anfänglich werden diese Verbindungen im Arbeitsgedächtnis im seitlichen Präfrontalkortex gespeichert. Doch durch die Wechselwirkung des Hippocampus und der sensorischen Rindenareale gelangen sie dauerhaft in unser Gedächtnis.

Dieser Abschnitt beschäftigt sich mit der Organisation der sensorischen Verarbeitungshierarchie, die es in jedem der vier Hirnlappen gibt, und der Wechselwirkung zwischen Hippocampus und Hirnrinde, die für unser Gedächtnis wichtig ist. Die Hirnrinde verarbeitet verschiedene Aspekte jedes Sinnes. Außerdem stehen die verschiedenen Bereiche der Hirnrinde untereinander und mit entwicklungsgeschichtlich älteren subkortikalen Bereichen in Kontakt, um unsere Umwelt und uns selbst in dem zu repräsentieren, was wir Intelligenz und Bewusstsein nennen.

Sensorische Verschaltungen vom Thalamus zum Kortex

Neurowissenschaftler vermuten, dass der Thalamus, der einst ein sensorischer Kern zur Verarbeitung, Integration und Aufmerksamkeitskontrolle war, damit begann, Informationen zum Neokortex zu schicken, um diese dort zusätzlich verarbeiten zu lassen.

Der Parietal-, der Temporal- und der Okzipitallappen erhalten sensorische Informationen von Kerngebieten des Thalamus. Diese Bereiche führen eine massive kortikale Verarbeitung durch, deren Ergebnisse auf andere Bereiche der Hirnrinde, zurück zum Thalamus und auf subkortikale Strukturen projiziert werden, die am Gedächtnis, der motorischen Kontrolle und Koordination und an der Auswahl von Zielen beteiligt sind.

Projektion vom Thalamus zum primären Kortex aller Sinnesorgane

Sensorische Reize werden typischerweise so verarbeitet, dass ein Bereich des Thalamus, der für den jeweiligen Sinn verantwortlich ist, auf ein Rindengebiet, das für diesen Sinn den primären Kortex darstellt, projiziert. Der primäre visuelle Kortex wird V1 genannt und befindet sich auf dem Okzipitallappen (siehe Kapitel 5). Entsprechend dazu gibt es A1, die primäre Hörrinde. Sie liegt in der Mitte des oberen Teils des Temporallappens (siehe Kapitel 6). Ein Sonderfall ist der Geruchssinn. Der Riechkolben projiziert die Informationen direkt auf den Frontallappen, der sie dann weiter zum Thalamus schickt (siehe Kapitel 7).

Projektion zurück zum Thalamus und zu anderen Rindenregionen

Jedes der primären kortikalen Areale projiziert zurück zur gleichen Region des Thalamus, der die Informationen zur Großhirnrinde geschickt hat. Doch sie schicken Informationen auch an sekundäre oder tertiäre Areale innerhalb der Hirnrinde. Auch sie senden Informationen wieder zu den Bereichen zurück, von denen sie sie erhalten haben. Die Nervenzellen in den »höheren« Arealen reagieren weitaus selektiver auf Reize als die Neuronen in »niedrigeren« Arealen. Ein Beispiel: Im primären visuellen Kortex sind die Zellen selektiv für die Orientierung und Richtung, doch im inferioren temporalen Kortex befinden sich Zellen, die ausschließlich auf Gesichter, Hände oder andere komplexe Muster reagieren.

Abbildung 13.5 veranschaulicht an einem Beispiel, welche Verarbeitungsprozesse ablaufen, wenn Sie den Satz »Verwenden Sie ein Ei« lesen. Sagen wir, Sie lesen das Wort »Ei«. Frühzeitig erkennen Neuronen im visuellen Kortex Linien, die in verschiedene Richtungen laufen. Im inferioren temporalen Kortex werden die Linienkombinationen (in Abbildung 13.5 hervorgehoben), aus denen die Buchstaben bestehen, erkannt. Die Worterkennung auf der nächsten Ebene aktiviert die dazu passenden Buchstaben.

Abbildung 13.5: Reziproke Verarbeitung beim Lesen

Obwohl von den niedrigeren zu den höheren Verarbeitungsebenen eine Hierarchie besteht, verlaufen die Verbindungen zwischen den Ebenen in beide Richtungen. Diese Rück- und Vorwärtsmeldung besteht zwischen den Bereichen, die in der Hierarchie direkt über- beziehungsweise untereinander liegen. Doch es bestehen auch Verbindungen zum Arbeitsgedächtnis im Frontallappen, das Informationen über die Aufgabe, die Sie gerade ausführen (lesen) und den Kontext (ein Kuchenrezept) enthält. Die Verbindungen zum Hippocampus verknüpfen, was Sie gerade lesen und in welchem Rahmen Sie das tun. So können Sie sich erinnern, dass Sie diesen Text heute gelesen haben.

Vernetzung des Thalamus

Der Thalamus ist wie ein Rad, dessen Speichen zu vielen kortikalen Bereichen und zurück verlaufen. Zusätzlich hat der Thalamus Bereiche zwischen den Kerngebieten. Sie ähneln den retikulären Bereichen des Hirnstammes und steuern die Informationsübertragung von den Kerngebieten des Thalamus zum Kortex. Wenn Sie beispielsweise hören, wie in Ihrem Haus ein Fenster zu Bruch geht, während Sie ein Buch lesen (und Sie sich auf die visuellen Informationen, die damit in Verbindung stehen, konzentrieren), wird Ihre Konzentration sofort auf den akustischen Bereich umschalten.

Zusätzlich zu diesen retikulären Bereichen gibt es innerhalb des Thalamus einen zentralen Kern, der als Pulvinar bezeichnet wird. Untersuchungen haben gezeigt, dass das Pulvinar fast immer aktiviert wird, wenn Sie Ihre Aufmerksamkeit umschalten müssen.

Der Hippocampus: Spezialisiert auf das Gedächtnis

Rufen Sie sich etwas in Erinnerung, das Sie erst kürzlich getan haben (zum Beispiel, dass Sie gestern Abend nach Hause gefahren sind). Sie können sich an die Reihenfolge der Ereignisse erinnern, vom Einsteigen ins Auto bis zur Ankunft zu Hause. Außerdem erinnern Sie sich an viele Anblicke, Geräusche und vielleicht sogar Gerüche, die Ihnen auf der Fahrt begegnet sind. Wenn ich Sie darum bitten würde, könnten Sie ein Bild von den Orten zeichnen, an denen Sie vorbeigekommen sind. Oder Sie könnten beschreiben, was Sie gehört haben.

Um sich etwas ins Gedächtnis zu rufen, müssen Sie eine geistige Darstellung davon bilden, was und in welchem Zeitrahmen Sie es gestern Abend auf Ihrer Heimfahrt erlebt haben. Nur so können Sie diesen Abend von anderen Abenden unterscheiden. Diese Art von Gedächtnis wird episodisches Gedächtnis genannt. Es besteht nicht nur aus einem bestimmten Inhalt (die Dinge, an die Sie sich erinnern), sondern auch aus dem Kontext (den besonderen Umständen, in denen Sie diese Dinge erlebt haben).

Wie funktioniert das Gedächtnis? Das war eine der bedeutendsten Fragen, die sich Neurowissenschaftler im 20. Jahrhundert stellten. Jetzt, zu Beginn des 21. Jahrhunderts, ist schon klarer, wie diese Antwort aussehen könnte. Um sich zu erinnern, müssen viele Hirnstrukturen aktiviert werden (visueller, auditiver und somatosensorischer Kortex), die auch die originalen sensorischen Informationen verarbeitet haben. Das Gedächtnis wird vom Hippocampus aktiviert und zeigt sich durch die Aktivität der Neuronen des Arbeitsgedächtnisses im seitlichen Präfrontalkortex.

Der Hippocampus befindet sich im Temporallappen, seitlich unterhalb des Thalamus, und gehört nicht zum Neokortex. Der Hippocampus ist entwicklungsgeschichtlich viel älter und gehört zum limbischen System. Er erhält Informationen vom gesamten Neokortex und projiziert auch auf diesen zurück.

Um noch mehr darüber zu erfahren, welche Rolle der Hippocampus beim Gedächtnis spielt, lesen Sie Kapitel 15.

Die Gehirnhälften

Die rechte und linke Gehirnhälfte sind in Größe und Mikrostruktur nahezu identisch. Die linke Gehirnhälfte erhält Informationen der rechten Körperhälfte und die rechte Hirnhälfte kontrolliert die linke Körperhälfte. Abgesehen davon scheint es zwischen beiden Seiten Unterschiede in der Informationsverarbeitung zu geben. Dazu gehört die Spezialisierung der linken Hirnhälfte auf grammatikalische Aspekte der Sprache und der rechten Gehirnhälfte auf ganzheitliche Aspekte der visuell-räumlichen Informationsverarbeitung.

Spezialisiert auf Sprache

Sprache ist eine ausgeklügelte Kommunikationsart. Sie ist nicht identisch mit dem, was Tiere tun, wenn sie durch Laute kommunizieren. Der wesentliche Unterschied zur Sprache ist, dass die Kommunikation der Tiere keine Grammatik besitzt.

Die grammatikalischen Regeln der Sprache ermöglichen, verglichen mit der Anzahl der zur Verfügung stehenden Wörter, nahezu unendlich viele Nachrichten, die übermittelt werden können.

Bei fast allen Rechtshändern und etwa der Hälfte der Linkshänder hängt die Sprache mehr von Strukturen der linken Gehirnhälfte ab (die gleichen Areale der rechten Gehirnhälfte spielen bei diesen Funktionen eine viel geringere Rolle). Die Wissenschaft konnte noch nicht klären, warum das so ist. Einige Fachleute vermuten, dass die für das Sprechen nötige Geschwindigkeit der neuronalen Verarbeitung der Grund dafür ist, dass die Sprache auf einer Gehirnhälfte angesiedelt ist.

Es ist unklar, ob die linke Gehirnhälfte, die zum größten Teil für die Sprache zuständig ist, zufällig auch die dominante rechte Körperseite der Rechtshänder kontrolliert. Wäre das kein Zufall, könnte eine Verbindung zwischen der Verarbeitung der Geräuschabfolgen, die beim Sprechen entstehen, und der Steuerung einer geschickten Bewegungskoordination der dominanten Körperseite bestehen. Populärwissenschaftliche Veröffentlichungen haben in den 80er Jahren bei der Diskussion über die Spezialisierung der jeweiligen Gehirnhälften viel durcheinandergeworfen. Viele Studien konnten mittlerweile beweisen: Die linke Gehirnhälfte arbeitet nach dem Sequenzprinzip. Informationen werden analysiert, geordnet und besitzen eine bestimmte Reihenfolge. Die rechte Gehirnhälfte ist eher für die Mustererkennung zuständig.

Menschen sind nicht nur einzigartig, weil sie sprechen können, sondern auch weil Dreiviertel von ihnen Rechtshänder sind. Auch bei Schimpansen kann man erkennen, dass sie eine Hand bevorzugen, doch bei ihnen findet man eine gleichmäßige Verteilung zwischen Rechts- und Linkshändern.

Zwei Bereiche sind für die Sprachverarbeitung und Sprachproduktion ganz besonders wichtig: Das Wernicke- und das Broca-Areal. Eine Schädigung in diesen Bereichen kann zu Sprachstörungen führen.

Wernicke-Areal

Das Wernicke-Areal befindet sich am Übergang vom Temporal- zum Parietallappen. Es ist wichtig für das Sprachverständnis.

Eine Schädigung des Wernicke-Areals führt dazu, dass die Betroffenen Probleme haben, Sprache zu verstehen. Abhängig vom Ort und Ausmaß der Schädigung können Betroffene ganz spezielle Teile der Sprache nicht mehr verstehen und verwenden (beispielsweise Substantive oder nur bestimmte Substantive, wie die Bezeichnungen von Gemüsesorten) oder es ist zum totalen Verlust des Sprachverständnisses gekommen.

Die Betroffenen scheinen flüssig zu sprechen. Doch sie reihen lediglich zufällig nicht existierende Worte aneinander (man bezeichnet das auch als »Wortsalat«). Wenn Sie Betroffene hören, die in einer Ihnen unbekannten Fremdsprache sprechen, können Sie nur schwer erkennen, dass da etwas nicht stimmt.

Neurowissenschaftler wollten natürlich auch wissen, welche Aufgaben die Hirnareale der rechten Gehirnhälfte haben, die dem Wernicke- und Broca-Areal der linken Seite entsprechen. Klinische Beobachtungen haben ergeben, dass die Schädigung der rechten Gehirnhälfte in einem Bereich, der auf der linken Seite dem Wernicke-Areal entspricht, dazu führt, dass Patienten den Tonfall oder Satzrhythmus nicht mehr erkennen können. Das macht es ihnen beispielsweise unmöglich, sarkastische Untertöne wahrzunehmen. Außerdem verstehen sie Späße oft nicht mehr.

Broca-Areal

Das Broca-Areal liegt im Frontallappen in der Nähe der Region des primär-motorischen Kortex, der die Zunge, die Lippen und andere Teile des Sprachapparates kontrolliert. Es ist für das Verständnis von komplexen Aussagen und für die Produktion komplexer und flüssiger Sprache wichtig.

Patienten mit einer Schädigung im Broca-Areal sprechen in kurzen Wortfolgen. Meist bilden sie Zwei- oder Dreiwortsätze und verwenden nur noch einzelne Verben. Außerdem verfügen sie über eine eingeschränkte Grammatik.

Asymmetrie bei der Verarbeitung visueller Informationen

Eine Hypothese besagt, dass die linke Gehirnhälfte eher Details verarbeitet, wahrend die rechte Seite eher für die allgemeine Struktur zuständig ist. Dazu habe ich ein ganz persönliches Beispiel für Sie: Ich habe viele Jahre lang einen Bart getragen und ihn dann einfach abrasiert. In den Wochen danach haben mich zwar alle, die mich kannten, auch wiedererkannt, aber sie machten so verwunderte Bemerkungen wie: »Du siehst irgendwie anders aus. Hast du abgenommen oder einen neuen Haarschnitt?« Wenn das Erkennen meiner Identität eine Funktion der rechten Gehirnhälfte war, dann hat sie das allgemeine Muster erkannt (sie wusste, dass ich es war) und die Details ignoriert (der Bart war ab).

Details sind bei vielen Arten der visuellen Analyse natürlich wichtig. Doch das benötigt eine gewisse Aufmerksamkeit. Ein normaler Zuschauer kann vielleicht sagen, ob er ein Gebäude schön findet oder nicht. Aber ein Architekt würde wissen, dass die Fenster in diesem oder jenem Stil oder dass das Dach nach diesen oder jenen Grundsätzen gebaut worden ist und so weiter.

Wo das Bewusstsein wohnt

Eine der größten Fragen der Philosophie, der Psychologie und der Neurowissenschaften beschäftigt sich damit, wie sehr Bewusstsein und Sprache miteinander verbunden sind. Auch wenn ich diese Diskussion bereits an anderer Stelle in diesem Buch aufgegriffen habe, können die Erkenntnisse über die rechte und linke Gehirnhälfte ein weiterer Schritt sein, um darauf eine Antwort zu finden.

Die Sprache unterscheidet den Menschen von den Tieren. Sprache ist mehr als nur Kommunikation. Es ist ein symbolhaftes System, das auf einer Grammatik beruht, die bestimmten Regeln folgt. Spezialisierte Gehirnregionen, meist besonders auf der linken Gehirnhälfte, sorgen dafür, dass wir Sprache verstehen und produzieren können. Eine Schädigung dieser Areale kann zu verschiedensten Sprachstörungen führen.

Sprache und Schädigung der rechten oder linken Hirnhälfte

Das menschliche Gehirn ist etwa doppelt so groß wie das eines Schimpansen. Das bedeutet, dass eine menschliche Gehirnhälfte der Größe eines Schimpansengehirns entspricht. Menschen, bei denen der größte Teil der linken Gehirnhälfte nach ihrer Kindheit zerstört wurde, sind schwer behindert. Sie können nicht kommunizieren oder zusammenhängend auf sensorische Reize reagieren.

Roger Sperry und Michael Gazzaniga (und andere Kollegen) studierten Split-Brain-Patienten. Bei diesen Patienten sind die beiden Hirnhälften nicht durch die Brücke miteinander verbunden. In ihren Untersuchungen präsentierten sie der rechten Gehirnhälfte Reize (die Informationen konnten also nicht zur linken Gehirnhälfte übertragen werden). Sie stellten fest, dass das Sprachvermögen der rechten Seite etwas besser zu sein schien als das der Schimpansen.

Andererseits schienen Patienten mit einer schweren Schädigung der rechten Hirnhälfte oder Split-Brain-Patienten, denen man für die linke Gehirnhälfte Stimuli präsentierte, über ganz normale kognitive Fähigkeiten zu verfügen. Anders sah es da bei Aufgaben aus, die eine visuelle Verarbeitung benötigten. Dort schnitten die Patienten eher schlecht ab.

Man kann also sagen, wenn jemandem nur seine linke Gehirnhälfte zur Verfügung steht, dann ist er nicht so gut darin, Aufgaben zu lösen, bei denen man eine räumliche Vorstellungskraft benötigt. Steht nur die rechte Hirnhälfte zur Verfügung, sind die Behinderungen schwerwiegend.

Allem einen Sinn geben

Wir Menschen sind einzigartig, weil wir eine linke Gehirnhälfte besitzen, die ständig versucht, der Welt einen Sinn zu geben, indem sie Sprache benutzt. Wir fassen alles, was uns passiert, die Rolle, die wir dabei spielen, und was wir tun, in Worte.

Der größte Teil des menschlichen Bewusstseins ist mit der Geschichte verbunden, die unsere linke Gehirnhälfte entwirft. Ohne diesen »Geschichtenerzähler« gäbe es zwar noch die Wahrnehmung, doch sie wäre wie die von Tieren, nämlich eher semantisch als episodisch. Alle Tiere lernen, was gut und was schlecht für sie ist. Doch sie besitzen kein Gedächtnis für bestimmte Umstände, in denen sie die guten oder schlechten Dinge vorfinden. Ihre Wahrnehmung von gut und schlecht steht in keinem Kontext.

Dass unsere linke Gehirnhälfte allem einen Sinn gibt, heißt nicht automatisch, dass die rechte Gehirnhälfte nichts mit unserem Bewusstsein zu tun hat. Doch unsere linke Gehirnhälfte ist allein dazu in der Lage, unser Bewusstsein und die Erinnerung an den Kontext aufrechtzuerhalten. Dieser Gedanke legt nahe, dass Bewusstsein nicht nur die »erinnerte Gegenwart«, sondern die »Gegenwart, an die sich in Worten erinnert wird« ist.

14

Das exekutive Gehirn

In diesem Kapitel ...

Lernen, wie der Neokortex sich entwickelt hat

Das Arbeitsgedächtnis verstehen: Wie es funktioniert und welche Grenzen es hat

Die Rolle, die der Präfrontalkortex bei Entscheidungen spielt

Den Fortschritt messen: Der vordere Teil des Gyrus cinguli

Komplexe Bewegungen, die keine bewusste Wahrnehmung erfordern, verstehen

Der Hauptunterschied zwischen den Gehirnen von Säugetieren und den Wirbeltieren, die nicht zu den Säugern gezählt werden, ist die Größe des Neokortex. Dieser ist bei den Säugetieren deutlich größer. Den größten Neokortex pro Kilo Körpergewicht haben Primaten. Menschen besitzen wiederum einen proportional größeren Neokortex als andere Primaten. Beim Menschen fand die Vergrößerung des Neokortex vor allem im Bereich des Frontallappens statt.

Wegen unseres großen Frontallappens können wir Menschen Pläne machen, die von komplexen Aspekten der momentanen Situation abhängen und die lange Zeit andauern können. Wenn ein Mensch beispielsweise am Boden einen Stein bewegen möchte, kann er das mit dem rechten oder linken Fuß, mit der rechten oder linken Hand tun. Er kann einen Stock benutzen oder jemanden, der in seiner Nähe steht, fragen, ob er das für ihn macht. Er kann beschließen, es sofort, erst in zehn Minuten oder am Morgen, wenn es kühler ist, zu tun. Oder er wartet, bis ein paar Leute vorbeikommen, die ihm helfen (auch wenn das einige Tage dauern könnte). Diese abstrakte Zielverfolgung findet im Präfrontalkortex, dem vordersten Teil des Frontallappens, statt.

In diesem Kapitel erfahren Sie, wie sich der Neokortex entwickelt hat und was in der präfrontalen Region, dem seitlichen Präfrontalkortex und dem Orbitofrontalkortex geschieht. Ich werde mich auch den Aufgaben des Gyrus cinguli widmen. Das ist ein Bereich, der nicht zum Neokortex gehört, aber mit ihm in Wechselwirkung steht und eine wichtige Rolle dabei spielt, dass wir uns dessen, was und wie wir etwas tun, bewusst werden.

Das Gehirn, das wir heute haben: Der Neokortex und das Reptiliengehirn

Bevor sich die Säugetiere entwickelt haben, besaßen wechselwarme Wirbeltiere, wie Echsen, Vögel und vermutlich auch die Dinosaurier, nur Ansätze eines Neokortex. Das Verhalten dieser Tiere wurde von den Basalganglien kontrolliert. Bei den Säugetieren arbeiten das Basalganglien-System und der Neokortex zusammen und steuern das Verhalten. Das erlaubt komplexere und erlernte Verhaltensmuster.

Als sich während der Evolution die Säugetiere entwickelten, vergrößerte sich der Neokortex deutlich. Viele Neurowissenschaftler sind der Ansicht, dass die Ausdehnung des Neokortex mit der Zunahme des Geruchssinns begann. Man geht davon aus, dass sich der Geruchssinn steigerte (und sich so der Frontallappen bildete), weil die ersten Säugetiere noch sehr klein waren und Riechen viel nützlicher als Sehen ist, wenn man als kleines Lebewesen im hohen Gras sitzt.

Die anderen Hirnlappen (parietal, temporal und okzipital), die sich danach bildeten, besaßen denselben sechsschichtigen Aufbau, der sich schon im Frontallappen bewährt hatte. (Lesen Sie in Kapitel 13 mehr zur Struktur des Neokortex.) Man weiß allerdings bis heute weder, warum dieser sechsschichtige Aufbau so erfolgreich war, noch warum sich diese sechsschichtige Struktur überhaupt entwickelt hat.

Mein Neokortex ist größer als deiner: Die relative Größe

In Abbildung 14.1 sehen Sie die Seitenansicht des Gehirns verschiedener Tiere (Frosch, Katze, Rhesusaffe und Schimpanse) verglichen mit einem menschlichen Gehirn (die Abbildungen sind nicht maßstabsgetreu).

Abbildung 14.1: Größenvergleich verschiedener Großhirnrinden

Hier bekommen Sie einen kurzen Überblick über die Größe des Neokortex verschiedener Spezies:

Frosch: Beim Frosch und anderen wechselwarmen Tieren scheint das Gehirn nicht viel mehr als eine Erweiterung des Rückenmarks mit ein paar Höckern zur Signalverarbeitung (wie das optische Tectum für das Sehen) zu sein. Frösche haben zusätzlich zum optischen Tectum noch ein Hirnareal, das Cerebrum anterior genannt wird. Doch dieses Cerebrum ist nicht wirklich ein Neokortex. Das Verhalten eines Frosches ist vollkommen stimulusgesteuert. Er frisst, indem er seine Zunge herausschnellen lässt und so herumfliegende Insekten fängt. Doch er verhungert, wenn er von den gleichen Insekten umgeben ist, diese sich aber nicht mehr bewegen, weil sie tot sind.

Katze: Bei der Katze sind nahezu alle subkortikalen Hirnstrukturen, die man bei einem Frosch findet, vom Neokortex überzogen. Doch der Präfrontalkortex ist sehr klein. Katzen sind ziemlich intelligent, doch sie verwenden keine Werkzeuge und ihre Kommunikation beschränkt sich auf maunzen, schnurren und fauchen.

Affen und Schimpansen: Die präfrontalen Hirnareale haben sich bei den Affen ausgedehnt. Viele (nicht alle) Affen leben in komplexen sozialen Gruppen. Innerhalb dieser Gruppen gibt es sowohl bei den Männchen als auch bei den Weibchen klare Hierarchien, die ein geeignetes Verhalten der Gruppenmitglieder notwenig machen. Diese Handlungen können Tage und sogar Wochen andauern. Affen verwenden Werkzeuge, haben unterschiedliche Gesichtsausdrücke und eine große Bandbreite von Lauten, mit denen sie kommunizieren.

Mensch: Beim Menschen gehört etwa die Hälfte der Hirnrinde zum Frontallappen und wieder etwa die Hälfte davon gehört zum präfrontalen Kortex.

Ein Sagittalschnitt durch das menschliche Gehirn (ein Schnitt in der Mitte von vorne nach hinten), wie Sie ihn in Abbildung 14.2 sehen, veranschaulicht, wie der Neokortex gegenüber den subkortikalen Strukturen dominiert. Die Anatomie und Funktion dieser subkortikalen Strukturen gleichen denen der Wirbeltiere, die nicht zu den Säugetieren zählen.

Abbildung 14.2: Der Neokortex, der sich über den älteren Hirnstrukturen gebildet hat

Während der Evolution wurde bei den Säugetieren der Neokortex zu den alten Hirnstrukturen hinzugefügt. Das ist, als würden Sie einen modernen Automotor zusätzlich mit zahlreichen Mikrocomputern ausstatten. Er hat immer noch die Zylinder, Zündkerzen und Motorkolben, doch ihre Funktionen werden jetzt einfach noch feiner aufeinander abgestimmt.

In Abbildung 14.2 können Sie auch den vorderen und hinteren Gyrus cinguli sehen. Denken Sie daran, dass diese Hirnareale nicht zum Neokortex gehören. Sie sind Teil des Mesokortex. Der vordere Teil des Gyrus cinguli ist eine wichtige Steuerzentrale im Gehirn. Mehr darüber erfahren Sie in dem nachfolgenden Abschnitt »Sind wir schon da? Der vordere Teil des Gyrus cinguli«.

Der Präfrontalkortex und die Fähigkeit, Ziele zu verfolgen

Die Größenzunahme des Präfrontalkortex hat dazu geführt, dass die Tiere ihre Ziele viel flexibler verfolgen konnten. Tiere mit einem kleineren Präfrontalkortex oder Menschen, deren Präfrontalkortex geschädigt ist, zeigen ein stärkeres stimulusgesteuertes Verhalten.

Menschen mit einer Schädigung des Präfrontalkortex können ein so genanntes »utilization behavior« aufweisen. Das ist ein Verhalten, bei dem die Reaktion auf ein vorhandenes Objekt darin besteht, es zu benutzen, auch wenn das in der momentanen Situation nicht angemessen ist. Wenn ein Patient, dessen Frontallappen geschädigt ist, einen Hammer und Nägel auf dem Tisch liegen sieht, kann es sein, dass er die Nägel in eine Wand in seiner Nähe schlägt. Die fehlende Beachtung des sozialen Kontextes ist in dieser Situation vergleichbar mit dem Verhalten von Tieren, die auf auslösende Reize wie Futter oder einen Geschlechtspartner mit einem stereotypen Verhalten reagieren.

Der größere Frontallappen erlaubt höher entwickelten Säugetieren wie den Primaten, sich Ziele zu setzen, die den aktuellen Kontext stärker beachten. Unter gewissen Umständen ist es durchaus sinnvoll, Nägel in Wände zu schlagen, in anderen wieder nicht. In Gesellschaften und sozialen Gefügen entstehen komplexe Situationen, in denen feine Unterschiede darüber entscheiden können, ob ein Verhalten angemessen ist oder nicht.

Um auf komplexe und subtile Aspekte einer Situation zu reagieren, muss die Information im Präfrontalkortex irgendwie dargestellt werden. Das bedeutet, dass das Gehirn ein Bild oder Modell von dem, was für die aktuelle Situation relevant ist, erstellen muss. Und es muss dieses Bild auch erhalten, während es gerade andere Stimuli verarbeitet. Die Erhaltung von Bildern relevanter Dinge übernimmt das Kurzzeitgedächtnis. Das liegt im seitlichen Präfrontalkortex, mit dem ich mich im nächsten Abschnitt noch genauer befassen werde.

Arbeitsgedächtnis, Problemlösung und der seitliche Präfrontalkortex

Erinnern Sie sich daran, als Sie das letzte Mal mit Ihren Freunden ein Restaurant für ein Abendessen ausgesucht haben. Das lief vermutlich so ab: Person A sagte, dass sie gerne zum Chinesen oder Italiener gehen würde. Person B erinnerte jeden daran, dass sie Vegetarier sei. Person C mag sowohl Steaks als auch italienisches Essen, war aber gestern gerade erst beim Italiener. Person D war egal, was sie essen, möchte aber nicht zu lange auf einen Tisch warten, falls das Restaurant sehr angesagt ist.

Um solche Probleme zu lösen, brauchen wir das Kurzzeit- oder Arbeitsgedächtnis. Dieses Gedächtnis kann eine Vielzahl wichtiger Fakten oder Gegenstände lange genug im Bewusstsein halten, um das Problem zu lösen. Es wird Kurzzeit- oder Arbeitsgedächtnis genannt, weil sein Inhalt nicht mehr im Gedächtnis bleibt, nachdem die Aufgabe gelöst ist. Die Erinnerung darin wird gelöscht, damit das Kurzzeitgedächtnis sich dem nächsten Problem widmen kann.

Das Arbeitsgedächtnis

Neuronen im seitlichen Präfrontalkortex ermöglichen eine vorübergehende Verbindung zwischen den unterschiedlichen Hirnarealen, die notwendig sind, um sich an etwas zu erinnern.

Jeder Gedanke ist das Ergebnis der Aktivierung bestimmter Neuronen in verschiedenen Bereichen des Neokortex. Projektionen des Neokortex werden zum Frontallappen übertragen. In Abbildung 14.3 können Sie in einer stark vereinfachten Darstellung sehen, wie das funktioniert.

Abbildung 14.3: Neuron des Arbeitsgedächtnisses im seitlichen Präfrontalkortex

Die Verbindungen zwischen den Neuronen des Arbeitsgedächtnisses im Präfrontalkortex und dem restlichen Neokortex bestehen wechselseitig. Ein visueller Reiz aktiviert beispielsweise die Sehrinde. Einige Bereiche der Sehrinde projizieren Informationen auf den Präfrontalkortex und aktivieren dort Neuronen des Arbeitsgedächtnisses. Diese projizieren wiederum zurück zur Sehrinde und aktivieren dort Neuronen. Es besteht eine identische Darstellung des visuellen Reizes, die eher vom Präfrontalkortex als von den Augen ausgeht. So kann die Aktivität der Präfrontalneuronen die Aktivität anderer Rindenareale aufrechterhalten.

Die Aktivität der Nervenzellen, die von den Neuronen des Präfrontalkortex ausgeht, erzeugt einen Zustand im Gehirn, der vergleichbar ist mit dem Zustand, den der Original-Reiz schafft. Nur kann diese Aktivierung für einige Zeit aufrechterhalten werden. Das bedeutet, dass ein Ziel verfolgt werden kann, ohne dass man es ständig im Blick hat.

Joaquin Fuster, Professor für Psychiatrie und Verhaltensforschung, führte ein Experiment durch, bei dem bei einem Affen die Aktivierung der Neuronen im lateralen Präfrontalkortex gemessen wurde, während er eine Gedächtnisaufgabe lösen musste. Der Affe erhielt einen Reiz, der ihm zeigte, welchen Hebel er drücken musste, um eine Belohnung zu bekommen. Doch er musste sich mit dem Drücken des Hebels gedulden, bis er ein Startsignal dafür bekam. Während er auf dieses Signal wartete, musste er sich an den Reiz erinnern, um den richtigen Hebel zu betätigen. Abbildung 14.4 zeigt das Ergebnis dieses Experimentes: Das Neuron im Präfrontalkortex begann zu feuern, sobald der kurze Reiz gegeben wurde. Das hielt auch während des Wartezeitraums an, nachdem der Reiz schon abgeschaltet war. Dabei war es unerheblich, wie lange dieser Wartezeitraum war. Wenn dann das Startsignal gegeben wurde und der Affe den Hebel drückte, hörte das Neuron auf zu feuern. Die Neuronen des Präfrontalkortex beginnen also zu feuern, wenn der Reiz gegeben wird. Sie schicken immer weiter Signale, um die Erinnerung daran aufrechtzuerhalten. Wenn sie nicht mehr benötigt wird, hören sie auf, Signale abzugeben.

Abbildung 14.4: Die Neuronen des Arbeitsgedächtnisses feuern so lange, wie man sich an den Reiz erinnern muss. Danach werden sie abgeschaltet.

Übertragen auf das Beispiel mit dem Abendessen würde das bedeuten: Die Neuronen beginnen zu feuern, sobald Person A, B, C und D damit beginnen, ihre Wünsche zu äußern. Sie feuern weiter während der gesamten Diskussion. Und sie stoppen, wenn sich alle geeinigt haben. Der seitliche Präfrontalkortex verfügt über Millionen Neuronen, die als Arbeitsgedächtnis fungieren.

Die Grenzen des Arbeitsgedächtnisses

Das Arbeitsgedächtnis ist nicht nur von kurzer Dauer, sondern auch seine Leistungen sind begrenzt. Eine durchschnittliche Person kann im Arbeitsgedächtnis maximal sieben Informationseinheiten abspeichern.

Die neuronale Ursache für die Beschränkung auf sieben Einheiten ist der Wissenschaft aus verschiedenen Gründen ein Rätsel. Der folgende Abschnitt betrachtet zwei Aspekte dieses Rätsels etwas genauer.

Man weiß, dass der Mensch sieben Informationseinheiten in seinem Arbeitsgedächtnis speichern kann. Das hat mit den siebenstelligen amerikanischen Telefonnummern zu tun. Die Nummernlänge geht auf die mittlerweile berühmten Studien des Psychologen George Miller zurück, der von der Telefongesellschaft beauftragt wurde, festzustellen, wie viele Ziffern sich eine durchschnittliche Person lange genug merken kann, nachdem sie sie im Telefonbuch gesehen oder von der Auskunft gehört hat, um dann die komplette Telefonnummer zu wählen. Er fand heraus, dass es etwa sieben sind.

Trotz der Tatsache, dass der Mensch ein wesentlich größeres Gehirn hat, scheint die Kapazität des Kurzzeitgedächtnisses nicht wesentlich größer als das vieler Tiere, beispielsweise das von Krähen, zu sein.

Es lässt sich auch nicht so einfach bestimmen, woraus eine Gedächtniseinheit besteht. Bei standardisierten Gedächtnistests können sich die Probanden etwa sieben zufällige Buchstaben merken. Andererseits merken sie sich auch sieben zufällig gewählte Worte. Jedes davon besteht natürlich aus vielen Buchstaben. Darüber hinaus können sich die Versuchspersonen sogar sieben kurze Sätze merken.

Im vergangenen Jahrzehnt wurde von John Lisman und seinen Kollegen von der Brandeis Universität eine interessante Idee über diese Begrenzung des Gedächtnisses entwickelt. Ihre aufgestellte Hypothese besteht aus drei Punkten:

Die vorübergehenden Verbindungen, die das Kurzzeitgedächtnis bilden, bestehen während eines einzelnen Zyklus einer Gehirnschwingung (einer Gamma-Oszillation).

Die Gamma-Oszillationen sind in eine andere, langsamere Schwingung, dem Theta-Rhythmus, eingebettet. Es gibt etwa sieben Gamma-Schwingungen innerhalb einer Theta-Schwingung. Und jede Gamma-Schwingung steuert die Darstellung von einer der Einheiten, die im Kurzzeitgedächtnis gehalten werden.

Die Gamma-Schwingungen erzeugen das, was Computerspezialisten Pointer (Zeiger) nennen. Sie können jede Erinnerung hervorbringen, die genügend verstärkte Verbindungen besitzt. Das bedeutet, dass die Anzahl der Informationseinheiten, an die sich erinnert wird, unabhängig von der Komplexität dieser Einheiten ist, solange uns diese Einheiten gut genug bekannt sind, um in einem Stück hervorgebracht zu werden. Ein einzelner Buchstabe ist solch ein Stück, das Gleiche gilt für ein bekanntes Wort. Eine unsinnige Buchstabenfolge ist kein ganzes Stück, weil Sie sich an jeden Buchstaben einzeln erinnern müssten.

Diese Hypothese wird in Abbildung 14.5 schematisch dargestellt. Sie sehen, dass die Gamma-Oszillation (nehmen wir an, 42 pro Sekunde) in einer Theta-Oszillation (etwa sechs pro Sekunde) eingeschlossen ist, sodass es genau sieben Gamma-Zyklen pro Theta-Zyklus gibt. Jeder Gamma-Zyklus aktiviert ein Neuron oder eine Neuronengruppe. Der nächste Gamma-Zyklus aktiviert die nächste Gruppe, bis der Zyklus komplett ist und der nächste Theta-Zyklus einen neuen Zyklus startet. Jede Nervenzellgruppe, die von der Gamma-Oszillation aktiviert wurde, zeigt auf einen Neuronencluster, der enthält, was man sich merken muss.

Abbildung 14.5: Gamma-Oszillation und die Beschränkung des Arbeitsgedächtnisses auf sieben Informationseinheiten

Die Theta-Oszillation ist wichtig, da sie den Zyklus, der sich von Gegenstand eins bis Gegenstand sieben wiederholt, einleitet. Solange jede der sieben Gamma-Erinnerungen während einer Theta-Oszillation nicht völlig abfällt, können sie auf unbestimmte Zeit erhalten werden. Wenn dieser Prozess einige Minuten andauert, wird der Hippocampus aktiviert und ein Prozess ausgelöst, bei dem die Erinnerung vielleicht dauerhaft gespeichert wird.

Es ist interessant, dass sich die Anzahl der Informationseinheiten, die das Arbeitsgedächtnis behalten kann, zwischen Mensch und Tier nicht so stark unterscheidet, obwohl der Abstraktionsgrad beim Menschen natürlich auf einer höheren Ebene liegt.

Das heißt nicht, dass die Kapazität des menschlichen Kurzzeitgedächtnisses mit sieben Objekten nicht größer ist als das der meisten Säugetiere. Es ist größer. Außerdem steht der Intelligenzgrad des Menschen in Zusammenhang mit der Kapazität des Arbeitsgedächtnisses. Aus diesem Grunde gibt es auch von Person zu Person Unterschiede.

Perseveration: Am Alten kleben, auch wenn es nicht mehr sinnvoll ist

Die Schädigung des seitlichen Präfrontalkortex geht mit einer Störung einher, die Perseveration genannt wird. Der gebräuchlichste Test, um diese Schädigung zu diagnostizieren, ist der Wisconsin-Karten-Sortier-Test, der in Abbildung 14.6 veranschaulicht wird.

Abbildung 14.6: Der Wisconsin-Karten-Sortier-Test

Beim Wisconsin-Karten-Sortier-Test gibt es eine Testkarte, bei der die Form, die Anzahl oder die Farbe der abgebildeten Symbole mit den anderen Karten übereinstimmt. Der Patient erhält eine Testkarte und soll nun einer bestimmten, ihm unbekannten Regel folgend diese Testkarte korrekt zuordnen. Die kann etwa so lauten: »Ordnen Sie die Testkarte passend zur Anzahl der abgebildeten Symbole zu. Vernachlässigen Sie die anderen Merkmale.« Zu Beginn rät die Testperson. Nach einigen Versuchen, bei denen ihr gesagt wird, ob sie die Testkarte richtig oder falsch zugeordnet hat, erkennt sie das System. Patienten mit einer Schädigung des Frontallappens haben keine Probleme damit und ordnen die Karte korrekt zu. Doch nach etwa zehn korrekten Versuchen ändert der Untersucher heimlich die Zuordnungskriterien. Beispielsweise soll die Testkarte jetzt passend zur Farbe zugeordnet werden. Personen ohne eine Schädigung des Frontallappens passen sich nach einigen Fehlversuchen dieser neuen Regel an, doch Patienten mit einer Frontallappenschädigung haben große Probleme, zu einem neuen Zuordnungsschema zu wechseln und verweilen beim alten.

Diese Funktion des Frontallappens ist für Lebenserfahrung und Flexibilität erforderlich. Sie fahren vielleicht gerade zu einer Verabredung und sind in Eile. Deshalb haben Sie beinahe einen Unfall. Jetzt sollte sich Ihr Frontalhirn einschalten und Ihr Fahrverhalten ändern, sodass Ihre Sicherheit Vorrang vor dem Zuspätkommen hat. Vernünftige Menschen mit funktionierendem Frontallappen ändern die Prioritäten. Teenager und Menschen mit Störung im Frontallappen tun das vielleicht nicht.

Entscheidungen treffen: Der Orbitofrontalkortex

Der seitliche Präfrontalkortex ermöglicht es Ihnen, bei Ihren Entscheidungen den Kontext der jeweiligen Situation zu erfassen. Doch nicht alle Lebensentscheidungen können Sie anhand harter Fakten treffen (beispielsweise wen Sie heiraten). Die Vorstellungen von Recht und Unrecht und Ihr Bauchgefühl werden ebenfalls Ihre Entscheidungen beeinflussen.

Das Bauchgefühl: Erlernte emotionale Reaktionen

Der mittlere Teil des Präfrontalkortex, der Orbitofrontalkortex genannt wird, spielt eine Rolle bei Entscheidungen, die nicht aufgrund klarer Regeln oder Fakten getroffen werden. Er hat die Aufgabe, Lebenserfahrungen zu verarbeiten und Ihnen zu signalisieren, ob Ihre Situation oder Ihre Entscheidung ungeeignet oder gefährlich ist.

Der Orbitofrontalkortex erfüllt diese Aufgabe zum Teil durch seine Verbindungen zur Amygdala. Die Amygdala ist eine Gehirnstruktur, die für das Gedächtnis eine wichtige Rolle spielt. Sie ist darauf spezialisiert, emotionale Situationen in unserem Gedächtnis abzuspeichern. Nehmen wir an, Sie wurden schon einmal von einem roten Kleinlaster von der Straße gedrängt. Vermutlich werden Sie noch Jahre später nervös, wenn Ihnen auf der Straße wieder ein roter Kleinlaster begegnet. Das geschieht auch, wenn Sie den Kleinlaster nicht deutlich wahrnehmen oder sich nicht an den damaligen Unfall erinnern.

Durch die Erfahrungen, die Sie in Ihrem Leben machen, besitzen Sie Millionen Erinnerungsbausteine, die Ihnen das geben, was Menschen Intuition nennen. Intuition hat Vor- und Nachteile. Sie ist gut, wenn Sie eine Situation erkennen und gewarnt werden, ohne dass Sie bewusst die genauen Umstände wahrnehmen. Das ist sinnvoll, wenn diese Umstände nicht einfach in Worte zu fassen sind oder bestimmten Regeln folgen. Sie haben vielleicht das Gefühl, es könnte regnen, ohne dabei genau zu wissen, welche Wind-, Wolken- und Luftdruckverhältnisse dafür nötig wären.

Andererseits kann Intuition zu einem stereotypen, starren Verhalten führen. Dann müssen Sie Ihren Verstand nutzen, um diese Verhaltensweisen zu überwinden. Das Amygdala-Orbitofrontalkortex-System vermittelt seine Erinnerungen über Gefühle an unser Bewusstsein. Diese Gefühle spiegeln Erlebtes wider, doch sie können Ursache und Wirkung verwechseln oder das Ergebnis falscher Verknüpfungen sein.

Risikofreudigkeit, Abneigung und Vergnügen

Menschen mit einer Störung im Orbitofrontalkortex neigen zu Verhaltensweisen wie der Spielsucht. Obwohl viele Menschen Spaß daran haben, ein wenig Geld bei einer Sport- oder Pferdewette zu setzen, besitzen die meisten ein klares Limit für ihren Wetteinsatz. Das gilt ganz besonders, wenn sie in kurzer Zeit mehr Geld als erwartet verloren haben. In diesem Fall löst der Gedanke daran, noch mehr Geld zu verwetten, Unbehagen aus. Dieses Gefühl ist bei Personen, deren Amygdala-Orbitofrontalkortex-System nicht richtig funktioniert, geschwächt.

Fallbasierte Schlussfolgerungen: Nachdenken über soziale Konsequenzen

Soziale Intelligenz ist notwendig, um in komplexen Gesellschaften zu überleben. Doch diese Art der Intelligenz beruht nicht auf klaren Regeln, sondern eher auf Präzedenzfällen und Erfahrungen. Der Orbitofrontalkortex warnt uns, wenn wir etwas sozial Unpassendes tun wollen, indem er über unser vegetatives Nervensystem Gefühle wie Angst oder Scham erzeugt. Das Unbehagen, das Sie zögern lässt, Ihrem Chef zu sagen, dass er unrecht hat, können Sie schon spüren, bevor Sie sich der Ursache dieses Gefühls bewusst werden. Ein intelligentes Sozialverhalten ist wichtig, damit Sie Ihren Job, Ihre Freunde und auch Ihren Ehepartner behalten.

Sind wir schon da? Der vordere Teil des Gyrus cinguli

Wir tun täglich viele Dinge, die wir gut geübt haben (zum Beispiel Fahrrad fahren). Während wir sie ausführen, sind wir uns nicht jeder einzelnen Aktion, sondern lediglich dem allgemeinen Ablauf bewusst. Gut eingeübte motorische Abläufe werden ganz automatisch abgespult, da jede einzelne Bewegung schon die nächste auslöst. Wechselwirkungen zwischen dem supplementär-motorischen Kortex, dem prämotorischen Kortex und dem Kleinhirn erlauben es uns, dass wir erlernte und eingeübte Bewegungsabläufe schneller und genauer ausführen können, als das unter der Kontrolle unseres Bewusstseins möglich wäre. Da diese Bewegungsabläufe zu schnell sind, um sie bewusst zu steuern, wird nur ihr Ablauf ohne die motorischen Details wahrgenommen.

Doch unsere Welt ist unberechenbar. Wir alle wissen, dass sich Ziele nicht immer erreichen lassen, auch wenn sie gut ausgewählt wurden. Situationen können sich ändern. Deshalb müssen wir in der Lage sein, unsere Fortschritte zu beurteilen und unsere Pläne zu verändern oder, wenn nötig, ganz zu verwerfen.

Der Vergleich unserer Pläne mit der Realität findet im vorderen Teil des Gyrus cinguli (siehe Abbildung 14.2) statt. Untersuchungen mit bildgebenden Verfahren haben gezeigt, dass diese Hirnregion aktiv war, wenn die Probanden schwierige Aufgaben lösen mussten und vor allem dann, wenn sie Fehler machten. Sie wird auch von Schmerz und der Schmerzerwartung aktiviert. Der Gyrus cinguli besteht aus zwei Regionen:

Dem vorderen Teil: Der vordere Teil des Gyrus cinguli ist daran beteiligt, den Fortschritt beim Erreichen eines Zieles zu überwachen. Er erkennt und korrigiert Fehler und stellt Ressourcen in anderen Hirnarealen bereit, um das Ziel zu erreichen.

Dem hinteren Teil: Die Aufgaben und Verbindungen des hinteren Teils des Gyrus cinguli sind die gleichen wie die des vorderen Teils. Seine Aktivität reflektiert allerdings mehr den sozialen Kontext als das zu erreichende Ziel.

Aufzeichnungsfehler und Veränderungstaktiken

Moderne bildgebende Untersuchungsmethoden wie die funktionelle Magnetresonanztomographie ermöglichen es, bei Menschen, die eine Aufgabe lösen, die Aktivität in kleinsten Hirnregionen zu messen. Sind diese Aufgaben schwierig (und speziell, wenn Fehler gemacht werden), wird der vordere Teil des Gyrus cinguli aktiviert. Dieses Hirnareal überwacht die Fortschritte, die wir auf dem Weg zu unserem Ziel machen. Ändern sich die Ziele, steuert er die Bereitstellung von Ressourcen des Gehirns, wie beispielsweise das Kurzzeitgedächtnis.

Stellen Sie sich vor, Sie fahren auf einer ruhigen Landstraße in Richtung eines Restaurants und freuen Sie sich schon auf ein nettes Abendessen. Sie denken darüber nach, was Sie essen möchten und welchen Wein Sie auswählen sollten. Damit ist Ihr Kurzzeitgedächtnis gerade beschäftigt. Ihr Blick streift das Armaturenbrett. Sie bemerken, dass die Tankanzeige aufleuchtet und Sie schon fast keinen Sprit mehr im Tank haben. Jetzt hat der vordere Teil des Gyrus cinguli seinen Einsatz. Er wechselt den Inhalt Ihres Kurzzeitgedächtnisses, das sich jetzt damit beschäftigt, auszurechnen, wie weit Sie noch fahren können und wo die nächste Tankstelle ist.

Der vordere Teil des Gyrus cinguli wird aktiviert, wenn Sie schwierige oder neue Aufgaben erledigen, wenn Sie Fehler machen oder wenn Sie ein gewohntes Verhaltensmuster überwinden müssen. Er steht an der Spitze des Kontrollsystems, das die Zielauswahl und die Zielstrategien überwacht und die Verarbeitungsprozesse im Gehirn entsprechend steuert. Er besitzt wichtige Verbindungen zum seitlichen Präfrontalkortex und ermöglicht es ihm, den Inhalt des Arbeitsgedächtnisses an aktuelle Anforderungen anzupassen. (Mehr über diese Hirnregion erfahren Sie in dem vorangegangenen Abschnitt »Arbeitsgedächtnis, Problemlösung und der seitliche Präfrontalkortex«.)

Handeln ohne Denken

Die Tatsache, dass Sie komplexe motorische Abläufe (Schlagen eines Tennisballs) ausführen können, ohne dabei alle Details der Bewegung bewusst wahrzunehmen, bedeutet nicht, dass Sie keine sensorischen Signale verarbeiten. Nur ein sehr geringer Anteil aller Gehirnaktivitäten erreicht das Bewusstsein. Kontrollzentren wie der vordere Teil des Gyrus cinguli können ohne das Bewusstsein arbeiten, wenngleich seine Aktivität beim Menschen ein Bewusstsein dafür erzeugt, wie eine laufende Aktivität fortschreitet.

Ein interessantes Beispiel dafür, wie das menschliche Gehirn Reize verarbeiten kann, ohne dass die Person diese Reize bewusst wahrnimmt, ist das Phänomen der Rindenblindheit. Menschen, deren Sehrinde (Areal V1; siehe Kapitel 5) stark geschädigt ist, reagieren nicht auf visuelle Reize, die auf das betroffene Areal projiziert werden. Werden sie gefragt, was sie sehen, behaupten sie, nichts zu sehen. Bitten die Wissenschaftler dann allerdings diese Patienten, einfach zu »raten«, wo sie etwas oder was sie gesehen haben, raten diese Patienten zu einem höheren Prozentsatz richtig, als man das erwarten könnte.

Probleme im vorderen Teil des Gyrus cinguli

Manche Patienten, die unter einer Depression leiden, weisen eine geringe Aktivität im vorderen Teil des Gyrus cinguli auf. Bei einigen dieser Patienten verringerten sich die Depressionssymptome durch eine elektrische Stimulation des vorderen Teils des Gyrus cinguli. Einige Studien ergaben, dass auch bei Schizophrenie und Zwangsstörungen in diesem Bereich des Gyrus cinguli eine geringere Aktivität vorhanden war. Wie beim übrigen Gehirn auch, gibt es zwischen dem Gyrus cinguli der rechten und linken Gehirnhälfte einige Unterschiede. Die Schädigung des rechten Gyrus cinguli kann beispielsweise zu Angststörungen führen.

Während der Entwicklung des Nervensystems reifen die Frontallappen als letzte. Die Myelinisierung der Nervenbahnen ist in den Frontallappen erst am Ende der Pubertät abgeschlossen. Zu dieser Zeit setzen bei denen, die an Schizophrenie oder Zwangsstörungen erkranken werden, die ersten Symptome ein.

Zum menschlichen Reifeprozess gehört, den Widerspruch zu lösen zwischen dem angeborenen Drang, Autoritäten und Regeln infrage zu stellen, und der Erkenntnis, dass einige der gesellschaftlichen Normen sinnvoll sind. Wie Mark Twain schon sagte: »Als ich 14 Jahre alt war, war mein Vater für mich so dumm, dass ich ihn kaum ertragen konnte. Aber als ich 21 wurde, war ich doch erstaunt, wie viel der alte Mann in diesen Jahren dazugelernt hatte.«

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Lernen und Gedächtnis

In diesem Kapitel ...

Verstehen, wie Lernen und Gedächtnis dem Organismus helfen, sich an die Umwelt anzupassen

Die Hirnareale und Verarbeitungsprozesse betrachten, die das Lernen und Langzeitgedächtnis ermöglichen

Amnesie und andere Gedächtnis- und Lernstörungen

Wege, das Lernen zu verbessern

Lernen funktioniert im Gehirn hauptsächlich über die Änderung der Synapsenstärke. Sie verändert die funktionelle Hirnarchitektur so, dass der Organismus zukünftig besser auf eine Situation, die das Lernen ausgelöst hat, reagiert.

Während wir heranwachsen, lernen wir. Im Laufe der Embryonalzeit und des ersten Lebensjahres entwickelt sich das menschliche Gehirn, indem es wächst und sich neu organisiert. Die Aktivität unseres Nervensystems verändert die Synapsenstärke bis ins spätere Leben. Das wiederum ändert unser Verhalten. Sowohl Reize aus unserer äußeren Umwelt und aus unserem Inneren (wie die sensorische Rückmeldung zur Bewegungskontrolle) sind Auslöser für die Veränderung der Aktivität.

Durch aktive Umbauprozesse können Menschen (und vielleicht auch ein paar Tiere) ihre Lernprozesse dazu nutzen, abstrakte Inhalte abzuspeichern, wieder aufzurufen und zu visualisieren. Menschen können das Gedächtnis dazu benutzen, neuronale Prozesse, die als Reaktion auf einen früheren Reiz aufgetreten sind, zu reaktivieren. Dieses Wiederaufrufen ermöglicht abstraktes Denken, bei dem vergangene Ereignisse, Erfahrungen und Bilder vom Arbeitsgedächtnis verändert werden können. In diesem Kapitel erfahren Sie, wie Lernen und Gedächtnis funktionieren und welche Hirnstrukturen diese Prozesse steuern.

Lernen und Gedächtnis: Eine weitere Möglichkeit, sich der Umwelt anzupassen

Lernen und Gedächtnis erlauben es dem Nervensystem, sich der Umwelt anzupassen und das Verhalten zu optimieren. Es gibt mindestens drei Möglichkeiten, sich der Umwelt anzupassen: evolutionäre Anpassung, Anpassung im Laufe der Entwicklung und das klassische Lernen. Die nächsten zwei Abschnitte beschäftigen sich eingehender mit den letzten beiden Punkten. Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, wie sich das Nervensystem entwickelt hat, können Sie noch einmal zu Kapitel 1 zurückgehen.

Anpassung während der Entwicklung

Alle mehrzelligen Lebewesen durchlaufen eine Entwicklung von der befruchteten Eizelle hin zu einem vielzelligen Organismus. Im Laufe dieses Prozesses wachsen das Nervensystem und andere Organe und Körperstrukturen. Die Zellen differenzieren sich in spezielle Zellarten, die komplexe Strukturen, wie das Gehirn oder das Rückenmark, bilden.

Evolutionäre Anpassung

Das menschliche Nervensystem entwickelte sich aus dem Nervensystem von Tieren. Wir glauben, dass wir ein Nervensystem besitzen, um die innere und äußere Umwelt wahrzunehmen, damit wir in unserem Körper ein Gleichgewicht erhalten können. Doch schon einzellige Lebewesen besitzen biochemische Feedback-Prozesse, die die Produktion von verschiedenen Eiweißen regulieren.

Bei den ersten Vielzellern kommunizierten die Zellen in den verschiedenen Teilen des Organismus, indem sie bestimmte Substanzen in die Zellzwischenräume ausschütteten. Einige dieser Substanzen sind die Vorläufer von Hormonen und Neurotransmittern. Organismen, die durch chemische Kommunikation einheitlich handelten (Fortbewegung durch die synchrone Bewegung ihrer Geißeln), hatten evolutionäre Vorteile.

Als die vielzelligen Organismen immer größer und komplexer wurden, übernahmen die Nervenzellen einen Großteil der Kommunikation von einem Teil des Organismus zu einem anderen. Natürlich gab es auch weiterhin Hormone. Sie arbeiteten aber langsamer. Die neuronalen Netzwerke wurden durch die Evolution selektiert, um die Kommunikation und die Koordination zwischen den Zellen zu optimieren. Mutationen, die dem Organismus einen Überlebensvorteil verschafften, wurden an die nächste Generation weitervererbt, bis sich diese Merkmale in der Spezies manifestiert hatten.

Nach der Geburt verändern sich Größe und Struktur unseres Nervensystems, bis wir erwachsen sind. Danach finden Veränderungen nicht mehr durch die Vermehrung von Nervenzellen statt, sondern indem sich die Synapsenstärke verändert.

Wenn wir altern, sterben zwangsläufig Nervenzellen ab. Das geschieht durch zufällige Schädigung oder durch Erkrankungen wie Morbus Alzheimer. Das Nervensystem kann viele Schädigungen kompensieren, indem es die Synapsen der verbliebenen Nervenzellen anpasst und die Problemlösungsstrategien auf höherer Ebene verändert und beispielsweise eher auf angesammeltes Wissen als auf schnelle Verarbeitungsprozesse zurückgreift.

Lange Zeit ging man davon aus, dass das Gehirn eines Erwachsenen keine neuen Nervenzellen bilden könne. Doch in den vergangenen Jahrzehnten haben Untersuchungen gezeigt, dass auch im erwachsenen Gehirn noch neue Nervenzellen entstehen. Das gilt besonders für die Regionen, die mit dem Lernen zu tun haben, wie beispielsweise der Hippocampus.

Das klassische Lernen

Sogar im relativ stabilen erwachsenen Gehirn laufen Lernen und Gedächtnis auf verschiedenen Zeitebenen in unterschiedlichen neuronalen Schaltkreisen ab. Kurz- und Langzeitgedächtnis unterscheiden sich ganz klar durch die verschiedenen Zeitspannen (von Sekunden gegenüber lebenslang). Erinnerungen des Kurzzeitgedächtnisses werden durch wiederholtes Üben in das Langzeitgedächtnis übertragen (siehe Abschnitt »Vom Kurz- zum Langzeitgedächtnis«).

Ein wichtiges Hirnareal, um Gelerntes zu festigen und vom Kurz- in das Langzeitgedächtnis zu übertragen, ist der Hippocampus. Spezielle Neurotransmitterrezeptoren im Hippocampus und im Neokortex helfen dabei, die Veränderungen der Synapsen, die dem Lernen und Gedächtnis zugrunde liegen, zu steuern.

Mehr oder weniger Signale senden: Anpassung und Verstärkung

Grundsätzlich ist Lernen ein Prozess, bei dem die Reaktionen eines Organismus durch Erfahrungen verändert werden. Es gibt zwei Mechanismen, durch die sich die Nervenreaktionen ändern: Anpassung (oder im Fall von sich wiederholenden Reizen Gewöhnung) und Verstärkung (im Fall von sich wiederholenden Reizen Sensibilisierung).

Bei der Anpassung werden im Laufe der Zeit weniger Aktionspotenziale gesendet, obwohl die Nervenzelle weiterhin konstant Informationen erhält, oder im Fall der Gewöhnung, wenn die Reize sich wiederholen. Diese Anpassung findet im Nervensystem statt. Eine Anpassung in Ihrem sensorischen System hat stattgefunden, wenn etwas, das Sie hören, sehen oder fühlen, für Sie zuerst gut, doch mit der Zeit kaum mehr wahrnehmbar ist.

Verstärkung ist das Gegenteil der Anpassung. Sie tritt auf, wenn die Antwort der Nervenzellen mit der Zeit oder nach einigen Wiederholungen immer weiter zunimmt. Die Verstärkung ist häufig mit Stimuli verbunden, die schädlich sind (dann wird es auch Sensibilisierung genannt).

Sowohl die Anpassung als auch die Verstärkung gibt es schon bei ganz einfachen Nervensystemen wie denen der Wirbellosen (Mollusken und Insekten).

Es ist wichtig, einfache Mechanismen wie Anpassung und Verstärkung zu verstehen. Das hilft den Wissenschaftlern, die Neurophysiologie eines wesentlich dynamischeren Prozesses wie dem Lernen zu verstehen, der immer entweder durch Schwächung oder Verstärkung der neuronalen Antwort (meist an den Synapsen) entsteht.

Anpassung

Die Anpassung bei vielzelligen Lebewesen ist eine der grundlegendsten Formen der erfahrungsabhängigen Veränderung. Häufig geschieht das auf der Ebene der sensorischen Rezeptoren, doch sie kann hierarchisch auch oberhalb der Rezeptoren stattfinden. Dieser Vorgang ist so grundlegend, dass wir ihn meist nicht mit dem Lernen in Verbindung bringen.

Als Sie sich zum ersten Mal auf den Stuhl gesetzt haben, auf dem Sie jetzt gerade sitzen, haben Sie zweifellos wahrgenommen, dass Ihr Gesäß Kontakt zum Stuhl hatte und dass Ihr Rücken die Stuhllehne berührt. Jetzt bemerken Sie den Kontakt mit dem Stuhl kaum noch, es sei denn, Sie rutschen auf dem Stuhl herum.

Sie könnten nun glauben, dass Ihre fehlende Wahrnehmung nur damit zu tun hat, dass Sie der Tatsache, dass Ihr Körper den Stuhl berührt, keine Aufmerksamkeit schenken. Doch die Mechanorezeptoren in Ihrer Haut (siehe Kapi-tel 4) feuern nach einer Weile nicht mehr so stark wie am Anfang, als Sie sich hingesetzt haben. Sie schenken dem Kontakt zum Stuhl also weniger Aufmerksamkeit, weil weniger Signale, die Ihnen diese Information geben, Ihr Gehirn erreichen.

Gewöhnung gleicht der Anpassung darin, dass die Nervenreaktionen mit der Zeit abnehmen. Doch bei der Gewöhnung geschieht das aufgrund der Wiederholung des auslösenden Reizes. Die gleiche Aktivierung eines Rezeptors produziert nach einigen Wiederholungen dann eine schwächere Reaktion des postsynaptischen Neurons, da die Synapsenstärke sich verändert hat.

Verstärkung

Das Gegenteil der Anpassung ist die Verstärkung. Dazu kommt es, wenn die wiederholte Aktivierung eines Rezeptors zu einer Verstärkung der Aktivität des postsynaptischen Neurons führt.

Hier ein Beispiel dazu: Sie genießen es, an einem warmen Sommerabend noch draußen zu sein. Manchmal spüren Sie ein leichtes Kribbeln auf der Haut. Plötzlich verstärkt sich das Kribbeln und Sie merken, dass Sie von einer Mücke gestochen wurden. Von diesem Augenblick an veranlasst Sie jedes leichte Kribbeln, und sei es nur vom Wind, mit Ihrer Hand auf die Stelle zu schlagen oder dort zu kratzen. Das ist Verstärkung.

Der Begriff Verstärkung wird auch in der klassischen Konditionierung gebraucht, wenn beispielsweise ein neutraler Reiz wie das Klingeln einer Glocke mit einem schädlichen Reiz wie einem Stromschlag verbunden wird, sodass das Glockenklingeln nach einiger Zeit bereits ausreicht, um die Vermeidungsreaktion auszulösen.

Gewöhnung und Sensibilisierung am Seehasen studieren

Gewöhnung und Sensibilisierung wurden auf der synaptischen Ebene vom Nobelpreisträger Eric Kandel ausführlich studiert. Diese Untersuchungen führte er am Seehasen, einer der größten Meeresschnecken, durch. Sie besitzt einen Rückziehreflex für ihre Kiemen. Wurden diese Kiemen immer wieder leicht berührt, trat eine Gewöhnung ein. Zu einer Sensibilisierung für die Berührung der Kiemen kam es, wenn man die Berührung mit einem unangenehmen Reiz verband.

Kandel und seine Kollegen haben bei ihren Untersuchungen an dieser Meeresschnecke herausgefunden, wie die neuronalen Schaltkreise die Veränderungen der Synapsenstärke beeinflussen. Diese Mechanismen gelten auch für die Wirbeltiere. Diese synaptischen Veränderungen liegen dem Lernen und Gedächtnis zugrunde.

Was geschieht beim Lernen: Veränderliche Synapsen

Lernen ist die Veränderung funktioneller Strukturen des Nervensystems aufgrund von Erfahrungswerten.

Im 20. Jahrhundert beschäftigten sich die Neurowissenschaften mit den Veränderungen, die sich während des Lernens abspielten. Man suchte nach der Gedächtnisspur, die das Lernen hinterließ. Die Theorien über diese Gedächtnisspuren reichten von Veränderungen bei der Protein- und DNA-Synthese bis zu elektrischen Feldern im Gehirn.

Das klingt ein wenig nach Science-Fiction. Doch es stellte sich heraus, dass diese Vorstellungen richtig waren. Lernen verändert das Gehirn und am meisten verändert sich die Synapsenstärke. Das erlaubt ein schnelleres Lernen als über die Vermehrung der Nervenzellen oder der Nervenzellverbindungen. (Manchmal nimmt die Zahl der Nervenzellen als Folge des Lernens zu, doch dieser Prozess ist viel langsamer als die schnell umsetzbaren Veränderungen an den Synapsen.)

Neuronale Verarbeitungsprozesse: UND- und ODER-Gatter

Ein wichtiger Beitrag, das Gedächtnis zu verstehen, kommt nicht aus den klassischen Neurowissenschaften, sondern aus den Bereichen der künstlichen Intelligenz. Heute hat sich daraus die neue Disziplin Computational Neuroscience entwickelt. Sie beschäftigt sich damit, wie die Verarbeitungsprozesse im Gehirn genau funktionieren.

Dazu mussten die Neurowissenschaftler Modelle entwickeln, mit denen sie neuronale Netzwerke mathematisch simulieren und auch als Computer, die die Verarbeitungsprozesse der Neuronen nachbilden, nachbauen können.

Computer arbeiten mit Logikgattern (UND- oder ODER-Gatter). Wenn nachgewiesen werden kann, dass Neuronen UND- und ODER-Berechnungen anstellen, kann man anhand elektronischer Logik-Schaltkreise lernen, wie neuronale Schaltkreise Informationen verarbeiten.

So funktioniert das klassische Logikgatter (ODER und UND) (siehe Abbildung 15.1):

ODER-Gatter können eine beliebige Anzahl von Eingangssignalen haben (A, B und so weiter.) und der Ausgang (O) des ODER-Gatters wird »logisch wahr« sein, wenn irgendeins der Eingangsignale wahr ist. Die Ziffer 1 steht für ein Eingangssignal, das logisch wahr ist; 0 steht für logisch falsch.

UND-Gatter können ebenfalls beliebig viele Eingangssignale haben. Ihr Ausgangssignal ist nur dann logisch wahr, wenn alle (jedes einzelne) Eingangssignale wahr sind (1).

Am Ende von Abbildung 15.1 sehen Sie eine Nervenzelle mit drei Eingangssignalen. Die Frage lautet, was kann das Neuron verarbeiten und wie führt es diese Verarbeitung durch?

Abbildung 15.1: Logikgatter und Neuron

Beachten Sie die Gedächtnisunterschiede zwischen Nervensystemen und Computern. Bei Computern werden Informationen als Abfolgen bestimmter Informationsbruchstücke gespeichert. Im Nervensystem werden Erinnerungen durch die Veränderung der Synapsenstärke geschaffen. Das Gedächtnis von Nervensystemen enthält deshalb nicht notwendigerweise Dinge oder Gegenstände, die auch als solche wieder abgerufen werden können. Wenn Sie beispielsweise im Tennis Ihre Vorhand verbessern, wird die Erinnerung aus kleinen synaptischen Veränderungen bestehen, die von Ihrem visuellen System, das den Ball kommen sieht, an die Motoneuronen, die Ihre Bewegung für den Schlag steuern, weitergegeben wird.

Die McCulloch-Pitts-Nervenzelle

Ein großer Fortschritt war das Neuronenmodell, das Warren McCulloch und Walter Pitts aufstellten. In Abbildung 15.2 sehen Sie eine Version dieses künstlichen Neurons.

Abbildung 15.2: Das McCulloch-Pitts-Neuronenmodell

McCulloch und Pitts zeigten, dass das Neuronenmodell Logikgatter wie ODER und UND nachahmen konnte, wenn die Synapsenstärke geeignet war. Außerdem fanden sie heraus, dass ein richtig verschaltetes Neuronensystem jede Aufgabe ebenso gut wie ein digitaler Computer lösen kann.

Neuronenmodelle, die McCulloch-Pitts-Neuronen verwenden, können dieselben logischen Berechnungen wie ein digitaler logischer Schaltkreis durchführen. Hinzu kommt allerdings noch das NICHT-Gatter, das im neuronalen Schaltkreis eine hemmende Synapse darstellt. Deshalb funktioniert das Gehirn wie ein digitaler Computer. (Einige neuronale Schaltkreise scheinen auch wie ein analoger Computer zu funktionieren. Deshalb ist das Gehirn eine Mischung aus beidem.)

Durch das McCulloch-Pitts-Neuronenmodell verstanden die Wissenschaftler, dass die Synapsenstärke die Grundlage der neuronalen Verarbeitung darstellt. Wissenschaftler, die die Arbeit von McCulloch und Pitts fortsetzten, zeigten, wie die Systeme dieser Modellneuronen lernen konnten (beispielsweise Muster zu erkennen), indem sie die Synapsenstärke bestimmten mathematischen Prinzipien folgend veränderten. Nun stellt sich die Frage, wie die Synapsenstärke im Gehirn festgelegt wird.

Das Gehirn neu verkabeln: Der NMDA-Rezeptor

Computer führen Berechnungen mit Hilfe der Logikgatter UND, ODER und NICHT durch, weil Programmierer genauestens die Schaltkreise, die die Speicherstelle jedes einzelnen Gatters vorgeben, designen. Der Computer wird scheitern, wenn ein einzelnes Logikgatter falsch ist. Doch woher können Billionen Synapsen im Gehirn wissen, wie sie arbeiten sollen? Sogar wenn es einen speziellen genetischen Bauplan für Synapsen gäbe, er könnte doch nicht festlegen, wie Neuronen lernen (oder wie das Gehirn sich anpasst, wenn einzelne Nervenzellen absterben).

Die Aktivität der Synapsen ist ein grundlegender Prozess des Lernens. Wissenschaftler fingen an zu glauben, dass es irgendwo im Gehirn einige Synapsen geben muss, deren Aktivitätsstärke verändert werden kann, um neue (erlernte) Verarbeitungsprozesse durchzuführen. Diese Erkenntnis warf drei Fragen auf:

Wie ändert eine Synapse ihre Aktivitätsstärke?

Was sind das für Synapsen und wo befinden sie sich?

Welches Signal steuert die Veränderung der Synapsenstärke, die mit dem Lernen in Verbindung steht?

In den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts begann die Suche nach dem Gedächtnis-Rezeptor, der seine synaptische Aktivitätsstärke verändert, um das Lernen zu ermöglichen. Obwohl Kandels Arbeiten am Seehasen (einer großen Meeresschnecke, die große Neuronen besitzt) über die Verstärkung elegant den synaptischen Mechanismus, der die Anpassung und Verstärkung steuert, zeigte, gingen die meisten Neurowissenschaftler davon aus, dass dieses Phänomen zu eindimensional sei, um damit den neuronalen Mechanismus des Lernens zu erklären.

Den NMDA-Rezeptor vorstellen

In den 70er und 80er Jahren entstanden viele Labore, die die Veränderung der Synapsenstärke in Gehirnen von Säugetieren erforschten. Man entnahm ein Stück vom Gehirn einer verstorbenen Ratte und erhielt es am Leben, indem man es in einer Flüssigkeit aufbewahrte, die der Gehirnflüssigkeit ähnelte. In einzelne Zellen wurden Elektroden eingeführt. Wurden nun die Zellen stimuliert, die mit der Zelle verbunden waren, die die Elektrode enthielt, konnten kleinste synaptische Veränderungen gemessen werden.

Die bei diesen Versuchen verwendeten Gewebearten stammten meistens aus dem Neokortex und aus dem Hippocampus. Obwohl viele Forscher Zellmaterial aus dem Neokortex als Sitz aller höheren kognitiven Funktionen bevorzugten, dominierten irgendwann die Gewebeproben aus dem Hippocampus wegen seiner klaren Rolle bei der Ausbildung des Gedächtnisses. In zahlreichen Laboren wurde beobachtet, wie die Änderung der synaptischen Aktivitätsstärke mit dem Lernen in Zusammenhang steht. Häufig spielte dabei eine seltene Glutamat-Rezeptorart eine Rolle, die Eigenschaften besaß, die man von den modifizierbaren Synapsen erwartete. Dabei handelte es sich um den NMDA-Rezeptor. (NMDA steht für N-Methyl-D-Aspartat, dem Namen für einen chemischen Agonisten, der an diesem Rezeptor Glutamat imitieren und dadurch den Rezeptor aktivieren kann.)

NMDA-Rezeptoren gibt es im gesamten zentralen Nervensystem. Im Hippocampus, der für das Gedächtnis eine sehr wichtige Rolle spielt, gibt es allerdings besonders viele davon.

Der NMDA-Rezeptor bei der Arbeit

Der NMDA-Rezeptor, der im Hippocampus sehr häufig zu finden ist, verändert seine Aktivitätsstärke abhängig davon, wie viele Signale zeitgleich eingehen. Dieser Rezeptor führt eine neuronale UND-Gatter-Funktion aus. Und er ist ein Glutamat-Rezeptor. Anders als bei den meisten anderen Rezeptoren, die durch die Bindung eines Neurotransmitters aktiviert werden, wird der NMDA-Rezeptor von einem Magnesium-Ion blockiert, das am Eingang der Pore sitzt. Dieses Magnesium-Ion wird entfernt, wenn ein benachbarter Glutamat-Ionen-Kanal ebenfalls aktiviert wird und die Nervenzellmembran depolarisiert. Mit anderen Worten, die Aktivierung eines NMDA-Rezeptors benötigt ein Synapsenendknöpfchen, das Glutamat ausschüttet, und ein anderes Synapsenendknöpfchen, das Glutamat an einen angrenzenden Rezeptor abgibt.

Wenn er einmal offen ist, hat der NMDA-Rezeptor die ungewöhnliche Eigenschaft, eine beträchtliche Menge Kalzium und Natrium hindurchzulassen. Wenn Kalzium in die Nervenzellen gelangt, hat das viele Nebeneffekte, die häufig als Second-Messenger-Effekte bezeichnet werden. Ein Effekt scheint zu sein, dass unter bestimmten Umständen die Synapsenstärke ansteigt. Diese Veränderung ist abhängig von prä- und postsynaptischen Mechanismen, die derzeit intensiv untersucht werden.

Die Synapse stärken: Langzeitpotenzierung

Wenn die NMDA-Rezeptoren wiederholt aktiviert werden, wird die Synapse gestärkt. Das heißt, es wird einfacher für die eingehenden Signale, den Ionenkanal des NMDA-Rezeptors zu öffnen. Diesen Mechanismus nennt man Langzeitpotenzierung.

Die Rolle des Hippocampus für Lernen und Gedächtnis

Die Telefonnummer der Werkstatt, in der Ihr Auto gerade repariert wird, können Sie sich genau so lange merken, wie es dauert, sie zu wählen. Doch den Namen Ihrer Schwester werden Sie Ihr ganzes Leben lang nicht vergessen. Diese beiden Gedächtnisarten, das Kurz- und Langzeitgedächtnis, gehören zu den am intensivsten untersuchten Gebieten der kognitiven Psychologie. Die kognitiven Neurowissenschaften versuchen herauszufinden, wo diese Gedächtnisarten im Gehirn lokalisiert sind und welche Prozesse dort stattfinden. Es hat sich herausgestellt, dass der Hippocampus eine besonders wichtige Rolle dabei spielt, Informationen vom Kurz- in das Langzeitgedächtnis zu überführen.

Vom Kurz- zum Langzeitgedächtnis

Wenn Sie Auto fahren, nehmen Sie ständig die Positionen der anderen Autos um Sie herum wahr. Sie wissen also zu jeder Zeit, ob es sicher ist, die Spur zu wechseln oder nicht. Doch diese Situation verändert sich ständig. Sie kennen (und erinnern) jede Situation, während Sie sie gerade erleben, doch Sie erinnern sich am Ende der Fahrt nicht an jede einzelne Konstellation der Autos, die Sie während der Fahrt umgeben haben.

Das Kurzzeitgedächtnis enthält Informationen nur so lange, wie sie benötigt werden. Danach werden sie verworfen. Nur ein Bruchteil der Informationen, die unser Kurzzeitgedächtnis durchlaufen, erreichen das Langzeitgedächtnis. Dazu muss die Information für uns wichtig genug sein, um sie einzuüben (sie immer und immer wieder durchgehen) oder sie ist so herausragend, dass Sie immer wieder daran denken müssen.

Das Kurzzeitgedächtnis sitzt in zwei Hirnregionen, dem seitlichen Präfrontalkortex und dem Hippocampus. Die Nervenzellen im seitlichen Präfrontalkortex halten ihre Aktivität aufrecht und repräsentieren die eingegangenen Informationen auch dann noch, wenn das eingegangene Signal längst wieder verschwunden ist. So hilft Ihnen Ihr Gedächtnis, eine wichtige Aufgabe zu beenden, wie zum Beispiel eine Telefonnummer zu wählen. (Mehr zum Präfrontalkortex erfahren Sie in Kapitel 13.)

Der Hippocampus spielt eine entscheidende Rolle, Informationen vom Kurz- in das Langzeitgedächtnis zu überführen.

Der Hippocampus stellt eine Reihe modifizierbarer neuronaler UND-Gatter bereit. Diese UND-Gatter erhalten Informationen vom gesamten Kortex, die repräsentieren, was in einer bestimmten Situation gerade geschieht. Als Folge davon repräsentieren die NMDA-Rezeptoren diese kortikale Aktivität eines bestimmten Ereignisses. Ein Beispiel: Sie waren in diesem Park und saßen auf dieser Bank und dieser Vogel flog vorbei und genau in diesem Augenblick ...

Die Gedächtnis-Matrix des Hippocampus

Verschiedene Bereiche der Großhirnrinde projizieren in einer Art Raster Informationen auf den Hippocampus, um dort Koinzidenzdetektoren bereitzustellen (siehe Abbildung 15.3). Dem liegt stark vereinfacht folgende Idee zugrunde: Die Farben von bestimmten Dingen werden an einem Ort im Gehirn repräsentiert und die Art des Tieres in einem anderen. Wenn Sie einen grünen Frosch sehen, kommt es im Hippocampus-Raster bei Grün und Frosch am Neuron, das den Koinzidenzdetektor dafür darstellt, zu einer Überschneidung. Wenn Sie einen grünen Frosch sehen, werden die Hirnareale für Grün und Frosch aktiviert. Diese wiederum aktivieren die Grüne-Frosch-Zelle des Hippocampus, deren Synapsen damit gestärkt werden.

Abbildung 15.3: Das Hippocampus-Gedächtnis-Raster

Nehmen wir an, dass ein Bereich des visuellen Kortex die verschiedenen Farben von Dingen kodiert und dass diese Farbdetektoren ihre Informationen auf eine Linie von Koinzidenzdetektoren im Hippocampus projizieren. In einem anderen Bereich des Gehirns befinden sich vielleicht Nervenzellen, die auf verschiedene Geräusche von Tieren reagieren (Vögel, Echsen und so weiter). Es wird einen Koinzidenzdetektor im Hippocampus geben, der auf gelbe Frösche, einen, der auf grüne Säugetiere, und so weiter reagiert. Natürlich besitzt der Hippocampus in Wirklichkeit viele gleiche Zellen der jeweiligen Art.

Die Stärkung der Synapsen im Hippocampus erfolgt durch die so genannte Langzeitpotenzierung, bei der die Synapsen gestärkt werden. Das Gegenteil davon ist die Langzeitdepression, die die Synapsenstärke schwächt.

Der Hippocampus ist für das Kurzzeitgedächtnis nicht so wichtig. Das scheint eher die Aufgabe des seitlichen Präfrontalkortex zu sein. Der Hippocampus ist eher dafür zuständig, Informationen aus dem Kurz- in das Langzeitgedächtnis, das im Neokortex liegt, zu überführen. Dieses Wissen verdanken die Neurowissenschaftler dem Fall des berühmten Patienten H.M.

Der Fall H.M.

Welche wichtige Rolle der Hippocampus beim Lernen spielt, zeigte sehr deutlich der bekannte Fall des Patienten H.M. Dieser Patient litt unter Epilepsie mit therapieresistenten Krampfanfällen. Man stellte fest, dass seine Krampfanfälle ihren Ursprung im Hippocampus hatten. (Das ist nicht ungewöhnlich. Im Temporallappen, in dem sich der Hippocampus befindet, liegt häufig der Auslöser der Krampfanfälle. Die Ursachen dafür sind noch nicht bekannt.)

Obwohl die Entfernung von Gehirngewebe zur Behandlung einer neurologischen Störung wirklich gefährlich ist, sind doch manche Epilepsieerkrankungen so schwer, dass diese Maßnahme gerechtfertigt ist. Es gibt Epileptiker, die fast stündlich unter Krampfanfällen leiden. Sie können nicht arbeiten oder soziale Beziehungen pflegen. Nur wenige reagieren auf eine medikamentöse Therapie. Wenn der Ursprungsort für die Krampfanfälle im Gehirn genau lokalisiert werden konnte, kann die Entfernung dieses Gewebes die epileptischen Anfälle vollständig oder fast vollständig beseitigen. Dieses kranke Hirngewebe besitzt häufig keine normale Funktion und das Gewebe aus der Umgebung hat seine Aufgaben übernommen.

Das Problem bei H.M. bestand darin, dass die Chirurgen den Hippocampus beider Gehirnhälften entfernt hatten. Die Krampfanfälle hatten sich zwar deutlich reduziert, doch der Patient konnte keine Informationen mehr vom Kurz- in sein Langzeitgedächtnis überführen, obwohl sein Langzeitgedächtnis vorher vollkommen in Ordnung war.

H.M. war immer der Meinung, dass das aktuelle Datum das Datum seiner Operation war. Er konnte mit dem Klinikpersonal über Ereignisse aus seiner Vergangenheit reden, doch wenn sein Gesprächspartner für ein paar Minuten wegging und dann wiederkam, konnte sich H.M. nicht mehr an die Unterhaltung erinnern. Er erlangte die Fähigkeit, sich an etwas zu erinnern, was nach der Operation geschehen ist, nie wieder. H.M. blieb bis zu seinem Tod im Jahr 2008 in der Klinik. Interessanterweise begann er nach der OP, mit dem Klinikpersonal Dame zu spielen. Und obwohl er immer besser spielte, erinnerte er sich an kein einziges Spiel.

Das Gedächtnis: Kortikale Mechanismen

Bei der Entstehung von Erinnerungen projiziert nicht nur der Kortex auf den Hippocampus und führt dort zu einer Stärkung der Synapsen, sondern die aktivierten Nervenzellen des Hippocampus projizieren auch zurück zum Kortex. Sie können die Nervenzellen des Kortex eher aktivieren als sensorische Signale.

Das bedeutet, dass Sie im Kortex ein Aktivitätsmuster wiederherstellen können, das aufgetreten ist, als Sie etwas gerade erlebt haben. Wenn Sie weiterhin an die Erinnerung einer Erfahrung denken, wird die Aktivität zwischen dem Hippocampus und dem Kortex reflektiert. Wiederholen Sie das oft genug (was vor allem während des REM-Schlafes geschieht), ändern sich modifizierbare Synapsen im Kortex so, dass er das neuronale Aktivitätsmuster, das mit dem Erlebnis zusammenhängt, selbst reproduzieren kann.

Das Langzeitgedächtnis ist in denselben Hirnarealen lokalisiert wie das ursprüngliche Erlebnis. Der Hippocampus funktioniert als Notizblock, um die ständigen Wiederholungen zu ermöglichen. So kann das Langzeitgedächtnis gebildet werden. Der Hippocampus steht auch mit dem seitlichen Präfrontalkortex, in dem sich das Kurzzeitgedächtnis befindet, in Verbindung. Das Kurzzeitgedächtnis speichert Informationen lange genug, damit Sie eine Aufgabe beenden können. Sie können sich beispielsweise daran erinnern, ob sich jemand im toten Winkel befindet, bevor Sie mit dem Auto überholen.

Die meisten Neurowissenschaftler waren überrascht, als man herausfand, dass das Langzeitgedächtnis in den Rindenregionen gespeichert ist, die die sensorischen Informationen während des Original-Ereignisses verarbeiten. Und bis heute versteht man dieses Phänomen noch nicht wirklich. NMDA-Rezeptoren gibt es im gesamten Neokortex und Erfahrungen und Erlebnisse während unserer Entwicklung können offensichtlich den Neokortex verändern. Einige Mechanismen, die diese Plastizität beeinflussen, können auch die Grundlage für das Lernen bilden. Das wird Aufgabe der Forschung des 21. Jahrhunderts sein.

Das episodische Gedächtnis

Dem Bild der am Hippocampus eingehenden Signale (in Abbildung 15.3) fehlt eine entscheidende Komponente: die Rolle des Frontallappens, der auch Signale auf den Hippocampus projiziert. Diese Projektionen enthalten jedoch etwas anderes als nur die Identität eines Objekts, dem ich gerade Aufmerksamkeit schenke. Der Frontallappen steuert Informationen über den Kontext bei.

Kontext ist die Information über ein bestimmtes Ereignis, in dem ein Objekt vorkommt. Kontext ist, dass Sie nicht nur wissen, dass die Hauptstadt von Frankreich Paris ist, sondern dass Sie auch wissen, wann und wo Sie das gelernt haben. Diese Art Gedächtnis nennt man episodisches Gedächtnis. Es beinhaltet Erinnerungen, die mit einem bestimmten Ereignis in Verbindung stehen. Das so genannte Weltwissen, also die allgemeine Erinnerung an Fakten, wird semantisches Gedächtnis genannt.

Das episodische Gedächtnis ist ein Kennzeichen des menschlichen Bewusstseins. Tiere lernen viele Verknüpfungen, die man mit dem semantischen Gedächtnis vergleichen kann. Mein Hund weiß beispielsweise, dass er morgens sein Futter in seinem Napf bekommt und dass es bald regnet, wenn es donnert. Ob Tiere auch über ein episodisches Gedächtnis verfügen, ist nicht klar, denn Voraussetzung für das episodische Gedächtnis ist die Wahrnehmung von sich selbst in einer bestimmten Umgebung und zu einer bestimmten Zeit. Diese Wahrnehmung hängt wiederum davon ab, was sich im Arbeitsgedächtnis, das beim Menschen aufgrund des größeren Frontallappens viel komplexer ist, abspielt.

Das episodische Gedächtnis besteht aus Inhalt und Kontext. Zum Kontext gehört alles, was mit einem bestimmten Erlebnis zu einer bestimmten Zeit in Verbindung steht. Sie haben vielleicht gestern einen gelben Frosch gesehen. Sie haben aber auch schon an einem sonnigen Tag, am Teich bei der Schule und mit Ihrer Freundin Susi einen gelben Frosch gesehen. Die Bereiche der Großhirnrinde, die all diese einzelnen Bausteine repräsentieren, projizieren ihre Informationen auch auf den Hippocampus und können untereinander in Kontakt stehen. Jetzt verfügen Sie im Hippocampus über Neuronen, die auf einen ganz bestimmten gelben Frosch, den Sie gestern mit Susi gesehen haben, reagieren. Es gibt auch Neuronen für einen gelben Frosch, den Sie vor Jahren am Schulteich gesehen haben, und so weiter.

Die Erinnerung ist gespeichert. Doch wie können wir sie wieder abrufen? Wie ich bereits erwähnt habe, projiziert nicht nur fast der gesamte Neokortex auf den Hippocampus, sondern dieser projiziert wieder zurück zum Neokortex.

Nehmen wir an, Sie sehen etwas Gelbes. Das aktiviert die Gelb-Detektoren im Kortex und dann die Gelb-Zellen im Hippocampus (siehe Abbildung 15.3). Zu diesen Zellen gehört auch der Gelb-Frosch-Gestern-Detektor, dessen Synapsen verstärkt wurden. Durch einen Kontrollmechanismus, der von der Wissenschaft noch nicht richtig verstanden wird, kann diese Aktivierung dazu führen, dass die Hippocampuszellen für den gelben Frosch aktiviert werden. Diese projizieren zurück auf den Kortex und aktivieren dort alle Areale, die von Ihrem gestrigen Erlebnis aktiviert worden waren. Diese projizieren wiederum zurück auf den Hippocampus. Das festigt das Bild. Wenn alle Hirnareale aktiviert werden, die aktiv waren, als Sie gestern den gelben Frosch gesehen haben, werden Sie sich dieses Erlebnis ins Gedächtnis rufen können.

Gedächtnisverlust: Vergessen und Amnesie

Es ist möglich, dass wir uns an etwas nicht erinnern, weil die Erinnerung selbst zu schwach ist (die Synapsen wurden nicht ausreichend verstärkt) oder weil wir die Erinnerung nicht abrufen können, obwohl sie eigentlich vorhanden ist. Bei Letzterem können Ihnen schon ein paar Hinweise auf die Sprünge helfen. Doch ist die Erinnerung zu schwach, können Sie sich nicht erinnern, ganz egal wie viele Hinweise Sie bekommen werden.

Die Unfähigkeit, sich zu erinnern, kann vorübergehend oder dauerhaft auftreten. Wir alle kennen die Situation, in der wir uns ganz sicher sind, dass wir etwas wissen, es uns aber gerade nicht einfällt. Vielleicht haben wir Angst oder sind abgelenkt und können uns dadurch nicht richtig konzentrieren. Es kann auch am Kontext liegen, denn es ist leichter, sich an etwas in dem Kontext zu erinnern, in dem wir es gelernt haben. Dazu wurden Experimente mit Sporttauchern durchgeführt. Sie lernten unter Wasser eine bestimmte Anzahl von Begriffen. Später wurden sie einmal über und unter Wasser aufgefordert, sich an die gelernten Begriffe zu erinnern. Die Ergebnisse? Sie waren unter Wasser besser.

Das Gedächtnis kann auch durch Unfälle und epileptische Anfälle, die die Gehirnaktivität unterbrechen, verloren gehen. Weil der Prozess zwischen Hippocampus und Kortex, in dem das Gedächtnis gefestigt wird, Wochen dauern kann, wirkt sich eine Störung der Hirnaktivität am stärksten auf die aktuellsten Erinnerungen aus.

Menschen können auch von einer transienten globalen Amnesie (TGA) betroffen sein. Diese Störung muss keine erkennbaren körperlichen Ursachen wie Schlaganfälle oder andere Hirnschädigungen haben. Manchmal ist die TGA eine Folge extremer körperlicher Anstrengung, vor allem bei Männern. Wissenschaftler nehmen an, dass die TGA durch eine kurzzeitige Durchblutungsstörung im Gehirn auftreten kann. Wenn keine Hirnschädigung die Ursache für die TGA ist, verschwindet sie meist nach einigen Tagen wieder.

Besser lernen

Lernen ist eine lebenslange Aufgabe. Es fällt Ihnen sehr leicht, wenn Sie noch jung sind, wird schwieriger als Erwachsener und fällt den meisten älteren Menschen richtig schwer. Gegen das Älterwerden können wir nichts tun, doch wir können uns die Fähigkeit zu lernen erhalten und sie sogar noch verbessern, indem wir Dinge tun, die unseren Intellekt fordern. Unser Gehirn ist wie ein Muskel, den man trainieren kann. Wird es nicht benutzt, verkümmert es.

Wir lernen am schnellsten und haben den meisten Spaß daran, wenn die Aufgaben nicht zu schwer sind. Auch Bewegung ist sehr wichtig. Außerdem sollte unser Leben viele anregende Erlebnisse bereithalten. Lernen ist keine rein intellektuelle Aktivität.

Es ist wichtig, die Lernmechanismen zu studieren, damit Menschen besser lernen und Lernstörungen besser diagnostiziert und behandelt werden können. Noch gibt es keine Pillen, mit denen wir es schaffen, an einem Abend alles zu lernen, was in Wikipedia steht. Doch es gibt schon bestimmte Lernstrategien, mit denen bessere Lernergebnisse erzielt werden können.

Der Begriff Lernstörung ist in den meisten Fällen eigentlich nicht zutreffend. Bei kognitiven Dysfunktionen wie Dyslexie und Dysgraphie sind die meisten Fachleute der Meinung, dass sie nicht auf einer Störung des Lernvorgangs beruhen. Sie sind vermutlich eher einer Störung der zentralen Informationsverarbeitung zuzuschreiben.

Lernzeiten auf viele kürzere Abschnitte verteilen

Menschen müssen häufig etwas lernen. Meist steht ihnen dafür nur eine bestimmte Zeit zur Verfügung. Wie sich herausgestellt hat, macht es einen großen Unterschied, wie diese Zeit eingeteilt wird. Das Lernen funktioniert am besten, wenn die zur Verfügung stehende Zeit in viele kleinere Lernabschnitte unterteilt wird. Alles auf einmal lernen kann natürlich besser sein, um eine Prüfung gerade noch zu bestehen, doch alles, was man so gelernt hat, wird kaum im Langzeitgedächtnis landen. Warum? Es ist einfach nicht genügend Zeit für das Echo, das zwischen Kortex und Hippocampus hin und her hallt und das Gelernte so festigt.

Genug schlafen

Das Gelernte festigt sich vor allem während des REM-Schlafes. Ratten, bei denen man künstlich einen REM-Schlaf-Mangel herbeigeführt hatte, lernten schlecht, aus einem Labyrinth herauszufinden. Für alle, die gerne die ganze Nacht hindurch lernen, ist es eine schlechte Nachricht, dass der REM-Schlaf für das Lernen so wichtig ist. Bei dieser Lernstrategie wird das Arbeitsgedächtnis vollgeladen, ohne dass das Wissen gefestigt und in das Langzeitgedächtnis überführt werden kann.

In Gedanken üben

Wenn Bewegungen geträumt und gesehen werden, gleicht die Aktivität im Frontallappen der Aktivität, die auftritt, wenn die Person sich tatsächlich bewegt. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass nur durch die gedankliche Übung ein Bewegungsablauf wie das Treffen eines Tennisballs verbessert werden kann. Das wurde durch Experimente bestätigt. Für Sportler gehört es mittlerweile zum Training, sich Bewegungsabläufe immer wieder bildlich vorzustellen.

Belohnen und bestrafen

Die Forschungen der letzten Jahrzehnte haben ergeben, dass beim Lernen sowohl Erfolg als auch Versagen sehr lehrreich sein können. Misserfolg ist ein Hinweis, die Synapsenstärke zu verändern, während Erfolg bedeutet, dass bestimmte Synapsen verstärkt werden können. In beiden Fällen ist die Veränderung nicht groß. Ein Fehler würde nicht gänzlich zerstören, was das Netzwerk bis jetzt schon gelernt hat.

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Schaltkreise entwickeln und verändern: Plastizität

In diesem Kapitel ...

Die Entwicklung des Neokortex verstehen

Wie sich Verschaltungen verändern – konkurrierende Synapsen

Entwicklungsstörungen des Nervensystems betrachten

Einen Blick auf das alternde Gehirn werfen

Der leistungsfähigste Computer, den wir kennen, besteht aus etwa 100 Milliarden Zellen und einer Billiarde Synapsen. Damit ist natürlich unser Gehirn gemeint. Die DNA im menschlichen Genom schreibt einige Grundregeln vor, nach denen sich Zellen teilen und abwandern, um die allgemeine Struktur des Nervensystems zu bilden. Die endgültige Struktur des Gehirns entsteht jedoch erst durch die Interaktionen zwischen den Neuronen selbst.

Stellen Sie sich einen Ameisenhügel vor. Er besteht aus einem Tunnelsystem, das viele Meter lang sein kann. Es gibt Dutzende Höhlen, die genau angepasst sind, damit die Luft zirkulieren und Regenwasser wieder abfließen kann. Doch es gibt bei den Ameisen keinen Bauleiter, der dieses Design festlegt. Die Ameisen krabbeln umher und reagieren auf die Besonderheiten ihrer Umgebung und darauf, was die anderen Ameisen in ihrer Nähe tun. Dabei gibt es viele Fehlstarts. Doch dieses Herumprobieren (Versuch und Irrtum) reicht aus, um Bögen zu bauen, Höhlen auszugraben und das ganze Ameisenvolk durch ein Tunnelsystem miteinander zu verbinden.

Genauso ist es mit dem Gehirn. Das Genom bestimmt die Regeln, nach denen mehrere Hundert Gehirnareale entstehen. Ein paar andere Regeln sorgen für die ungefähre Lokalisation und Größe dieser Bereiche und sie bestimmen, welche Verbindungen sie haben werden. Das alles ist das allgemeine Programm für die Entwicklung. Chemische Reize der direkten Umwelt und Interaktionen zwischen den Neuronen (wie bei den Ameisen) legen die funktionelle Architektur fest. Das Versuch-und-Irrtum-Gerangel der Neuronen und ihrer Verbindungen wird Plastizität genannt. Das ist das Thema dieses Kapitels.

Entwicklung nach der Befruchtung

Wenn ein Spermium und eine Eizelle verschmelzen und eine Zygote bilden, entsteht ein neuer Organismus. Aus dieser Zygote, einer Zelle, in der die mütterlichen und väterlichen Erbanlagen vereint sind, wird ein Organismus entstehen, der aus vielen Billionen Zellen besteht. Tausende unterschiedlich spezialisierten Zellarten besitzen die gleichen Erbinformationen (DNA), doch abhängig davon, welche Gene aktiv werden, entwickeln sie sich zu Zellen der Blutgefäße, der Nieren, Lungen oder zu unterschiedlichen Nervenzellen.

Entstehung aus dem Ektoderm: Das embryonale Nervensystem

Nach der Befruchtung beginnt die Zygote, sich zu teilen und wird zur kugelförmigen Blastula. Nach einigen Tagen stülpt sich die Blastula ein und es entwickelt sich die Gastrula. Sie besteht aus drei Zellschichten, die die Keimblätter bilden:

Aus dem Entoderm entstehen die Verdauungsdrüsen (Leber und Bauchspeicheldrüse), die Schleimhaut des Verdauungstraktes und der Atemtrakt.

Aus dem Mesoderm bilden sich unter anderem Muskeln, Knochen, Bindegewebe, Blutgefäße und Blutzellen.

Aus dem Ektoderm bilden sich die Haut, Teile der Sinnesorgane und das zentrale Nervensystem, auf das ich mich in diesem Abschnitt konzentrieren möchte.

Aus dem Ektoderm entsteht eine Neuralplatte. Wenn sich diese nach innen wölbt, bildet sich das Neuralrohr. Aus dem Neuralrohr entwickeln sich das Rückenmark und das Gehirn.

Das Hinter-, Mittel- und Vorderhirn: Die Aufteilung des Ektoderms

Weitere Zellteilungen im Ektoderm gliedern das sich entwickelnde Nervensystem in Hinter-, Mittel- und Vorderhirn.

Eine wichtige strukturelle Veränderung während der Entwicklung ist die Beugung des Embryos aus seiner anfänglich geraden Form. Diese Beugen werden Flexuren genannt. Zu ihnen gehören die Scheitelbeuge (kephale Flexur), die Nackenbeuge (zervikale Flexur) und die Brückenbeuge (Flexura pontina).

Die schematischen Darstellungen in Abbildung 16.1 zeigen das embryonale Nervensystem in verschiedenen wichtigen Stadien. Zu einem frühen Zeitpunkt in der Entwicklung (vor der dritten Schwangerschaftswoche) hat der Embryo eine gerade, kaulquappenartige Form (siehe Abbildung 16.1A). Zwischen Ende der dritten und der fünften Woche entsteht die Scheitelbeuge (siehe Abbildung 16.1B). Nach weiteren zwei Wochen bilden sich die anderen beiden großen Beugen (Nackenbeuge und Brückenbeuge, siehe Abbildung 16.1C).

Abbildung 16.1: Embryonale Entwicklung des Hinter-, Mittel- und Vorderhirns

Wenn Sie sich die Veränderungen von A über B zu C ansehen, werden Sie feststellen, dass diese drei Hirnregionen ursprünglich einmal die gleiche Ausganggröße besaßen. Doch später wird das Vorderhirn bei den Säugetieren, und ganz besonders beim Menschen, viel größer als das Mittel- und Hinterhirn. Das Vorderhirn besteht aus dem Zwischenhirn (Diencephalon), zu dem einmal der Thalamus, Hypothalamus und die Hirnanhangdrüse gehören werden, und dem Endhirn (Telencephalon), zu dem der Neokortex und die Basalganglien gehören werden.

Die Individualentwicklung wiederholt nicht die Stammesgeschichte, auch wenn es so aussieht

Der menschliche Embryo ähnelt in seinen frühen Entwicklungsstadien sehr den gleichen Stadien unserer entwicklungsgeschichtlichen Vorfahren wie den Echsen. Nach ein bis zwei Monaten sieht der menschliche Embryo genauso aus wie die Embryonen der meisten anderen Säugetiere.

Der Biologe Ernst Haeckel stellte Ende des 19. Jahrhunderts die These auf, dass sich in der »Individualentwicklung (Ontogenese) die Stammesentwicklung (Phylogenese) wiederholt«. Übersetzt heißt das: Die individuelle Entwicklung eines Embryos durchläuft die Evolutionsstadien der gesamten Spezies. Diese Theorie ist inzwischen umstritten, weil (1) es Stadien und Formen beim menschlichen Embryo gibt, die bei keinem unserer Vorfahren vorkommen, und (2) es gibt bestimmte Formen bei unseren Vorfahren, die beim menschlichen Embryo nicht vorhanden sind.

Da die Säugetiere von den wechselwarmen Wirbeltieren abstammen, aber die Schwangerschaft bei ihnen viel länger dauert, ähneln viele embryonale Entwicklungsstadien denen ihrer wechselwarmen Verwandten, da sie den gleichen allgemeinen Bauplan für den Körper besitzen, der zu Beginn der Evolution festgelegt wurde. Aus dem gleichen Grund ähneln Embryos von Primaten den Embryos anderer Säugetiere, aus denen sie sich entwickelt haben, da der größte Teil der Differenzierung zwischen Primaten und anderen Säugetieren erst in einem späteren Entwicklungsstadium stattfindet.

Auch wenn der Embryo im Laufe seiner Entwicklung nicht noch einmal unsere Entwicklungsgeschichte durchläuft, kann man einige embryonale Strukturen finden, die denen unserer Vorfahren gleichen. Sehen Sie folgendes Beispiel: Wale haben sich aus Landtieren entwickelt. Während der Embryonalentwicklung eines Wales erscheinen Extremitäten-Knospen, die bis zur Geburt wieder verschwinden. Die vorderen Extremitäten der Wale (ihre Flossen) stammen hauptsächlich von den Vorderpfoten ihrer Vorfahren ab. Die Knospen für ihre hinteren Extremitäten erscheinen dagegen nur kurz während ihrer Embryonalentwicklung und verschwinden dann wieder (außer ein paar rudimentären Knöchelchen).

Schichten aufbauen: Die Entwicklung des Kortex

Fast ein halbes Jahrhundert haben Neurowissenschaftler gebraucht, um zu verstehen, wie sich der Neokortex, die größte und dominanteste Struktur des menschlichen Gehirns, entwickelt hat.

Der gesamte Neokortex hat einen sechsschichtigen Aufbau. Das lässt darauf schließen, dass alle Bereiche des Neokortex nach dem gleichen allgemeinen Plan gestaltet sind. Warum? Unsere 20.000 Gene können keinen detaillierten Bauplan für die 100 Milliarden Neuronen und Billiarden Synapsen beinhalten. Für diesen umfassenden neuronalen Schaltkreis, der die Informationen aller fünf Sinne verarbeiten und unsere Bewegungen steuern soll, muss es eine Feinabstimmung der Synapsenverbindungen geben. Sie hängt vom Aktivitätsmuster und den Erfahrungen jeder Kortexregion ab. Diese Feinabstimmung stabilisiert sich im Laufe der Entwicklung und wird zu dauerhaften neuronalen Schaltkreisen umgeändert. Diese Vorgänge werden Plastizität genannt.

Neuronale Stammzellen und migratorische Precursorzellen

Der Neokortex entwickelt sich aus einer speziellen Schicht neuronaler Stammzellen, die ventrikuläre Zone genannt wird. Diese Zone liegt unter dem Bereich, der sich einmal zur weißen Substanz der Hirnrinde entwickeln wird. Die neuronalen Stammzellen, die sich in dieser Zone befinden, teilen sich asymmetrisch: Eine Tochterzelle bleibt nach der Teilung weiterhin eine neuronale Stammzelle, die andere Tochterzelle wird eine Zelle, die in eine bestimmte Schicht des Neokortex wandert und sich dort zu einer bestimmten Zellart, wie beispielsweise einer Pyramidenzelle, entwickelt. Diese wandernden Zellen werden migratorische Precursorzellen (wandernde Vorläuferzellen) genannt.

Alle Zellen eines Organismus besitzen dieselbe DNA. Abhängig davon, welcher Teil der Erbinformation aktiviert wird, differenzieren sie sich in verschiedene Gewebe- und Zellarten. Diese Aktivierung wird von speziellen DNA-Abschnitten gesteuert. Diese DNA-Abschnitte werden von der Umgebung der Zelle beeinflusst. Zu Beginn der Entwicklung sind alle Zellen noch pluripotente Stammzellen. Sie können sich zu jeder beliebigen Zellart entwickeln. Schreitet die Entwicklung voran, sind sie auf die Zellarten des Ento-, Meso- oder Ektoderms festgelegt. Sie entwickeln sich weiter, bis sie zum Schluss einer ganz bestimmten Zellart angehören.

Stammzellen

Auf Stammzellen ruhen große Hoffnungen für die Therapie vieler degenerativer Erkrankungen. Setzt man sie in geschädigte Bereiche ein, reagieren sie wie während der Entwicklung. Sie können Läsionen reparieren, indem sie sich zu der dafür notwendigen Zellart entwickeln. Doch Stammzellen sind nicht leicht zu finden. Die ersten Stammzellen stammten von Embryonen, denn ein Großteil der embryonalen Zellen sind pluripotente Stammzellen.

Die Übertragung embryonaler Stammzellen wirft natürlich viele ethische Fragen auf. Doch es gibt auch ganz praktische Probleme wie die Gewebeabstoßung (weil die embryonalen Stammzellen schließlich von einem Spender stammen). Eine mögliche Lösung dafür ist die Verwendung adulter Stammzellen, die vom Patienten selbst stammen. Allerdings ist es nicht leicht, diese Stammzellen aufzuspüren und ihren Differenzierungsgrad zu erkennen. Wissenschaftler haben es bereits geschafft, einige Zellen (zum Beispiel Hautzellen) in Stammzellen zurückzuverwandeln, indem sie ihre DNA-Expression verändert haben.

Alles zusammenhalten: Gliazellen

Wie ich bereits erwähnt habe, besteht der Neokortex aus sechs Schichten (die graue Substanz). Er befindet sich oberhalb der weißen Substanz, die aus den Axonen besteht. Dieser sechsschichtige Aufbau wird durch die Gliazellen ermöglicht, die das Stützgewebe des Nervensystems darstellen.

Bevor die neuronale Migration (Wanderung von Nervenzellen) beginnt, schicken die Gliazellen Ausläufer von der ventrikulären Zone (dem Bereiche direkt unter der weißen Substanz) zur Oberfläche des Kortex. Die neuronalen Precursorzellen wandern dann entlang dieser Ausläufer.

Einige Neurowissenschaftler sind der Ansicht, dass jede Gliazelle und die Precursorzellen, die an ihr entlangwandern, eine wichtige Einheit im Kortex, die so genannten Minikolumnen, bilden. Eine Minikolumne besteht aus etwa 100 Zellen, die senkrecht über die sechs Schichten des Kortex verteilt sind.

Eine Minikolumne ist vermutlich durch Einwanderung von Precursorzellen entstanden, die alle den Ausläufer derselben Gliazelle verwendet haben. Diese Millionen Minikolumnen sind miteinander verbunden und bilden zusammen den Neokortex. Im sensorischen Kortex besitzen alle Zellen einer bestimmten Minikolumne dasselbe rezeptive Feld.

Abbildung 16.2: Gliazellen bilden das Gerüst für die Entwicklung des Neokortex

Wanderung entlang der Gliazellen und Differenzierung

So entstehen die sechs Schichten des Kortex:

1. Die ersten Precursorzellen verlassen die ventrikuläre Zone, wandern entlang der Gliazellausläufer nach oben bis zu der Schicht, die direkt über der weißen Substanz liegt. Dort bleiben sie und beginnen sich zu differenzieren.

2. Precursorzellen, die später in der ventrikulären Zone geboren werden, wandern nach oben durch die bereits differenzierten Zellen hindurch und bilden oberhalb der Schichten, die bereits existieren, eine neue Schicht.

3. Dieser Prozess setzt sich fort, bis sich die letzte Schicht gebildet hat. Diese Schicht ist dann die oberflächlichste Schicht des Kortex.

Abbildung 16.3: Wie sich die sechs Schichten des Neokortex bilden

Alles miteinander verkabeln: Wie Axone verschiedene Hirnareale miteinander verbinden

Nachdem sich die sechsschichtige Struktur des Neokortex gebildet hat, werden die einzelnen Regionen miteinander verbunden. Nervenzellen aller kortikaler Bereiche senden Axone in andere Regionen der Hirnrinde. Auch der Thalamus wird mit der Hirnrinde verbunden. All diese Axone bilden die weiße Substanz.

Eine große Frage der Neurowissenschaften besteht darin, woher die Axone wissen, wohin sie wandern und womit sie sich verbinden müssen, wenn sie ihr Ziel erreicht haben.

Chemische Affinität und Oberflächenmarker

Der häufig verwendete Begriff »genetischer Bauplan« vermittelt fälschlicherweise den Eindruck, dass der genetische Code gewissermaßen einen Plan für die Struktur des Organismus enthält. Doch tatsächlich bestimmen unsere Gene Zellreaktionen. Das sind unter anderem Regeln und Abläufe, denen die Zellen folgen, wenn sie auf ihre Umwelt reagieren.

Dazu gehört, dass sich auf der Zelle Oberflächenmarker bilden und das Wissen, wann (und ob) sie sich bei Kontakt mit den Oberflächenmarkern anderer Zellen bewegen oder differenzieren soll.

Noch bevor sich das Nervensystem gebildet hat, schütten Zellen am oberen und unteren Pol des Embryos und an anderen wichtigen Regionen chemische Botenstoffe aus. Folgendes müssen Sie dazu wissen:

Die verschiedenen Konzentrationen des chemischen Botenstoffes führen am Embryo zu Konzentrationsunterschieden. Die sich entwickelnden Zellen nehmen diese Unterschiede wahr und nutzen diese Information dazu, sich zu einer bestimmten Gewebeart zu entwickeln.

Die Zellen bilden Oberflächenmarker , die als trophische Substanzen wirken. Das sind Moleküle, die von Rezeptoren auf wandernden Zellen erkannt werden und das Axonwachstum lenken. Unser Genom kodiert die Produktion einer Reihe chemischer Botenstoffe, die bestimmte Reaktionen der sich noch entwickelnden Zellen festlegen. Beispielsweise, dass die Zellen im Kern A ihre Axone zu Kern B schicken sollen und wenn sie dort angekommen sind, die Synapsen der Dendriten den Oberflächenmarker C tragen.

Die Gehirnstrukturen zusammenfügen

Die Hauptstrukturen und die Verbindungen im Gehirn werden in verschiedenen Stadien aufgebaut und fertiggestellt:

1. Die Zielgebiete entwickeln sich.

2. In diesen Gebieten werden anziehend wirkende chemische Botenstoffe ausgeschüttet.

3. Neuronen, die auf diese Bereiche Informationen projizieren sollen, senden Axone in Richtung dieser Botenstoffe. Dazu nutzen sie häufig die Ausläufer der Gliazellen.

Diese komplexen Vorgänge bilden nur die Basisstruktur des Gehirns. Viele andere Mechanismen sind für die Feinabstimmung aller Verbindungen verantwortlich. Ein wichtiger Punkt ist dabei der Wettbewerb von Nervenzellen um die Ziel-Synapsen. Dieser Vorgang wird von der Aktivität der Neuronen selbst gesteuert und findet sowohl während als auch nach der Embryonalentwicklung statt. Im nächsten Abschnitt erfahren Sie mehr dazu.

Aus Erfahrungen lernen: Plastizität und die Entwicklung kortikaler Landkarten

Die chemische Affinität und die Oberflächenmarker der Zellen reichen aus, um große Axonbahnen zum richtigen Zielgebiet zu lenken. Doch die Verbindungsdetails zwischen den Billionen von Synapsen gehen weit über das hinaus, was dieses System leisten kann. Die endgültigen Verschaltungen entstehen nach einem konkurrierenden Prozess, bei dem ein Überfluss an Verbindungen wieder auf ein endgültiges, funktionelleres Maß reduziert wird. Dieser Prozess wird Plastizität genannt. Er funktioniert durch die Aktivität im sich entwickelnden Nervensystem.

Der Embryo entwickelt sich nicht in einem Vakuum. Der Fetus nimmt bereits Empfindungen über die Haut wahr. Auch Geräusche dringen durch die Gebärmutter und aktivieren den Gehörsinn. Und in den Bereichen des Nervensystems, die keine direkte Stimulation erfahren können (wie beispielsweise das Sehen), kommt es zu spontanen Nervenzellaktivitäten. Das bewirkt, dass sich Muskeln kontrahieren und die Ganglienzellen in der Netzhaut Aktionspotenziale senden. Diese organisierte Nervenzellaktivität hilft dabei, die richtigen synaptischen Verbindungen aufzubauen.

Plastizität funktioniert durch eine Art Datenflusskontrolle zwischen den prä- und postsynaptischen Neuronen. Aus den anfänglich vielen Nervenverbindungen stechen einige Neuronen heraus, die erfolgreicher dabei sind, die Informationen an das postsynaptische Neuron weiterzugeben. Diese Verbindungen werden stabilisiert und die anderen werden wieder gelöscht. Neuronen, die deshalb nicht genügend Synapsen bilden konnten, sterben vielleicht sogar ab.

Plastizität ermöglicht es dem Organismus, unvorhersehbare Abweichungen vom allgemeinen Bauplan, die durch Mutationen oder Verletzungen entstehen können, zu kompensieren. Nehmen Sie beispielsweise an, dass eine zufällige Mutation oder ein Gift, das die Mutter aufgenommen hat, die Netzhaut zerstört hat. Durch die Plastizität werden während der Entwicklung viele Synapsen des visuellen Kortex, die nahe den auditiven und somatosensorischen Bereichen liegen, von diesen Bereichen übernommen. Das kann dabei helfen, den fehlenden Sehsinn durch einen gesteigerten Hör- und Tastsinn zu kompensieren. Plastizität funktioniert auch innerhalb eines Sinnes, um kleinere Defekte zu kompensieren.

Die folgenden Abschnitte werfen einen Blick darauf, wie die Plastizität die genetisch programmierten Verbindungen formt, um die vorgegebenen Verarbeitungsbereiche, wie die sensorischen oder motorischen Landkarten, zu entwickeln.

Sehen, Hören, Berühren – Landkarten in unserem Kopf

In den sensorischen Bereichen des Neokortex werden die Informationen der Sinnesorgane so projiziert, dass Landkarten entstehen. Sehen Sie folgende Beispiele:

Der primäre visuelle Kortex enthält eine retinotope Karte, in der nebeneinanderliegende Ganglienzellen der Netzhaut auf nebeneinanderliegende Zellen des Kortex projizieren. Da die Optik des Auges dafür sorgt, dass benachbarte Netzhautbereiche mit nebeneinanderliegenden Punkten des Gesichtsfeldes übereinstimmen, wird das Gesichtsfeld systematisch auf dem Kortex abgebildet. (In Kapitel 5 erfahren Sie mehr zum visuellen System.)

Im somatosensorischen System (siehe Kapitel 4) ist die Karte auf dem somatosensorischen Kortex eine systematische, in den Proportionen allerdings verzerrte, Karte der Haut.

Im auditiven Kortex (siehe Kapitel 6) ist die Karte frequenzkodiert und entspricht dem Aufbau des Hörnervs dessen Nervenfasern die Hörschnecke in verschiedenen Frequenzbändern verlassen.

Diese genauen Landkarten entstehen im Kortex auf zwei unterschiedliche Arten. Zum einen führen Adhäsionsprozesse dazu, dass die Axone von Zellen, die im jeweiligen Sinnesorgan nahe beieinanderliegen, dazu neigen, zusammenzubleiben, wenn sie ihren Zielbereich in Kortex erreichen. Dadurch kommt es automatisch zu Übereinstimmungen zwischen den Lagebeziehungen in der Peripherie und dem Neokortex. Diese Landkarte wird durch andere aktivitätsabhängige Mechanismen weiter verfeinert. Dazu gehört die Anpassung der Verbindungen zwischen Zellen, die die Signale liefern, und denen, die sie aufnehmen. Dabei erregen Signalgeber-Zellen benachbarte Zellen, die die Signale aufnehmen. Ein wichtiger Aspekt dieses Prozesses ist das Hebb'sche Gesetz, das im nächsten Abschnitt beschrieben wird.

Das Hebb'sche Gesetz

Während seiner Entwicklung besteht überall im Nervensystem ein Wettstreit um synaptische Verbindungen. In der Netzhaut ringen beispielsweise die Dendritenbäume der Ganglienzellen um Synapsen zu den Precursorzellen. Zur gleichen Zeit senden die Ganglienzellen ihre Axone zum Thalamus. Da Thalamus und Kortex natürlich nicht im Voraus wissen können, welche Ganglienzellen den Wettkampf gewinnen werden, muss es einen Mechanismus geben, der es den kortikalen Zellen ermöglicht, die Synapsen zu behalten, die von den Ganglienzell-Gewinnern stammen, und die von den Verlierern wieder loszuwerden.

1949 hat der kanadische Psychologe Donald O. Hebb festgestellt, dass es eine Möglichkeit geben muss, mit der Synapsen abhängig von ihrer Aktivität modifiziert werden können, ohne dass dieser Prozess direkt von den Synapsen abhängt.

Das Hebb'sche Gesetz verstehen

Hebb formulierte sein Gesetz folgendermaßen: »Wenn ein Axon der Zelle A nahe genug ist, um Zelle B zu erregen, und wiederholt und dauerhaft zur Erzeugung von Aktionspotenzialen in Zelle B beiträgt, so resultiert dies in Wachstumsprozessen oder metabolischen Veränderungen in einer oder beiden Zellen, die bewirken, dass die Effizienz von Zelle A in Bezug auf die Erzeugung eines Aktionspotenzials in B größer wird.« Doch weder Hebb noch irgendjemand anderes hatte zum damaligen Zeitpunkt eine genaue Vorstellung davon, wie dieser Mechanismus genau funktioniert.

Das Hebb'sche Gesetz brachte zahlreiche Forschungsprogramme hervor, die zwei Dinge angenommen haben:

Plastizität und Lernen finden statt, indem die Stärke von Synapsen modifiziert wird. (Die Modifikation der Synapsenstärke wird in Kapitel 15 beschrieben.)

Diese Modifikation findet in Abhängigkeit von der Aktivität in den prä- und postsynaptischen Elementen der Synapsen statt.

Das Hebb'sche Gesetz auf die kortikalen Landkarten anwenden

Was hat das nun mit den kortikalen Landkarten zu tun? Stellen Sie sich zwei Ganglienzellen vor, die in der Netzhaut nebeneinanderliegen. Jede dieser Zellen besitzt ein rezeptives Feld. Das ist ein bestimmter Bereich der Netzhaut, aus dem sie ihre Informationen erhält. Benachbarte Ganglienzellen der Netzhaut besitzen rezeptive Felder, die sich entweder etwas überlappen oder aneinander angrenzen. Dadurch werden Strukturen und Objekte, die wir sehen, beide Ganglienzellen beeinflussen.

Die Erregung von benachbarten Ganglienzellen der Netzhaut hängt also miteinander zusammen. Wenn die Axone dieser Ganglienzellen den Nucleus geniculatum lateralis des Thalamus erreichen, verzweigen sie sich stark und versuchen, so viele Ziele wie möglich zu innervieren. An diesem Punkt übernimmt das Hebb'sche Gesetz. Folgendes geschieht:

Die Axone weit voneinander entfernter Ganglienzellen, die zum Nucleus geniculatum lateralis ziehen, werden nicht oft gemeinsam feuern, weil ihre Aktivität nicht so eng miteinander verbunden ist, wie das bei nebeneinanderliegenden Ganglienzellen der Fall ist.

Nebeneinanderliegende Ganglienzellen innervieren wahrscheinlich auch dieselben Zielzellen. Wenn diese Ganglienzellen zur gleichen Zeit feuern, entsteht an der Zielzelle im Nucleus genculatuim lateralis ein kräftiges Eingangssignal.

Deshalb besitzen die Axone benachbarter Ganglienzellen an denselben Zielzellen eine hohe Signalstärke, während die Signalstärke weit voneinander entfernter Ganglienzellen, die dieselbe Zielzelle innervieren, nicht zunehmen kann.

Bei der Projektion des Thalamus auf den Kortex findet ein ähnlicher Prozess statt. Chemoaffinitätsmechanismen leiten die Axone aus dem Thalamus in die entsprechende Region des Neokortex, wo sie darum konkurrieren, mit den Dendriten der kortikalen Neuronen Synapsen zu bilden. Das Hebb'sche Gesetz stabilisiert die Synapsen von benachbarten Zellen des Thalamus, während die Synapsenverbindungen mit geringerer Signalstärke wieder abgebaut werden.

Umwelteinwirkungen: Natur gegen Erziehung

Nachdem die allgemeine Struktur des Gehirns geschaffen wurde, muss noch die Feinabstimmung vorgenommen werden. Das geschieht durch die Aktivität innerhalb des Nervensystems. Während der Embryonalentwicklung wird die aktivitätsabhängige Modifizierung der Synapsen in einen Prozess eingebettet, in dem zuerst eine Neuronen-Überproduktion stattfindet. Die Verlierer des Konkurrenzkampfes zwischen den Neuronen sterben. Auch später beim Lernen treten Neuronen in Konkurrenz zueinander. Doch anstatt sie sterben zu lassen, wird der Prozess jetzt durch die Anpassung der Synapsenstärke reguliert.

Eine Besonderheit der menschlichen Entwicklung besteht darin, dass noch Monate nach der Geburt neue Nervenzellen entstehen, die dann wieder reduziert werden. Danach ist eine relativ stabile Neuronenzahl erreicht.

Die meisten Menschen glauben nicht, dass wir schon während der Embryonalentwicklung »Erfahrungen« machen können. Doch das Nervensystem ist schon aktiv und nutzt sogar selbststimulierende Mechanismen, da direkte sensorische Reize fehlen. Jede Mutter weiß außerdem, wie sich das Baby im Bauch bewegt. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Kinder zur Geburt die Stimme der Mutter kannten, weil sie sie schon im Mutterleib hören konnten.

Den falschen Weg einschlagen: Entwicklungsstörungen des Nervensystems

Die Tatsache, dass jedes menschliche Genom eine neue, einzigartige Gen-Kombination ist, die von den Eltern abstammt, bedeutet, dass jede Befruchtung ein Experiment darstellt. Der erste Teil dieses Experimentes besteht darin, ob dieses neue Genom die Entwicklung eines lebensfähigen Fetus steuern kann.

Irrtümlicherweise glauben viele, dass einzelne Gene für einzelne Eigenschaften zuständig sind. Doch diese Vorstellung wird den komplexen Vorgängen, die ein lebensfähiges, vielzelliges Lebewesen hervorbringen, nicht gerecht. Ein Teil des Genoms besteht aus Genen, die andere Gene steuern. Eine einzige Mutation kann schon zu Organfehlbildungen des Embryos führen. Abhängig vom Schweregrad der Fehlbildung kann der Embryo absterben und es kommt zu einer Fehlgeburt.

Bekannte genetisch bedingte Erkrankungen sind die Sichelzellanämie, die zystische Fibrose, das Tay-Sachs-Syndrom und die Bluterkrankheit. Diese Erkrankungen sind alle autosomal rezessiv. Das bedeutet, dass der Betroffene von beiden Eltern ein defektes Gen erben muss, um zu erkranken. Es gibt auch autosomal dominante Erbkrankheiten, wie beispielsweise Chorea Huntington. Bei ihnen reicht ein einziges dominantes Gen, das von einem der beiden Elternteile ererbt wurde, aus, damit die Krankheit ausbricht.

Neben den Erkrankungen, die auf bestimmte Gene zurückgeführt werden können, gibt es viele genetische Störungen, für die kein einzelnes Gen verantwortlich ist oder bei denen man noch nicht einmal weiß, dass sie genetische Ursachen haben. Beispielsweise treten sowohl Autismus als auch Schizophrenie familiär gehäuft auf, besonders bei Kindern, deren Eltern auch betroffen sind. Bei beiden Krankheiten scheinen verschiedene Gene auf unterschiedlichen Chromosomen die Ursache zu sein.

Selbst bei eineiigen Zwillingen, die dasselbe Genom besitzen, findet man keine 100-prozentige Übereinstimmung, was den Ausbruch von Krankheiten angeht. Die genetische Konstellation legt demnach nur eine Veranlagung für diese Erkrankung fest. Anscheinend haben Umweltfaktoren oder soziale Faktoren Einfluss darauf, ob eine Erkrankung ausbricht. Schon im Mutterleib haben eineiige Zwillinge eine unterschiedliche Umwelt, da sie durch die unterschiedliche Position in der Gebärmutter bestimmten Substanzen (wie zum Beispiel dem Stresshormon Cortisol), die im mütterlichen Kreislauf zirkulieren, unterschiedlich stark ausgesetzt sind.

Diese Unterschiede legen die Vermutung nahe, dass es bei Erkrankungen wie Autismus und Schizophrenie positive Feedback-Mechanismen gibt, durch die manche Menschen nicht erkranken, obwohl sie die genetischen Voraussetzungen dafür besitzen. Das ist noch eines der großen Rätsel der Neurowissenschaften, die es im 21. Jahrhundert zu klären gilt.

Derzeit kennt man die Aufgaben von etwa der Hälfte der 20.000 menschlichen Gene. Die Suche nach genetischen Mutationen bedeutet, dass man Milliarden Basenpaare nach einer Mutation durchsuchen muss. Ein Gen besteht im Durchschnitt aus 3.000 Basenpaaren. Es gibt allerdings auch Gene, die mehrere Millionen Basenpaare besitzen.

Genetische Entwicklungsstörungen bei Mutantenmäusen

In den letzten Jahrzehnten hat die Wissenschaft durch die Verwendung von Mutantenmäusen große Fortschritte bei der Suche nach den genetischen Ursachen bestimmter Erkrankungen gemacht. Mäuse haben mit dem Menschen nicht nur Gene gemeinsam, sondern sie sind klein, vermehren sich schnell und wachsen schnell heran. Deshalb können Wissenschaftler die Auswirkungen von DNA-Mutationen schnell und bei einer großen Anzahl von Tieren untersuchen.

»Junk«-DNA

Viele Molekularbiologen waren geschockt, als berichtet wurde, dass ein wesentlicher Teil der DNA – aktuelle Schätzungen belaufen sich auf 98 Prozent – niemals Proteine kodiert. Man nannte diese DNA-Bereiche deshalb auch Junk-DNA und bezog sich darauf, dass diese DNA-Teile nur noch rudimentär wären, also einmal eine Funktion hatten, die nun nicht länger benötigt wird. Doch es stellte sich heraus, dass alles wesentlich komplizierter war. Ein großer Teil des menschlichen Genoms besitzt regulatorische Aufgaben bei der Kodierung von Proteinen.

Um solche Studien durchzuführen, können Wissenschaftler bewusst spezifische Mutationen hervorrufen. Meist geschieht das, indem ein neues DNA-Segment in den Mäuseembryo eingepflanzt wird. Außerdem können gezielt ein oder mehrere Gene deaktiviert werden. Das ist die so genannte Knockout-Technik.

Einer der ersten und bekanntesten Fälle, bei denen eine Mutation die Ursache für eine Entwicklungsstörung war, ist die Reeler-Maus (engl. to reel = schwanken). Diese Mutation tritt spontan auf und wurde erstmals in den frühen 50er Jahren beschrieben. Die betroffenen Mäuse besaßen ein sehr kleines Kleinhirn und die Organisation des Neokortex war gestört. Diesen Mäusen fehlte ein intaktes Gen für die Bildung des extrazellulären Matrixproteins Reelin, das die Zellwanderung steuert und somit in der embryonalen Entwicklung des Gehirns wichtig ist.

Knockout-Mäuse, bei denen Gene deaktiviert wurden, hat man geschaffen, um Erkrankungen wie Diabetes, Krebs, Herzleiden, Arthrose, Alterungsprozesse, Übergewicht, Morbus Parkinson und sogar Suchterkrankungen genauer zu untersuchen.

Einflüsse von Umweltfaktoren auf die Entwicklung des menschlichen Gehirns

Der Embryo reagiert besonders empfindlich auf fremde chemische Substanzen. Viele Umweltfaktoren besitzen einen tiefgreifenden Effekt auf die Entwicklung des Embryos. Substanzen, die zu embryonalen Fehlbildungen führen, sind teratogen. Zu ihnen gehören:

Umweltgifte, wie beispielsweise Farbdämpfe oder Quecksilber, die das Gehirnwachstum beeinträchtigen und zu einer geistigen Behinderung führen

Radioaktive Strahlung und Röntgenstrahlen

Infektionen, wie beispielsweise Herpes, Röteln, Syphilis oder eine Infektion mit dem Zytomegalievirus

Verschreibungspflichtige Medikamente wie Thalidomid, ein Beruhigungsmittel, das unglücklicherweise auch zu Missbildungen der Extremitäten führt, und Methotrexat, ein Krebsmittel

Übermäßiger Genuss von Alkohol (fetales Alkoholsyndrom) und Koffein

Metabolische Störungen wie Diabetes und Folsäuremangel

Das alternde Gehirn

Während der Embryonalzeit und im frühen Kindesalter entwickelt sich das Gehirn. Die Neuronen vermehren und die Verschaltungen im Gehirn entwickeln sich. Doch in dieser Zeit werden Verbindungen auch wieder gekappt und überflüssige Zellen und Synapsen beseitigt. Die Myelinisierung der Axone dauert fast bis zum Ende der Pubertät. Der Teil des Gehirns, der erst ganz zum Schluss vollständig myelinisiert ist, ist der Frontallappen, also der Bereich, der für das abstrakte Denken und das Urteilsvermögen wichtig ist.

Bei Erwachsenen ist die Zellzahl und Gehirnstruktur relativ stabil. Lernen modifiziert die Synapsenstärke. In wenigen Regionen, wie dem Hippocampus und dem Riechlappen, werden Nervenzellen erneuert. Insgesamt sinkt mit dem Alter die Anzahl der Nervenzellen – durch Toxine, metabolische Störungen und möglicherweise durch genetische Faktoren, die die Lebenszeit der Zellen steuern.

Altern ist ein komplexer Prozess und reicht von der zellulären Ebene bis hin zum gesamten Organismus. Die Telomere, die sich am Chromosomenende befinden, können sich möglicherweise nicht beliebig oft teilen. Jedes Mal, wenn eine Zelle sich teilt, werden die Telomere kürzer, bis sie zu kurz für die Zellteilung sind. Die Zelle wird dann vielleicht inaktiv oder stirbt ab. Im Körper selbst treten auch Verschleiß- und Alterserscheinungen auf. So nutzen sich die Gelenke ab und die Blutgefäße verlieren ihre Flexibilität.

Einige Theorien betrachten das Altern als eine Häufung mehr oder weniger zufälliger Degenerationen verschiedener Gewebe, die schließlich zum Tod des gesamten Organismus führen. Andere Theorien besagen dagegen, dass die Lebensdauer von Zellen und damit das Altern in Wirklichkeit vorprogrammiert sind.

Egal, welcher Mechanismus nun zugrunde liegt, eines ist klar – der Mensch ist im Alter von Mitte bis Ende 20 körperlich und geistig am leistungsfähigsten. Die kognitive Leistungsfähigkeit nimmt aus verschiedenen Gründen danach weiter zu.

Das Gehirn verändert seine Strategie

Gesammeltes Wissen und Erfahrungen scheinen im späteren Leben die etwas langsameren Reaktionen und das schlechtere Kurzzeitgedächtnis auszugleichen. Von Intelligenzforschern wird zwischen fluider und kristalliner Intelligenz unterschieden.

Zur fluiden Intelligenz gehören geistige Kapazität, Auffassungsgabe und Verarbeitungsgeschwindigkeit. All das sind Eigenschaften, die Sie in hoher Ausprägung bei einem Piloten oder einen Rennfahrer erwarten würden.

Die kristalline Intelligenz umfasst unser Wissen, das wir im Laufe eines Lebens erwerben, und Strategien, wie wir das Wissen nutzen. Diese Art der Intelligenz nimmt weiterhin zu, auch nachdem die fluide Intelligenz die Spitze ihrer Leistungskurve erreicht hat. Die kristalline Intelligenz hat viel mit dem Erkennen von Mustern und einem guten Gespür für Situationen (Intuition) zu tun. Es ist nachgewiesen, dass Menschen, die Probleme besonders gut lösen können, mehr Zeit dafür investieren, ein Problem zu verstehen und Gemeinsamkeiten mit Problemen, die sie bereits erlebt haben, zu finden. Menschen, die Probleme nicht so gut lösen können, neigen dazu, den ersten Lösungsansatz, der ihnen in den Sinn kommt, zu übernehmen. Auch wenn sie schneller mit der Problemlösung beginnen, müssen sie später für ihre schlechte Wahl bezahlen.

Viele Studien haben in den letzten Jahrzehnten gezeigt, dass Intelligenz und kognitive Fähigkeiten mit dem Alter nicht abnehmen müssen (bei den meisten Menschen zumindest). Außerdem scheinen verloren gegangene kognitive Fähigkeiten auch wiederherstellbar zu sein. Folgendes hilft dabei, die kognitiven Fähigkeiten zu erhalten:

Geistiges Training: Für die Erhaltung, ganz zu schweigen von der Entwicklung, unserer kognitiven Fähigkeiten ist es enorm wichtig, unseren Geist zu fordern. Unser Gehirn wird häufig mit einem Muskel verglichen, der trainiert werden muss. Menschen, die regelmäßig moderat intellektuell gefordert werden, verfügen über gute Problemlösungs-Fähigkeiten.

Gesundheit und Ernährung: Genauso wichtig für den Erhalt unserer intellektuellen Fähigkeiten sind unsere Gesundheit und Ernährung. Hoher Blutdruck, Diabetes oder Drogenmissbrauch zerstören Nervenzellen. Es gibt interessante Belege dafür, dass sich Sport positiv auf das Gedächtnis und die Konzentrationsfähigkeit auswirkt. Sport kann auch die Bildung neuer und den Abbau abgestorbener Nervenzellen im Gehirn anregen.

Nahrungsergänzungen: Viele Nahrungsergänzungsmittel, wie beispielsweise Cholin, werden angepriesen, um die Hirnfunktion zu verbessern.

Einige Stimulanzien wie Koffein können die kognitiven Funktionen kurzzeitig steigern. Diese Substanzen besitzen jedoch Nebenwirkungen, vor allem, wenn sie hoch dosiert werden. Bis jetzt gibt es keine Intelligenz-Pille, die wirkungsvoll und sicher wäre.

Altersspezifische Störungen des Gehirns

Das Alter ist ein Risikofaktor für viele neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer oder Parkinson. Das gilt auch für Gefäßerkrankungen, die das Gehirn schädigen. Für viele dieser Erkrankungen gibt es eine genetische Veranlagung und Auslöser in der Umwelt.

Die Alzheimer-Krankheit

Die Alzheimer-Krankheit wird umgangssprachlich auch als senile Demenz bezeichnet. Sie wurde so häufig bei älteren Menschen beobachtet, dass man davon ausging, dass diese Erkrankung mehr oder weniger eine unvermeidbare Folge des Alterns darstellt. Mittlerweile weiß man, dass Alzheimer eine Erkrankung ist, bei der sich Tau-Proteine an den Axonen ablagern. Die Wahrscheinlichkeit, an Alzheimer zu erkranken, steigt mit dem Alter, doch auch jüngere Menschen können diese Krankheit bekommen. Älter zu werden bedeutet allerdings nicht zwangsläufig, Alzheimer zu bekommen. Es gibt sehr junge Menschen mit und sehr alte ohne Alzheimer.

Zu Beginn der Erkrankung sterben vor allem Zellen im Hippocampus. Da diese Hirnregion wichtig ist, um Informationen vom Kurz- in das Langzeitgedächtnis zu überführen (siehe Kapitel 13), ist der Verlust des episodischen Gedächtnisses (»Ich kann mich nicht erinnern, wo ich die Schlüssel hingelegt habe«) typisch für den Krankheitsbeginn. Im Krankheitsverlauf kommt es dann fast zum kompletten Verlust der kognitiven Funktionen.

Parkinson'sche Erkrankung

Parkinson geht mit dem Zelltod dopaminerger Zellen in der Substantia nigra, einem Kernkomplex im Mittelhirn, einher. Der Tod dieser Zellen beeinträchtigt die Bewegungsfähigkeit der Betroffenen. Die Wissenschaft konnte lange nicht sagen, ob diese Erkrankung auf einem genetischen Defizit beruht, das einfach sehr lange braucht, um zum Tragen zu kommen, oder ob es eine genetische Veranlagung gibt und die Erkrankung durch äußere Einflüsse ausgelöst wird.

Autoimmunerkrankungen

Von einer Reihe neurodegenerativer Erkrankungen, die mit zunehmendem Alter häufiger werden, glaubt man, dass sie Autoimmunerkrankungen sind. Bei einer Autoimmunerkrankung greifen Antikörper statt fremder Eindringlinge, wie Bakterien oder Viren, körpereigenes Gewebe an.

Die multiple Sklerose gehört zu den bekanntesten Autoimmunerkrankungen des Nervensystems. Bei der multiplen Sklerose werden die Myelinscheiden, die die Nervenfasern einhüllen, zerstört. Dadurch können Aktionspotenziale in den betroffenen Nervenfasern schlechter oder gar nicht mehr weitergeleitet werden.

Das erste Anzeichen dieser Krankheit ist häufig eine Muskelschwäche. Sie kann bis zur vollständigen Lähmung fortschreiten. Die Krankheitsverläufe der multiplen Sklerose sind sehr unterschiedlich. Obwohl die multiple Sklerose keine Erkrankung ist, die direkt mit dem Alter in Verbindung steht, beginnt sie doch meist im frühen Erwachsenenalter. Frauen erkranken häufiger.

Schlaganfälle

Im Alter steigt das Schlaganfallrisiko. Bei einem Schlaganfall kommt es zur Unterbrechung der Blutversorgung im Gehirn. Es gibt zwei Schlaganfallarten:

Den ischämischen Schlaganfall, bei dem ein Gefäßverschluss dazu führt, dass Teile des Gehirns nicht mehr ausreichend mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt und Abbaustoffe nicht mehr abtransportiert werden.

Beim hämorrhagischen Schlaganfall kommt es zu einer Hirnblutung.

In beiden Fällen ist die Funktion der betroffenen Hirnregionen gestört. Nervenzellen, die zu lange ohne Sauerstoffversorgung waren, sterben ab. Durch Rehabilitationsmaßnahmen können manche Funktionen später ganz oder teilweise wiederhergestellt werden. Dafür ist die Plastizität des Gehirns verantwortlich.

Viele Schlaganfälle bleiben unerkannt, weil sie wenige Symptome hervorrufen. Häufig ereilen Betroffene über Jahre viele kleine Schlaganfälle, die die Hirnfunktion mit der Zeit immer mehr beeinträchtigen. Schließlich folgt oft ein großer Schlaganfall, der sofort behandelt werden muss. Bildgebende Untersuchungsverfahren decken dann meist auch die vielen kleinen vorausgegangenen Schlaganfälle auf.

Tumore

Tumore können wie überall im Körper auch im Gehirn vorkommen. Die Auswirkungen von Hirntumoren hängen vor allem von ihrer Größe und Lokalisation ab. Erste Symptome reichen von Übelkeit, Muskelschwäche bis hin zu Sehstörungen.

Ein relativ häufiger Hirntumor, der eine schlechte Prognose besitzt, ist das Glioblastom. Dieser Tumor geht von den Gliazellen des Gehirns aus. Glioblastome können selten geheilt werden. Das liegt teilweise daran, dass die Blut-Hirn-Schranke das Gehirn vom Immunsystem isoliert und es dadurch keine Chance hat, Tumorzellen zu bekämpfen. Selbst wenn fast alle Tumorzellen durch eine Operation, Chemotherapie oder Bestrahlung zerstört wurden, reichen deshalb ein paar übrig gebliebene Tumorzellen aus, um den Tumor wieder nachwachsen zu lassen.

Es gibt auch gutartige Hirntumore, deren Prognose deutlich günstiger ist als die der Glioblastome. Sie werden meist chirurgisch entfernt. Im Anschluss daran wird manchmal noch eine Bestrahlung oder Chemotherapie durchgeführt.

Im Gehirn können sich auch Metastasen anderer Tumore absiedeln. Zellen des Haupt-Tumors gelangen über das Lymph- und Blutgefäßsystem ins Gehirn, wo sie sich ablagern und Tochtergeschwülste bilden.

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Psychische Störungen und Medikamente, die auf das Gehirn wirken

In diesem Kapitel ...

Die organischen Ursachen psychischer Erkrankungen betrachten

Psychische Erkrankungen kategorisieren

Medikamente zur Behandlung psychischer Erkrankungen

In einem so komplizierten System wie dem Gehirn kann einiges schieflaufen. Es kann unter anderem zu geistigen Behinderungen und psychischen Störungen kommen. Das sind sehr allgemeine Begriffe für viele verschiedene Störungen, die von unterschiedlichen Formen der Lernbehinderung, speziellen Syndromen, die mit oder ohne geistige Behinderung einhergehen (siehe »Down-Syndrom« und »Autismus«) bis hin zu psychischen Erkrankungen wie Depressionen, bipolaren Störungen und Zwangsstörungen reichen können.

In diesem Kapitel möchte ich Ihnen die Ursachen psychischer Störungen näherbringen, häufige Erkrankungen vorstellen und einen Blick darauf werfen, welche Möglichkeiten es gibt, solche Erkrankungen medikamentös zu behandeln.

Ursachen und Arten psychischer Erkrankungen

Viele psychische Erkrankungen haben mit Störungen im Neurotransmittersystem zu tun. Sie besitzen häufig genetische oder umgebungsbedingte Ursachen oder sind eine Kombination aus beidem. Das Down-Syndrom wird durch einen Gendefekt verursacht. Bei Schizophrenie und Autismus spielen dagegen die Kombination aus genetischer Veranlagung und Umweltauslösern eine Rolle.

Die stark vereinfachte Vorstellung, dass ein einzelner Gendefekt ein bestimmtes genetisches Syndrom verursacht, macht mittlerweile der durchdachteren Vorstellung Platz, dass bestimmte genetische Veränderungen eine Veranlagung für verschiedene Beeinträchtigungen, Syndrome und psychische Erkrankungen mit sich bringen. Doch damit die Erkrankung ausbricht, muss es zu Wechselwirkungen mit anderen Genen und der Umwelt (dazu gehört auch die Umwelt im Mutterleib) kommen. Viel Stress in der Schwangerschaft und Substanzen, die in der Schwangerschaft aufgenommen werden, wirken sich auf ungeborene Kinder, die eine Veranlagung für eine bestimmte Erkrankung besitzen, stärker aus als auf andere.

Chronischer oder akuter Stress können auch bei einem ansonsten »normalen« Gehirn zu psychischen Störungen führen. Solche Lebenserfahrungen, die zu psychischen Störungen führen, haben häufig organische Auswirkungen auf das Gehirn. Dazu gehören chronische Störungen des Neurotransmittergleichgewichts oder hohe Stresshormonspiegel. Diese könnten sehr effektiv mit einer Kombination aus traditionellen Therapiemethoden und Medikamenten, die den Neurotransmitterhaushalt wieder ausgleichen, behandelt werden.

Genetische Defekte

Durch die Entschlüsselung des menschlichen Erbgutes können viele Fragen über die Ursachen einer gestörten Hirnfunktion beantwortet werden. Dazu gehören beispielsweise bestimmte genetische Veränderungen. Im Folgenden habe ich für Sie einige bekannte genetische Erkrankungen aufgelistet, die schwerwiegende kognitive und neurologische Auswirkungen haben:

Down-Syndrom : Das Down-Syndrom wird auch Trisomie 21 genannt, da das Chromosom 21 bei Betroffenen nicht zwei-, sondern dreimal vorkommt. Das Down-Syndrom tritt bei mehr als einer von 1000 Geburten auf. Es ist häufiger bei Kindern älterer Eltern. Kinder mit einer Trisomie 21 leiden nicht nur unter einer mittleren bis schweren geistigen Behinderung, sondern auch unter Fehlbildungen verschiedener Organe. Das wirkt sich auf die Lebenserwartung aus. Die Betroffenen besitzen ab dem 50. Lebensjahr ein erhöhtes Risiko, frühzeitig an Alzheimer zu erkranken.

Fragiles-X-Syndrom : Das Fragile-X-Syndrom wird so genannt, weil seine Ursache eine Mutation auf dem X-Chromosom ist. Es ist die häufigste erbliche Ursache für eine kognitive Behinderung. Dieses Syndrom ist charakterisiert durch eine unterschiedlich stark ausgeprägte Intelligenzminderung und mehrere körperliche und emotionale Merkmale und Verhaltensauffälligkeiten. Die Betroffenen haben ein schmales Gesicht, große, abstehende Ohren, Plattfüße und einen geringen Muskeltonus. Sie leiden häufig auch unter sozialen Ängsten. Der neurologische Hintergrund der Erkrankung hängt mit einer Funktionsstörung in den präfrontalen Hirnregionen zusammen.

Rett-Syndrom : Das Rett-Syndrom ist eine Entwicklungsstörung des Gehirns. Dabei kommt es zu einer Störung der neuronalen Struktur des Gehirns und zu einem Noradrenalin- und Dopaminmangel. Körperliche Merkmale sind kleine Hände und Füße und ein verlangsamtes Schädelwachstum. Zu den Verhaltensmerkmalen gehören sich wiederholendes Händeringen, schlechte sprachliche Fähigkeiten und die Neigung zu einer Skoliose. Das Syndrom betrifft ausschließlich Mädchen (betroffene Jungen sterben schon im Mutterleib).

Williams-Beuren-Syndrom : Beim Williams-Beuren-Syndrom (WBS) handelt es sich um eine seltene Entwicklungsstörung, die durch eine geistige Behinderung charakterisiert ist. Die Sprachentwicklung ist davon allerdings nicht betroffen. Menschen mit WBS sind meist sehr sprachgewandt und überaus sozial. Sie besitzen ein »elfenartiges« Gesicht. Die Ursache des WBS liegt im Verlust einiger Gene auf Chromosom sieben.

Autismus : Autismus ist eine Erkrankung mit einer großen Bandbreite. Sie besitzt zahlreiche genetische Ursachen. Die Ausprägungen und Symptome können individuell sehr unterschiedlich sein. Sie reichen von schweren geistigen Behinderungen bis zu leichten sozialen Auffälligkeiten. Das Asperger-Syndrom gehört zum Autismus-Spektrum und wird als Autismus ohne signifikante Sprachstörungen beschrieben. Autisten sind häufig überdurchschnittlich intelligent und besitzen außergewöhnliche Fähigkeiten in technischen oder künstlerischen Bereichen. Viele Menschen mit großen Begabungen (Menschen mit außerordentlichen Rechenfähigkeiten, einem ungewöhnlich guten Gedächtnis oder außergewöhnlichen künstlerischen Fähigkeiten) sind Autisten. Die schwere Form des Autismus stellt eine Behinderung dar, bei der die Betroffenen keinerlei soziale Interaktionen eingehen können, stereotype Bewegungen ausführen (schaukeln) und kaum sprechen können.

Entwicklungsstörungen und Umwelteinflüsse bei psychischen Erkrankungen

Auch ein genetisch völlig gesundes Gehirn kann psychisch erkranken, wenn es während seiner Entwicklung oder später geschädigt wird. Stress oder Traumata können im Gehirn zu Veränderungen führen. Zu den Störungen der Gehirnfunktion, die auf Umwelteinflüsse zurückzuführen sind, gehören:

Fetales Alkoholsyndrom : Das fetale Alkoholsyndrom entwickelt sich, wenn die Mutter während der Schwangerschaft übermäßig viel Alkohol trinkt. Der Alkohol gelangt über die Plazenta zum Fetus und kann Nervenzellen und Gehirn schädigen. Das kann zu kognitiven und funktionellen Störungen führen. Dazu gehören Aufmerksamkeits- und Gedächtnisstörungen, impulsives Verhalten und Wachstumsstörungen. Die Häufigkeit des fetalen Alkoholsyndroms beträgt eine von 1000 Geburten. Äußere Merkmale des fetalen Alkoholsyndroms sind unter anderem eine kurze, flache Nase, eine schmale Oberlippe und Hautfalten in den Augenwinkeln.

Mütterlicher Stress : Wenn eine werdende Mutter chronisch oder stark gestresst ist, steigt das Risiko, dass das Kind unter emotionalen oder kognitiven Problemen wie Aufmerksamkeitsstörungen, Hyperaktivität, Ängsten oder Sprachverzögerungen leiden wird. Die fetale Umwelt kann sich verändern, wenn der Stress das Hormonprofil der Mutter beeinflusst. Man nimmt an, dass das Stresshormon Cortisol, das schädliche Auswirkungen auf das sich entwickelnde Nervensystem besitzt, dafür verantwortlich ist.

Posttraumatische Belastungsstörung (PTBS): Die posttraumatische Belastungsstörung ist eine schwere Angststörung, die sich nach einem psychischen Trauma (wie ein lebensbedrohliches Erlebnis oder die Bedrohung der körperlichen, sexuellen oder psychischen Unversehrtheit, zum Beispiel bei einem sexuellen Übergriff) entwickeln kann. Traumatische Ereignisse führen zu einer überschießenden Adrenalin-Reaktion, die auch nach dem Ereignis noch bestehen bleibt und die Betroffenen in späteren beängstigenden Situationen überreagieren lässt.

Typisch für die PTBS ist eine niedrige Cortisol- und eine hohe Catecholaminausschüttung, wie sie bei der klassischen Kämpfen-oder-Fliehen-Reaktion vorkommt. Extremer oder chronischer Stress kann das Gehirn und den Körper schädigen. Es gibt Belege dafür, dass Desensibilisierungs-Therapien, bei denen die Betroffenen Teile der Stressoren in einer kontrollierten Umgebung wiedererleben, die Folgen des PTBS lindern können. Diese Therapien sind einer medikamentösen Angsttherapie, mit der nur die Symptome, nicht aber die Krankheitsursachen behandelt werden, vorzuziehen.

Psychische Erkrankungen, bei denen Gene und Entwicklung eine Rolle spielen

Zu den wohl bekanntesten psychischen Erkrankungen gehören die Depression und die Schizophrenie. Bei beiden gibt es sowohl eine genetische Veranlagung als auch Krankheitsauslöser aus der Umwelt. Bis heute hat es die Wissenschaft nicht geschafft, die genauen Mechanismen dieser Erkrankungen aufzudecken. Doch in den vergangenen 20 Jahren wurden mit Hilfe moderner bildgebender Untersuchungsmethoden, der Genetik und der systemischen Neurowissenschaft große Fortschritte dabei gemacht, die Abweichungen in der Neurotransmitterfunktion bei diesen Erkrankungen zu verstehen.

Sich niedergeschlagen fühlen: Die Depression

Der Begriff Depression umfasst viele verschiedene Syndrome und Erkrankungen. Einige besitzen eine starke genetische Komponente, andere nicht. Es gibt beispielsweise viele Fälle, in denen Menschen ihr ganzes Leben ohne Depressionen gelebt haben, jedoch nach einem traumatischen Erlebnis, wie beispielsweise dem Tod eines Kindes, in eine tiefe Depression gefallen sind. Depressionen scheinen auch die Folge von chronischem Stress zu sein. Manche Menschen entwickeln Depressionen, ohne dass man einen äußeren Auslöser dafür finden kann. In diesen Fällen besteht eine erbliche Vorbelastung.

Im Folgenden möchte ich Ihnen einige Theorien zur Depression und den darauf basierenden Behandlungsmöglichkeiten vorstellen.

Die Monoamin-Hypothese: Nicht genug Serotonin

Die Monoamin-Hypothese besagt, dass ein Serotoninmangel die Ursache der Depression ist. Die meisten Antidepressiva heben den Serotoninspiegel. Viele heben auch die Noradrenalin- und Dopaminspiegel.

Allerdings haben depressive Personen keine zu niedrigen Serotoninspiegel. Die künstliche Absenkung dieses Spiegels bei Gesunden führte nicht zu Depressionen. Obwohl die Erhöhung der Serotoninspiegel mit Medikamenten (selektive Serotonin-Wiederaufnahme-Hemmer) bei einigen Betroffenen die Depressionssymptome bessert, ist nicht wirklich klar, ob die Behandlung eines Serotonindefizits der Grund dafür ist.

Der vordere Teil des Gyrus cinguli ist schuld

Bildgebende Untersuchungsverfahren deuten darauf hin, dass der vordere Teil des Gyrus cinguli für einige Depressionsarten verantwortlich sein kann. Diese Hirnregion wird bei Schmerzen, der Erwartung von Schmerzen und bei negativen Erlebnissen im Allgemeinen aktiviert. Sie zeigt bei depressiven Menschen eine höhere Aktivität als bei Gesunden. Zu den Therapien, die sich auf einen überaktiven Gyrus cinguli beziehen, gehören:

Entfernung: In einigen klinischen Studien wurden Teile des vorderen Teils des Gyrus cinguli entfernt, um bei todkranken Patienten unerträgliche Schmerzen zu lindern. Viele der Betroffenen berichteten, dass sie Schmerz körperlich noch wahrnehmen können, doch das Gefühl war nicht länger quälend.

Tiefe Hirnstimulation : Bei der tiefen Hirnstimulation wird den Patienten eine dünne Elektrode, die an einen Impulsgeber (ähnlich wie einem Herzschrittmacher) angeschlossen ist, in ein bestimmtes Hirnareal implantiert. Der Impulsgeber gibt ständig Impulse an die Zielregion ab. Mit Hilfe der tiefen Hirnstimulation kann der vordere Teil des Gyrus cinguli bei Menschen mit einer schweren Depression teilweise deaktiviert werden.

Die tiefe Hirnstimulation wurde vor ihrem Einsatz gegen Depressionen bei Parkinson-Kranken angewendet. Die tiefe Hirnstimulation des Nucleus subthalamicus hat bei Tausenden Betroffenen zu einer sofortigen Besserung der Symptome geführt.

Schocktherapie, negative Gefühle und Gedächtnis

Viele Studien haben gezeigt, dass depressive Menschen dazu neigen, ihre Erfahrungen negativer zu beurteilen. Einige Theorien zur depressiven Abwärtsspirale weisen auf einen Feedback-Prozess hin, bei dem negative Gefühle negative Erinnerungen schaffen, die dann noch mehr negative Gefühle erzeugen und dann vielleicht in einer Depression enden.

Wenn sich Depressionen so entwickeln, muss eine Therapie diesen Teufelskreis durchbrechen. Zwei Therapieformen, die auf die Modulation neuronaler Vorgänge abzielen, können unterschieden werden: die Elektrokrampftherapie (EKT) und die transkranielle Magnetstimulation (TMS).

Elektrokrampftherapie (EKT): Bei der EKT wird elektrischer Strom durch Elektroden auf dem Schädel verabreicht. Damit soll ein vorübergehender Krampfanfall ausgelöst werden, der kurzzeitig die Hirnaktivität unterbricht und einen retrograden Gedächtnisverlust verursacht. Dieser Gedächtnisverlust betrifft typischerweise die letzten Monate. Es kann auch zu einem anterograden Gedächtnisverlust kommen, bei dem die Patienten einige Wochen lang Schwierigkeiten haben, neue Erinnerungen im Langzeitgedächtnis abzuspeichern.

Die EKT wurde während der letzten Hälfte des 20. Jahrhunderts häufig bei hartnäckigen Depressionen, die mit einem hohen Selbstmordrisiko einhergingen, eingesetzt. Doch diese Therapie ist aus verschiedenen Gründen mittlerweile in Ungnade gefallen: Ein Grund ist der allgemeine Widerwillen, bei Patienten Krampfanfälle auszulösen. Außerdem kam es bei den Betroffenen häufig zu dauerhaften kognitiven Defiziten, zu denen auch ein Gedächtnisverlust gehörte. Die Tatsache, dass die Wirkung der EKT häufig nur wenige Monate anhielt, und die Möglichkeit, Depressionen medikamentös zu behandeln, sprachen ebenfalls gegen die EKT.

Transkranielle Magnetstimulation (TMS): Bei der TMS werden bestimmte Hirnareale starken Magnetfeldern ausgesetzt. Diese Magnetfelder bewirken in diesen Hirnregionen einen Stromfluss. Auch wenn bisher noch nicht vollständig geklärt ist, wie diese elektrischen Ströme auf das Gehirn wirken, so ist doch bekannt, dass die TMS die Gehirnaktivität in dem behandelten Bereich vorübergehend absenkt, ohne dabei Krampfanfälle auszulösen.

Einige Mediziner haben mit der TMS auch Depressionen erfolgreich behandelt. Derzeit gibt es allerdings noch keine großen randomisierten klinischen Studien zur Wirksamkeit dieser Therapiemethode. Doch sie scheint viel verträglicher als die EKT zu sein.

Epilepsie

Bei der Epilepsie kommt es zu Krampfanfällen. Sie werden durch anfallsartige synchrone Entladungen von Neuronengruppen im Gehirn ausgelöst, die die normale Gehirnfunktion schwer beeinträchtigen. Epilepsie hat verschiedene Ursachen. Sie reichen von genetischen Veränderungen bis hin zu Entwicklungsstörungen. Und auch Umweltfaktoren tragen zur Erkrankung bei. Epilepsie wird folgendermaßen behandelt:

Medikamente: Medikamente, die zur Therapie der Epilepsie eingesetzt werden, bezeichnet man als Antikonvulsiva. Die meisten dieser Medikamente zielen auf eine Erhöhung der GABA-Übertragung (GABA ist der wichtigste schnell wirksame hemmende Neurotransmitter im Gehirn). Bei über 70 Prozent der Patienten verringern sich durch diese Medikamente die Krampfanfälle. Doch es bleiben immer noch 30 Prozent übrig, bei denen sich die Erkrankung nicht bessert. Die meisten Antikonvulsiva haben außerdem deutliche Nebenwirkungen.

Operation: Die Operation ist eine Behandlungsmöglichkeit für Patienten, deren Krampfanfälle man mit Medikamenten nicht in den Griff bekommt oder die die Nebenwirkungen nicht aushalten. Bei der operativen Therapie der Epilepsie versucht der Operateur, den Fokus der Krampfanfälle (das ist die geschädigte Hirnregion, von der die Anfälle ausgehen) zu finden, und entfernt ihn. Eine Operation ist sehr wirkungsvoll, wenn der Fokus lokalisiert und entfernt werden kann. Doch in vielen Fällen ist das nicht möglich.

Es wird immer weiter geforscht, um neue, bessere Medikamente und bessere bildgebende Verfahren, mit denen die Auslöser der Anfälle lokalisiert werden können, zu entwickeln.

Schizophrenie

Die Schizophrenie ist eine schwere psychische Erkrankung, bei der das Denken gestört ist und die Realität nicht widergespiegelt wird. Schizophrenie wird von deutlichen sozialen Störungen begleitet, die in schweren Fällen einen Klinikaufenthalt nötig machen.

Die Krankheitssymptome beginnen im jungen Erwachsenenalter und können in zwei Kategorien unterteilt werden:

Als Positivsymptome bezeichnet man Verhaltensweisen, die mit dem Hören von Stimmen oder der Flucht vor eingebildeten Verfolgern zu tun haben. Diese Stimmen befehlen den Betroffenen manchmal, unangebrachte Dinge zu tun, und gehen mit Verfolgungswahn und Wahnvorstellungen einher.

Gehirnuntersuchungen haben gezeigt, dass während akustischer Halluzinationen der auditive Kortex aktiv ist. Das deutet darauf hin, dass eine innere Quelle im Gehirn diese Aktivität erzeugt, die der Schizophrene nicht von wirklich Gehörtem unterscheiden kann.

Negativsymptome beziehen sich meist auf die Einschränkungen im normalen Leben. Zu den Negativsymptomen gehören Motivationsverlust, Affektverflachung, sozialer Rückzug, Anhedonie (die Unfähigkeit, Freude zu empfinden) und ein mangelndes Interesse an Hygiene und normalen Alltagstätigkeiten.

Obwohl der Umgang mit den Positivsymptomen durchaus eine große Herausforderung darstellt, führen die Negativsymptome zu einer schlechteren Lebensqualität.

Die genetischen Ursachen der Schizophrenie

Da die Schizophrenie im jungen Erwachsenenalter ausbricht, der Zeit, in der die Myelinisierung im Frontallappen beendet ist, wird die Schizophrenie als Erkrankung des Frontallappens betrachtet, die aufgrund ihrer Erblichkeit eine starke genetische Komponente besitzt.

Für die genetische Veranlagung zur Schizophrenie spricht, dass bei der Erkrankung eines eineiigen Zwillings der andere Zwilling ein 40-prozentiges Risiko besitzt, auch an Schizophrenie zu erkranken. Das ist selbst dann der Fall, wenn die Zwillinge nicht zusammen aufgewachsen sind. Würde die Schizophrenie nur durch äußere Einflüsse entstehen, läge das Risiko, dass beide Zwillinge erkranken, weit unter einem Prozent.

Behandlungsmöglichkeiten

Die Möglichkeiten der medikamentösen Therapie haben in den vergangenen Jahrzehnten das Leben einiger Betroffener enorm verbessert. Das gilt besonders für die Linderung der Positivsymptome, mit denen immer am schwersten umgegangen werden kann. Die Negativsymptome reagieren jedoch kaum auf die derzeitigen Medikamente. Der Grund dafür ist nicht bekannt.

Die meisten Schizophrenen werden mit Antipsychotika wie Clozapin, Quetiapin, Risperidon und Perphenazin behandelt. Bisher konnte man noch nicht herausfinden, warum einige Wirkstoffe die Positivsymptome bei manchen Patienten stärker lindern als bei anderen und warum keines wirklich auf die Negativsymptome wirkt. Diese Medikamente besitzen viele schwere Nebenwirkungen. Interessanterweise heben manche Wirkstoffe die Acetylcholinspiegel im Gehirn an.

Zwangsstörung

Die Zwangsstörung ist eine psychische Erkrankung, die durch Zwangsgedanken und Zwangshandlungen gekennzeichnet ist. Kontroll- und Waschzwänge (vor allem der Hände) sind typische Zwangshandlungen; häufige Themen von Zwangsgedanken sind Sexualität, Religion oder irrationaler Ekel, wie beispielsweise die extreme Angst vor Keimen. In schweren Fällen können die Betroffenen paranoid und psychotisch sein. Patienten mit einer Zwangserkrankung sind sich dieser Störung jedoch im Gegensatz zur Schizophrenie bewusst.

Für die Zwangserkrankung wird eine Störung im Serotonin-Transmitter-System verantwortlich gemacht. Manchmal kann sie erfolgreich mit Serotonin-Wiederaufnahme-Hemmern behandelt werden. Bisher konnten bei einigen Erkrankten Genmutationen entdeckt werden, die sich auf den Serotoninhaushalt auswirken, doch eine allgemeine genetische Ursache wurde bis jetzt nicht gefunden. Auch Umweltfaktoren scheinen bei der Entstehung der Erkrankung eine Rolle zu spielen.

Vielversprechende Medikamente

Unser Gehirn ist ein Computer, der elektrische Ströme nutzt, um in den Nervenzellen Informationen zu verarbeiten. Für die Kommunikation zwischen den Zellen setzt es chemische Neurotransmitter ein. Diese Neurotransmitter werden in den synaptischen Spalt ausgeschüttet. Synapsen verfügen über unterschiedliche Neurotransmitter-Rezeptoren. Das Nervensystem wird auf verschiedenen Ebenen zwischen Erregung und Hemmung in einem Gleichgewicht gehalten. Das reicht vom einzelnen Neuron bis hin zum gesamten Gehirn.

Die systemischen Neurowissenschaften benötigten etwa ein Jahrzehnt dafür, ein detailliertes Bild der verschiedenen Neurotransmitter-Systeme des Gehirns und der Kreisläufe, in denen sie eingesetzt werden, zu entwerfen. Dazu gehören auch die wichtigsten erregenden Neurotransmitter Glutamat und Acetylcholin, die schnellen hemmenden Neurotransmitter GABA und Glycin und zahlreiche Neuromodulatoren wie Katecholamine und Neuropeptide.

Bei den meisten psychischen Erkrankungen besteht ein Ungleichgewicht im Neurotransmitter-System. Dabei muss dieses Ungleichgewicht nicht immer die Krankheitsursache sein. Bei den meisten Therapien psychischer Erkrankungen werden Medikamente verabreicht, die direkt oder indirekt auf ein oder mehrere Neurotransmitter-Systeme wirken. Die meisten Medikamente ahmen dabei die Wirkung von Neurotransmittern nach. In den nachfolgenden Abschnitten möchte ich Ihnen erklären, wie diese Medikamente wirken.

Typische und atypische antipsychotische Medikamente

Die Schizophrenie lässt sich am wirkungsvollsten mit Antipsychotika, die die Positivsymptome abmildern, behandeln. Diese Präparate unterdrücken die Übertragung von Dopamin und hemmen die Serotonin-Rezeptor-Aktivität.

Ursprünglich glaubte man, dass Schizophrenie durch eine übermäßige Aktivierung eines bestimmten Dopaminrezeptors, dem D2-Rezeptor, verursacht wird. Medikamente, die diesen Rezeptor blockieren, lindern die psychotischen Symptome. Das führte zur Verwendung der so genannten typischen antipsychotischen Medikamente, zu denen Chlorpromazoin, Haloperidol und Trifluoperazin gehören.

Doch einige neue antipsychotische Medikamente, die so genannten atypischen antipsychotischen Medikamente, sind ebenfalls sehr wirksam, obwohl sie nicht auf die D2-Rezeptoren zielen. Zu ihnen gehören Clozapin, Quetiapin, Risperidon und Perphenazin.

Medikamente, die GABA-Rezeptoren beeinflussen

Bei einer überschießenden Nervenaktivität (wie sie bei Epilepsie, Schizophrenie und Depressionen der Fall ist) können Behandlungsstrategien greifen, die entweder darauf gerichtet sind, die Nervenaktivität zu vermindern oder die Hemmung im Gehirn zu steigern.

Bei der Epilepsie versucht man, die Hemmung der Nervenaktivität zu steigern. Das wird mit Antikonvulsiva erreicht. Die meisten davon haben das Ziel, die GABA-Übertragung zu erhöhen (GABA ist der wichtigste hemmende Neurotransmitter im Gehirn). Zu den Antikonvulsiva gehören Phenytoin, Carbamazepin und Clonazepam.

Medikamente, die Serotonin beeinflussen

Selektive Serotonin-Wiederaufnahme-Hemmer sind relativ neue Medikamente, mit denen Depressionen und Angststörungen behandelt werden. Wie ihr Name schon sagt, blockieren oder verlangsamen sie die Wiederaufnahme von Serotonin durch das Synapsenendknöpfchen. Dadurch wird die Serotoninkonzentration im synaptischen Spalt erhöht und der postsynaptische Rezeptor wird länger aktiviert.

Zu den derzeit verwendeten selektiven Serotonin-Wiederaufnahme-Hemmern gehören Fluoxetin, Paroxetin und Sertralin.

Medikamente, die Dopamin beeinflussen

Dopamin ist ein wichtiger Neurotransmitter und gehört zu den Katecholaminen. Für Dopamin sind fünf Rezeptor-Typen bekannt (D1, D2, D3, D4 und D5). Dopamin wird in der Substantia nigra und einer Nervenstruktur im Mittelhirn, dem ventralen Tegmentum, produziert.

Versuche, Dopamin zuzuführen, um den Dopaminmangel in der Substantia nigra, wie er bei Parkinson auftritt, zu beheben, schlugen fehl, da Dopamin die Blut-Hirn-Schranke nicht überwinden kann. Doch die Dopaminvorstufe L-Dopa ist dazu in der Lage. Mit L-Dopa können die Parkinson-Symptome einige Jahre gelindert werden. Doch das L-Dopa verliert im Laufe der Zeit manchmal seine Wirksamkeit. Der Grund dafür ist vermutlich der Verlust von Dopaminrezeptoren, oder die Zellen, die durch Dopamin aktiviert werden, sterben ab.

Dopamin spielt auch im Belohnungssystem unseres Gehirns eine wichtige Rolle. Es wird im Präfrontalkortex als Reaktion auf Essen, Sex und neutrale Reize, mit denen angenehme Reize verbunden werden, ausgeschüttet. Drogen wie Kokain, Nikotin und Amphetamine steigern die Dopaminausschüttung im Belohnungssystem unseres Gehirns und können so zu einer Sucht führen.

Viele Medikamente, die gegen Angststörungen eingesetzt werden, greifen an den Dopaminrezeptoren, vor allem am D2-Rezeptor, an.

Einige natürliche psychoaktive Substanzen

In der Natur findet man psychoaktive Substanzen, die in religiösen Ritualen und im Schamanismus seit Tausenden Jahren eingesetzt werden. Meskalin (aus dem Peyote-Kaktus) und Psilocybin (aus einigen Pilzarten) aktivieren die Serotoninrezeptoren und führen ab einer bestimmten Dosierung zu Euphorie und Halluzinationen. Cannabinoide, wie sie in Marihuana vorkommen, aktivieren CB1- und CB2-Rezeptoren, die bei der Schmerz- und Immunkontrolle des Gehirns eine Rolle spielen.

Teil V

Der Top-Ten-Teil

In diesem Teil ...

Heute weiß man so viel mehr über unser Nervensystem als noch vor 15 Jahren. Wir wissen jetzt, welche Aufgabe die meisten Hirnregionen besitzen, mit welchen anderen Arealen sie verbunden sind und wie all das von der Funktion der einzelnen Nervenzellen abhängt. Diese Erkenntnisse sind nur der erste Schritt in eine großartige Zukunft, in der es möglich sein wird, viele Erkrankungen des Gehirns zu heilen und die normale Leistungsfähigkeit des Gehirns zu steigern.

Dieser Buchteil widmet sich der allgemeinen Organisation des Gehirns und den Möglichkeiten, mit denen moderne Technologien unser Gehirn wahrscheinlich in den kommenden Jahrzehnten verändern werden. Nichts, was wir bisher erlebt haben, wird damit vergleichbar sein.

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Wichtige Hirnstrukturen

In diesem Kapitel ...

Regionen, die unsere Bewegungen steuern

Regionen, die unser Bewusstsein und unsere Gedanken ermöglichen

Regionen, die unsere Sinne beeinflussen

Das Gehirn besteht aus vielen verschiedenen funktionellen Bereichen. Einige davon unterscheiden sich auch anatomisch, andere nicht. Da die verschiedenen Gehirnregionen für bestimmte Funktionen verantwortlich sind, hat die Zerstörung eines Gebietes auch den Verlust einer Funktion zur Folge. Die Hirnareale, die ich in dieses Kapitel aufgenommen habe, besitzen wichtige Aufgaben für die kognitiven Fähigkeiten, sind Gegenstand aktueller Forschungen und sind von Erkrankungen wie Alzheimer oder Parkinson betroffen.

Der Neokortex

Wenn Sie das menschliche Gehirn betrachten, gehört das meiste, was Sie sehen, zum Neokortex. Er überzieht den Rest des Gehirns und schließt es fast vollständig ein. Der Neokortex besitzt in Bezug auf das restliche Gehirn zwei wichtige Merkmale:

Er ist sehr groß und enthält mit Ausnahme des Kleinhirns die meisten Nervenzellen des gesamten Gehirns.

Er ist überraschend einheitlich aufgebaut. Der gesamte Neokortex besitzt einen sechsschichtigen Aufbau und enthält dieselben Nervenzellarten und Schaltkreise.

Der Neokortex steht in der Informationsverarbeitungshierarchie unserer Sinne an oberster Stelle. Das Gleiche gilt für die Steuerung unseres Verhaltens. Mehr über die Rolle, die der Neokortex bei unserem Verhalten spielt, erfahren Sie in den Kapiteln 13 und 14.

Der Thalamus, das Tor zum Neokortex

Der Thalamus ist das Tor zum Neokortex. Durch ihn laufen alle Informationen zu und von verschiedenen Bereichen des Neokortex. Er ist wie ein Knotenpunkt, von dem aus alle Kräfte verdichtet und verteilt werden.

Das olfaktorische System ist das einzige sensorische System, das die Informationen direkt von der Peripherie (dem Riechkolben) auf den Neokortex projiziert. Bei allen anderen Sinnen erfolgt noch eine periphere Signalverarbeitung. Danach werden die Informationen zum Thalamus geleitet, der diese dann zum primären Sinnesareal des Neokortex überträgt. Beim Geruchssinn projiziert der Neokortex (der Orbitofrontalkortex) auf eine olfaktorische Region des Thalamus, der wiederum Informationen zum Orbitofrontalkortex zurücksendet.

Da der Thalamus von allen Sinnesorganen, von den motorischen Arealen und der Formatio reticularis Informationen erhält, arbeitet er wie ein Dirigent, der die Aktivität zwischen den einzelnen Instrumenten verteilt.

Der Thalamus ist besonders wichtig, um den Frontallappen schnell mit den anderen Hirnlappen zu verbinden. Die Informationen, die zwischen diesen Bereichen hin und her gehen, haben mit Aufmerksamkeit, Wahrnehmung und Bewusstsein zu tun.

Wegen der zentralen Rolle, die der Thalamus bei unseren Sinnen spielt, finden Sie mehr Informationen darüber in den Kapiteln von Teil II dieses Buches.

Das Pulvinar

Bei der Suche nach Hirnarealen, die viele andere Hirnbereiche zu kontrollieren scheinen, sind Wissenschaftler immer wieder auf das Pulvinar gestoßen. Dabei handelt es sich um ein Kerngebiet des Thalamus. Dieses Kerngebiet, das über weitreichende Verbindungen mit dem gesamten Neokortex verfügt, spielt bei der Aufmerksamkeit, besonders der visuellen Aufmerksamkeit, und bei den Augenbewegungen eine Rolle. Das Pulvinar scheint das Sehen mit der Verfolgung eines Ziels so zu verbinden, dass passende visuelle Reize mit kontextspezifischen Bewegungen verbunden werden, während irrelevante visuelle Reize ausgeblendet werden. Mehr über das Pulvinar erfahren Sie in Kapitel 13.

Das Kleinhirn

Das Kleinhirn gehört zu den ältesten Teilen des Gehirns von Wirbeltieren. Hinsichtlich der Anzahl der Nervenzellen gehört es auch zu den größten. Es besitzt schätzungsweise mehr Neuronen als der gesamte Rest des Gehirns, einschließlich des Neokortex.

Das Kleinhirn ist zuständig für die Koordination und Feinabstimmung von Bewegungsabläufen. Es vergleicht, was für eine bestimmte Bewegung vom Frontallappen vorgegeben wurde und was tatsächlich ausgeführt wird (wie zum Beispiel einen normalen Schritt machen, aber in ein Loch treten). Das Kleinhirn spielt auch eine wichtige Rolle beim Erlernen von Bewegungsabläufen und es ermöglicht die Ausführung schneller Bewegungsabläufe. Wenn Sie gerade das Radfahren lernen, müssen Sie an jede Einzelheit denken, die Sie beachten müssen. Doch nachdem Sie richtig Radfahren können, ist das nicht mehr nötig, da die Bewegungsabläufe jetzt im Kleinhirn vorprogrammiert sind.

Das Kleinhirn spielt auch eine Rolle bei zahlreichen kognitiven Prozessen. Beim Schach müssen Sie sich beispielsweise vorstellen, wie Sie die einzelnen Figuren bewegen dürfen und auf welche gegnerischen Figuren sie dann treffen. Wenn Sie darüber nachdenken, ist das Kleinhirn aktiv.

Nach all den Informationen denken Sie vielleicht, dass eine Schädigung des Kleinhirns zu schwerwiegenden Störungen oder sogar zum Tode führen würde. Doch das ist nicht der Fall. Wird das Kleinhirn geschädigt, sind die Menschen danach ungeschickt und tollpatschig. Es gibt einige Fälle, in denen Menschen ohne Kleinhirn geboren wurden und fast ganz normal leben konnten.

Mehr über das Kleinhirn und seine Aufgaben bei der Bewegungssteuerung erfahren Sie in den Kapiteln 8 bis 10.

Der Hippocampus

Der Hippocampus spielt bei der Entstehung von Erinnerungen eine wichtige Rolle. Er erhält Informationen aus dem gesamten Neokortex und projiziert sie zurück auf die gleichen Areale, von denen er sie erhalten hat.

Der Informationsspeicher im Hippocampus ist zeitlich begrenzt. Er ist dafür verantwortlich, dass Gedächtnisinhalte vom Kurz- in das Langzeitgedächtnis überführt werden. Das geschieht normalerweise im Schlaf, vor allem im REM-Schlaf. Dabei werden die Erinnerungen im Langzeitgedächtnis in den Gebieten des Neokortex, die schon aktiv waren, als die Originalepisode stattfand, gespeichert.

Der Hippocampus entwickelte sich vor dem Neokortex und erlaubte den Wirbeltieren, die älter sind als die Säugetiere (wie Echsen und Vögel), aus Erfahrungen zu lernen. Die kontinuierliche Entwicklung des Hippocampus und die Tatsache, dass er ein komplexes, lernabhängiges Verhalten ermöglichte, hat sicherlich zur späteren Entwicklung des Neokortex beigetragen.

Mehr zum Hippocampus und seinen Aufgaben für Gedächtnis und Intelligenz können Sie in den Kapiteln 12, 13 und 15 nachlesen.

Das Wernicke- und das Broca-Areal

Das Wernicke- und das Broca-Areal haben eine entscheidende Funktion für die Sprache. Das Wernicke-Areal, das sich an der Grenze zwischen oberem Temporal- und Parietallappen befindet, fungiert als sensorisches Sprachzentrum und verarbeitet auditorische Impulse.

Das Wernicke-Areal verarbeitet Sprache. Dazu muss es mit anderen Hirnregionen, die Informationen über Dinge speichern (semantisches Netzwerk), in Verbindung stehen. Das Wernicke-Areal hilft auch beim Verstehen der Bedeutung von Sätzen. Bei dieser Aufgabe interagiert es mit anderen Hirnbereichen, einschließlich des Broca-Areals.

Die Sprachfunktionen des Wernicke-Areals werden bei 95 Prozent der Rechtshänder und der Mehrheit der Linkshänder ausschließlich in der linken Hirnhälfte ausgeführt. Eine Schädigung des Wernicke-Areals führt dazu, dass die Betroffenen Probleme haben, Sprache zu verstehen und sinnvoll zu sprechen. Die gleiche Region auf der rechten Gehirnhälfte verarbeitet die Stimmlage, um Ironie und Humor zu erkennen, und andere Aspekte des Satzrhythmus.

Das Broca-Areal liegt im Frontallappen direkt vor den Teilen des primär-motorischen Kortex, die die Bewegungen der Zunge, Lippen und anderer Muskeln, die man zum Sprechen benötigt, kontrollieren. Eine schwere Schädigung des Broca-Areals kann auch einige Aspekte des Sprachverständnisses vermindern.

Die Entdeckung des Broca- und des Wernicke-Areals im späten 19. Jahrhundert war eines der ersten eindeutigen Beispiele dafür, dass bestimmte Hirnregionen ganz bestimmte Funktionen besitzen. Außerdem war ihre Entdeckung ein Beweis dafür, dass die rechte und linke Gehirnhälfte keine funktionellen Spiegelbilder darstellen.

Mehr über diese beiden Bereiche können Sie in Kapitel 13 nachlesen.

Das fusiforme Gesichtsareal

Das fusiforme Gesichtsareal ist eine Region im mittleren Temporallappen, die dafür verantwortlich ist, dass wir Gesichter erkennen können.

Und so funktioniert es: Ein visueller Reiz wird auf verschiedenen Ebenen im Neokortex verarbeitet. Dabei werden die Nervenzellen immer selektiver für bestimmte Merkmale des Reizes.

An einem bestimmten Punkt teilen sich die Verarbeitungssequenzen in zwei Datenströme – in den Was- und Wo-Pfad. Der Wo-Pfad wird in den Parietallappen weitergeleitet und beinhaltet das Sehen, das nötig ist, um Objekte zu bedienen und in der Welt zu navigieren. Der Was-Pfad durchläuft mehrere Areale des Inferotemporallappens, wo sich Nervenzellen befinden, die sehr selektiv auf bestimmte Formen reagieren.

Im fusiformen Gesichtsareal befinden sich Zellen, die selektiv auf Gesichter, Hände und andere biologisch bedeutsame Reize reagieren.

Es gibt einige Fallbeispiele, bei denen das fusiforme Gesichtsareal beschädigt worden war. Wenn die Schädigung vor allem das rechte fusiforme Gesichtsareal betraf, konnten die Betroffenen keine Gesichter mehr erkennen, nicht mal mehr ihr eigenes, obwohl sie weiterhin in der Lage waren, andere gleich aussehende Objekte wie Autos oder Tiere zu unterscheiden. Mehr zum fusiformen Gesichtsareal können Sie in den Kapiteln 5 und 13 nachlesen.

Die Amygdala

Zwischen der Amygdala und dem Hippocampus gibt es einige funktionelle Gemeinsamkeiten. Doch während der Hippocampus viele Verbindungen zum Neokortex besitzt, verfügt die Amygdala über viele Verbindungen zu niedrigeren Ebenen des sensorischen Systems. Sie besitzt auch Verbindungen direkt zum Hippocampus.

Die Amygdala funktioniert wie ein Speichersystem für emotional herausragende Ereignisse. Sie produziert unbewusste vegetative Reaktionen auf einen erinnerten Reiz oder auf einen Reiz, der diesem ähnelt und der zu Gefühlen wie Angst oder Ekel führt. Die Amygdala unterstützt den Fluchtreflex in Situationen, die denen ähneln, die in der Vergangenheit Schmerzen oder beinahe Schmerzen verursacht haben.

Es gibt Einzelfälle, in denen die Amygdala geschädigt war und die Betroffenen das Leid anderer nicht mehr nachempfinden konnten. Dazu gehören auch einige extreme Beispiele, bei denen die Schädigung der Amygdala dazu führte, dass die Betroffenen anderen Leid zufügten, ohne Reue oder Mitgefühl zu empfinden. Mehr zur Amygdala können Sie in den Kapiteln 7 und 14 nachlesen.

Der seitliche Präfrontalkortex

Das Arbeitsgedächtnis speichert, was in einer aktuellen Situation für uns gerade von besonderer Bedeutung ist. Das Arbeitsgedächtnis liegt im seitlichen Präfrontalkortex. Dieses Areal des Neokortex erhält Informationen vom übrigen Neokortex, vom Thalamus und vom Hippocampus und geht umgekehrt auch Verbindungen mit diesen Bereichen ein. Über die funktionelle Aufteilung innerhalb dieses Bereiches, der zweifellos sehr wichtig für das abstrakte Denken ist, weiß man noch nicht viel.

Der seitliche Präfrontalkortex ist der Sitz der Vernunft und der Teil des Gehirns, der uns von rein instinktivem Verhalten befreit. Er ermöglicht es, sich Dinge vorzustellen, die man gerade nicht vor sich hat. So können wir planen und komplexe Ziele verfolgen. Der seitliche Präfrontalkortex ist auch für das episodische Gedächtnis wichtig. Er ermöglicht es, dass wir uns an ein bestimmtes Ereignis in einem bestimmten Kontext erinnern.

Die Schädigung des seitlichen Präfrontalkortex beeinträchtigt die Fähigkeit, angemessen auf eine Situation zu reagieren und Ziele zu verändern und der Realität anzupassen. Das Verhalten ist dann mehr reizorientiert und stereotyp. In Kapitel 14 beschäftige ich mich noch ausführlicher mit dem seitlichen Präfrontalkortex.

Die Substantia nigra (Basalganglien)

Die Basalganglien sind eine komplexe, miteinander verbundene Reihe subkortikaler Kerne, die das Verhalten auf der Ebene unterhalb des Neokortex kontrollieren. In diesem System besitzt die Substantia nigra eine wichtige regulierende Rolle.

Ein Grund dafür, dass die Basalganglien relativ bekannt geworden sind, ist die Parkinson'sche Erkrankung. Diese wird durch den Zerfall dopaminproduzierender Zellen in der Substantia nigra verursacht. Um mehr über die Basalganglien und ihre Aufgabe bei der Bewegungssteuerung zu erfahren, müssen Sie zu Kapitel 10 zurückblättern.

Der vordere Teil des Gyrus cinguli

Der vordere Teil des Gyrus cinguli liegt genau oberhalb des Gehirnbalkens und unterhalb des Neokortex. Er gehört zum Mesokortex, der sich als oberste Schaltstelle des limbischen Systems entwickelt hatte.

Der vordere Teil des Gyrus cinguli ist etwas Besonderes, weil er die neuronale Verarbeitung des gesamten Neokortex zu kontrollieren scheint und sie den jeweiligen Anforderungen anpasst. Er spielt auch eine Rolle beim subjektiven Erleben, das in Zusammenhang mit unserem Bewusstsein steht. Das gilt besonders für die bewusste Wahrnehmung von Schmerzen. Der vordere Teil des Gyrus cinguli wird bei Schmerzen oder auch nur der Erwartung von Schmerzen aktiviert. Die elektrische Stimulation dieses Areals kann die Schmerzwahrnehmung ausschalten, ohne dabei den Schmerzreiz zu eliminieren.

Der vordere Teil des Gyrus cinguli wird auch aktiviert, wenn Sie eine schwere Aufgabe zu lösen haben, und vor allem dann, wenn Sie Fehler machen. Diese Aktivierung ist Teil seiner Rolle bei der Verteilung der Verarbeitungsprozesse über den Neokortex in Abhängigkeit von den Anforderungen. In dieser Funktion besitzt er viele Verbindungen zum seitlichen Präfrontalkortex. Sehen Sie es so: Der seitliche Präfrontalkortex enthält den Inhalt der Gedanken und der vordere Teil des Gyrus cinguli wählt ihn aus.

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Tricks der Neuronen

In diesem Kapitel ...

Einschränkungen durch Größe oder Entfernung überwinden

Die Feinabstimmung

Die einmalige Entwicklung bei den Wirbeltieren

Neuronen sind Zellen. Sie enthalten Bestandteile, die in allen tierischen Zellen vorkommen. Dazu gehören der Zellkern, der Golgi-Apparat und einige mehr. Doch Neuronen besitzen auch Merkmale, die einzigartig sind oder zumindest bei anderen Zellen nicht sehr häufig vorkommen. Neuronen sind darauf spezialisiert, Informationen zu verarbeiten und weiterzuleiten. Sie entwickelten sich, weil sie die Überlebenschancen der Organismen erhöhten, denn sie ermöglichten es den Organismen, sich innerhalb ihrer Umwelt zu bewegen und Nahrung, Gifte, Temperatur und Feinde zu spüren.

Sollten Sie sich für einen Job in einem neurowissenschaftlichen Labor bewerben wollen, können Sie den Chef beeindrucken, wenn Sie die zehn wichtigsten Eigenschaften der Nervenzellen, die ich Ihnen jetzt vorstellen werde, kennen.

Das Größenproblem lösen

Neuronen erhalten Informationen von anderen Neuronen, verarbeiten sie und schicken sie weiter zu anderen Nervenzellen.

Ihre Informationen erhalten die Neuronen über die Synapsen. Bei den meisten Neuronen sitzen diese Synapsen am Zellkörper. Synapsen besitzen allerdings eine bestimmte Größe, sodass eine normalgroße Zelle maximal ein paar Hundert Synapsen haben kann.

Um für mehr Synapsen Platz zu schaffen, könnten die Zellkörper wachsen. Doch das wäre für unseren Körper unrentabel. Neuronen haben das Problem gelöst, indem sie zylindrische Fortsätze, die Dendriten, ausgebildet haben. Diese Dendriten erlauben es einer Nervenzelle, Zehntausende Synapsen zu haben.

Eine Nervenzelle ist ein sehr komplizierter Mini-Computer. Folgendes sollten Sie kurz zusammengefasst über Synapsen und Dendriten wissen:

Es gibt elektrische und chemische Synapsen. Elektrische Synapsen sind einfach aufgebaut und reagieren sehr schnell, doch sie sind unflexibel und ineffizient. Chemische Synapsen sind leistungsstärker und flexibler, doch sie reagieren langsamer als elektrische Synapsen.

Am Dendritenbaum befinden sich Synapsen, die Informationen an die Nervenzelle übertragen. Doch die Dendritenbäume haben noch andere Aufgaben, als nur genügend Platz für die Synapsen zur Verfügung zu stellen. Sie ermöglichen außerdem, dass Synapsen, die eng beieinanderliegen, nichtlinear miteinander interagieren. Synapsen, die sich näher am Zellkörper befinden, haben einen größeren Effekt auf die Erregungsausbreitung am Zellkörper als Synapsen, die weiter entfernt sind. Die Verzweigungen des Dendritenbaumes sind ebenfalls wichtig, da sie zahlreiche Informationsverarbeitungs-Einheiten auf einer Ebene unterhalb des Neurons bereitstellen. Sie ermöglichen es, aus Zehntausenden zeitversetzten präsynaptischen Signaleingängen letztlich ein einheitliches Ausgangssignal zu bilden.

Immer das meiste herausholen

Es gibt nicht nur glatte Dendriten, sondern manche besitzen pilzförmige Ausstülpungen, so genannte Dornfortsätze. Sie sind ein wichtiger Ort für den Eingang synaptischer, besonders erregender Signale.

Interessant an den Dornfortsätzen ist, dass sie wachsen und wieder verschwinden können und abhängig von der Aktivität im prä- und postsynaptischen Neuron ihre Form verändern. Diese Formveränderung scheint ein Mechanismus für die dynamische Veränderung der synaptischen Stärke zu sein, die für das Lernen und die Plastizität des Nervensystems wichtig ist.

Die Formen der Dornfortsätze wirken auf mindestens zwei Mechanismen, die die synaptische Leistungsfähigkeit beeinflussen:

Die Länge und der Durchmesser des Dornfortsatz-Halses beeinflusst die Erregungsstärke, die den Dendriten erreicht.

Das Volumen des Dornfortsatzes scheint die Veränderung der Ionenkonzentration zu beeinflussen.

Chemische Kommunikation der Neuronen

Ionotrope Rezeptoren bestehen aus Proteinkomplexen auf der postsynaptischen Seite der Synapse. Sie verbinden die Welt außerhalb des Neurons mit der Welt innerhalb der Zelle, indem sie es Ionen ermöglichen, durch Ionenkanäle in der Membran zu wandern. Der Rezeptor reagiert selektiv auf bestimmte Signale anderer Neuronen, abhängig vom Neurotransmitter, der vom präsynaptischen Neuron ausgeschüttet wird. Der Ionenkanal, der geöffnet wird, wenn sich ein Neurotransmitter an den Rezeptor bindet, ist die Nachricht, die an die restliche Zelle als synaptischer Eingangsstrom weitergegeben wird.

Ionotrope Rezeptoren unterscheiden sich von einer anderen Rezeptorart, den metabotropen Rezeptoren. Auch sie binden Signalstoffe an der Membranaußenseite. Doch sie besitzen keine Poren. Stattdessen aktiviert die Bindung zwischen Rezeptor und Botenstoff in der Zelle eine Signalkaskade, die wiederum Kanäle in der Zellmembran aktiviert (meist öffnet).

Ionotrope Rezeptoren dienen der schnelleren Signalübertragung. Metabotrope Rezeptoren sind langsamer und steuern regulatorische Reaktionen des Körpers. Allerdings gibt es einige schnelle metabotrope Rezeptoren. Sie ermöglichen es einem einzelnen Neurotransmitter, an verschiedenen postsynaptischen Neuronen unterschiedliche Effekte hervorzurufen.

Spezialisiert für die Sinne

Während der Evolution haben sich Nervenzellen spezialisiert, um die Umwelt besser wahrzunehmen. Diese Spezialisierung wurde durch die Entwicklung besonderer Membranrezeptoren oder intrazellulärer Organellen ermöglicht. Sensorische Rezeptoren reagieren auf Energie, Kräfte oder Substanzen der äußeren oder inneren Umwelt und wandeln diese in elektrische Signale um. Häufig werden dabei Neurotransmitter ausgeschüttet. Das sind einige Beispiele:

Die Fotorezeptoren in den Augen von Wirbeltieren besitzen Strukturen, die Lichtphotonen einfangen. Diese eingefangenen Photonen rufen innerhalb der Zelle eine Kaskade hervor, die natriumdurchlässige Ionenkanäle schließt, die Zelle hyperpolarisiert und die Ausschüttung von Glutamat (dem Neurotransmitter der Fotorezeptoren) vermindert.

Im Ohr besitzen die Haarzellen in der Hörmuschel kleine Härchen, die Ionenkanäle öffnen, wenn sie abgeknickt werden. Dadurch wird die Zelle depolarisiert und Aktionspotenziale werden vom Hörnerv zum Gehirn übertragen.

Signalverarbeitung durch Ionenkanalströme

Nervenzellmembranen sind wie alle anderen Körperzellen nahezu undurchlässig für Wasser und die meisten Ionen. Nervenzellmembranen unterscheiden sich von denen anderer Zellen, weil sie viele unterschiedliche Ionenkanäle besitzen, die durch elektrische Spannung oder Substanzen, die an ihnen andocken, aktiviert werden können.

Wenn die Ionenkanäle offen sind und Natriumionen hindurchfließen können, ist die Nervenzelle erregt. Sie ist gehemmt, wenn sich Kalium- oder Chloridionenkanäle öffnen. Neuronen besitzen in ihren Membranen Tausende Ionenkanäle unterschiedlichen Typs.

Die Nervenzelle verarbeitet das Zusammenspiel all dieser Ionenflüsse. Dazu muss sie zeitgleich eine bestimmte Anzahl erregender Impulse erhalten, während eine bestimmte Anzahl hemmender Signale nicht aktiv sein darf. Nimmt man 10.000 verschiedene Signale an, ist die Anzahl der Kombinationsmöglichkeiten, die ein Neuron unterscheiden kann, astronomisch hoch.

Die Signalstärke über weite Entfernungen erhalten

Die am weitesten entfernten Dendriten des Dendritenbaumes sind selten mehr als ein paar hundert Mikrometer vom Zellkörper entfernt. Die ankommenden Signale werden in der Zeit, die sie bis zum Zellkörper brauchen, massiv durch die elektrotonische Signalausbreitung über die Membran geschwächt. Doch auch wenn das Signal geschwächt wird, sind doch genügend Synapsen an den entfernteren Dendriten, um ein wirksames Signal zum Zellkörper zu schicken. Anders verhält es sich an den Axonen. Die meisten Zellen besitzen nur ein Axon. Dieses Axon kann einen Meter durch den Körper reichen, bevor es sich in Hunderte oder Tausende Axonterminale (Endverzweigungen) aufspaltet.

Die wichtigste Erfindung des Nervensystems ist das Aktionspotenzial. Das Aktionspotenzial nutzt spannungsabhängige Natriumkanäle in der Axonmembran, um eine elektrische Erregung zu erzeugen, die zu den entferntesten Synapsen gesendet werden kann, ohne dabei an Stärke einzubüßen. Jedes Aktionspotenzial ist nahezu identisch und seine Form ist am Axonende mehr oder weniger die gleiche wie am Anfang.

Das Axon: Signale vom Kopf bis zum Fuß

Die Nervenzellen schicken über ihre Axone Signale zur Muskulatur, an Drüsen oder zu anderen Neuronen. Axone sind wie Stromkabel und besitzen zwei Aufgaben: die Weiterleitung der Aktionspotenziale vom Zellkörper zum Axonende und die Ausschüttung eines Neurotransmitters, der sich an einen Membranrezeptor der postsynaptischen Zelle bindet und einen erregenden oder hemmenden Ionenkanal öffnet.

Um ihr postsynaptisches Ziel zu erreichen, können Axone sehr lang werden (bis zu einem Meter und länger). Außerdem sind sie in der Lage, verschiedene Ziele in verschiedenen Hirnarealen zu finden, sich dort in die passende Anzahl an Endverzweigungen aufzuteilen und mit den richtigen Dendriten in Kontakt zu treten.

Um eine Nachricht von Ihrem Kopf bis zu Ihrer Zehe zu schicken, braucht man eine Verbindung aus zwei Axonen. Ein Motoneuron aus dem primär-motorischen Kortex schickt sein Axon zum Rückenmark, um dort das Signal an ein Motoneuron zu übertragen, das einen Muskel in Ihrer Zehe steuert. Dieses Motoneuron im Rückenmark schickt sein Axon hinab über Ihr Bein, zum Fuß und bis zur Zehe. Die gesamte Länge Ihres Körpers wird durch zwei Zellen überbrückt.

Schneller durch Myelinscheiden

Axone sind erstaunliche Einrichtungen. Sie leiten Aktionspotenziale vom Zellkörper bis zum Axonende, das mehr als einen Meter entfernt sein kann, weiter. Wie schnell das Aktionspotenzial dabei weitergeleitet wird, ist proportional zum Axondurchmesser. Sehr dünne Axone leiten Aktionspotenziale mit einer Geschwindigkeit von ein paar Metern pro Sekunde weiter. Dickere Axone können das schneller.

Bei den Wirbellosen, die im Vergleich relativ wenige Nervenzellen besitzen, funktioniert das alles auch ganz gut. Die natürliche Selektion hat bei einigen Wirbellosen, die eine schnelle Signalübertragung benötigen, sehr dicke Axone hervorgebracht. Das bekannteste Beispiel dafür ist sicherlich das Axon des Riesenkalmars, das bis zu einem Millimeter dick und somit groß genug werden kann, dass man es mit bloßem Auge erkennt. Mit diesem Axon steuert der Riesenkalmar seinen Fluchtreflex.

Das Axon des Riesenkalmars ist so groß, dass Physiologen an ihm erste Studien zum Aktionspotenzial durchgeführt haben.

Doch bei den Wirbeltieren, deren Nervensystem aus Milliarden Zellen besteht, können Axone mit einem Millimeter Durchmesser nicht funktionieren. Die Lösung des Problems sind Myelinscheiden, die es auch dünnen Axonen ermöglichen, die Aktionspotenziale sehr schnell weiterzuleiten.

Die Myelinscheide besteht aus Gliazellen, die das Axon umhüllen. Doch in regelmäßigen Abständen lassen sie kleine Lücken, die als Ranvier-Schnürringe bezeichnet werden. Dort konzentrieren sich alle spannungsabhängigen Natriumionenkanäle.

Solche myelinisierten Axone leiten die Aktionspotenziale weiter, indem sie von einem Ranvier-Schnürring zum nächsten springen. So übertragen Axone, die einen Durchmesser von nur wenigen Mikrometern haben, die Aktionspotenziale mit einer Geschwindigkeit von bis zu 100 Metern pro Sekunde.

Das neuronale Gleichgewicht

Bei den Wirbellosen, die nur wenige Hundert oder Tausend Nervenzellen besitzen, ist es noch möglich, dass der Aufbau des Nervensystems vollständig genetisch vorgegeben wird. Bei vielen sind jedes Neuron und die Mehrzahl der Synapsen genetisch festgelegt und bei jedem Tier identisch. Doch bei Wirbeltieren, die Millionen oder Milliarden Nervenzellen und nur 20.000 Gene besitzen, geht das nicht.

Deshalb entwickelt sich das Nervensystem bei Wirbeltieren in einem Prozess, der allgemeine Grundsätze der Konnektivität festlegt. Doch äußere Reize konkurrieren in dem sich entwickelnden Nervensystem um Synapsenverbindungen. Die synaptische und neuronale Fitness muss sich also erst entwickeln und wird nicht durch einen übergeordneten Bauplan vorgegeben.

Damit dieses System funktioniert, muss es sich in einem Gleichgewicht befinden. Jedes Neuron hält die Balance zwischen erregenden und hemmenden Eingangs-Impulsen und einer Mindestanzahl aktiver Ausgangssignal-Synapsen, um zu überleben. Andernfalls würde die Zelle absterben.

Anpassen und Lernen durch die Veränderung der Synapsenstärke

Alle Bemühungen herauszufinden, wie Lernen und Gedächtnis funktionieren, wurden als die Suche nach dem Engramm, dem Erinnerungspfad im Gehirn, der das Gedächtnis bildet, bezeichnet. Mittlerweile gibt es viele wissenschaftliche Beweise dafür, dass das Lernen funktioniert, indem Neuronen die Stärke ihrer Synapsen verändern. So werden kleine neuronale Schaltkreise für Stimuli, die erlernt werden, hochselektiv.

Lernen ist eine (weniger extreme) Form der Veränderung neuronaler Schaltkreise, wie wir sie bereits beim Ungeborenen oder der frühen nachgeburtlichen Entwicklung finden. Während der Entwicklung bilden sich Unmengen von Synapsen und Neuronen und treten in einen Wettstreit um synaptische Verbindungen. Ungeeignete Synapsen gehen wieder ein und Nervenzellen, die nicht genügend synaptische Verbindungen knüpfen, sterben ab.

Diese Abläufe bilden die Basis vieler wichtiger Entwicklungsabschnitte, in denen verschiedene Erfahrungen (wie zum Beispiel ausreichende visuelle Signale von beiden Augen) nötig sind, um kortikale Verbindungen zu bilden. Nach dieser entscheidenden Zeit werden die Synapsen und Schaltkreise, die sich durchgesetzt haben, stabilisiert.

Nach diesen Entwicklungsschritten gibt es in einigen ausgewählten Bereichen Synapsen, die noch immer formbar sind, und der Zelltod, der durch zu wenige synaptische Verbindungen hervorgerufen wird, wird gestoppt oder verläuft nur noch sehr langsam. Das Lernen im Hippocampus ist einzigartig, weil es in erster Linie durch die Veränderung der Synapsenstärke, dann durch die Vermehrung von neuronalen Verbindungen und ganz zuletzt durch Neubildung von Nervenzellen geschieht.

Das heißt nicht, dass das erwachsene Nervensystem nicht mehr über Anpassungsmechanismen verfügt. Menschen können sich daran gewöhnen, auf schwankenden Schiffen oder in einer lauten Umgebung zu schlafen. Man weiß noch nicht genau, wie sehr sich das erwachsene Nervensystem noch verändern kann. Vermutlich viel mehr, als bisher angenommen.

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Verblüffende Fakten über das Gehirn

In diesem Kapitel ...

Details über die Gehirnstruktur aufdecken

Häufige Missverständnisse über die Gehirnfunktion aufklären

Interessante Fakten

Es gibt viel, was wir über das Gehirn noch nicht wissen. Das ist nicht überraschend, wenn man bedenkt, dass das Gehirn die komplizierteste Struktur auf dieser Erde ist. In diesem Kapitel möchte ich Ihnen zehn Fakten über das Gehirn vorstellen, die wirklich verblüffend sind.

Es besitzt 100 Milliarden Zellen und eine Billiarde Synapsen

Ihr Gehirn besteht aus etwa 100 Milliarden Nervenzellen. Jede dieser Zellen besitzt etwa 10.000 Synapsen zu anderen Neuronen. Das ergibt etwa eine Billiarde Verbindungen. Ihr Gehirn besitzt theoretisch genügend Neuronen und neuronale Verbindungen, dass es jede Erfahrung in Ihrem Leben, einschließlich aller visuellen, auditiven, taktilen und anderer Empfindungen, die damit in Verbindung stehen, speichern könnte.

Die meisten Zellen in Ihrem Gehirn befinden sich im Neokortex und Kleinhirn. Das Kleinhirn verwendet viele Zellen für die Bewegungskoordination. Der Neokortex verarbeitet sensorische Informationen und ist wichtig für die Planung komplexer Verhaltensweisen.

Manche vergleichen die Arbeit und Informationsspeicherung des Gehirns mit einem Mikroprozessor. Sie sagen, dass die 100 Milliarden Nervenzellen des Gehirns wie Transistoren in einem Mikroprozessor funktionieren. In Wirklichkeit können nicht einmal die besten Mikroprozessoren, die einige Milliarden Transistoren besitzen, dem Gehirn das Wasser reichen. Warum? Weil Neuronen viel komplizierter als Transistoren sind. Digitale Transistoren sind entweder »an« oder »aus« und sie sind nur mit wenigen anderen Transistoren verbunden. Jede Nervenzelle des Gehirns ist dagegen selbst ein kleiner Computer. Sie ist fähig, fast unendlich viele verschiedene Zustände anzunehmen. Nervenzellen geben ihre Information an etwa tausend andere Neuronen weiter und gehen dafür etwa 10.000 Verbindungen ein. Außerdem können Nervenzellen im Gegensatz zu Mikroprozessoren parallel arbeiten und eine Milliarde verschiedener Dinge gleichzeitig verarbeiten.

Das Bewusstsein wohnt nicht in einem speziellen Hirnareal

Viele Menschen besitzen eine falsche Vorstellung davon, wie das Gehirn funktioniert. Es existiert die verbreitete, aber falsche Vorstellung, dass bestimmte Funktionen in ganz bestimmten Teilen des Gehirns angesiedelt sind. Viele glauben, dass ein Teil des Gehirns unsere Fähigkeit zu schmecken beherbergt, ein anderer unsere Fähigkeit, zu sehen, und der nächste die Fähigkeit, unsere rechte Hand zu bewegen, und so weiter. Deshalb ist es verständlich, warum viele Menschen davon ausgehen, dass unser Bewusstsein in einem bestimmten Hirnareal angesiedelt ist. Doch wie ich bereits mehrfach in diesem Buch beschrieben habe, funktioniert unser Gehirn nicht so.

Im Gehirn gibt es keine Bewusstseinsneuronen und keine besondere Hirnregion dient als Sitz des Bewusstseins. Bewusstsein hängt auch nicht nur von der Gehirngröße ab. Sonst würden Elefanten ein Bewusstsein besitzen und Menschen nicht. Es gibt kein Hirnareal, in dem alle verarbeiteten Informationen gespeichert werden, keine »Spitze« der neuronalen Hierarchie und nichts im Gehirn »betrachtet« die Bilder, die in anderen Hirnarealen geformt werden.

Stattdessen brauchen wir verschiedene Hirnareale für unser Bewusstsein. Dazu gehören der Thalamus, der Präfrontalkortex und Teile des Parietal- und Temporallappens. Diese Hirnregionen kommen nicht nur beim menschlichen Gehirn vor, aber der Präfrontalkortex ist beim Menschen größer als bei jedem Tier.

Das Gehirn besitzt keine Schmerzrezeptoren

Auch wenn bestimmte Hirnareale für unsere Schmerzwahrnehmung verantwortlich sind, besitzt das Gehirngewebe keine Schmerzrezeptoren. Das Gehirn nimmt Schmerzen über Schmerzrezeptoren wahr. Die meisten davon befinden sich in der Haut.

Da das Gehirn nicht über Schmerzrezeptoren verfügt, können Patienten bei vollem Bewusstsein am Gehirn operiert werden. Natürlich werden Schmerzmittel und Lokalanästhetika gegeben, damit der Patient das Öffnen des Schädels nicht spürt. Wenn Sie Kopfschmerzen haben, heißt das nicht, dass etwas in Ihrem Gehirn wehtut. Meist erreichen dann Schmerzsignale aus anderen Körperregionen das Gehirn.

Das bedeutet allerdings nicht, dass Funktionsstörungen des Gehirns nicht auch als Schmerz wahrgenommen werden können. Beispielsweise scheint die Migräne von vorübergehenden Gefäßproblemen im Gehirn, die zu einer abnorm hohen Nervenaktivität führen, verursacht zu werden. Das wird als Schmerz wahrgenommen. Dabei werden keine Schmerzrezeptoren aktiviert, sondern bisher unbekannte Schaltkreise interpretieren diese übermäßige Aktivität als Schmerz. Auch Tumore und Schlaganfälle können zu solch einer übermäßigen Hirnaktivität führen, die das Gehirn wieder als Schmerz interpretiert.

Ein anderes Beispiel ist der Schmerz, den wir empfinden, wenn wir in ein sehr helles Licht schauen. Es gibt in den Augen keine Schmerzrezeptoren für helles Licht, aber das Gehirn interpretiert die Signale der Ganglienzellen, die vom Auge zum Gehirn übertragen werden, als so hell, dass sie das Auge schädigen können. Deshalb wird es als schmerzhaft wahrgenommen.

Das Durchtrennen der größten Nervenfaserbahn im Gehirn hat nur geringe Nebenwirkungen

Die größte Nervenfaserbahn im Gehirn ist der Gehirnbalken. Er verbindet die rechte und linke Gehirnhälfte miteinander und besteht aus etwa 200 Millionen Axonen (Frauen besitzen etwas mehr Axone als Männer).

Zur Therapie epileptischer Anfälle wurde der Gehirnbalken schon häufig durchtrennt, um zu verhindern, dass sich die Krampfanfälle über das Gehirn ausbreiten und einen Grand-mal Anfall auslösen.

Als dieser Eingriff vorsichtig bei einigen Patienten getestet wurde, erzielte man bemerkenswerte Ergebnisse. Bei einigen Betroffenen ließen die Krampfanfälle deutlich nach und keiner wies sichtbare neurologische Störungen auf. Spätere Untersuchungen an diesen Split-Brain-Patienten zeigten, dass die Operation doch Folgen hatte. Ihre zwei Gehirnhälften arbeiteten jetzt unabhängig voneinander und waren unterschiedlich leistungsfähig. Die Sprache und die Fähigkeit, abstrakte Gedanken auszudrücken, ist bei den meisten Menschen fast ausschließlich in der linken Gehirnhälfte lokalisiert. Die rechte Gehirnhälfte ist zuständig für die räumliche Orientierung. Patienten wurde ein Objekt im linken Gesichtsfeld gezeigt. Die Informationen dazu werden in der rechten Gehirnhälfte verarbeitet. Diese Patienten konnten zu dem, was ihnen gezeigt wurde, nichts sagen. Doch sie waren in der Lage, mit ihrer linken Hand (die auch von der rechten Gehirnhälfte gesteuert wird) auf ein Bild des vorher gezeigten Objekts zu deuten.

Einsteins Gehirn war kleiner als der Durchschnitt

Beim Menschen gibt es einen Zusammenhang zwischen der Gehirngröße und der Intelligenz. Man ist sich darüber einig, dass Tiere, wie Menschenaffen und Delfine, die zu intelligentem Verhalten fähig sind, größere Gehirne besitzen als weniger intelligente Tiere, wie zum Beispiel Echsen.

Trotz dieses Zusammenhangs gibt es beim menschlichen Gehirn deutliche Größenunterschiede. Es wiegt durchschnittlich 1500 Gramm (schätzungsweise 10 Prozent weniger als das Gehirn des Neandertalers). Das Gehirn von Einstein wog etwa 1230 Gramm. Das sind 18 Prozent weniger als der Durchschnitt. Andererseits besaß er etwas größere Parietallappen, was zu seinen mathematischen Fähigkeiten beigetragen haben kann. Offensichtlich ist die Gehirngröße nur ein Merkmal, von dem unsere Intelligenz abhängt. Die Gehirngröße zeigt lediglich die potenzielle Leistungsfähigkeit.

Erwachsene verlieren täglich Hunderttausende Neuronen ohne spürbare Folgen

Die meisten Nervenzellen besitzt der Mensch zum Zeitpunkt seiner Geburt. Im Laufe seines Lebens verringert sich diese Zahl um zehn Prozent. Das bedeutet, dass er täglich mehrere Hunderttausend Nervenzellen verliert.

Der Verlust so vieler Nervenzellen beeinträchtigt die geistige Leistungsfähigkeit allerdings nicht. Deshalb sind die meisten Neurowissenschaftler nicht der Meinung, dass einzelne Nervenzellen einzelne Erinnerungen abspeichern. Wenn es so wäre, würde das Absterben von Neuronen zu schweren Gedächtnisverlusten führen.

Stattdessen werden Informationen über viele Zellen und Synapsen verteilt. Wenn Nervenzellen, die an der Speicherung von Gedächtnisinhalten beteiligt sind, absterben, kann das Gedächtnis geschwächt, aber nicht ausgelöscht werden. Wenn so viele Nervenzellen untergegangen sind, dass nicht mehr genügend zur Verfügung stehen, um die Folgen des fortschreitenden Nervenzelltodes zu kompensieren, kann es zu einer Demenz kommen.

Unser Gehirn ist ein Energiefresser

Das Gehirn hat die höchste metabolische Aktivität in unserem Körper. Es besitzt nur fünf Prozent unserer Körpermasse, benötigt aber 20 Prozent der aufgenommenen Energie. Um diese Energieversorgung sicherzustellen, wird das Gehirn sehr gut durchblutet.

Ist größer immer schlauer?

Wenn wir über das Verhältnis von Gehirngröße und Intelligenz nachdenken, müssen wir auch das Verhältnis von Gehirngröße zu Körpergewicht mit einbeziehen. Elefanten besitzen ein größeres Gehirn als Menschen, doch Menschen haben ein viel höheres Verhältnis von Gehirngröße zu Körpergewicht. Große Körper benötigen manchmal große Gehirne. Doch die Gründe dafür haben nicht unbedingt etwas mit der Intelligenz zu tun. Nervenzellen in großen Körpern brauchen beispielsweise lange Axone. Diese wiederum benötigen größere Zellkörper und stützende Gliazellen. Das führt nicht unbedingt auch zu einer höheren Intelligenz.

Außerdem zeigen einige Tiere mit sehr kleinen Gehirnen ein überraschend intelligentes Verhalten. Vögel sind ein Beispiel dafür. Sie müssen kleine Gehirne haben, da übermäßiges Gewicht ein Problem beim Fliegen darstellen würde. Auch Kraken zeigen ein außergewöhnlich komplexes Verhalten, obwohl sie nur ein sehr kleines Gehirn besitzen. Diese Wirbellosen unterscheiden sich so sehr von Wirbeltieren und besonders den Säugetieren, dass wir ihre Fähigkeiten mit unseren nur schwer vergleichen können.

Den hohen Energieverbrauch des Gehirns macht man sich bei den modernen bildgebenden Untersuchungsverfahren zunutze. Die funktionelle Magnetresonanztomographie zeichnet entweder die erhöhte Durchblutung aktiver Hirnareale oder den Sauerstoffgehalt des Blutes in aktiven Hirnregionen auf.

Die hohen Stoffwechselanforderungen großer Gehirne sind ein Grund für die Annahme, dass Tiere mit großen Gehirnen wie Delfine sehr intelligent sein müssen. Auch wenn ihre Intelligenz sich grundlegend von der des Menschen unterscheidet. Sonst wären große Gehirne kein evolutionärer Vorteil und die natürliche Selektion hätte dafür gesorgt, dass sich kleinere Gehirne durchsetzen.

Es ist ein Mythos, dass wir nur zehn Prozent unseres Gehirns nutzen

Sie haben bestimmt schon gehört, dass Menschen nur zehn Prozent ihres Gehirns nutzen. Doch für diese Behauptung gibt es keine wissenschaftlichen Beweise.

Der Ursprung dieses Mythos ist unbekannt. Manche Wissenschaftler führen es auf eine Fehlinterpretation von Albert Einstein, Dale Carnegie oder William James zurück. Andere nutzten folgende Beobachtungen, um diese Idee zu stützen:

Die Tatsache, dass einige Menschen durch Entwicklungsstörungen oder Anomalien Gehirne besitzen, dessen Größe nur zehn Prozent des durchschnittlichen menschlichen Gehirns beträgt und dabei ganz normal zu sein schienen. Dass das Gehirn solche Schädigungen oder Anomalien in seiner Entwicklung ausgleichen kann, bedeutet nicht, dass die Gehirne dieser Menschen und ihre Funktionalität vollkommen gleich sind wie nicht geschädigte Gehirne. Das bedeutet auch nicht, dass nicht alle Nervenzellen nicht geschädigter Gehirne benutzt werden.

Die Tatsache, dass es inselbegabte Menschen gibt, die außerordentliche mathematische oder künstlerische Fähigkeiten besitzen, die weit über denen normaler Menschen liegen. Die Idee dahinter ist, dass diese Inselbegabten einen Prozentsatz des Gehirns, die der Rest von uns nicht nutzt, für diese Fähigkeiten einsetzen. Das kann der Fall sein, doch die meisten Inselbegabten haben tiefgreifende Störungen in anderen Bereichen.

Die Behauptung, dass wir nur zehn Prozent unseres Gehirns nutzen, ist nicht nur unwahr, sondern auch bedeutungslos. Stellen Sie sich vor, was es bedeuten würde, wenn diese Behauptung wahr wäre: Wir könnten 90 Prozent des Gehirns ohne sichtbare Folgen entfernen. Das ist natürlich nicht möglich. Jeder bekannte Fall einer so großen Hirnschädigung hat schwere Funktionsstörungen zur Folge. Oder wir könnten 90 Prozent der Nervenzellen im Gehirn abtöten, ohne davon etwas zu merken.

Die Anzahl der Nervenzellen ist nicht mit der Leistungsfähigkeit gleichzusetzen. Das Kleinhirn verfügt beispielsweise über so viele Neuronen wie das gesamte restliche Nervensystem. Doch wird es zerstört, sind die Betroffenen lediglich etwas tollpatschig und haben eine leicht undeutliche Aussprache. Die Tatsche, dass Sie auch ohne Kleinhirn leben können, heißt nicht, dass Sie die Neuronen im Kleinhirn normalerweise nicht nutzen.

Hirnschädigungen führten zu Inselbegabungen

Inselbegabte sind Menschen mit besonderen Fähigkeiten in einem eingeschränkten Bereich wie Musik, Mathematik oder Kunst. Viele Inselbegabte besitzen autistische Eigenschaften. Die Gehirne von Inselbegabten, soweit das durch moderne Untersuchungsmethoden feststellbar ist, sind anatomisch völlig normal. Doch es gibt Ausnahmen. Das Gehirn von Kim Peek, dessen Geschichte 1988 im Film Rain Man verfilmt wurde, zeigte starke Veränderungen. Unter anderem besaß er keinen Gehirnbalken. Einige Inselbegabte besaßen eine ganz normale Gehirnstruktur und Leistungsfähigkeit. Doch nach einer Verletzung zeigte sich plötzlich eine Inselbegabung. Das nennt sich erworbene Inselbegabung. Die folgenden zwei Personen sind ein Beispiel dafür:

Orlando Serrell besaß keine besonderen Fähigkeiten, bis er mit zehn Jahren von einem Baseball an der linken Seite des Kopfes getroffen wurde. Nachdem er eine Zeit lang unter Kopfschmerzen litt, wurde bei ihm ein »Kalender-Gehirn« festgestellt. Seit dem Unfall konnte er sich detailliert an jeden Tag aus seinem Leben erinnern.

Derek Amato verfügte plötzlich über eine musikalische Inselbegabung, nachdem er sich bei einem Sprung in einen flachen Pool eine Kopfverletzung zugezogen hatte. Einige Tage nach dem Unfall setzte er sich an das Klavier eines Freundes und konnte plötzlich Musikstücke spielen und komponieren, ohne vorher jemals Klavier gespielt zu haben.

In der Literatur werden einige Fälle beschrieben, bei denen Menschen plötzlich versierte Maler waren, nachdem sie sich eine Hirnschädigung zugezogen hatten, die mit einer linksseitigen frontotemporalen Demenz einherging. Die Betroffenen malten ausschließlich realistisch und detailgetreu und zeigten nur wenig Symbolik und Abstraktion. Interessanterweise wiesen diese Patienten schwere Störungen des semantischen Gedächtnisses (allgemeines Weltwissen) auf. Ihr episodisches Gedächtnis (Erinnerungen an bestimmte Ereignisse) war weitestgehend intakt.

Auch durch die Gehirnstimulation während einer neurochirurgischen Operation oder durch Hypnose haben Menschen schon ein außergewöhnliches Gedächtnis bewiesen. Das legt die Vermutung nahe, dass unser Gehirn über einige Reserven verfügt, die erst durch einen ungewöhnlichen Reiz freigesetzt werden. Wie und warum wir solche verborgenen Eigenschaften haben, ist noch ein großes Geheimnis.

Auch erwachsene Gehirne können neue Nervenzellen bilden

Das zentrale Nervensystem von Babys und Wirbeltieren, die nicht zu den Säugetieren zählen, repariert geschädigte Hirnareale und Leitungsbahnen sofort nach der Verletzung. Das ist bei Erwachsenen nicht der Fall. Im Laufe unseres Lebens sterben Nervenzellen im Gehirn ab. Nach Gehirnschädigungen wie bei einem Schlaganfall entsteht Narbengewebe und Hohlräume füllen sich mit Flüssigkeit.

Die Ansicht, dass sich das erwachsene Gehirn nicht mehr regenerieren kann, befindet sich gerade im Wandel. Ende des 20. Jahrhunderts haben Studienergebnisse gezeigt, dass einige Bereiche eines erwachsenen menschlichen Gehirns manchmal neue Nervenzellen bilden. Besonders überraschend war die Entdeckung, dass eine dieser Regionen der Hippocampus ist, der eine entscheidende Aufgabe bei der Bildung des Langzeitgedächtnisses hat. Das Wachstum neuer Neuronen im Hippocampus steht in Verbindung mit dem Lernen.

Auch im olfaktorischen System können sich bei Erwachsenen neue Neuronen bilden. Besonders die olfaktorischen Rezeptoren werden ständig erneuert. Wissenschaftler nehmen an, dass diese Rezeptoren, die Gerüche wahrnehmen, Toxinen ausgesetzt sind. Die einzige Möglichkeit, dass ihre Funktion erhalten bleibt, scheint die regelmäßige Neubildung dieser Rezeptoren zu sein.

In den letzten Jahren wird verstärkt an Stammzellen, die sich während der Entwicklung eines Organismus in die verschiedenen Zelltypen differenzieren, geforscht. Ganz aktuell hat man einen Weg gefunden, erwachsene ausdifferenzierte Zellen wieder in Stammzellen zurückzuverwandeln. Das ermöglicht die medikamentöse Beeinflussung der Regeneration von Nervengewebe.

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Zukunftsmusik – Vielversprechende Behandlungsmöglichkeiten

In diesem Kapitel ...

Behandlungen durch Genmanipulation

Behandlungen durch Gehirnstimulation

Prothesen zur Behandlung neuronaler Störungen

Die Wissenschaft steht an der Schwelle zu einer Revolution der Behandlungsmöglichkeiten von Erkrankungen des Gehirns. Genetische Veränderungen können Funktionsstörungen des Gehirns, wie sie das Altern, Schlaganfälle oder die Alzheimer'sche Erkrankung mit sich bringen, lindern oder ganz rückgängig machen. In ein paar Jahren können Stammzellen transplantiert werden, um Erkrankungen des Gehirns zu heilen. Neue Medikamente werden Zellen in Stammzellen umprogrammieren, um Hirnschäden zu beheben. Das menschliche Gehirn wird leistungsfähiger werden. Vielleicht wird es Medikamente geben, mit denen die Lernleistung des erwachsenen Gehirns wieder die eines Neugeborenen erreicht.

In diesem Kapitel möchte ich Ihnen aktuelle Behandlungsmöglichkeiten (wie die tiefe Hirnstimulation), die sehr vielversprechend sind, und sehr innovative Technologien (wie Neuroprothesen), die ein großes Potenzial besitzen, vorstellen.

Entwicklungsstörungen durch eine Gentherapie korrigieren

Genmutationen, fehlerhafte DNA-Übertragung, ungünstige Genkombinationen und Umweltgifte können schon vor der Geburt zu schweren Erkrankungen führen. Zu den bekanntesten genetischen Erkrankungen gehören das Down-, das Rett- und das Fragile-X-Syndrom. Für diese Erbkrankheiten gibt es weder chirurgische noch medikamentöse Behandlungsmöglichkeiten. Im frühen 21. Jahrhundert wurden große Fortschritte gemacht, die es uns ermöglichen, Gene hinzuzufügen oder zu entfernen.

Eine Möglichkeit, Gene zu verändern, liegt in der Verwendung von Retroviren. Retroviren sind RNA-Viren, die nach dem Befall der Wirtszelle DNA produzieren. Diese DNA wird in das Genom der Wirtszelle aufgenommen und dort zusammen mit der Wirts-DNA vermehrt. Retroviren können künstlich mit Gensequenzen ausgestattet werden, die in der Wirtszelle Gene ausschalten oder neue Gene einfügen.

Theoretisch könnte dann jede genetische Abweichung, die zu Beginn der Schwangerschaft festgestellt wird, mit Retroviren behandelt werden, indem die Retroviren ein normales, statt des defekten oder mutierten Gens einsetzen. Es gibt bereits Studien, deren Ergebnisse eine erfolgreiche Gentherapie bei einigen Formen der erblichen Retinadegeneration bei Jugendlichen nahelegen.

Ein Superhirn durch Genmanipulation

Die meisten medizinischen Eingriffe werden vorgenommen, um etwas zu heilen, anstatt etwas, das ganz normal ist, zu verbessern. Doch das ändert sich. Dabei sind Gene von besonderem Interesse. Und zwar nicht die Gene, die für die Proteinsynthese verantwortlich sind, sondern Gene, die die Aktivität anderer Gene regulieren.

Wahrscheinlich sind nur wenige Gene für die Größe des Neokortex verantwortlich. Was wäre, wenn der Neokortex größer wäre? Es gibt kaum einen Zweifel daran, dass die Wissenschaft bis zum Jahr 2020 in der Lage sein wird, einen größeren menschlichen Neokortex zu schaffen.

Viele denken bei solchen Entwicklungen gleich an Frankenstein. Auch wenn solche genetischen Veränderungen zur Steigerung der Intelligenz in den meisten hochentwickelten Ländern verboten sind, kann man sich nur schwer vorstellen, dass es nicht irgendjemand irgendwo ausprobieren wird.

Gehirnverletzungen mit Stammzellen heilen

Stammzellen sind undifferenzierte Zellen, die die Fähigkeit besitzen, sich zu jeder anderen Zellart, wie beispielsweise Nervenzellen, Nierenzellen oder Gefäßwandzellen, entwickeln zu können. Wissenschaftler nehmen an, dass sich Stammzellen, die in geschädigtes Gewebe des Gehirns oder Herzens injiziert werden, durch die Umgebungsbedingungen in das jeweilige Gewebe umwandeln und manchmal auch Schäden reparieren.

Eine der größten Hürden ist dabei die Gewinnung der Stammzellen. Erwachsene besitzen nur sehr wenige davon. Embryos verfügen dagegen über sehr viele Stammzellen. Doch es ist ethisch bedenklich, Embryonen zu diesem Zweck zu züchten. Außerdem können Stammzellen, die so gewonnen werden, genauso wie anderes fremdes Gewebe vom Empfänger abgestoßen werden.

Doch es entwickeln sich gerade vielversprechende Technologien, diese Problematik zu umgehen:

Die Entwicklung nicht-destruktiver Tests, um bei Patienten mit einer Gewebeschädigung Stammzellen aufzuspüren. Werden Stammzellen gefunden, können sie dieser Person zurücktransplantiert werden.

Methoden, die die Differenzierung erwachsener Zellen (beispielsweise Hautzellen) rückgängig machen und sie mit Hilfe von Medikamenten in eine bestimmte Stammzellart wie Nervenstammzellen umwandeln.

Zahlreiche Labore sind damit beschäftigt, bei Patienten, deren Fotorezeptoren abgestorben sind, die Sehkraft wiederherzustellen, indem sie diese Fotorezeptoren mit Stammzellen ersetzen. Andere schleusen DNA-Material ein, um Fotorezeptoren zu retten, oder wandeln andere Zellen in fotorezeptive Zellen um. Es gibt außerdem Berichte darüber, dass Stammzellinjektionen in die Substantia nigra Parkinsonsymptome lindern konnten.

Die Behandlung neurologischer Störungen mit der tiefen Hirnstimulation

Eine der überraschendsten Entwicklungen in der Therapie neurologischer Erkrankungen ist die tiefe Hirnstimulation. Sie wird meistens eingesetzt, um Bewegungsstörungen zu behandeln. Dabei werden eine oder mehrere Elektroden dauerhaft in die Basalganglien implantiert. Dieses Gerät gibt ähnlich wie ein Herzschrittmacher elektrische Signale ab, um die Nervenzellen in den Basalganglien zu stimulieren. Wissenschaftlern ist dabei bis jetzt noch nicht wirklich klar, ob der Effekt dieser Stimulation in der allgemeinen Erregung, einer allgemeinen Hemmung oder in der Synchronisierung der Zellaktivität besteht.

Die tiefe Hirnstimulation hat bei einigen Patienten außerordentliche Ergebnisse erzielt. Einige Parkinsonpatienten, denen ein Hirnschrittmacher implantiert wurde, zeigten, solange das Gerät ausgeschaltet war, die typische gebückte Körperhaltung und den schlurfenden Gang. Doch sobald der Schrittmacher eingeschaltet wurde, konnten sie laufen und sogar Sport treiben.

Für die Behandlung von Depressionen, Zwangsstörungen und dem Tourette-Syndrom befindet sich die tiefe Hirnstimulation in einem experimentellen Stadium. Diese Therapiemöglichkeit ist noch sehr neu und Langzeiteffekte und mögliche Nebenwirkungen müssen noch studiert werden. Doch bei vielen Patienten ist die Symptomlinderung weitaus besser als durch eine medikamentöse Behandlung.

Hirnstimulation durch transkranielle Magnetstimulation und transkranielle Gleichstromstimulation

Es gibt zwei ganz neue Arten der Gehirnstimulation: die transkranielle Magnetstimulation (TMS) und die transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS).

Die TMS ist eine Technologie, bei der bestimmte Hirnareale von außen durch kleine, sehr starke Magnetfelder stimuliert werden. Durch die TMS scheinen räumlich begrenzte, vorübergehende elektrische Ströme erzeugt zu werden, die die Aktivität der Nervenzellen unterbrechen. Die TMS besitzt einige Ähnlichkeiten mit der elektrokonvulsiven Therapie. Ein Unterschied besteht allerdings darin, dass mit der elektrokonvulsiven Therapie Krampfanfälle ausgelöst werden sollten, während mit der TMS Krampfanfälle normalerweise vermieden werden. Die TMS wird eingesetzt, um psychische Erkrankungen wie Depressionen durch eine wiederholte Stimulierung bestimmter Gehirnareale zu behandeln.

Die tDCS ist eine noch sehr junge Methode. Dabei werden auf der Kopfhaut zwei Elektroden befestigt. Zwischen den Elektroden fließt ein Strom. Hirnareale, die sich in der Nähe der Anode befinden, scheinen stimuliert zu werden, wohingegen Bereiche in der Nähe der Kathode gehemmt werden. Die Ergebnisse dieser Therapie reichen von der Verbesserung der mathematischen Fähigkeiten bis zur Linderung von Schizophreniesymptomen.

Neuroprothesen gegen Sinnesverlust

Der Seh- oder Hörverlust schränkt betroffene Personen stark ein. Er entsteht meist durch die Schädigung der peripheren Rezeptoren oder Rezeptororgane, wie dem Auge beim Sehen und dem Innenohr beim Hören. Während der Einsatz von Prothesen beim Verlust einer Extremität mittlerweile Normalität ist, wissen viele noch nicht, dass es Neuroprothesen gibt, mit denen Sinnesverluste behandelt werden können.

Eine der vielversprechendsten Neuroprothesen ist das Cochleaimplantat, mit dem der Hörverlust ausgeglichen wird. Das Cochleaimplantat besteht aus einem äußeren und einem implantierten Teil. Der äußere Teil besteht aus einem Mikrofon, einem Sprachprozessor, einer Batterie und einer Spule. Das eigentliche Implantat besteht unter anderem aus einem Empfänger und dem Stimulator. Weltweit wurden bisher etwa 200.000 Cochleaimplantate eingesetzt. Viele Gehörlose sind mit Hilfe dieser Implantate in der Lage, sich normal zu unterhalten oder zu telefonieren.

Das künstliche Sehen ist weitaus komplizierter, da das visuelle System viel komplexer aufgebaut ist. Erste künstliche Sehhilfen wurden entweder in der Netzhaut oder im visuellen Kortex platziert.

Elektronisches Netzhautimplantat : Sehhilfen, die in die Netzhaut implantiert wurden, kamen zum Einsatz, wenn der Sehverlust durch das Absterben der Fotorezeptoren verursacht wurde, aber der Rest der Netzhaut einschließlich der Ganglienzellen intakt war. Moderne Implantate haben es bereits einigen blinden Patienten ermöglicht, wieder einige Lichtflecken zu erkennen.

Korteximplantat : Es wurden schon visuelle Prothesen in die Hirnrinde implantiert. Patienten konnten mit Hilfe dieser Implantate mit einer Auflösung von 20 oder 30 Pixeln sehen. Das ist genug, um Gegenstände aufzuspüren, aber nicht genug, um sie zu identifizieren.

Neuroprothesen gegen Lähmungen

Verletzungen des Rückenmarks oder Schlaganfälle sind häufig der Grund für Lähmungen. Obwohl schon seit vielen Jahren daran geforscht wird, wie man die Signalübertragung im Rückenmark wieder herstellen kann, gibt es nach wie vor keine Möglichkeit, die beschädigten Nervenfasern und -zellen wieder herzustellen und so den Betroffenen zu ermöglichen, sich wieder zu bewegen.

Viele Neurowissenschaftler sind der Ansicht, dass es möglich sein wird, Rückenmarksverletzungen elektronisch zu überbrücken. Dabei müssten die Signale aus dem primär-motorischen Kortex direkt an die Muskulatur weitergeleitet werden. Mikroelektroden würden diese Signale aufzeichnen und elektronische Schaltkreise könnten sie analysieren und sie an das Motoneuron, das die Muskeln steuert, oder direkt an die Muskulatur weitergeben.

Ein besseres Gehirn durch Neuroprothesen

Genveränderungen bieten die Möglichkeit, Defekte zu beheben und die Leistungsfähigkeit des Gehirns weit über bekannte Grenzen hinaus zu steigern. Das Gleiche gilt für die Neurotechnik, die das Nervensystem mit elektronischen Geräten wie Computern oder dem Internet verbindet.

Cochleaimplantate und tiefe Hirnstimulation sind nur die Anfänge einer neuen Technologie, die das Gehirn direkt mit Computern verbinden wird. Mikroelektroden mit Hunderten und bald auch Tausenden Elektroden können zahlreiche einzelne Neurone stimulieren und ihre Signale aufzeichnen.

Experimente beim Menschen (und bei Affen) haben gezeigt, dass diese durch Elektroden, die im Motorkortex implantiert worden waren, einen Computercursor bewegen konnten. Auch künstliche Arme konnten nur durch Gedanken von den Probanden gesteuert werden.

Und wenn wir unser Gehirn erst einmal mit elektrischen Geräten verbunden haben, dauert es nicht mehr lange, bis wir unser Gehirn verändern können. Klingt das für Sie wie aus einem Science-Fiction-Film? Doch denken Sie daran, dass wir über die Technik für die Verbindung von Gehirn und Computer bereits verfügen und sie stets verbessern.

Computergestütztes Lernen

Lernen ist schwer. Wir alle verbringen viele Jahre in der Schule. Wenn Sie unter Dyslexie, Autismus oder anderen Lernstörungen leiden, ist dieser Weg für Sie noch beschwerlicher.

Heute weiß man viel mehr als noch vor zehn Jahren darüber, wie unser Gehirn lernt. Unter bestimmten Bedingungen fällt uns das Lernen leichter. Computer werden heute eingesetzt, um das Lernen für Kinder, ältere Menschen oder Menschen mit Lernstörungen zu erleichtern. Dabei passen sich die Computerprogramme an die Fähigkeiten der Schüler an, stellen ihnen interessante Herausforderungen, aber überfordern sie nicht. Computer ermöglichen ein spielerisches Lernen. Mathematik und Wissenschaften können auf eine interaktive, intuitive und visuelle Weise präsentiert werden. Virtuelle Figuren sind für Kinder, Demenzkranke oder Patienten mit psychischen Erkrankungen hilfreiche Lernpartner.

Krankheiten behandeln mit Nanobots

Die Nanotechnologie arbeitet daran, winzig kleine Roboter zu entwickeln. Autonome Mini-Roboter sollen Dinge wahrnehmen, sich bewegen, Energie speichern und bestimmte Aufgaben ausführen. Diese noch in der Entwicklung befindlichen Roboter werden auch Nanobots genannt.

Es gibt Pläne, Nanobots zu entwickeln, die so klein sind, dass sie in den Körper injiziert werden können, dort zu erkrankten Organen wandern und die Krankheit behandeln. Diese Nanobots können dann Medikamente freisetzen, Krebszellen abtöten oder Blutgefäße reparieren. Momentan sind diese Vorstellungen leider nur Zukunftsmusik.

Sollten solche Nanobots entwickelt werden können, hätten sie auch großen Einfluss auf die Neurowissenschaften. Nanobots könnten Nervenfasern reparieren. Außerdem könnten sie eingesetzt werden, um Ablagerungen im Gehirn zu entfernen, wie sie beispielsweise bei der Alzheimer-Erkrankung auftreten. Doch es wird wahrscheinlich mehr als ein Jahrzehnt dauern, bis wir technisch in der Lage sind, solche Nanobots herzustellen.

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Fakten zum Gehirn für Eilige

In diesem Kapitel ...

Die Rolle des Neokortex

Die rechte und die linke Gehirnhälfte

Die vier Gehirnlappen

Der Thalamus und das limbische System

Die komplexeste Struktur des Universums ist (so weit uns bekannt ist) die 1,4 Kilogramm schwere Ansammlung von Nervenzellen in unserem Kopf – das Gehirn. Es besteht aus etwa 100 Milliarden Nervenzellen. Das sind ungefähr genauso viele Zellen, wie es Sterne in der Milchstraße und allen Galaxien in dem uns bekannten Universum gibt.

Wie jede komplizierte Maschine besteht auch unser Gehirn aus verschiedenen Teilen, die wiederum in kleinere Bereiche gegliedert sind. Das setzt sich so lange fort, bis man zum kleinsten Baustein des Gehirns, den Nervenzellen, kommt. Hier finden Sie Informationen zu den wichtigsten Teilen des Gehirns und über die Aufgaben und Funktionen der Neuronen, den Zellen, die das Nervensystem bilden.

Die Arten und Funktionen von Neuronen

Unser Nervensystem besteht aus dem zentralen Nervensystem (Gehirn und Rückenmark), dem peripheren Nervensystem (sensorische und motorische Neuronen) und dem vegetativen Nervensystem (das Körperfunktionen wie die Verdauung und die Herzfrequenz steuert).

Alle Bereiche des Nervensystems beruhen auf den Funktionen der Neuronen, Zellen, die darauf spezialisiert sind, Informationen zu verarbeiten. Wie alle anderen Zellen sind sie sehr komplex. Die Nervensysteme aller Tierarten bestehen aus vier Arten von Neuronen:

Sensorische Neuronen: Diese Neuronen informieren das Gehirn über die innere und äußere Umwelt.

Motoneuronen (und andere Output-Neuronen): Motoneuronen sorgen dafür, dass sich unsere Muskeln kontrahieren und sie vermitteln Reaktionen. Andere Output-Neuronen stimulieren Drüsen und Organe.

Kommunikationsneuronen: Sie übertragen Signale von einem Gehirnareal zu einem anderen.

Verarbeitungsneuronen: Sie stellen bei den Wirbeltieren die größte Anzahl der Neuronen. Verarbeitungsneuronen wählen die Informationen aus, die von unseren Sinnesorganen kommen, und verarbeiten sie. Sie vergleichen diese Informationen mit dem, was bereits in unserem Gedächtnis gespeichert ist und verwenden sie, um unser Verhalten zu planen und auszuführen. Jedes Gehirnareal enthält Dutzende unterschiedlicher Verarbeitungsneuronen, die die Funktion des jeweiligen Areals steuern.

Zwischen Neuronen und den meisten anderen Zellen gibt es ganz offensichtliche strukturelle Unterschiede. Während die meisten Zellen aussehen wie eine zerquetschte Kugel, besitzen Neuronen einen weit verzweigten Dendritenbaum, der am Zellkörper entspringt, und einen einzelnen Zellausläufer, der Axon genannt wird (siehe Abbildung 22.1). Das Axon entspringt ebenfalls am Zellkörper. Es verläuft allerdings über weite Strecken (das kann bis zu einem Meter sein), bevor es sich verzweigt. Während die Dendriten Signale anderer Zellen aufnehmen, sendet das Axon die Signale der Zelle zu anderen Zellen.

Abbildung 22.1: Der Aufbau eines Neurons

Viele Axone werden von Gliazellausläufern ummantelt. Man nennt sie myelinisierte Axone. Die Lücken in der Myelinhülle werden Ranvier'sche Schnürringe genannt. Das sind die Stellen, an denen die Aktionspotenziale verstärkt werden, damit ihre Stärke über weite Strecken nicht abnimmt. Myelinisierte Axone besitzen eine hohe Übertragungsgeschwindigkeit. Sie leiten die Aktionspotenziale mit einer Geschwindigkeit von mehreren Hundert Metern pro Sekunde weiter. Viele kleinere Axone sind nicht myelinisiert und übertragen Signale daher langsamer.

Die Komplexität der neuronalen Verschaltungen unterscheidet das Nervensystem von anderen funktionellen Gruppen. Das menschliche Gehirn besteht aus etwa 100 Milliarden Neuronen, die über etwa eine Billiarde Synapsen miteinander vernetzt sind.

Die Rolle des Neokortex verstehen

Wenn man das menschliche Gehirn von oben oder von der Seite betrachtet, gehört fast alles, was man dabei sieht, zum Neokortex. Er wird als »neo« bezeichnet, weil er eine relativ neue Erfindung der Säugetiere ist. Vor den Säugetieren besaßen Tiere wie Reptilien oder Vögel relativ kleine Gehirne, die über hochspezialisierte Bereiche für die Verarbeitung sensorischer Signale und zur Steuerung des Verhaltens verfügten. Der Neokortex ermöglicht eine sehr komplexe geistige Aktivität. Der menschliche Neokortex ist so groß, dass er das restliche Gehirn, außer einem kleinen Teil des Kleinhirns, vollständig bedeckt.

Der Neokortex wird in vier große Hirnlappen unterteilt (siehe Abbildung 22.2):

Zum Frontallappen gehören alle Bereiche des Neokortex, die sich vom vordersten Teil des Gehirns bis zum Zentralsulcus, der etwa in der Mitte des Gehirns quer verläuft, erstrecken.

Der Parietallappen beginnt gleich hinter dem Zentralsulcus und reicht bis zum Beginn des Okzipitallappens.

Der Okzipitallappen befindet sich an der hinterste Spitze des Gehirns. In den meisten Gehirnen gibt es keine deutliche Begrenzung zwischen dem Parietal- und dem Okzipitallappen.

Der Temporallappen erstreckt sich zungenartig von der Grenze zwischen Parietal- und Okzipitallappen nach vorne.

Abbildung 22.2: Der Neokortex

Der große Neokortex unterscheidet die Säugetiere von allen anderen Tieren. Die Tiere, die schon vor den Säugetieren existierten, konnten sich natürlich fortbewegen, ihre Umwelt wahrnehmen und verschiedene Verhaltensmuster an den Tag legen, wie wir sie von Reptilien oder Vögeln kennen. Diese Fähigkeiten werden von Hirnstrukturen gesteuert, die älter sind und hierarchisch unter dem Neokortex liegen. Der Neokortex erlaubt eine neue Stufe hochentwickelten Verhaltens – vor allem Sozialverhalten – das beim Menschen darin gipfelt, Werkzeuge herzustellen und zu nutzen und natürlich eine Sprache zu entwickeln und ein Bewusstsein zu besitzen.

Die rechte und linke Gehirnhälfte

Das Gehirn besteht aus zwei nahezu gleichen Hälften, der rechten und linken Gehirnhälfte. Die linke Gehirnhälfte erhält die meisten Signale von der rechten Körperhälfte, die hauptsächlich von ihr gesteuert wird. Die linke Gehirnhälfte ist außerdem spezialisiert auf unsere Sprache, sie ist verantwortlich für regelorientierte Entscheidungen und besitzt analytische Fähigkeiten. Die rechte Gehirnhälfte ist für unsere linke Körperhälfte zuständig. Außerdem hilft sie uns, visuelle Muster zu erkennen und ganzheitlicher wahrzunehmen.

Bei den meisten Aufgaben arbeiten die beiden Hirnhälften nach dem Motto »Teile und herrsche!«. Die linke Hälfte verarbeitet die Details und die rechte Gehirnhälfte schafft das große Ganze. Die beiden Hirnhälften sind durch den größten Nervenfaserstrang des Gehirns, den Gehirnbalken, der etwa 200 Millionen Nervenfasern enthält, miteinander verbunden.

Die vier Gehirnlappen

Der Neokortex wird in vier Gehirnlappen unterteilt: den Frontal-, Parietal-, Temporal- und Okzipitallappen (siehe Abbildung 22.3). Diese Hirnlappen werden wiederum in unterschiedliche Hirnregionen unterteilt. Der Frontallappen spielt eine wichtige Rolle bei der Bewegungssteuerung. Das reicht von der Stimulierung bestimmter Muskeln bis zur abstrakten Planung einer Handlung.

Abbildung 22.3: Die vier Hirnlappen und ihre Areale

Im Parietallappen werden visuelle, akustische und Berührungsreize verarbeitet. Auf dem Temporallappen befinden sich Bereiche für die frühe Verarbeitung von Hörreizen und die Verarbeitung visueller Reize auf hoher Ebene. Der Okzipitallappen ist für die Verarbeitung visueller Signale verantwortlich, die er dann zum Parietal- und Temporallappen weiterleitet.

Der Frontallappen

Der Frontallappen steuert unsere exekutiven Funktionen. Das reicht von der motorischen Steuerung der Muskulatur im primär-motorischen Kortex bis hin zur abstrakten Planung von Handlungen auf ganz hoher Ebene. Der Frontallappen wird in verschiedene Bereiche unterteilt:

Der Präfrontalkortex: Beim Menschen nimmt der Präfrontalkortex den größten Teil des Frontallappens ein. Er ist für fast alle Fähigkeiten verantwortlich, die wir für unsere Intelligenz benötigen. Bei Primaten ist der Präfrontalkortex größer als bei anderen Säugetieren. Der Mensch besitzt den größten Präfrontalkortex.

Die meisten Säugetiere handeln instinktiv und leben nicht in hochdifferenzierten sozialen Gruppen. Bei Primaten leben dagegen sowohl die Weibchen als auch die Männchen in komplexen sozialen Hierarchien. Sie sind in der Lage, Handlungen zu planen, die mitunter über eine Zeitspanne von Jahren reichen. Menschen bauen und nutzen Werkzeuge, verändern ihre Umwelt und gehen Beziehungen zu Hunderten anderer Individuen ein.

Der Orbitofrontalkortex: Dieses Hirnareal liegt im vorderen und mittleren Teil des Präfrontalkortex. Er spielt eine wichtige Rolle bei der Einschätzung von Risiken und bei der Belohnung. Auch das moralische Urteilsvermögen ist hier lokalisiert. Bei Patienten mit einer Schädigung dieses Areals ist der IQ nicht beeinträchtigt, doch sie weisen große Defizite im Sozialverhalten auf. Außerdem verlieren sie die Scheu vor Risiken, obwohl sie sich ihrer Konsequenzen bewusst sind.

Primär-motorischer Kortex: Der primär-motorische Kortex liegt direkt vor dem Zentralsulcus. Das Gehirn kann über das Rückenmark direkt die Muskulatur steuern. Die Ausläufer der Neuronen des primär-motorischen Kortex reichen bis in das Rückenmark und sind über die Synapsen mit Motoneuronen verbunden, die die Reflexe steuern. Theoretisch erlaubt diese Kontrolle eine höhere Flexibilität und Anpassungsfähigkeit.

Prämotorischer Kortex: Die Aufgabe des prämotorischen Kortex besteht in der bewussten Steuerung von Bewegungsabläufen. Nachdem die Basalganglien und der Präfrontalkortex ein Ziel ausgewählt haben, koordiniert der prämotorische Kortex die Schritte, um das Ziel zu erreichen. Der prämotorische Kortex hilft Ihnen dabei zu lernen, worauf Sie achten müssen, während Sie einen komplexen Bewegungsablauf ausführen und was Sie tun müssen, wenn Sie an einem bestimmten Punkt feststecken.

Der Frontallappen hat eine klare Unterteilung. Am weitesten hinten, direkt vor dem Zentralsulcus, befinden sich Nervenbahnen, die direkt zu den Muskeln ziehen. Davor liegen Bereiche, die Bewegungsabläufe steuern. Davor liegen Areale, die wir für die abstrakte Planung benötigen. Auf dieser Verarbeitungsebene wählen wir aus verschiedenen Strategien, die möglicherweise unterschiedliche Muskeln oder Bewegungsabläufe beinhalten oder sogar, wie beispielsweise beim Tennis, die Entscheidung, sich gar nicht zu bewegen.

Der Parietallappen

Im Parietallappen befinden sich Neuronen, die sensorische Informationen von der Haut und Zunge erhalten. Außerdem gibt es hier auch Neuronen, die akustische und visuelle Signale verarbeiten, die in anderen Bereichen des Gehirns eingegangen sind. Der größte Teil der sensorischen Signale von der Haut (Berührungs-, Temperatur- und Schmerzrezeptoren) gelangt über den Thalamus zum Parietallappen.

Der Okzipitallappen

Im Okzipitallappen werden visuelle Informationen, die von der Netzhaut das Gehirn erreichen, verarbeitet. Die Netzhaut projiziert ihre Informationen auf den hinteren Teil des Okzipitallappens, genannt V1 (für visuelles Areal 1).

Unterareale von V1 sind spezialisiert auf die Tiefenwahrnehmung und die Farb- und Bewegungserkennung. Visuelle Reize werden auch in anderen Hirnarealen im Parietal- und Temporallappen weiterverarbeitet. Diese Weiterverarbeitung ist jedoch abhängig von der frühen Signalverarbeitung im Okzipitallappen.

Die Tatsache, dass das visuelle System einen ganzen Hirnlappen zur Signalverarbeitung zur Verfügung hat, zeigt, welchen Stellenwert das Sehen für uns hat.

Der Temporallappen

Im Temporallappen gehen akustische und visuelle Informationen ein. Den oberen und mittleren Teil des Temporallappens erreichen akustische Signale, die der Thalamus von den Ohren erhält. Im unteren Teil des Temporallappens findet die Verarbeitung visueller Signale für die Objekt- und Mustererkennung statt. Die mittleren und vorderen Teile des Temporallappens sind an der Wiedererkennung beteiligt. Das gilt sowohl für Erkennen von Gesichtern wie für das Wiedererkennen, das in Zusammenhang zu unserem Gedächtnis steht.

Der Thalamus und das limbische System

Der Neokortex steht mit dem restlichen Gehirn hauptsächlich über den Thalamus in Verbindung. Der Thalamus, der sich (auch hierarchisch) unterhalb des Neokortex befindet, arbeitet wie eine Kommandozentrale, die kontrolliert, welche Informationen zwischen den unterschiedlichen Bereichen des Neokortex und mit den anderen Bereichen des Gehirns ausgetauscht werden.

Während der Neokortex sehr feingradige Analysen von Mustern vornehmen kann, die Sie gerade betrachten, steuert der Thalamus, wohin Sie schauen. Ist der Neokortex geschädigt, verlieren Sie bestimmte Fähigkeiten. Wenn dagegen Ihr Thalamus ausreichend geschädigt ist, verlieren Sie Ihr Bewusstsein. Der Hypothalamus steuert bestimmte Körperfunktionen wie Körpertemperatur und zirkadianen Rhythmus.

Abbildung 22.4: Der Thalamus und das limbische System

Stellen Sie sich den Thalamus als das Tor zum Gehirn vor. Fast alle Signale unserer Sinnesorgane und die Informationen anderer subkortikaler Bereiche werden über den Thalamus geleitet. Auch viele Bereiche des Neokortex kommunizieren über den Thalamus miteinander.

Unterhalb des Neokortex und des Thalamus befinden sich einige wichtige subkortikale Hirnregionen. Eines der wichtigsten ist ein Netzwerk unterschiedlicher, entwicklungsgeschichtlich sehr alter Kerne, die das limbische System bilden. (Entwicklungsgeschichtlich alt bedeutet, dass die Kerne des limbischen Systems schon bei Spezies wie Vögel, Echsen und vermutlich auch bei den Dinosauriern existierten, die viel älter sind als die Säugetiere.) Das limbischen System besteht aus einigen wichtigen Strukturen:

Der Hippocampus: Der Hippocampus spielt eine wichtige Rolle für unser Gedächtnis. Er erhält fast vom gesamten Neokortex Informationen. Mithilfe spezieller, anpassungsfähiger Rezeptoren kann er jede Konstellation bestimmter Eigenschaften, die ein Objekt ausmachen, und den dazugehörigen Kontext zueinander in Verbindung setzen.

Der Mandelkern: Der Mandelkern ist hauptsächlich an der Verarbeitung von Emotionen beteiligt. Er steht mit dem Präfrontalkortex in Verbindung, um große Gefühle wie Wut, Glück, Ekel, Traurigkeit oder Angst zu erzeugen und zu verarbeiten. Menschen, bei denen der Mandelkern nachhaltig beschädigt ist, können nicht mehr angemessen auf Situationen, die Angst erzeugen, reagieren oder diese vermeiden.

Orbitofrontalkortex: Im Orbitofrontalkortex kommunizieren der Mandelkern und andere Strukturen des limbischen Systems mit dem Präfrontalkortex. Stellen Sie sich vor, Sie fahren an einem Freitagabend nach Hause. An einer Kreuzung stoßen Sie beinahe mit einem anderen Fahrzeug zusammen. Mit hoher Wahrscheinlichkeit werden Sie sich für lange Zeit unwohl fühlen, wenn Sie diese Kreuzung erreichen (ganz besonders an Freitagen). Ihr Orbitofrontalkortex hat die Situation gespeichert und Ihr Mandelkern die Angst.

Der vordere Teil des Gyrus cinguli: Der vordere Teil des Gyrus cinguli scheint die Fortschritte zu überwachen, die Sie machen, um ein Ziel zu erreichen. Er gibt ein »Warnsignal« ab, wenn dabei etwas schiefläuft und ein Strategiewechsel sinnvoll wäre.

Die Basalganglien: Die Basalganglien bestehen aus fünf Hauptkernen: Nucleus caudatus, Putamen, Pallidum, Substantia nigra und Nucleus subthalamicus. Diese Kerne stellen ein eng vernetztes System dar, das mit dem Thalamus und dem Neokortex in Verbindung steht, um unser Verhalten zu steuern.

Glossar

In diesem Buch begegnen Ihnen viele medizinische und technische Fachbegriffe. Obwohl sie in den jeweiligen Kapiteln schon erklärt werden, ist Ihnen eine ausführliche Liste der wichtigsten Begriffe sicherlich hilfreich. So können Sie einzelne Begriffe jederzeit schnell nachschlagen oder sich bereits einen Überblick verschaffen, bevor Sie überhaupt mit dem Lesen beginnen.

Acetylcholin: Acetylcholin ist ein Neurotransmitter und gehört zur Gruppe der biogenen Amine. Es spielt sowohl im zentralen, als auch im peripheren und vegetativen Nervensystem eine wichtige Rolle bei der Erregungsübertragung.

Adrenalin: Adrenalin ist ein Stresshormon und wird in der Nebenniere gebildet. Es bewirkt beispielsweise eine Herzfrequenzzunahme, Blutdrucksteigerung und eine schnelle Bereitstellung von Energiereserven. Im zentralen Nervensystem kommt Adrenalin als Neurotransmitter vor.

Ageusie: Bei der Ageusie handelt es sich um den vollständigen Verlust des Geschmackssinns. Dafür kann eine Schädigung der Geschmacksknospen, der Nerven, die die Geschmacksreize von den Geschmacksknospen zum Gehirn leiten, oder eine Schädigung der Geschmacksbahn im Gebhirn verantwortlich sein.

Akkomodation: Um einen Gegenstand in einer beliebigen Entfernung scharf sehen zu können, muss die Brechkraft der Linse angepasst werden, damit das Bild des Gegenstands scharf auf der Netzhaut abgebildet wird. Dieser Vorgang wird Akkomodation genannt. Dabei wird der Krümmungs- und Brechungsgrad der Linse verändert. Bei der Nahakkomodation nimmt die Krümmung der Linse und damit auch die Brechkraft zu. Bei der Fernakkomodation nehmen Linsenkrümmung und Brechkraft ab.

Aktin: Aktin ist ein Strukturprotein. Man findet es in Muskelfasern. Es spielt bei der Muskelkontraktion eine wichtige Rolle. Dabei interagiert es mit dem Motorprotein Myosin.

Aktionspotenzial: Ein Aktionspotenzial ist eine elektrische Erregung, bei der es zu einer kurzen Änderung des Membranpotenzials an der Nervenzellmembran kommt. Es dient der Reizweiterleitung beispielsweise von Nervenzelle zu Nervenzelle. Die Weiterleitung erfolgt über das Axon.

Alliästhesie: Der Begriff Alliästhesie bedeutet veränderte Empfindung. Er beschreibt den Umstand, dass die Empfindung von Genuss oder Abneigung damit zusammenhängt, wie der Körper diese Empfindung bewertet. Dabei wird beispielsweise ein äußerer Reiz, der ein inneres Ungleichgewicht behebt, als angenehm empfunden (etwa ein warmes Getränk bei ausgekühltem Körper). Beeinträchtigt dagegen ein äußerer Reiz das innere Milieu, wird dieser Reiz als unangenehm empfunden.

Alpha-Motoneuron: Alpha-Motoneuronen sind Nervenzellen des zentralen Nervensystems. Ihre Zellkörper liegen im Hirnstamm und im Rückenmark. Ihre Axone bilden die absteigenden Nervenbahnen des peripheren Nervensystems, die zu den Skelettmuskeln ziehen.

Alzheimer: Alzheimer ist eine hirnorganische Erkrankung, bei der die Zerstörung von Nervenzellen und Nervenzellverbindungen zu Gedächtnis- sowie Orientierungsstörungen und Störungen des Denk- und Urteilsvermögens führt. Die Alzheimer-Demenz ist mit 60 Prozent die häufigste Form der Demenzerkrankungen.

Amakrinzellen: Bei Amakrinzellen handelt es sich um einen bestimmten Nervenzelltyp in der Netzhaut. Sie sorgen für die Verschaltung des neuronalen Netzwerks in der Netzhaut.

Amblyopie: Bei der Amblyopie handelt es sich um die Sehschwäche eines Auges, seltener bei der Augen, die durch eine unzureichende Entwicklung des Sehsystems im Laufe der Kindheit entstanden ist. Dafür gibt es verschiedene mögliche Ursachen. So verursacht eine Linsentrübung oder ein schielendes Auge in der frühen Kindheit nur eine schwache Projektion des Bildes im Gehirn. Hält dieser Zustand über Jahre an, führt das zur Schwachsichtigkeit des betroffenen Auges, die sich auch durch die optimale optische Korrektur durch Kontaktlinsen oder Brille nicht mehr beheben lässt.

Amusie: Amusie bezeichnet die Unfähigkeit, Tonfolgen zu erkennen, obwohl die Sinnesorgane völlig intakt sind. Die Betroffenen können beispielsweise nicht unterscheiden, ob sie einfach nur Lärm wahrnehmen oder Musik hören. Sie sind außerdem nicht dazu in der Lage, die gehörten Tonfolgen wiederzugeben.

Amygdala: Die Amygdala wird auch als Mandelkern bezeichnet. Sie ist ein Kerngebiet, das sich im mittleren Teil des Temporallappens befindet und zum limbischen System gehört. Sie ist an der Entstehung von Angst beteiligt und scheint auch für unser Gedächtnis eine wichtige Rolle zu spielen.

Anosmie: Als Anosmie bezeichnet man das Fehlen oder den Verlust des Geruchssinnes.

Apraxie: Bei der Apraxie handelt es sich um eine neurologische Bewegungsstörung, bei der die Betroffenen nicht dazu in der Lage sind, erlernte, willkürlich zielgerichtete und geordnete Bewegungen auszuführen. Die Ursache für eine Apraxie ist eine Schädigung des Großhirns, etwa durch einen Schlaganfall oder einen Hirntumor.

Assoziationskortex: Der Assoziationskortex ist Teil des Großhirns und dient nicht nur als Verbindung zwischen den primären Projektionszentren, sondern besitzt auch Verbindungen zum Thalamus und dem limbischen System.

Astrozyten: Astrozyten, auch Sternzellen genannt, gehören zu den Gliazellen des zentralen Nervensystems. Ihren Namen verdanken sie ihren strahlenförmigen Zellfortsätzen. Sie besitzen verschiedene Funktionen. So sind sie beispielsweise an der Blut-Hirn-Schranke beteiligt.

Außenohr: Das Außenohr ist Teil des Ohres. Dazu gehören die Ohrmuschel und der äußere Gehörgang. Das Trommelfell bildet die Grenze zwischen Außen- und Mittelohr. Das Außenohr hat eine wichtige Funktion bei der Lokalisierung von Schallquellen.

Autismus: Autismus ist eine tiefgreifende Entwicklungsstörung, die sich bereits im frühen Kindesalter bemerkbar macht. Die betroffenen Kinder fallen durch sich stets wiederholende Handlungen und Störungen im sozialen Umgang mit Mitmenschen auf. Auch in ihrer Kommunikation bestehen Defizite. Die Ausprägung der Symptome kann individuell sehr verschieden sein.

Axon: Das Axon ist ein Fortsatz der Nervenzelle. Es entspringt an einer Ausstülpung des Nervenzellkörpers, dem Axonhügel, und leitet die elektrischen Impulse vom Nervenzellkörper weg.

Basalganglien: Die Basalganglien sind ein Kerngebiet unterhalb der Großhirnrinde. Sie sind an der Regelung motorischer, kognitiver und limbischer Vorgänge beteiligt. Zu den Basalganglien gehören: Nucleus caudatus, Putamen, Globus pallidus, Substantia nigra und Nucleus subthalamicus.

Berührungsrezeptor: Berührungsrezeptoren sind Sinneszellen, die sich in der Haut oder inneren Organen befinden und auf mechanische Reize wie Dehnung oder Druck reagieren. Sie leiten die Informationen über diese Reize zum zentralen Nervensystem weiter.

Bewegungsparallaxe: Bewegungsparallaxe ist ein Begriff aus der Wahrnehmungspsychologie. Er beschreibt den Effekt, dass sich bei der Bewegung des Kopfes nahe Objekte schneller über die Netzhaut bewegen als weiter entfernte Objekte. Er tritt beispielsweise auf, wenn Sie aus dem Seitenfenster eines fahrenden Zuges schauen.

Binokulare Disparität: Unter binokularer Disparität versteht man den Unterschied zwischen den Bildern auf der Netzhaut des rechten und linken Auges. Er entsteht, weil unsere Augen mehrere Zentimeter auseinander liegen. Er bewirkt die Tiefenwahrnehmung und den räumlichen Eindruck beim Sehen.

Bipolarzellen: Bipolarzellen gehören zu den verschiedenen Nervenzellarten, die sich in der Netzhaut befinden. Sie geben die Informationen der Fotorezeptoren an die Ganglienzellen weiter. Diese senden letztendlich die Signale der Netzhaut zum Gehirn.

Blattpapillen: Blattpapillen befinden sich auf der Zunge und dienen der Geschmackswahrnehmung.

Blut-Hirn-Schranke: Bei der Blut-Hirn-Schranke handelt es sich um eine Barriere zwischen dem Blutkreislauf und dem zentralen Nervensystem. Sie sorgt dafür, dass Stoffe, die nicht ins zentrale Nervensystem gelangen sollen, diese Schranke nicht passieren können. Dadurch schützt sie das Gehirn beispielsweise vor Krankheitserregern oder Giftstoffen.

Broca-Areal: Das Broca-Areal ist ein Bereich der Großhirnrinde und ein wichtiger Bestandteil des Sprachzentrums. Es ist verantwortlich für die Sprachmotorik.

Brücke: siehe Pons

Catecholamine: Catecholamine sind eine Stoffgruppe, zu der Dopamin, Noradrenalin und Adrenalin gehören.

Cerebellum: Cerebellum ist das Kleinhirn. Es ist Teil des Gehirns und liegt zwischen Hirnstamm und dem Okzipitallappen des Großhirns. Das Kleinhirn spielt beim Erlernen, der Koordination und der Feinabstimmung von Bewegungsabläufen eine wichtige Rolle.

Chiasma opticum: Das Chiasma opticum ist die Stelle, an der der rechte und linke Sehnerv aufeinandertreffen. Sie wird auch Sehnervenkreuzung genannt. Dort kreuzen einige Axone der Netzhautganglienzellen zur anderen Seite, andere verlaufen auf der gleichen Seite weiter zum Gehirn.

Chorda tympani: Die Chorda tympani ist ein Nervenast des Gesichtsnerven. Sie enthält sensible, sensorische und parasympathische Nervenfasern. Sie leitet unter anderem Geschmacksreize von der Zunge zum Gehirn weiter.

Cochlea: Die Cochlea wird auch Hörschnecke genannt und ist Teil des Innenohrs. Ihren Namen hat sie, weil ihre Form an ein Schneckengehäuse erinnert. In der Hörschnecke befinden sich die Rezeptoren für die Hörwahrnehmung.

Cochleaimplantat: Das Cochleaimplantat ist eine Neuroprothese, mit deren Hilfe Gehörlose wieder hören können, vorausgesetzt, der Hörnerv ist noch intakt. Es besteht aus einem äußeren (Mikrofon, Sprachprozessor, Batterie und Spule) und implantierten (Empfänger und Stimulator) Teil.

Colliculus superior: Der Colliculus superior ist ein visueller Bereich des Mittelhirns. Er steuert die schnelle, ruckartige Rückbewegung der Augen, sogenannte Sakkaden.

Corpus callosum: Das Corpus callosum, auch Hirnbalken genannt, verbindet die rechte und linke Gehirnhälfte miteinander und besteht aus etwa 200 Millionen Nervenfasern. Es dient dem Informationsaustausch zwischen beiden Gehirnhälften.

Cortex piriformis: Der Cortex piriformis ist eine entwicklungsgeschichtlich sehr alte Leitungsbahn. Er spielt eine Rolle bei der unbewussten Unterscheidung von Gerüchen.

Corti-Organ: Das Corti-Organ befindet sich im Innenohr und ist der Sitz des Gehörsinns. Es verfügt über Sinneszellen, die für die Schallwahrnehmung verantwortlich sind. Diese Zellen werden Haarzellen genannt. Sie wandeln die ankommenden Schallwellen in Nervenimpulse um, die dann zum Gehirn weitergeleitet werden.

Dehnungsreflex: Rezeptoren in den Muskeln lösen bei einer plötzlichen Dehnung des Muskels den Dehnungsreflex aus. Dabei bewirkt die Aktivierung des Rezeptors die Kontraktion des dazugehörigen Muskels. Der Arzt untersucht den klassischen Dehnungsreflex, indem er den Kniesehnenreflex überprüft. Dabei schlägt er mit einem Gummihämmerchen auf die Sehne unterhalb der Kniescheibe. Dadurch wird kurzzeitig der vierköpfige Oberschenkelmuskel gedehnt. Als Folge davon wird der Dehnungsreflex ausgelöst. Der Oberschenkelmuskel zieht sich zusammen und der Unterschenkel schnellt nach vorne.

Dehnungsrezeptoren: Dehnungsrezeptoren gehören zu den Mechanorezeptoren und reagieren auf die Dehnung des umliegenden Gewebes. Sie kommen in vielen Organen vor. In der Muskulatur werden sie Muskelspindeln genannt.

Dendrit: Dendriten sind Zellfortsätze der Nervenzellen, die elektrische Reize aufnehmen und zum Zellkörper weiterleiten.

Dendritenbaum: Als Dendritenbaum bezeichnet man alle Dendriten einer Nervenzelle. Er besteht meist aus vielen verzweigten Dendritenästen. Der Dendritenbaum bietet Platz für Tausende Synapsen, über die die Nervenzelle Informationen von anderen Neuronen aufnimmt.

Depolarisation: Aufgrund einer unterschiedlichen Ionenkonzentration zwischen Zellinnerem und der Zellumgebung besitzen elektrisch erregbare Zellen ein Membranpotenzial. Als Depolarisation bezeichnet man einen Vorgang, bei dem das Membranpotenzial kurzzeitig vermindert wird.

Depression: Die Depression ist eine psychische Erkrankung, bei der die Betroffenen unter Symptomen wie Niedergeschlagenheit, Hoffnungslosigkeit, Antriebslosigkeit, Angst, Appetitlosigkeit oder Schlafstörungen leiden.

Diffusions-Tensor-Bildgebung (DTI): Die Diffusions-Tensor-Bildgebung (DTI vom englischen Diffusion Tensor Imaging) ist eine Variante der Magnetresonanztomographie, bei der die Diffusionsbewegungen von Wassermolekülen in Geweben gemessen und räumlich dargestellt werden können. Da sich Wasser besonders leicht im Zytoplasma langer, zylindrischer Axone nach unten bewegt, lassen sich im Gehirn mit der Diffusions-Tensor-Bildgebung besonders gut die Axon-Bereiche untersuchen.

DNA: Die DNA ist ein Biomolekül und Träger der Erbinformation.

Down-Syndrom: Beim Down-Syndrom (auch Trisomie 21) handelt es sich um eine Chromosomenanomalie, bei der des 21. Chromosomen oder Teile davon dreifach vorliegen. Menschen mit Down-Syndrom besitzen eingeschränkte kognitive Fähigkeiten und weisen typische körperliche Veränderungen auf.

Edinger-Westphal-Kern: Der Edinger-Westphal-Kern ist ein Kerngebiet im Mittelhirn. Er erhält von der Netzhaut Informationen über die Lichtintensität und steuert, wie weit die Pupillen geöffnet sind. Dadurch reguliert er, wie viel Licht in das Auge gelangt.

Elektroenzephalogramm (EEG): Das EEG ist eine medizinische Diagnosemethode, bei der die Spannungsschwankungen der elektrischen Aktivität des Gehirns an der Kopfoberfläche aufgezeichnet und grafisch dargestellt werden.

Einzelphotonen-Emissions-Computertomographie (SPECT): Die Einzelphotonen-Emissions- Computertomographie (SPECT von englisch single photon emission computed tomography) ist ein bildgebendes Verfahren, bei dem den Patienten ein schwach radioaktives Mittel verabreicht wird. Hat dieses sich dann im Körper verteilt, können die Gammastrahlen durch eine Kamera aufgespürt werden. Mit dieser Untersuchungsmethode lassen sich besonders Organfunktionen und Durchblutungsverhältnisse beurteilen.

Embryonalentwicklung: Als Embryonalentwicklung wird die Phase der Keimentwicklung bezeichnet, die von der Befruchtung der Eizelle bis zur Bildung der Organanlagen reicht. Beim Menschen reicht diese Phase bis zur achten Schwangerschaftswoche.

Endoplasmatisches Retikulum: Das endoplasmatische Retikulum ist eine Zellorganelle. Es fungiert als Speicher und spielt eine wichtige Rolle bei der Synthese von Lipiden, Fettsäuren und Hormonen.

Endorphine: Endorphine sind körpereigene Morphine, die Schmerzen lindern oder unterdrücken. Sie werden in der Hypophyse und im Hypothalamus gebildet.

Enkephalin: Enkephalin ist ein körpereigenes Protein, das die Schmerzempfindung beeinflusst.

Entorhinaler Kortex : Der entorhinale Kortex ist wichtig für die Gedächtnisbildung. Er ist dem Hippocampus vorgeschaltet und sortiert die Signale, die ihn erreichen. Nur die Signale, die an den Hippocampus weitergeleitet werden, können im Gedächtnis gespeichert werden.

Epilepsie: Die Epilepsie ist ein Krankheitsbild, bei dem es zu spontanen Krampfanfällen kommt. Diese werden durch anfallsartige synchrone Entladungen von Neuronengruppen im Gehirn ausgelöst. Die normale Gehirnfunktion wird dadurch schwer beeinträchtigt.

Episodisches Gedächtnis : Das episodische Gedächtnis gehört zum Langzeitgedächtnis. Es ist die Erinnerung an Episoden und Ereignisse aus dem eigenen Leben. Das episodische Gedächtnis speichert nicht nur einen bestimmten Inhalt, sondern auch den dazugehörigen Zusammenhang.

Eukaryoten: Eukaryoten sind einzellige Lebewesen, die einen Zellkern besitzen.

Fadenpapillen: Fadenpapillen besitzen als einzige Papillenart keine Geschmacksrezeptoren. Sie befinden sich im mittleren Teil der Zunge und haben eine mechanische Funktion.

Farbenblindheit: Es gibt die angeborene und erworbene Farbenblindheit. Die angeborenen Formen werden durch eine Veränderung der Sehpigmentproteine in den Zapfen der Netzhaut hervorgerufen. Besonders häufig tritt hier die Rot-Grün-Blindheit auf. Ein Beispiel für die erworbene Farbenblindheit ist eine Schädigung im Bereich V4 der Großhirnrinde, die zur zerebralen Achromatopsie führt. Patienten mit dieser Farbwahrnehmungsstörung können keine Farben, sondern nur Kontraste (verschiedene Graustufen) wahrnehmen.

Fluoreszenzmessung: Bei der Fluoreszenzmessung handelt es sich um eine optische Messmethode. Sie basiert auf der Messung der durch Fluoreszenz entstehenden Lichtstrahlung.

Formatio reticularis : Die Formatio reticularis (auch Retikulärformation) ist ein Neuronennetzwerk im Hirnstamm, das sich über einige Hirnareale erstreckt und mit zahlreichen Arealen kommuniziert. Sie kontrolliert alle lebenswichtigen Funktionen wie Herzfrequenz, Atmung und Körpertemperatur und sogar den Wachheitszustand. Eine Schädigung der Retikulärformation führt normalerweise dazu, dass die Betroffenen im Koma liegen oder sterben.

Fotorezeptoren: Fotorezeptoren sind lichtempfindliche Sinneszellen. Sie wandeln Licht, also elektromagnetische Wellen, in elektrische Impulse um. In der Netzhaut des Menschen findet man drei verschiedene Arten von Fotorezeptoren – Stäbchen, Zapfen und fotosensitive Ganglienzellen.

Fototransduktion: Der gesamte Vorgang, von der Aufnahme der Photonen durch die Fotorezeptoren der Netzhaut, über die Umwandlung in einen elektrischen Impuls, bis hin zur Ausschüttung eines Neurotransmitters, wird als Fototransduktion bezeichnet.

Fragiles-X-Syndrom: Das Fragile-X-Syndrom ist die häufigste erbliche Ursache für eine geistige Behinderung. Die Ursache liegt in einer Mutation auf dem X-Chromosomen.

Freie Nervenendigungen: Freie Nervenendigungen sind einfache Axonenden, die nicht von einer anderen Struktur umgeben sind. Man findet sie beispielsweise als Schmerz- und Temperaturrezeptoren in der Haut.

Frontallappen: Der Frontallappen wird auch Stirnlappen genannt und ist Teil des Neokortex. Er reicht vom vorderen Hirnpol bis zum Zentralsulcus. Der Frontallappen besteht aus dem motorischen, prämotorischen und präfrontalen Kortex.

Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT): Die funktionelle Magnetresonanztomographie ist ein modernes bildgebendes Untersuchungsverfahren. Dabei können Hirnareale mit hoher räumlicher Auflösung dargestellt werden, indem man sich die erhöhte Durchblutung aktiver Hirnareale oder den Sauerstoffgehalt des Blutes in aktiven Hirnregionen zunutze macht.

Gamma-Aminobuttersäure (GABA): Die Gamma-Aminobuttersäure gehört zu den hemmenden Neurotransmittern des zentralen Nervensystems. Sie verhindert, dass Nervenerregungen weitergeleitet werden.

Ganglienzellen: Die Ganglienzellen der Netzhaut schicken die von den anderen Sinneszellen der Netzhaut aufgenommenen und verarbeiteten Signale zum Gehirn.

Gap Junctions: Gap Junctions sind Zell-Zell-Kanäle, die aus porenbildenden Proteinkomplexen bestehen. Sie verbinden das Zellinnere zweier benachbarter Zellen miteinander. Diese Gap Junctions ermöglichen den Austausch von Ionen und kleinen Molekülen.

Gehörknöchelchen: Die Gehörknöchelchen sind die drei kleinsten Knochen des Menschen. Sie befinden sich im Mittelohr. Man unterscheidet Hammer, Amboss und Steigbügel. Sie sind gelenkig miteinander verbunden und wandeln die Vibrationswellen, die vom Trommelfell auf die Gehörknöchelchen treffen, in Druckwellen um, die sie dann an das Innenohr weitergeben.

Geruchsrezeptoren: Geruchsrezeptoren sind Sinneszellen, die auf chemische Reize reagieren und für die Wahrnehmung von Gerüchen zuständig sind. Sie befinden sich oberhalb der oberen Nasenmuschel in der sogenannten Riechschleimhaut. Die Sinneszellen verfügen über kleine Flimmerhärchen, die bis in die Schleimhaut reichen. Auf diesen Flimmerhärchen befinden sich Rezeptoren, die auf unterschiedliche Gerüche reagieren.

Geruchssinn: Unser Geruchssinn sorgt für die Wahrnehmung von Gerüchen. Er dient dem Erkennen von Nahrung oder auch potenzieller Gefahren (wie beispielsweise der Geruch verdorbenen Essens oder Rauch). Der Geruchssinn ist über seine Leitungsbahnen eng mit unseren Emotionen und unserem Gedächtnis verknüpft.

Geschmackssinn: Auch für den Geschmack gibt es spezielle Rezeptoren. Sie befinden sich in den Papillen auf der Zunge. Wir können fünf verschiedene Geschmacksqualitäten unterscheiden: süß, salzig, sauer, bitter und umami.

Geschmacksknospen: Geschmacksknospen sind winzige Strukturen auf unserer Zunge, in denen sich die Sinneszellen des Geschmackssinns befinden.

Geschmacksrezeptoren: Geschmacksrezeptoren sind Sinneszellen, die auf chemische Reize reagieren. Sie liegen in den Geschmacksknospen auf der Zunge.

Gesichtsfeld: Das Gesichtsfeld ist der Bereich, den wir sehen können, wenn wir den Kopf ruhig halten und geradeaus schauen, ohne unseren Blick umherschweifen zu lassen und ohne Punkte oder Gegenstände direkt zu fixieren. Eine Gesichtsfeldmessung kann Aufschluss über Erkrankungen des Auges oder über neurologische Störungen liefern.

Glaukom: Das Glaukom, auch Grüner Star genannt, ist eine Augenerkrankung, bei der ein zu hoher Augeninnendruck dazu führt, dass die Nervenzellen der Netzhaut und der Sehnerv geschädigt werden. Unbehandelt können Gesichtsfeldausfälle oder sogar die Erblindung des betroffenen Auges die Folge sein.

Gliazellen: Gliazellen sind eine Zellart des Nervensystems. Sie sind nicht an der Erregungsleitung beteiligt, sondern bilden für die Nervenzellen das Stützgewebe. Außerdem unterstützen sie die Nervenfunktionen auf unterschiedliche Weise.

Globus pallidus: Der Globus pallidus, auch Pallidum genannt, ist ein Kerngebiet des Gehirns, das zu den Basalganglien gezählt wird.

Glutamat: Glutamat ist der wichtigste schnelle exzitatorische (also erregende) Neurotransmitter im Gehirn.

Glycin: Glycin gehört zu den wichtigsten hemmenden Neurotransmittern im zentralen Nervensystem. Es verhindert, dass Nervenerregungen weitergeleitet werden.

Golgi-Apparat: Der Golgi-Apparat zählt zu den Zellorganellen. Er ist am Zellstoffwechsel und an der Sekretbildung beteiligt.

Golgi-Färbung: Bei der Glogi-Färbung handelt es sich um die Färbung eines Gewebepräparats mit Silbernitrat. Damit lassen sich einzelne Nerven und Zellstrukturen sichtbar machen. Ihren Namen erhielt die Golgi-Färbung nach dem Mann, der sie entwickelt hat: Camillo Golgi.

Graue Substanz: Die graue Substanz sind die Bereiche des zentralen Nervensystems, die hauptsächlich aus Nervenzellkörpern besehen.

Gyrus: Gyrus ist ein Begriff aus der Anatomie des Gehirns und bedeutet Hirnwindung. Die einzelnen Hirnwindungen sind durch Furchen und Gräben voneinander getrennt.

Gyrus cinguli: Der Gyrus cinguli befindet sich oberhalb des Hirnbalkens und gehört funktionell zum limbischen System.

Hippocampus: Der Hippocampus ist eine entwicklungsgeschichtlich sehr alte Hirnstruktur. Er befindet sich im Temporallappen und gehört zum limbischen System. Er spielt für das Lernen und das Gedächtnis eine wichtige Rolle.

Hinterhauptslappen: siehe Okzipitallappen

Hirnbalken: siehe Corpus callosum

Homöostase: Homöostase beschreibt ein Gleichgewicht, das für die Funktion eines Organs oder Organismus nötig ist. Ein gutes Beispiel dafür ist der Blutdruck. Steigt oder sinkt er zu stark, ist das für den Organismus gefährlich. Deshalb setzen Regelmechanismen ein, um das Gleichgewicht wiederherzustellen.

Homunculus: Der Begriff Homunculus wird in der Neuroanatomie für eine Art neurologische Landkarte gebraucht. Darauf werden einzelne Körperregionen auf den primären Rindenfeldern unterschiedlich groß abgebildet.

Horizontalzellen: Horizontalzellen sind Nervenzellen der Netzhaut. Sie verschalten die Fotorezeptoren und die bipolaren Zellen.

Hörschnecke: siehe Cochlea

Hyperpolarisation: Aufgrund einer unterschiedlichen Ionenkonzentration zwischen Zellinnerem und der Zellumgebung besitzen elektrisch erregbare Zellen ein Membranpotenzial. Als Hyperpolarisation wird die übermäßige Erhöhung dieses Membranpotenzials bezeichnet. Dieser Vorgang stellt das Gegenteil zur Depolarisation dar.

Hypogeusie: Die Hypogeusie ist eine Schmeckstörung, bei der eine verminderte Geschmackswahrnehmung besteht.

Hypothalamus: Der Hypothalamus ist Teil des Zwischenhirns. Er steuert wichtige Körperfunktionen wie beispielsweise den Kreislauf, die Körpertemperatur oder die Flüssigkeits- und Nahrungsaufnahme.

Innenohr: Das Innenohr ist neben dem Außen- und Mittelohr Teil des Ohres. Es beherbergt die Hörschnecke (Cochlea) und das Gleichgewichtsorgan.

Inselbegabung: Inselbegabung beschreibt ein Phänomen, bei dem Menschen in kleinen Teilbereichen außergewöhnliche Leistungen erbringen. Manche Inselbegabte können zwei vierstellige Zahlen im Kopf multiplizieren, haben sofort den Wochentag eines historischen Datums im Kopf oder besitzen ein fotografisches oder enzyklopädisches Gedächtnis. Viele Inselbegabte sind Autisten.

Interneuronen: Interneuronen werden auch Schalt- oder Zwischenneuronen genannt. Sie sind lediglich an lokalen Schaltkreisen beteiligt.

Ionenkanäle: Ionenkanäle befinden sich in der Zellmembran und bestehen aus einem röhrenförmigen Proteinkomplex. Sie ermöglichen den Ionenaustausch in Richtung des Konzentrations- und Potenzialgefälles.

Ionenpumpe: Ionenpumpen sind Transportproteine in der Zellmembran, die aktiv unter Energieverbrauch Ionen über Ionenkanäle transportieren.

Katarakt: Bei der Katarakt, die auch als Grauer Star bezeichnet wird, handelt es sich um eine Trübung der Augenlinse. Sie kann bei fortgeschrittener Erkrankung operativ durch eine künstliche Linse ersetzt werden.

Kleinhirn: siehe Cerebellum

Kniesehnenreflex: Der Kniesehnenreflex ist ein Dehnungsreflex. Der Arzt überprüft ihn, indem er mit einem Gummihämmerchen auf die Sehne unterhalb der Kniescheibe schlägt. Dadurch wird kurzzeitig der vierköpfige Oberschenkelmuskel gedehnt. Als Folge davon wird der Dehnungsreflex ausgelöst. Der Oberschenkelmuskel zieht sich zusammen und der Unterschenkel schnellt nach vorne.

Limbisches System: Das limbische System setzt sich aus verschiedenen Strukturen des Gehirns zusammen und gehört entwicklungsgeschichtlich zu den sehr alten Teilen des Gehirns. Das limbische System ist zuständig für Gefühle und Triebverhalten. Außerdem beeinflusst es auch unser Gedächtnis oder unseren Antrieb.

Magnetoenzephalographie (MEG): Die Magnetoenzephalographie ist eine Untersuchungsmethode, bei der die Gehirnaktivität mittels Messung magnetischer Felder ermittelt wird.

Makuladegeneration: Als Makuladegeneration werden verschiedene Erkrankungen des Auges bezeichnet, die den Punkt des schärfsten Sehens auf der Netzhaut (Makula lutea) betreffen und mit einem zunehmenden Funktionsverlust der dort befindlichen Zellen einhergehen.

Mandelkern: siehe Amygdala

Mechanorezeptoren: Mechanorezeptoren sind Sinneszellen, die mechanische Kräfte wie Druck und Vibration messen und in elektrische Impulse umwandeln.

Medulla: Die Medulla ist der unterste Teil des Gehirns und liegt unterhalb der Brücke. Das untere Ende der Medulla ist der Beginn des Rückenmarks. Die Medulla besteht größtenteils aus Nervenfasern, die sensorische Informationen von der Haut, den Muskeln und den Sehnen zum Gehirn transportieren und motorische Signale vom primär-motorischen Kortex im Frontallappen über das Rückenmark zu den Muskeln weiterleiten.

Meissner-Körperchen : Die Meissner-Körperchen sind Druckrezeptoren der Haut. Sie registrieren eher schnelle Druckveränderungen. Ihre rezeptiven Felder sind relativ klein. Dadurch können eng beieinanderliegende Reize unterschieden werden.

Membranpotenzial: Aufgrund einer unterschiedlichen Ionenkonzentration zwischen Zellinnerem und der Zellumgebung besitzen elektrisch erregbare Zellen ein Membranpotenzial. Dabei handelt es sich um eine elektrische Potenzialdifferenz zwischen der Innen- und Außenseite der Zellmembran.

Merkel-Zellen: Merkel-Zellen sind Druckrezeptoren in der Haut. Sie reagieren auf relativ konstanten Druck, der auf kleine Hautbereiche einwirkt.

Mikroglia: Die Mikrogliazellen sind Fresszellen, die im Gehirn die Reste abgestorbener Zellen beseitigen. Außerdem erkennen und beseitigen sie schädliche Substanzen und schützen so die Nervenzellen.

Mittelhirn: Das Mittelhirn gehört zum Hirnstamm und liegt zwischen Brücke und Zwischenhirn. Es steuert die Augenbewegungen und hilft, Geräusche zu lokalisieren. Der große visuelle Bereich im Mittelhirn ist der Colliculus superior, der schnelle, ruckartige Rückbewegungen der Augen, sogenannte Sakkaden, steuert.

Mittelohr: Das Mittelohr ist ein Teil des Ohres. Es reicht vom Trommelfell bis zum Innenohr. Im Mittelohr befinden sich die Gehörknöchelchen. Sie verbinden das Außen- mit dem Innenohr und leiten die Schwingungen des Trommelfells weiter zum Innenohr.

Myelinscheide: Die Myelinscheide, auch Markscheide genannt, ist die Myelinschicht, die ein Axon einhüllt. Sie dient der elektrischen Isolierung der Nervenfaser und damit der schnelleren Erregungsleitung. Im peripheren Nervensystem wird die Markscheide von den Schwann'schen Zellen gebildet. Im zentralen Nervensystem übernehmen das die Oligodendrozyten.

Myosin: Myosin ist ein Motorprotein und gehört zur kontraktilen Einheit des Muskels.

Neokortex: Der Neokortex ist der stammesgeschichtlich jüngste Teil der Großhirnrinde. Er besteht aus der grauen Substanz. Um seine Oberfläche zu vergrößern, wurde er eingefaltet und weist dadurch Hirnwindungen (Gyri) und Furchen (Sulci) auf.

Netzhaut: Die Netzhaut kleidet die hintere Innenseite des Auges aus und besteht aus hochspezialisierten Sinneszellen, die uns das Sehen und die Farbwahrnehmung ermöglichen.

Neuron: Ein Neuron ist eine Nervenzelle. Sie ist auf die Weiterleitung von elektrischen Impulsen spezialisiert. Sie besteht aus einem Zellkörper, den Dendriten, die die Erregung anderer Zellen aufnehmen, und dem Axon, mit dem die Nervenzelle die Erregung zu anderen Zellen weiterleitet.

Neuroprothesen: Neuroprothesen sind technische Geräte, mit denen geschädigte Bereiche des Nervensystems überbrückt werden können. Dadurch wird die unterbrochene Reizleitung zum Gehirn oder vom Gehirn zu einem ausführenden Organ wiederhergestellt. Das Cochleaimplantat ist eine Neuroprothese, mit deren Hilfe Gehörlose wieder hören können.

Neurotransmitter: Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe, die Informationen von Nervenzelle zu Nervenzelle oder von einer Nervenzelle auf eine andere Zelle übertragen. Dabei können sie diese Informationen auch verstärken oder verändern. Zu den Neurotransmittern zählen beispielsweise Adrenalin, Dopamin, Acetylcholin, Serotonin und viele andere mehr.

Noradrenalin: Noradrenalin ist ein Neurotransmitter, der hauptsächlich im sympathischen Teil des vegetativen Nervensystems wirkt.

Nucleus caudatus: Der Nucleus caudatus ist der sogenannte geschweifte Kern und gehört zu den Basalganglien.

Nucleus subthalamicus: Der Nucleus subthalamicus gehört zu den Basalganglien.

Okzipitallappen: Der Okzipitallappen wird auch Hinterhauptslappen genannt und ist Teil des Neokortex. Er liegt auf dem Neokortex am weitesten hinten und ist der kleinste der vier Hirnlappen. Der Okzipitallappen grenzt an den Scheitel- und den Schläfenlappen und beherbergt das primäre Sehzentrum.

Oligodendrozyten: Die Oligodendrozyten gehören zu den Gliazellen. Sie bilden im zentralen Nervensystem die Myelinscheiden der markhaltigen Nervenfasern.

Orbitofrontalkortex: Der Orbitofrontalkortex ist ein Bereich des Frontallappens, der für die Feinabstimmung emotionaler Reaktionen zuständig ist.

Parietallappen: Der Parietallappen wird auch Scheitellappen genannt und erstreckt sich von der Rückseite des Zentralsulcus bis zum Hinterhauptslappen. Seitlich grenzt er an den Schläfenlappen. Er ist an der Verarbeitung sensorischer, visueller und motorischer Signale beteiligt.

Parkinson: Die Parkinson-Krankheit ist eine neurologische Erkrankung, bei der Dopamin-produzierende Nervenzellen in der Substantia nigra absterben. Die Betroffenen können sich nur noch langsam bewegen, zittern und weisen eine gebückte Körperhaltung auf. Eine Therapiemöglichkeit ist der medikamentöse Ausgleich des Dopaminmangels. Auch mit der tiefen Hirnstimulation, bei der den Patienten ein »Hirnschrittmacher« eingesetzt wird, werden Behandlungserfolge erzielt.

Patch-Clamp-Elektroden : Patch-Clamp-Elektroden sind ultrafeine Mikroelektroden, mit deren Hilfe sich der Strom einzelner Ionenkanäle sowie der Strom aller Ionenkanäle einer Zellmembran messen lässt.

Peripheres Nervensystem : Das periphere Nervensystem ist der Teil des Nervensystems, der außerhalb von Gehirn und Rückenmark liegt. Es verbindet das Rückenmark mit Muskeln, Organen und Rezeptoren. Zum peripheren Nervensystem gehört auch das vegetative Nervensystem.

Pheromon: Pheromone sind Botenstoffe, die über den Geruch zur Kommunikation zwischen Artgenossen dienen. Wissenschaftler sind sich noch nicht einig darüber, ob man den Begriff auch auf die Kommunikation durch Gerüche beim Menschen anwenden kann. Doch unabhängig davon, wie man es nennt, es ist sicher, dass auch der Mensch über Gerüche kommuniziert.

Photonen: Photonen sind die kleinsten Bestandteile des Lichtes und werden auch Lichtteilchen genannt.

Phrenologie: Die Phrenologie hat ihren Ursprung im 19. Jahrhundert. Sie sieht einen Zusammenhang zwischen der Schädel- und Gehirnform und dem Charakter und bestimmten Geistesgaben. Die Ansichten der Phrenologen sind mittlerweile vollständig widerlegt.

Pilzpapillen: Pilzpapillen sind pilzförmige Geschmackspapillen. Sie liegen auf den vorderen zwei Dritteln der Zunge.

Placebo-Effekt: Man spricht vom Placebo-Effekt, wenn die Behandlung mit einem wirkstofffreien Scheinmedikament einen therapeutischen Effekt erzielt. Lange Zeit ging man davon aus, dass dieser Effekt ausschließlich psychische Ursachen hat. Doch mittlerweile ist bekannt, dass durch eine psychische Aktivierung körpereigene Endorphine ausgeschüttet werden können, die beispielsweise Schmerzen lindern.

Plastizität: Neuronale Plastizität ist die Eigenschaft des Gehirns, einzelne Bereiche abhängig von ihrer Verwendung zu verändern und anzupassen. Die Plastizität spielt schon im Mutterleib bei der Entwicklung des Gehirns eine wesentliche Rolle.

Pons: Der Pons, auch Brücke genannt, ist ein Bereich des Hirnstamms und Teil des zentralen Nervensystems.

Positronen-Emissions-Tomographie (PET): Die Positronen-Emissions-Tomographie ist ein bildgebendes Untersuchungsverfahren, bei dem mithilfe einer schwach radioaktiven Substanz, die dem Patienten verabreicht wird, die Stoffwechselaktivität bestimmter Organe oder Organsysteme ermittelt werden kann. Wird beispielsweise das Gehirn gescannt, während der Proband Denkaufgaben lösen muss, kann man mit Hilfe der Positronen-Emissions-Tomographie feststellen, welche Hirnbereiche jetzt besonders aktiv sind, da die aktiven Zellen wegen ihres erhöhten Stoffwechsels die radioaktive Substanz vermehrt aufnehmen.

Präfrontalkortex: Der Präfrontalkortex ist Teil des Frontallappens. Er steht mit dem limbischen System, den Basalganglien und sensorischen Gebieten der Großhirnrinde in Verbindung.

Primäre Sehrinde : Die primäre Sehrinde befindet sich im hinteren Teil des Okzipitallappens. Sie wird auch V1 (für primärer visueller Kortex) genannt. Die Informationen der Netzhaut werden in geordneter Form auf diesen Bereich projiziert. Die Aktivitäten in V1 entsprechen dem, was sich gerade in Ihrem Blick befindet.

Primär-motorischer Kortex: Der primär-motorische Kortex ist ein Bereich des Neokortex, der zum Frontallappen gehört. Die Axone seiner Nervenzellen ziehen hauptsächlich zum Rückenmark und senden ihre Signale an die dortigen Motoneuronen. Diese schicken die Signale weiter an die Muskulatur. Somit ist der primär-motorische Kortex dafür verantwortlich, dass wir uns bewegen können.

Prokaryoten: Prokaryoten sind einzellige Lebewesen, die keinen Zellkern besitzen.

Propriozeptoren: Propriozeptoren sind Rezeptoren in Muskeln, Gelenken und Bändern. Sie sind zuständig für die Tiefensensibilität und liefern uns Informationen über die Muskelspannung und die Stellung unserer Gelenke. Das ermöglicht uns die Wahrnehmung der Stellung und Bewegung unseres Körpers im Raum.

Pupille: Die Pupille ist die natürliche Öffnung unseres Auges, durch die Licht in das Auge einfällt. Sie wird von der Regenbogenhaut (Iris) umgeben. Die Pupille passt die Größe ihrer Öffnung den Lichtverhältnissen an. Bei wenig Licht ist sie eher weit. Fällt viel Licht in unser Auge ein, verengt sie sich. Die Pupille ist vergleichbar mit der Blende am Kameraobjektiv.

Putamen: Das Putamen ist ein Teil der Basalganglien und spielt eine Rolle bei der Steuerung von Bewegungsabläufen.

Ranvier'sche Schnürringe: Ranviersche Schnürringe findet man ausschließlich bei markhaltigen Nervenfasern. Sie stellen die Lücken dar, an denen zwei Schwann'sche Zellen, die die Markscheide bilden, zusammentreffen. Die Ranvier'schen Schnürringe spielen für die schnelle saltatorische Erregungsleitung eine wichtige Rolle.

Reflex: Ein Reflex ist eine unwillkürliche, immer wieder reproduzierbare Reaktion des Organismus auf einen bestimmten Reiz. Er wird durch das Nervensystem vermittelt. Eine Untersuchung der Reflexe lässt deshalb Rückschlüsse auf die Funktionsfähigkeit des peripheren und zentralen Nervensystems zu.

Retinitis pigmentosa: Die Retinitis pigmentosa ist eine Erkrankung der Netzhaut, bei der eine angeborene Schädigung der Stäbchen besteht. Wenn die Erkrankung fortschreitet, kommt es zunächst zu Nachtblindheit. Später schränkt sich das Gesichtsfeld immer stärker ein. Die Betroffenen entwickeln einen Tunnelblick. Das setzt sich bis zur völligen Erblindung fort.

Retinopathie: Retinopathie ist ein Oberbegriff für Erkrankungen der Netzhaut. Dazu gehören die Makuladegeneration, die Retinitis pigmentosa oder die diabetische Retinopathie.

Rezeptives Feld: Ein rezeptives Feld ist der Bereich von Sinnesrezeptoren, der seine Informationen an ein einzelnes Neuron weiterleitet.

Rezeptoren: Rezeptoren sind spezialisierte Zellen, die chemische oder physikalische Reize aufnehmen und so umwandeln, dass das Nervensystem sie weiterleiten und verarbeiten kann.

Rhodopsin: Rhodopsin ist ein Sehpigment der Netzhaut. Es befindet sich in den Stäbchen und ermöglicht das Hell-Dunkel-Sehen.

Riechkolben: Der Riechkolben ist ein kleiner Bereich an der vorderen Basis des Gehirns. Die Riechnerven, die von der Riechschleimhaut durch das Siebbein in die Schädelhöhle ziehen, enden hier. Von dort werden die Geruchsinformationen an verschiedene Hirnareale wie zum Beispiel zum limbischen System, dem Thalamus oder Hippocampus weitergeleitet.

Riechschleimhaut: Die Nasenschleimhaut, mit der die Nasenhöhle oberhalb der oberen Nasen muschel ausgekleidet ist, enthält Sinneszellen. Diese Zellen verfügen über winzige Flimmerhärchen, auf denen sich Rezeptoren befinden, die auf unterschiedliche Gerüche reagieren.

Rot-Grün-Blindheit: siehe Farbenblindheit

Rückenmark: Das Rückenmark bildet zusammen mit dem Gehirn das zentrale Nervensystem. Es verläuft im Wirbelkanal und wird in einzelne Segmente untergliedert (Hals-, Brust-, Lenden- und Kreuzbeinsegmente). Es besteht wie das Gehirn auch aus grauer und weißer Substanz. In der grauen Substanz liegen die Nervenzellkörper, die weiße Substanz wird von den Axonen gebildet. Im Rückenmark verlaufen Nervenfasern vom Körper zum Gehirn und vom Gehirn zum Körper.

Ruffini-Körperchen: Ruffini-Körperchen sind Mechanorezeptoren, die auf Dehnungsreize reagieren. In der Haut sind sie wichtig, um diese vor dem Reißen zu schützen. Die Ruffini-Körperchen in Gelenkkapseln liefern unserem Gehirn Informationen über die Stellung der Gelenke.

Sakkaden: Sakkaden sind schnelle, ruckartige Augenrückbewegungen, bei der ein Gegenstand fixiert wird. Sie haben sicherlich schon einmal solche Sakkaden beobachten können, beispielsweise an jemandem, der Ihnen im Zug gegenübergesessen und aus dem Fenster geschaut hat.

Saltatorische Erregungsleitung: Die saltatorische Erregungsleitung ist die sprunghafte Weiterleitung der Aktionspotenziale an einer markhaltigen Nervenfaser. Dabei springt das Aktionspotenzial von einem Ranvier'schen Schnürring zum anderen.

Scheitellappen: siehe Parietallappen

Schizophrenie: Die Schizophrenie ist eine schwere psychische Erkrankung, bei der das Denken gestört ist und die Realität nicht widergespiegelt wird. Schizophrenie wird von deutlichen sozialen Störungen begleitet, die in schweren Fällen einen stationären Klinikaufenthalt nötig machen.

Schläfenlappen: siehe Temporallappen

Schlaganfall: Bei einem Schlaganfall kommt es plötzlich zu einer Minderversorgung bestimmter Bereiche des Gehirns. Das kann aufgrund einer Blutung oder durch einen Gefäßverschluss passieren. Bekommen die betroffenen Nervenzellen zu lange keinen Sauerstoff, sterben sie ab. Das hat neurologische Störungen zur Folge. Die Art der Störung (zum Beispiel eine Lähmung oder Sprachstörung) hängt davon ab, welche Hirnregion geschädigt wurde.

Schneckenkerne: Die Schneckenkerne (Nuclei cochleares) befinden sich im Hirnstamm und sind Teil der Hörbahn.

Schwann'sche Zellen: Schwann'sche Zellen gehören zu den Gliazellen. Sie befinden sich ausschließlich im peripheren Nervensystem. Dort bilden sie die Myelinscheiden der markhaltigen Nervenfasern.

Sehnerv: Sehnerven werden aus gebündelten Nervenfasern gebildet, die das Auge verlassen.

Sehnervenkreuzung: siehe Chiasma opticum

Semantisches Gedächtnis: Das semantische Gedächtnis umfasst das Weltwissen eines Menschen. Es handelt sich also um das gesamte Faktenwissen, das ein Mensch im Laufe seines Lebens anhäuft.

Spindelrezeptoren: Spindelrezeptoren findet man in der Skelettmuskulatur. Dort registrieren sie den Dehnungszustand des Muskels. Wird der Muskel plötzlich gedehnt, lösen die Spindelrezeptoren den Dehnungsreflex aus.

Stäbchen: Stäbchen sind Fotorezeptoren der Netzhaut. Sie sind sehr empfindlich und ermöglichen dadurch das Nacht- oder Dämmerungssehen.

Stammzellen: Stammzellen sind Zellen, die nicht differenziert sind und sich noch zu jeder beliebigen Zellart entwickeln können. Zu Beginn der Embryonalentwicklung sind alle Zellen noch pluripotente Stammzellen. Abhängig davon, welcher Teil der Erbinformation aktiviert wird, differenzieren sie sich in verschiedene Gewebe- und Zellarten.

Stirnlappen: siehe Frontallappen

Substantia nigra: Die Substantia nigra ist ein Kernkomplex im Bereich des Mittelhirns. Sie steht mit vielen wichtigen Hirnregionen in Verbindung. Die Substantia nigra verfügt über Dopamin-produzierende Neurone und ist an der Bewegungsinitiation beteiligt.

Substanz P: Die Substanz P gehört zu den langsamen Neuromodulatoren. Sie spielt bei der Schmerzübertragung eine Rolle. Bei Entzündungsprozessen wirkt sie modulierend.

Sulcus: Sulcus ist ein Begriff aus der Gehirnanatomie und bedeutet Graben oder Furche. Er begrenzt die einzelnen Hirnwindungen.

Synapse: Synapsen sind die Kontaktstellen zwischen zwei Nervenzellen oder zwischen Nerven- und Muskelzellen. Sie übermitteln durch Botenstoffe (Neurotransmitter) Informationen von Zelle zu Zelle. Eine Synapse besteht aus drei Abschnitten: der Präsynapse, dem synaptischen Spalt und der Postsynapse.

Synapsenendknöpfchen: Als Synapsenendknöpfchen wird das Axonende einer Nervenzelle bezeichnet. Es hat die Aufgabe, Neurotransmitter freizusetzen, um Aktionspotenziale weiterzuleiten.

Synaptischer Spalt: Der synaptische Spalt ist ein Teil der Synapse. In ihn wird von der Präsynapse der Botenstoff ausgeschüttet, der von dort zur Postsynapse wandert und dadurch die Erregung weiterleitet.

Tastsinn: Der Tastsinn beschreibt die Fähigkeit, Druck, Berührungen und Vibration zu empfinden. Er sendet Informationen an das Gehirn, mit denen wir beispielsweise die Form oder das Gewicht eines Gegenstands erkennen können. Dazu verfügen wir über spezielle Rezeptoren wie die Mechanorezeptoren.

Temperaturrezeptoren: Temperaturrezeptoren dienen der Wahrnehmung von Temperaturen und Temperaturveränderungen. Die Rezeptoren befinden sich als freie Nervenendigungen in der Haut.

Temporallappen: Der Temporallappen, auch Schläfenlappen genannt, ist ein Teil des Neokortex. Er liegt seitlich und grenzt vorne und oben an den Frontal- und Parietallappen. Hinten wird er durch den Okzipitallappen begrenzt. Auf dem Temporallappen liegt das primäre Hörzentrum, das Wernicke-Sprachzentrum und Areale, die für das Gedächtnis eine wichtige Rolle spielen.

Thalamus: Der Thalamus liegt im Zwischenhirn und weist eine starke Verbindung zum Neokortex auf. Die Informationen fast aller aufsteigenden Bahnen sind mit dem Thalamus verschaltet, damit wir uns ihrer bewusst werden können. Deshalb nennt man den Thalamus auch das »Tor zum Bewusstsein«.

Tiefe Hirnstimulation: Die tiefe Hirnstimulation ist eine Technik, bei der bestimmte Hirnbereiche durch elektrische Impulse stimuliert und so krankheitsbedingte Störungen korrigiert werden. Sie wird erfolgreich bei Morbus Parkinson und bei der Therapie verschiedener Arten des Zitterns eingesetzt. Soll die tiefe Hirnstimulation dauerhaft erfolgen, wird dafür ein »Hirnschrittmacher« implantiert.

Tiefensensibilität : Die Tiefensensibilität gibt uns Aufschluss über die Position unseres Körpers im Raum (Propriozeption) und über unsere Bewegung (Kinästhesie). Dafür befinden sich Rezeptoren in der Muskulatur, in Sehen, Bändern und Gelenkkapseln.

Tinnitus: Menschen, die unter einem Tinnitus leiden, hören ständig ein Pfeifen oder Klingeln im Ohr, ohne dass es eine für andere hörbare Geräuschquelle dafür gibt. Ein starker, chronischer Tinnitus ist psychisch sehr belastend.

Tractus opticus: Der Tractus opticus gehört zur Sehbahn. Er beginnt hinter der Sehnervenkreuzung.

Trommelfell: Das Trommelfell bildet die Grenze zwischen äußerem Gehörgang und Mittelohr. Es besteht aus einer Membran, die durch ihre Schwingungen den eintreffenden Schall vom Außenohr auf die Gehörknöchelchen im Mittelohr überträgt.

Vater-Pacini-Körperchen: Die Vater-Pacini-Körperchen sind sehr schnell reagierende Mechanorezeptoren, mit denen Sie Vibration wahrnehmen können.

Vegetatives Nervensystem: Das vegetative Nervensystem, auch autonomes Nervensystem genannt, besteht aus einem sympathischen und einem parasympathischen Anteil. Wie der Begriff »autonom« schon verrät, steuert es automatisch ablaufende Körperfunktionen wie Herzfrequenz, Blutdruck, Verdauung oder Stoffwechsel, die es den Erfordernissen anpasst und die von uns willentlich nicht direkt beeinflusst werden können. Dabei treten Sympathikus und Parasympathikus als Gegenspieler auf.

Vesikel: Vesikel sind winzige kugelförmige Zellstrukturen. Sie sind von einer Membran umgeben, die der Zellmembran gleicht. In den Vesikeln können sich Stoffe befinden, die von der Zelle aufgenommen wurden oder die dafür bestimmt sind, von der Zelle abgesondert zu werden.

Vomeronasales Organ : In der Nase befindet sich auch das vomeronasale Organ. Es dient der Wahrnehmung von Pheromonen. Beim Menschen ist es nicht so ausgeprägt wie bei Tieren. Es kann Rezeptoren für menschliche Sexuallockstoffe haben, die unbewusst im Mandelkern verarbeitet werden und das Sexualverhalten beeinflussen.

Wallpapillen: Die Wallpapillen sind Geschmackspapillen. Sie liegen im hinteren Drittel der Zunge.

Weiße Substanz: Die weiße Substanz sind die Bereiche des zentralen Nervensystems, die aus den Nervenfasern bestehen.

Wernicke-Areal: Das Wernicke-Areal befindet sich am Übergang vom Temporal- zum Parietallappen und ist Teil des Sprachzentrums. Seine Aufgabe ist das Sprachverständnis.

Wirbellose: Zu den Wirbellosen gehören alle Tiere, die keine Wirbelsäule besitzen wie beispielsweise Würmer oder Schnecken.

Wirbeltiere: Zu den Wirbeltieren zählt man alle Tiere, die eine Wirbelsäule besitzen. Zu ihnen gehören beispielsweise Reptilien, Amphibien, Vögel und die Säugetiere.

Zapfen: Zapfen sind Fotorezeptoren der Netzhaut. Der Mensch verfügt über drei verschiedene Zapfenarten (rote, grüne und blaue), die das Farbsehen ermöglichen.

Zellmembran: Eine Zellemembran ist eine Biomembran, die das Innere einer lebenden Zelle nach Außen abgrenzt. Dadurch kann im Zellinnern ein anderes Milieu herrschen als in der Zellumgebung.

Zentraler Muskelgenerator : Der zentrale Muskelgenerator befindet sich im Rückenmark. Er hat die Aufgabe, den Gang zu steuern. Der zentrale Muskelgenerator wurde durch neurologische Experimente zuerst im Rückenmark vierbeiniger Tiere nachgewiesen. Dort steuert er die abwechselnde Bewegung der Vorder- und Hinterbeine und der Gliedmaßen der rechten und linken Körperseite.

Zentrales Nervensystem: Das zentrale Nervensystem besteht aus Gehirn und Rückenmark und dient der zentralen Reizverarbeitung.

Zentralsulcus: Zentralsulcus (Sulcus centralis) ist ein anatomischer Begriff, der die Furche beschreibt, die beim menschlichen Gehirn den Frontal- und Parietallappen voneinander trennt.

Zirkadianer Rhythmus : Der zirkadiane Rhythmus ist unsere innere Uhr. Er wird von einer Ganglienzellart der Netzhaut gesteuert, die ihre eigenen Fotorezeptormoleküle besitzt und direkt auf Licht reagiert. Diese Zellen senden bei Tag und bei Nacht Informationen über die Lichtintensität an eine Gehirnregion, die unseren Tag-Nacht-Rhythmus steuert.

Zwei-Punkt-Diskrimination : Bei der Zwei-Punkt-Diskrimination handelt es sich um die Fähigkeit, zwei nahe beieinanderliegende Berührungsreize räumlich voneinander zu unterscheiden.

Zwischenhirn: Das Zwischenhirn liegt oberhalb des Mittelhirns. Zu ihm gehören unter anderem der Thalamus und Hypothalamus.

Zytoplasma: Das Zytoplasma ist eine flüssige Substanz, die eine Zelle ausfüllt. Es wird von der Zellmembran umschlossen. Im Zytoplasma befinden sich der Zellkern und die Zellorganellen.

Stichwortverzeichnis

A

Acetylcholin

Schlaf

Achromatopsie
cerebrale

Adrenalin

Affinität
chemische

Ageusie

Akkomodation

Aktin

Aktionspotenzial

Forschung

Aktionspotenzialrate

Alkoholsyndrom
fetales

Alliästhesie

Altern

Prozess

Alzheimer
und Down-Syndrom

Amakrinzellen

Amblyopie

Amnesie

Amphibien

Amusie

Amygdala siehe Mandelkern

Angst

Anosmie

Anpassung
während der Entwicklung

Anterior

Definition

Antikonvulsiva

Apraxie

Äquipotenzialtheorie

Arbeitsgedächtnis

Grenzen

Informationseinheit

Kapazität

Asperger-Syndrom

Assoziationskortex

Astrozyten

Aufmerksamkeit

Auge

Akkomodation

Amakrinzellen

Aufbau

Bewegung

Ganglienzellen

Sehzentrum

Verletzung

Außenohr

Aufbau

Autismus

Autoimmunerkrankung

Axon

Aufbau

Durchmesser

Funktionsweise

Geschwindigkeit

Länge
myelinisiert

Myelinisierung

Regenaration

Untersuchung

Wirbellose

Axonhügel

B

Basalganglien

Degeneration

Globus pallidus

Nucleus caudatus

Nucleus subthalamicus

Putamen
stimulieren

Substantia nigra

Bauchgefühl

Behandlungsmöglichkeiten

Belastungsstörung
posttraumatische

Berührungsrezeptoren

Beugen

Beuger-Strecker-Muskelpaare

Bewegung

Arten

Augen
bewusste
einschätzen

Fortbewegung

Kontrolle
koordinieren

Körperfunktionssteuerung

Körperhaltung
lernen

Muster
steuern

Steuerung
unbewusste
und Lernen

Ziele festlegen
zielgerichtet

Bewegungsabläufe
automatisieren
geübte
lernen
prämotorischer Kortex
vorausberechnen

Bewegungsinduktionstherapie

Bewegungsparallaxe

Bewusstheit

Bewusstsein

Arten

Gehirnhälfte

Hirnregionen

Rindenblindheit

Sitz
und Narkose
und Sprache
verstehen

Bizeps

Bipolarzellen
depolarisierende
hyperpolarisierende

Blastula

Blattpapillen

Blindheit

Blut-Hirn-Schranke

Boca-Areal

Botenstoffe
chemische

Broca-Areal

Schädigung

Brücke

C

Catecholamine

Cerebellum siehe Kleinhirn

Chiasma opticum

Chorda tympani

Chorea Huntington

Cochlea
siehe Hörschnecke

Cochleaimplantat

Colliculus inferior

Colliculus superior

Computational Neuroscience

Computer
und lernen

Corpus callosum
siehe Hirnbalken

Cortex piriformis

Corti-Organ

Cortisol

D

Defekte
genetische

Dehnungsreflex

Dehnungsrezeptoren

Dendrit

Dendritenbaum

Verzweigung

Denken
abstraktes

Depolarisation

Depressionen

Magnetstimulation transkranielle

Medikamente

Monoamin-Hypothese

Therapie

Diffusions-Tensor-Bildgebung

Disparität
binokulare

DNA

Junk

Veränderung

DNA-Mutationen

Dopamin

Mangel

Medikamente

Dornfortsätze

Dorsal

Definition

Dorsaler Pfad

Down-Syndrom

Druckrezeptoren

DTI

Dysgraphie

Dyslexie

E

Edinger-Westphal-Kern

EEG

Einzelphotonen-Emissions-Computertomographie

Ektoderm

Aufteilung

Elektroenzephalogramm

Elektrokrampftherapie

Embryo

Haut

Hören

Netzhaut

Organfehlbildungen

Embryonalentwicklung

Brückenbeuge

Nackenbeuge

Nervensystem

Scheitelbeuge
und Erfahrungen

Emotionen siehe Gefühle

Empfindungen
lokalisieren

Endhirn

Embryonalentwicklung

Endoplasmatisches Retikulum

Endorphine

Engramm

Enkephalin

Entoderm

Entwicklungsstörungen

Epilepsie

Antikonvulsiva

Gehirnbalken

Medikamente

Therapie

Epiphänomen

Erbkrankheiten

Erinnerung
abrufen
an Gefühle

Gehirnhälfte
speichern

Erkrankungen
entwicklungsbedingt

Entwicklungsstörungen
genetisch bedingt

Medikamente
neurologische
psychische

Umwelteinflüsse

Erregungsleitung
saltatorische

Erziehung
und Intelligenz

Eukaryoten

Evolution

Embryonalentwicklung

Gehirngröße

Hirnstrukturen

Neokortex

Neurotransmitter

F

Fadenpapillen

Fähigkeiten
kognitive

Farbenblindheit
erworbene

Feld
rezeptives

Fetales Alkoholsyndrom

Flexuren

Flimmerhärchen

Fluchtreflex

Fluoreszenzmessung
fMRT

Formatio reticularis

Forschung

Fortbewegung

Fotorezeptoren

Arten

Signale verarbeiten

Fotorezeptor-Endfüßchen

Fotosynthese

Fototransduktion

Fovea

Fragiles-X-Syndrom

Frontallappen

Entwicklung

Größe

Kontrollebenen

Schädigung

Fusiformes Gesichtsareal

G

GABA

Gamma-Aminobuttersäure
siehe GABA

Gamma-Oszillation

Gangarten

Ganglien

Hinterwurzelganglien

Ganglienzellen

Arten

Auge
magnozelluläre
parvozelluläre

Gap Junctions

Gastrula

Gedächtnis

Arbeitsgedächtnis

Arten

Ausbildung
episodisches

Geruch

Geschmacks- und Geruchssinn

Hippocampus

Kurzzeitgedächtnis

Langzeitgedächtnis

Schlaf
semantisches

Tests

Tiere

Verlust

Gedächtnis-Matrix

Hippocampus

Gedanken
kontrollieren

Gefühle
negative
und Intelligenz
verarbeiten

Gehirn

Alter

Aufbau
beim Erwachsenen

Energiebedarf

Entwicklung

Funktion
geschlechtsspezifische Unterschiede

Gewicht

Größe

Lateralisation

Leistungsfähigkeit

Leistungskapazität
männlich

Neuroprothesen

Nutzung

Reizübertragung

Schädigung

Schmerzrezeptoren

Struktur

Übertragung vom Rückenmark

Verletzung
weiblich

Zytoarchitektur

Gehirnbalken

Gehirnhälfte

Aufgaben

Bewusstsein

Informationen verarbeiten
linke
rechte

Schädigung

Spezialisierung

Verbindung

Verbindung trennen

Gehirnschädigungen
reparieren

Gehirntumore

Glioblastom
gutartige

Symptome

Gehörgang

Gehörknöchelchen

Funktionsweise

Gehörlosigkeit
angeboren
erworben

Otosklerose

Gentherapie

Geräusche
lokalisieren
lokalisieren (Schleiereulen)

verarbeiten

Geruch
erkennen
selektieren
wahrnehmen

Geruchsmoleküle

Geruchsrezeptoren

Anzahl

Arten

Hunde

Geruchssinn
fehlender

Gedächtnis

Kortex

Neokortex

Neugeborene

Geschmack
erkennen
fehlender

Rezeptoren

Unterschiede erkennen

Geschmacksknospe

Rezeptoren

Geschmacksreize

Übertragung

Geschmacksrezeptoren
gemischte

Geschmacksrichtungen
bitter
salzig
sauer
süß

Geschmackssinn
fehlender

Gedächtnis

Sättigungsgefühl

Gesichter
erkennen

Gesichtsareal
fusiformes

Gesichtsfeld

Gewöhnung

Seehase

Glaselektroden

Glaukom

Gleichgewicht
halten
neuronales

Gleichgewichtsorgan

Gleichgewichtsreflex

Gleichstromstimulation
transkranielle

Gliazellen

Globus pallidus

Glomeruli

Glutamat
freisetzen

Glutamatrezeptoren

Glycin

Golgi-Apparat

Golgi-Färbung

Grammatik
graue Substanz

Graue Substanz

Gyrus

Definition

Gyrus cinguli
deaktivieren
entfernen

Schädigung

Stimulation
vorderer Teil

H

Haarzellen

Schädigung

Haltungsreflex

Handeln
ohne Denken

Handlungen

Haut

Aufbau

Embryo

Landkarte

Lederhaut

Oberhaut
sensorische Neuronen

Hautrezeptoren

Zuordnung zu Hirnarealen

Hebb'sches Gesetz

Hemmung
laterale

Hinterhauptslappen

Hinterwurzelganglien

Hippocampus

Alzheimer
entfernen

Entwicklung

Erinnerungen

Gedächtnis

Gedächtnis-Matrix

Geruch

Koinzidenzdetektor

Kurzzeitgedächtnis

Langzeitgedächtnis

Neokortex
reparieren

Rolle beim Lernen
und lernen
und Orientierung

Hirnareale
miteinander verbinden
reparieren

Hirnbalken

Hirnfunktion
frühe Theorien

Hirnschrittmacher

Parkinson

Hirnstimulation
tiefe

Homöostase

Homunculus
motorischer

Hörbahn

Hören

Embryo

Kortex

Musik

Temporallappen

Hörhilfen

Horizontalzellen

Hormone

Hörnerv

Hörprothesen

Hörschnecke

Hörverlust

Hörzentrum

Hyperpolarisation

Hypnogramm

Hypogeusie

Hypothalamus

I

Informationen
sensorische
visuelle
zum Gehirn schicken

Infrarotlicht

Innenohr

Insekten

Inselbegabung
erworbene

Insomnie
primäre

Instinkt

Intelligenz

Arten

Definition

Faktorenanalyse
fluide

Gehirngröße
interpersonale
kristalline
logisch-mathematische
musikalische
soziale

Sprache
sprachliche

Stufen

Theorien
und Erziehung
und Gedächtnis
und Gefühle
und Sprache

Intelligenzgrad

Intelligenztest

Interneuronen

Intuition

Ionen

Ionenkanäle

Ohr

Ionenpumpe

J

Jetlag

Junk-DNA

K

Karte
phrenologische

Kataplexie

Katarakt

Katecholamine

Keimblätter

Kernbewusstsein

Kinderlähmung

Kleinhirn

Bewegungen lernen

Neocerebellum

Nervenzellen

Schädigung

Spinocerebellum

System

Vestibulocerebellum

Kleinhirnrinde

Kniesehnenreflex

Koinzidenzdetektor

Koma

Kommunikation
chemische
durch Gerüche

Nervenzellen

Rückenmarksegmente

Sprache
und Bewusstsein
zwischen Zellen

Konnektivität
universelle

Kontext

Kontrollschrankentheorie

Kontrollsystem
motorisches

Körperhaltung

Kortex

Assoziationskortex
auditiver
entorhinaler

Minikolumnen

Präfrontalkortex
prämotorischer
primär-motorischer
supplementär-motorischer

Korteximplantat

Kurzzeitgedächtnis

Hippocampus

Kapazität

Präfrontalkortex

Sitz

Speicherdauer

L

Lähmung

Neuroprothesen

Paraplegie

Tetraplegie

Landkarte
auf der Großhirnrinde

Haut
im Kopf
kortikale
motorische
somatosensorische

Langzeitdepression

Langzeitgedächtnis
bilden

Sitz

Langzeitpotenzierung

Lateralisation

Lateralisationstheorie

L-Dopa

Lederhaut

Rezeptoren

Leitungsbahnen

Geruch
motorische
reparieren
sensorische

Lernen
computergestütztes

Fähigkeit

Funktionsweise

Geschmacks- und Geruchssinn

Hippocampus
klassisches
motorisches

Prozess

Schlaf

Synapsenaktivität
und Bewegung

Vorgänge beim

Lernmechanismen

Lernstörungen

Dysgraphie

Dyslexie

Lernstrategien

Licht

Schmerz

Linkshänder

Sprache

Logikgatter

Neuronenmodell

M

Magnetit-Kristalle

Magnetoenzephalographie

Magnetresonanztomographie
funktionelle

Magnetstimulation
transkranielle

Makuladegeneration

Mandelkern

Geruch

McCulloch-Pitts-Neuronenmodell

Mechanorezeptoren

Funktion

Medikamente
antipsychotische
bei psychischen Erkrankungen

Dopamin-beeinflussend

Epilepsie
gegen Depressionen

Neurotransmitterhaushalt

Medulla

MEG

Meissner-Körperchen

Membranpotenzial

Fluoreszenzmessung

Mensch

Neokortex

Merkel-Zellen

Mesoderm

Mesokortex

Messmethoden
optische

Metakognition

Migräne

Mikroelektroden
extrazellulär

Mikroglia

Minikolumne

Aktivität

Mittelhirn

Mittelohr

Motoneuronen

Erkrankungen

Multiple Sklerose

Multitasking-Fähigkeit

Muskel

Aufbau

Beuger-Strecker-Muskelpaare

Erkrankungen

Muskelgenerator

Muskelkontraktion

Muskulatur
glatt

Kontraktionen
quergestreift
steuern
sympathisches Nervensystem

Mutantenmäuse

Mutation

Myasthenia gravis

Myelinisierung

Axon

Myelinscheide
multiple Sklerose

Myosin

Mythen

Geruch

N

Nanobots

Nanotechnologie

Narkolepsie

Narkose
und Bewusstsein

Narkosemittel

Nase

Natrium-Kalium-Pumpe

Natriumkanäle
spannungsabhängige

Neglect
visueller

Neocerebellum

Neokortex

Aufbau

Entwicklung

Evolution

Funktionsweise

Größe

Hippocampus

Mensch

Minikolumnen

Nervenzellen

Primaten

Säugetiere

Sozialverhalten

Struktur

Tiere

Nervenendigungen
freie

Nervenfaser
markhaltige

Nervensystem

Aufbau
embryonales

Entwicklung

Entwicklungsstörungen
erwachsenes

Funktion
mit Computer verbinden
parasympathisches
peripheres
sympathisches

Synapsenstärke

Tiere
und Lernen
vegetatives

Wirbeltiere
zentrales

Nervenzellen siehe Neuron

Muskelsteuerung

Neubildung
sensorische

Nervenzellmembran

Nervus glossopharyngeus

Netzhaut

Anpassung an Lichtmenge

Embryo

Erkrankung
nasale
temporale

Netzhautimplantat
elektronisches

Neuromodulatoren

Neuron

Aufbau
chemische Kommunikation

Elektrizität

Entwicklung

Interneuronen

Kommunikation
motorisch
postsynaptisch
sensorisch

Neuronen

Interneuronen

Spiegelneuronen

Spindelzellen

Verbindungen

Verlust

Von-Economo-Neuronen

Neuropathie
periphere

Neuroprothesen

Neurotransmitter

Ausschüttung

Evolution
exzitatorische
gegen Schmerzen
inhibitorische

Klassen

Neurotransmitterhaushalt
ausgleichen

Neurotransmittersystem

Störungen

NICHT-Gatter

NMDA-Rezeptor

Non-REM-Schlaf

Noradrenalin

Nucleus caudatus

Nucleus subthalamicus

O

Oberflächenmarker

Oberhaut

Rezeptoren

ODER-Gatter

Ohr

Aufbau

Gleichgewichtsorgan

Ohrmuschel

Okzipitallappen

V1

Oligodendrozyten

Olivenkern

Ontogenese

Orbitofrontalkortex

Geruch

Geschmack

Störungen
und Lernen

Orbitofrontalkortex-Amygdala-System

Organ
vomeronasales

Organfehlbildungen

Embryo

Östrogen

Oxytocin

P

Papillen

Arten

Paralyse
siehe Lähmung

Parasympathikus

Parietallappen
rechter

Parkinson

Hirnschrittmacher

Stammzellinjektionen

Therapie

Tiefe Hirnstimulation

Patch-Clamp-Elektroden

Perseveration

PET

Pfad
dorsaler
ventraler

Pflanzen

Phantomschmerz

Pheromon

Photonen

Phrenologie

Phylogenese

Pilzpapillen

Placebo-Effekt

Plastizität

Polio

Pons siehe Brücke

Positronen-Emissions-Tomographie

Posterior

Definition

Potenziale
visuell evozierte

Präfrontalkortex

Dopamin

Größe

Kurzzeitgedächtnis

Primaten

Schädigung
seitlicher
und Intelligenz

Präfrontallappen

Schädigung

Precursorzellen

Primaten

Neokortex

Präfrontalkortex

Prokaryoten

Propriozeptoren

Pulvinar

Pupillen

Putamen

Pyramidenzellen

Aufgaben

R

Ranvier'sche Schnürringe

Rechtshänder

Reflex

Arten
dynamische

Fluchtreflex

Gleichgewichtsreflex

Hierarchie

Kniesehnenreflex
lokal

Rückenmarksreflex
vestibulospinaler

Reflexbewegungen

Reiz
sensorischer

REM-Schlaf

Erinnerungen
lernen

Unterschied zu Wachsein

Reptilien

Gehirn

Restless-Legs-Syndrom

Retikulum
endoplasmatisches

Retinitis pigmentosa

Retinopathie
diabetische

Retroviren

Rett-Syndrom

Rezeptoren

Arten

Berührungsrezeptoren

Bewegung

Dehnungsrezeptoren

Druckrezeptoren

Fotorezeptoren

Geruchsrezeptoren

Geschmack

Geschmacksknospen

Geschmacksrezeptoren

Glutamatrezeptoren

Haarzellen

Haut
ionotrope
kinästhetische

Mechanorezeptoren

Merkel-Zellen
metabotrope

Muskulatur

Neubildung
olfaktorische
postsynaptisch

Propriozeptoren

Rezeptordichte

Schmerz
sensorische
somatosensorische

Spindelrezeptoren

Temperatur

Temperatur und Schmerz

Rhodopsin

Rhythmus
zirkadianer

Riechen

Riechkolben

Riechschleimhaut

Schädigung

Riechzellen
transplantieren

Rindenblindheit

Rot-Grün-Blindheit

Rückenmark

Gangarten steuern

Übertragung zum Gehirn

Unterteilung

Verletzung

Rückenmarksreflexe

Ruffini-Körperchen

S

Sakkaden

Sättigungsgefühl

Säugetiere

Entwicklung

Frontalhirn

Frontallappen

Neokortex

Schlaf

Schallwellen

Umwandlung
verstehen

Schaltkreise

Kleinhirn
neuronale
temporäre

Scheitellappen

Schizophrenie

Antipsychotika
genetische Veranlagung

Negativsymptome

Positivsymptome

Therapie
transkranielle Gleichstromstimulation

Ursachen

Schlaf

Acetylcholin

Funktion

Gedächtnis

Jetlag

Lernen

Mangel

Muster

Narkolepsie

Non-REM-Schlaf

REM-Schlaf

Restless-Legs-Syndrom

Säugetiere

Schlafapnoe

Schlaflosigkeit

Schlafwandeln

Stadien

Störungen

Tiefschlaf

Unterschied zu Wachsein

Wirbeltiere

Schlafapnoe

Schläfenlappen

Schlaf-Wach-Zyklus

Schlafwandeln

Schlafzyklen

Steuerung

Schlaganfall

Arten

Symptome

Schmecken

Schmerz
akut

Auswirkung und Ursache
chronischer
endogene Opioide

Endorphine

Gehirn

Gyrus cinguli
individuelle Wahrnehmung

Kontrollschrankentheorie

Morphin

Neurotransmitter
reduzieren

Wahrnehmung

Schmerzrezeptoren
für Licht

Haut

Schmerztoleranz

Schneckenkerne

Schocktherapie

Schwangerschaft
und Alkohol
und Stress

Schwann'sche Zellen

Second-Messenger-Effekt

Seescheide

Sehen

Kortex

Temporallappen

Verlust

Sehnerv

Sehnervenkreuzung

Sehrinde
primäre

Sehstörungen

Sehstrahlung

Sehverlust

Sensibilisierung

Seehase

Serotonin-Wiederaufnahme-Hemmer

Sexualverhalten

Rolle des Geruchs

Signale
sensorische
visuelle

Signalverarbeitung

Ionenkanalströme

Signalweiterleitung

Sinne
der Haut

Geruchssinn

Informationsverarbeitungshierarchie

Plastizität

Sinnesorgane

Six-degrees-of-separation-Regel

Somatostatin

Sozialverhalten
intelligentes

Spalt
synaptischer

Spannungsabhängige Natriumkanäle

Spiegelneuronen

Spindelrezeptoren

Spindelzellen

Spinocerebellum

Split Brain

Sprache

Gehirnhälfte

Grammatik

Regeln

Sitz

Spiegelneuronen

Sprachverständnis

Störungen

Subvokalisierung
und Bewusstsein

Verarbeitung

Verständnisschwierigkeiten
verstehen

Sprachzentren

Lage

Stäbchen

Stammzelle

Forschung

Gewinnung
neuronale
pluripotente

Stammzellenforschung

Stammzellentherapie

Stirnlappen

Stoffwechsel

Gehirngröße

Störungen
motorische

Stress
akuter
chronischer
in der Schwangerschaft

Reaktion auf Stress

Striatum

Substantia nigra

Degeneration

Substanz P
graue
psychoaktive
teratogene
weiße

Suche nach dem Engramm

Sulcus

Definition

Supplementär-motorischer Kortex

Suprachiasmaticus

Sympathikus

Synapse

Aktivität

Anzahl

Aufgabe
chemische
elektrische

Langzeitpotenzierung
modifizierbare

Signalübertragung

Synapsenendknöpfchen

Synapsenstärke

Änderung

Gewöhnung
und Lernen

Veränderungen

System
limbisches

T

Tastsinn

Täuschung

Kanizsa-Dreieck

Necker-Würfel
optische

Ponzo-Illusion

Temperaturrezeptoren

Temporallappen

Schädigung

Testosteron

Thalamus

Aufgaben

Geruch

Geschmack

Hören
olfaktorischer Bereich

Pulvinar

Schädigung
sensorische Verschaltungen
und Hirnrinde

Vernetzung
visuelles Signal

Therapien
medikamentöse

Theta-Oszillation

Tiefe Hirnstimulation

Tiefensensibilität

Tiefenwahrnehmung

Tiefschlaf

Tiere

Entwicklung

Gedächtnis

Gehirngröße

Nervensystem

Unterschied zu Pflanzen

Tierreich

Unterteilung

Tinnitus
objektiver
subjektiver

Therapie

Tollwut

Tonfrequenz

Tonsignale

Weiterleitung

Tracking
visuelles

Tractus opticus

Transplantationen

Träume

Bedeutung

Schlafphasen

Trizeps

Trisomie

Triune Brain

Trommelfell

U

Uhr
innere

Umweltfaktoren
und Entwicklung

UND-Gatter

V

Vater-Pacini-Körperchen

Ventral

Definition

Veränderungstaktik

Vergessen

Verhalten

Tiere

Verstärkung

Vesikel

Vestibulocerebellum

Vögel

Gehirn

Von-Economo-Neuronen

W

Wachsein

Unterschied zu Schlaf

Wahrnehmung

Gehirnhälfte

Priming

Schmerz
unterbewusste
von sich selbst

Wallpapillen

Weltwissen

Wernicke-Areal

Schädigung

Williams-Beuren-Syndrom

Wirbellose

Anpassung und Verstärkung

Axon

Gehirngröße

Wirbeltiere

Nervensystem

Schlaf

Wisconsin-Karten-Sortier-Test

Wurzel
ventrale

Z

Zapfen

Arten

Zellmembran

Zentralsulcus

Zwangsstörung

Zwei-Punkt-Diskrimination

Zwischenhirn

Embryonalentwicklung

Zygote

Zytoplasma