Archiv der Kategorie: Mensch

Frühreife Wunderkinder

Carl Friedrich Gauß verfasste einen Teil der Untersuchungen aus seinem späteren berühmten Werk »Disquisitiones arithmeticae« als er noch Schüler war
Carl Friedrich Gauß verfasste einen Teil der Untersuchungen aus seinem späteren berühmten Werk »Disquisitiones arithmeticae« als er noch Schüler war

Frühreife ist weniger selten, als man im allgemeinen anzunehmen geneigt ist. Erst die Besonderheit des Falls entscheidet über die Zugehörigkeit zum Wunder.

Ein höchst erstaunliches Phänomen früh erwachter Fähigkeiten war das Lübecker Wunderkind Christian Heinrich Heineken, das am 6. Februar 1721 geboren wurde. Schon als es zehn Monate zählte, kannte das Kind alle Gegenstände seiner Umgebung und wusste sie zu benennen. Es begann unter Anleitung seines Lehrers im fünfzehnten Monat das Studium der Weltgeschichte. Noch vor dem vollendeten dritten Lebensjahr kannte das Kind die dänische Geschichte, lernte bald darauf auch lateinisch und französisch sprechen, starb aber schon im fünften Lebensjahr. Frühreife Wunderkinder weiterlesen

Gehirn und Geist: Ist Denken ein mechanischer Vorgang?


Heidelberg. Denken gilt den meisten Menschen als abstrakte, vom Körper losgelöste Fähigkeit. Unser Geist habe mit dem mechanisch funktionierenden Organismus wenig zu tun. Diese Vorstellung zweifeln immer mehr Forscher heute jedoch an, berichtet das Magazin “Gehirn und Geist” in seiner neuen Ausgabe (Heft 1-2/2013). Wie Experimente von Psychologen und Neurowissenschaftlern zeigen, beeinflussen Bewegungen und andere körperliche Vorgänge das Denken viel stärker als bisher angenommen.

So verändert zum Beispiel schon die Art und Weise, wie wir einen Stift übers Papier bewegen, unsere Kreativität. Michael Slepian von der Tufts University in Medford (USA) und Nalini Ambady von der Stanford University ließen Probanden entweder geschwungene oder kantige Formen auf einem Blatt nachzeichnen. Im anschließenden Kreativitätstest schnitten jene, die die eckigen Figuren kopieren sollten, im Schnitt schlechter ab!

Wie kommt es zu solchen Effekten? Der Blick ins Gehirn liefert eine mögliche Erklärung: Wenn wir uns erinnern, nachdenken oder rechnen, sind dieselben Areale des Gehirns aktiv, die Bewegungen steuern oder Formen und Farben wahrnehmen. Betrachten wir zum Beispiel einen Hammer, dann wird ein Netzwerk unterschiedlicher Hirnareale aktiv, zu dem auch der prämotorische Kortex (PMC) gehört – jene Region, die Bewegungen vorbereitet. Offenbar spult unser Denkorgan unmittelbar eine Art “motorische Gebrauchsanweisung” ab. Das Wissen um die Handhabung von Objekten lässt sich also nicht von unserem konzeptionellen Wissen (“Das ist ein Hammer.”) trennen, resümierte der Psychologe Alex Martin von der University of Maryland in Bethesda.

Zum Hintergrund: Wahrnehmen, nachdenken, handeln – diese Funktionen sind im Gehirn nicht klar voneinander abzugrenzen. Wenn unser Körper nicht nur unsere Urteile und Emotionen beeinflusst, können wir ihn dann auch als Hilfsmittel zum Denken und Lernen nutzen? Diese Frage untersucht der Kognitionsforscher derzeit. Fast alle Kinder der Welt gebrauchen beim Rechnenlernen die Finger. Und das scheint für die Entwicklung ihrer Zahlenkompetenz von großer Bedeutung zu sein: Laut Studien können Erstklässler, die ein ausgeprägtes Körpergefühl in den Fingern haben, ein Jahr später auch besser mit Zahlen umgehen als Gleichaltrige mit weniger sensiblen Fingern.

Die Tübinger Psychologen Ulrike Cress und Hans-Christoph Nürk untersuchten 2012, ob gezielte körperliche Erfahrungen Kindern beim Mathelernen helfen. Verbessert sich beispielsweise ihr Gefühl für den Wert von Zahlen, wenn sie den Zahlenstrahl mit körperlichem Einsatz üben? “Mathe mit der Matte” heißt ein Projekt, bei dem Kinder auf einer digitalen Tanzmatte stehen, Zahlen vergleichen und je nachdem, ob eine Zahl größer oder kleiner ist, nach rechts oder nach links springen. Mit Zweitklässlern übten die Forscher einen Zahlenstrahl am Boden entlangzugehen und vorgegebene Zahl an der richtigen Stelle eintragen. Ergebnis der Studie: Die Kinder kennen anschließend nicht nur den Zahlenstrahl besser, sondern profitieren auch in anderen Bereichen der Mathematik. Die Kleineren können besser zählen, die Größeren leichter Additionsaufgaben lösen. (Quelle: Gehirn und Geist, 1 – 2 / 2013)

Buchtipps:

 

Kann Religion die Übel der Welt rechtfertigen?

Die Theologie reklamiert für sich rationales Denken und Wissenschaftlichkeit – trotz ihrer Bindung an die Religion. Dabei geht es ihr vor allem darum, innere Widersprüche zu beseitigen, aber auch um die Auseinandersetzung und Abstimmung mit anderen Disziplinen. Doch ist hier ein Konsens überhaupt möglich? Kann Religion die Übel der Welt rechtfertigen? weiterlesen

Neue Methoden zum Nachweis von Bewusstsein


Neue Tests helfen festzustellen, wie viel Patienten im Wachkoma von ihrer Umgebung wahrnehmen.

Neuropsychologen der Universitäten Tübingen und Heidelberg haben eine Serie neuer Tests entwickelt, mit denen sich genauer untersuchen lässt, ob Wachkomapatienten bei Bewusstsein sind. Darüber berichten die Forscher Boris Kotchoubey und Simone Lang in der Ausgabe des Magazins Gehirn&Geist (9/2011).

Wachkoma, Schmerz und Empathie
Im Gegensatz zu bisherigen Verfahren lassen sich mit der neuen Methode auch grundlegende Aspekte des Bewusstseins prüfen, beispielsweise Schmerzempfinden oder ein intaktes Arbeitsgedächtnis. Schon 2009 stellte der britische Neurologe Adrian Owen eine Methode vor, mit der er nachgewiesen hatte, dass eine junge Komapatientin bei Bewusstsein war. Die Frau erhielt im Hirnscanner liegend über Kopfhörer Anweisungen vom Forscher. Anhand der Hirnaktivität konnte Owen erkennen, dass die Betroffene ihn verstanden hatte.

Dieses Verfahren setzt jedoch voraus, dass die Patienten noch in der Lage sind, Sprache zu verstehen. Bewusstsein sei jedoch auch ohne Sprache denkbar, kritisieren Kotchoubey und Lang in Gehirn&Geist. Ihre einfacheren Tests zielen daher auf den Nachweis von Schmerzempfinden oder Gedächtnisleistungen. Insbesondere die Frage, ob die Betroffenen in der Lage sind, Schmerzen zu verspüren, sei von großer Bedeutung. Denn oftmals debattierten Angehörige und Ärzte darüber, ob sie die lebenserhaltenden Maßnahmen abschalten sollten.

Im Wachkoma, auch vegetativer Zustand genannt, haben die Betroffenen zwar meistens die Augen geöffnet, zeigen aber keine äußeren Anzeichen von Bewusstsein. Ursachen sind meist schwere Hirnschäden, die durch Unfälle, Sauerstoffmangel (etwa nach einem Herzstillstand) oder durch Schlaganfälle entstehen können. (Quelle: Gehirn&Geist, September 2011)

Buchtipp:
Synthetisches Bewusstsein: Wie Bewusstsein funktioniert und Roboter damit ausgestattet werden können

Die Anfänge menschlichen Denkens

Bild CC BY SA Gerbil

Gemeinsam mit Anthropologen, Genetikern und Neurologen rekonstruieren Archäologen die Anfänge unseres Denkens – und damit den Ursprung unserer Gesellschaften, Traditionen und unserer Kultur.

Vor zweieinhalb Millionen Jahren gebrauchten unsere Vorfahren erstmals einfache Steine, um Nüsse aufzuschlagen. Was wenig spektakulär klingt, war in Wahrheit eine revolutionäre Denkleistung. Denn das Knacken der Nuss verlangte planvolles Handeln: Die Vormenschen mussten zunächst vom eigentlichen Objekt der Begierde ablassen und sich ein Werkzeug besorgen. Erst über diesen Umweg gelangten sie ans Ziel – eine gedankliche Leistung, die den Weg für weitere Innovationen ebnete: Schon bald verstanden sich die frühesten Menschen darauf, Holz zu bearbeiten, das Feuer zu nutzen und schließlich Kunstobjekte zu fertigen.

Im Titelthema der Ausgabe 3/2011 von epoc, dem Magazin für Archäologie und Geschichte, beleuchten renommierte Forscher die lange Geschichte der Menschwerdung aus archäologischer und naturwissenschaftlicher Sicht. Im Mittelpunkt ihrer Forschungen steht zum einen die biologische Entwicklung unseres Denkorgans und unserer Gene. Wie deren Evolution letztlich zu unseren einzigartigen kognitiven Fähigkeiten wie kreatives Gestalten oder artikuliertes Sprechen führte, beschreibt die Archäologin Miriam Haidle von der Heidelberger Akademie der Wissenschaften. Anhand fossiler Schädel und Knochen können Paläoneurologen und Biologen die Hirnstruktur von Vor- und Frühmenschen rekonstruieren und die wandlungsreiche Geschichte unseres Erbguts nachzeichnen. Andererseits verraten Steinwerkzeuge und Schmuckgegenstände den Archäologen, wann die geistigen Fähigkeiten des Homo sapiens erwachten und in welchem Maß sie im Verlauf der Evolution zunahmen.

Vor 40 000 Jahren, als der moderne Mensch den europäischen Kontinent besiedelte, erreichten seine kognitiven Fähigkeiten ziemlich unvermittelt ganz neue Dimensionen. Nirgendwo ist das so eindrücklich belegt wie auf der Schwäbischen Alb! Dort entdeckten die Tübinger Archäologen um Nicholas J. Conard einzigartige Objekte, die den Beginn unserer modernen Gesellschaftssysteme und der bildenden Kunst markieren: Elfenbeinfigurinen von Mammut oder Pferd, die “Venus vom Hohle Fels” oder Knochenflöten. Der Mensch hatte anders als der Neandertaler eine komplexe Symbolsprache entwickelt, lautet die Deutung der Archäologen – ein feiner Unterschied, der entscheidend zu unserem Überleben als einzige Menschenart beitrug. (Quelle: epoc, Ausgabe 3/2011,  Foto: CC-BY-SA Gerbil)

Gibt individuelle Spiritualität dem Leben einen Sinn?

In Europa kehren immer mehr Menschen den etablierten Kirchen den Rücken. Die zunehmende Säkularisierung unserer Gesellschaft bedeutet aber keineswegs, dass spirituelle Erfahrungen nicht mehr zeitgemäß wären – im Gegenteil!

Eine wachsende Zahl von Menschen empfindet die etablierten Religionen als beengend und ausgrenzend. Die katholische Kirche etwa schließt Geschiedene, wenn sie eine neue Partnerschaft eingehen, von den Sakramenten aus, und Homosexualität gilt in vielen Religionsgemeinschaften als problematisch. Das ist für viele Zeitgenossen heute nicht mehr nachvollziehbar.

Die Entfremdung von traditionellen Religionen macht sie aber nicht zu Menschen ohne spirituelles Empfinden, wie das Wissenschaftsmagazin Gehirn&Geist in seiner aktuellen Ausgabe(Heft 3/2011) berichtet. In einer Umfrage von Forschern der Universität Salzburg aus dem jahr 2006 bezeichnete sich nur jeder fünfte Teilnehmer als weder spirituell noch religiös. Was aber bedeutet Spiritualität heute? Verbinden Menschen damit eine besondere Beziehung zu Gott, zum Kosmos oder einfach einen Zustand allgemeiner Harmonie und Ausgeglichenheit?

US-amerikanische Wissenschaftler von der Indiana University bündelten 2004 rund 30 Studien zum Thema. Ergebnis: Spirituelle Menschen empfinden ihr Leben in hohem Maße als sinnvoll, fühlen sich oft mit dem Kosmos und einen höheren Macht verbunden, üben sich in spirituellen Praktiken wie Gebet oder Meditation. Zudem fördert eine spirituelle Orientierung das Wohlbefinden, körperlich wie auch psychisch.

Letzteres belegt auch eine Untersuchung der indischen Psychologen Mojtaba Aghili und G. Venkatesh Kumar von der University of Mysore von 2008. Die Forscher hatten 1500 Landsleute befragt und herausgefunden, dass Glück und Zufriedenheit bei diesen eng mit religiösen und spirituellen Überzeugungen zusammenhing. Ähnliches zeigte eine 2010 veröffentlichte Studie der Psychologin Mira Kammerl an 180 deutschen Probanden: Demnach sind spirituelle Menschen gelassener und entspannen sich nach Stress und Belastungen leichter. Das dürfte unter anderem dazu beitragen, dass sie im Schnitt bessere Herz-Kreislauf-Werte und eine höhere Lebenserwartung aufweisen.

Spirituelle Menschen wenden sich zudem häufiger anderen zu oder engagieren sich etwa für ein pädagogisches oder soziales Projekt. Eine Folge: Sie neigen seltener zu Depressionen, wie die Medizinerin Joanna Maselko von der Temple University in Philadelphia 2009 in einer Studie an knapp 1.000 US-Bürgern nachwies. Individuelle Spiritualität, die dem eigenen Leben Sinn verleiht, schützt Forschern zufolge besser vor Depression als etwa regelmäßiger Kirchgang. (Quelle: Gehirn&Geist, Ausgabe 3/2011)

Buchtipp:
Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen

Entwickelt sich das Gehirn durch Selbstorganisation?

Selbstorganisierte Prozesse spielen neben Umwelteinflüssen und genetischen Faktoren eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung des Gehirns. Zu diesem Ergebnis kommt ein internationales Team von Forschern, unter anderem aus Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation, des Bernstein Center for Computational Neuroscience und der Universität Göttingen.

Die Gehirne von Frettchen, Spitzhörnchen und Buschbabys zeigen beispielsweise überraschende Ähnlichkeit: So folgt die Anordnung der Nervenzellen in den Sehrinden der Arten folgt exakt demselben Design. Weder frühe Einflüsse der Umwelt noch Vererbung können diesen Befund erklären. Mithilfe eines mathematischen Modells jedoch konnten die Wissenschaftler die Gehirnarchitektur exakt vorhersagen. Es beschreibt, wie sich neuronale Schaltkreise im Gehirn selbstorganisiert entwickeln. (Science, Online-Ausgabe vom 4. November 2010)

Abb. 1 Die Vorfahren von Spitzhörnchen (rechts) und Buschbaby (links) gehen seit 65 Millionen Jahren getrennte Wege. Dennoch gleichen sich Details ihrer Sehrinden auf verblüffende Weise. Bild: Wikimedia

Nervenzellen in der Sehrinde reagieren auf definierte Bildelemente wie Kanten und Konturen. Jede Zelle hat dabei eine “Orientierungspräferenz”: Sie ist auf bestimmte Kantenverläufe spezialisiert, wie etwa horizontale, vertikale oder schräge Kanten. Werden Zellen gleicher Spezialisierung mit derselben Farbe eingefärbt, erhält man so eine Karte der Orientierungspräferenz. Das fundamentale Strukturelement dieser Karten, das sich über die Sehrinde tausendfach wiederholt, bezeichnen Forscher als Pinwheel (deutsch: Windrad), denn Gebiete derselben Orientierungspräferenz treffen an einem Punkt zusammen – wie die Flügel eines Spielzeug-Windrades (siehe Abbildung 2).

Während frühere Arbeiten erwartet ließen, dass sich die Verteilung der Windräder in den Sehrinden verschiedener Arten stark unterscheiden, fanden die Forscher eine verblüffende Ähnlichkeit bei Frettchen, Spitzhörnchen und Buschbaby. Ein Erkennungszeichen dieses gleichen Designs ist die Dichte der Windrädchen. Diese und eine große Zahl anderer Merkmale stimmen bei diesen Arten genau überein. Auf einen vererbten genetischen Bauplan lässt sich dies jedoch nicht zurückführen. Denn der letzte gemeinsame Vorfahre von Frettchen, Spitzhörnchen und Buschbaby lebte vor mehr als 65 Millionen Jahren im Zeitalter der Dinosaurier. Die Gehirne hatten also reichlich Zeit, sich verschieden zu entwickeln. Zudem gibt es Säugetiere, die deutlich enger miteinander verwandt sind als die untersuchten Spezies und dennoch verschieden strukturierte Sehrinden aufweisen. Ebenso wenig bietet der Einfluss von Erfahrung auf die frühe Hirnentwicklung eine Erklärung. Die untersuchten Tierarten finden nach ihrer Geburt völlig verschiedene Umweltbedingungen vor.

Abb. 2 Karte der Orientierungspräferenz in der Sehrinde eines Frettchens. Zwei Pinwheels (Windrädchen) sind vergrößert. Falschfarbendarstellung der Orientierung (siehe Balken links). Bild: Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation

In empirischen und theoretischen Untersuchungen zeigten die Forscher, dass sich die gleiche Windräderdichte am besten durch Selbstorganisationsprozesse in der Hirnentwicklung erklären lässt. Sobald die Tiere nach der Geburt zu sehen beginnen, bilden sich die Karten der Orientierungspräferenz nach und nach wie von selbst aus. Die mathematische Analyse neuronaler Selbstorganisation zeigte, dass bereits wenige Voraussetzungen ausreichen, um die beobachtete Nervenzellarchitektur hervorzubringen. Zu diesen gehört etwa, dass sich Nervenzellen über weite Distanzen direkt Signale zusenden können. Sind diese und wenige weitere Voraussetzungen erfüllt, stimmen sich die Nervenzellen im Modell während der Hirnentwicklung so aufeinander ab, dass ein so genanntes “quasiperiodisches Muster” ihrer bevorzugten Orientierungen entsteht, ein Muster das sich nie exakt wiederholt.

“Vertraute Beispiele für Selbstorganisationsprozesse sind etwa die La-Ola-Welle begeisterter Zuschauer, die sich bei Sportveranstaltungen über die Stadionränge ausbreitet, oder Stop-and-Go-Wellen im Autoverkehr, die ohne jede äußere Behinderung des Verkehrsflusses spontan auftreten können”, sagt Matthias Kaschube, Lewis-Sigler-Fellow an der Princeton Universität und Erstautor der Studie. Bei diesen Beispielen, wie auch bei allen anderen Selbstorganisationsprozessen, gibt es weder einen versteckten “Lenker”, noch ein verstecktes “Drehbuch”, das die Systemelemente (die Sportfans oder die Verkehrsteilnehmer in obigen Beispielen) dazu zwingt zu tun, was sie tun. Die Bewegung der Elemente resultiert nur aus der Art, wie sie sich gegenseitig beeinflussen.

In den vergangenen Jahrzehnten haben Forscher für viele Systeme der unbelebten Natur ausgearbeitet, wie mathematische Modelle beim Verständnis solcher Selbstorganisationsprozesse helfen können. Wie Fred Wolf, Leiter der Untersuchung und theoretischer Physiker am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen betont, liefern die neuen Ergebnisse nun maßgeschneiderte mathematische Konzepte für das Verständnis der Wechselwirkungen neuronaler Elemente in der Sehrinde.

Quelle: Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation. Originalveröffentlichung: Matthias Kaschube, Michael Schnabel, Siegrid Löwel, David M. Coppola, Leonard E. White & Fred Wolf
Universality in the Evolution of Orientation Columns in the Visual Cortex

Science, Online-Ausgabe vom 4. November 2010

Mehr Info:
Emergenz: Strukturen der Selbstorganisation in Natur und Technik

Nachwachsende Gliedmaßen – neue Perspektiven der regenerativen Medizin

Regeneriertes Glied des Axolotl mit GFP (green fluorescent protein) angefärbten Schwann Zellen, die sich um die Nervenzellen wickeln. Nur Zellen um die Nervenfasern herum sind grün. Dr. Martin Kragl

Dresdner Wissenschaftler eröffnen mit ihrer Studie zur Regeneration von Gliedmaßen beim Salamander Axolotl völlig neue Perspektiven für die Regenerative Medizin: wachsen Gliedmaßen nach, entwickeln sich diese nicht aus pluripotenten Alleskönnern, sondern aus Zellen, die – ähnlich wie beim Säugetier – in ihrer Entwicklungsfähigkeit eingeschränkt sind.

Der mexikanische Schwanzlurch Axolotl (Ambystoma mexicanum) hat eine erstaunliche Fähigkeit, die uns Menschen verloren gegangen ist: ihm wachsen Gliedmaßen, Organe und sogar Teile des Gehirns vollständig und funktionstüchtig nach. Bisher wurde angenommen, dass sich während der Regeneration Gewebe von Gliedmaßen in Alleskönner-Zellen zurückentwickeln und aus diesen sich dann alle Zellen neu bilden. In ihrer Studie, die in der Ausgabe [Juli 2009] von Nature erscheint, rollte Prof. Dr. Elly Tanaka vom DFGForschungszentrum für Regenerative Therapien Dresden (CRTD) die Frage nach der Entwicklungsfähigkeit der Zellen neu auf.

Das Ergebnis der Untersuchungen bricht mit den bisherigen Vorstellungen von Regeneration.

Prof. Tanaka erklärt: “Die Zellen entwickeln sich nicht in ein pluripotentes Stadium zurück und behalten eine starke Erinnerung an ihre Herkunft.” Im Detail zeigen die Ergebnisse: Hautgewebe produziert bei der Regeneration zwar Knorpel und Sehnen, aber keine Muskelzellen oder Schwann-Zellen. Knorpel bildet kein Muskelgewebe, sondern meistens wieder Knorpel. Muskel hingegen entwickelt kein Knorpel- oder Epidermisgewebe sondern beschränkt sich hauptsächlich oder exklusiv auf die Bildung von Muskel. Die meisten Zellen sind somit auf ihre eigene Gewebeidentität beschränkt, wobei das Hautgewebe das flexibelste von allen ist.

Für sich regenerierendes Gewebe ist es essentiell zu wissen, an welche Position in den Gliedmaßen die einzelnen Zellen gehören. In der vorliegenden Studie wurde auch untersucht, ob Blastema-Zellen [Vorläuferzellen] von verschiedenen Geweben dieselben molekularen und zellulären Eigenschaften bezüglich dieser Positions-Identität besitzen. “Wir haben auch hier Erstaunliches gefunden”, so Tanaka. “Die Positions-Identität ist ein spezifisches Merkmal von Zelltypen des Blastemas. Blastema-Zellen, die aus dem Knorpel abgeleitet werden, behalten Ihre Positions-Identität, wissen also genau wohin sie im neuen Glied gehören. Hingegen Zellen, die aus Schwanz-Zellen entstehen, behalten diese Identität nicht.”

Die Ergebnisse dieser Studie haben wichtige Auswirkungen auf die zukünftige Forschung im Bereich der regenerativen Medizin. Durch die Ergebnisse von Frau Prof. Tanaka wird klar, dass das komplexe Phänomen der Regeneration ohne komplette Zurückentwicklung der Zellen in ein pluripotentes Stadium erreicht werden kann. Somit sind viele Unklarheiten bezüglich der Entwicklungsfähigkeit von Zellen gelöst.

Warum ist das Ergebnis in Hinblick auf regenerative Therapien so wichtig? “

Zum ersten Mal wurde festgestellt, dass sich die Zellen im Regenerationswunder Axolotl wie Zellen in Säugetieren verhalten und nicht so verschieden von unseren sind”, so Elly Tanaka. “Dennoch bilden die Zellen beim Salamander ein vollständiges Glied, d.h. dass die Zellen eine Art Reprogrammierung durchlaufen müssen, selbst wenn sie nicht in das früheste pluripotente Stadium zurück kehren.” In weiteren Studien wird sich Prof. Tanaka mit verschiedenen Genen beschäftigen, die für die Regeneration wichtig sind.
Quelle: idw , Bild:
Regeneriertes Glied des Axolotl mit GFP (green fluorescent protein) angefärbten Schwann Zellen, die sich um die Nervenzellen wickeln. Nur Zellen um die Nervenfasern herum sind grün.Dr. Martin Kragl

Den Wächter im Gehirn entdeckt

Der Chefdirigent im Gehirn schläft nie

Das “Hintergrundrauschen” haben Forscher bisher nur nicht verstanden
“Im Kopf herrscht niemals Ruhe”. Unter diesem Titel berichtet die Juni-Ausgabe von „Spektrum der Wissenschaft“ von der Entdeckung eines Netzwerks im Gehirn, das gerade dann am intensivsten arbeitet, wenn wir dösend vor uns hin träumen, schlafen oder sogar, wenn wir unter Narkose sind. Schelmisch nennen Forscher diese Aktivität “dunkle Energie des Gehirns” – in Anlehnung an die bisher noch hypothetische Dunkle Energie im Universum.

Der Autor des Artikels, der amerikanische Hirnforscher Marcus E. Raichle von der Washington University in St. Louis (Missouri), gehört zu den Entdeckern eines zentralen Systems im Gehirn, das im Hintergrund arbeitet und darum früher übersehen wurde. Denn beispielsweise tauchen bei einem EEG (Elektroenzephalogramm), bei dem Hirnwellenmuster außen am Schädel erfasst werden, auch besonders langsame Wellen auf. Bislang haben die Experten sie vernachlässigt. Sie hielten das schlicht für ein diffuses, nichtssagendes Hintergrundrauschen.Doch mittlerweile konnten Hirnforscher belegen, dass augenblicklich scheinbar nicht aktive Hirngebiete sehr regelmäßige langsame Wellen produzieren. Diese sind sogar zwischen weit auseinander liegenden Gebieten, etwa zwischen den beiden Hirnhälften, aufeinander abgestimmt.

Am meisten aber verblüffte, dass ein großes Netzwerk über mehrere weit auseinander liegende Hirngebiete existiert, welches seine Aktivität herunter fährt, solange wir eine konkrete Tätigkeit ausführen, zum Beispiel lesen. Die Forscher nennen es „Ruhestandardnetz“ (oder englisch „Default Mode Network“, kurz DMN). Wenn wir dagegen “abschalten” und in den Tag träumen, steigert jenes Ruhenetzwerk seine Aktivität. Weil diese Zufallsentdeckung überhaupt nicht zu den herrschenden Vorstellungen passte, hatten Raichle und seine Mitstreiter zunächst große Schwierigkeiten, ihre Arbeit überhaupt zu veröffentlichen.

Heute steht aber fest: Das Gehirn besitzt einen Chefdirigenten. Der schläft nie, denn er muss dafür sorgen, dass wir jederzeit auf eine plötzliche Störung angemessen reagieren, dass also die passenden Hirnregionen schnell wieder aufwachen. Alle anderen Hirnsysteme stehen im Grunde ebenfalls immer in Bereitschaft. Auch das zeigen die langsamen Wellen. Ganz schnell können diese Hirngebiete dann jeweils auf Befehl des Ruhenetzes hochschalten.

Dieses übergreifende System scheint nach Raichle auch über manche Hirnerkrankungen und -störungen Aufschluss geben. Wie es aussieht, degenerieren bei der Alzheimerdemenz gerade Gebiete, die zu den Hauptzentren jenes zentralen Ruhenetzes gehören. Bei Depressionen bestehen zwischen diesen Zentren teils weniger Verbindungen. Bei Schizophrenie wiederum fällt auf, dass manche der Zentren auffallend viele Signale senden.

Die bewusste Auseinandersetzung mit der Außenwelt macht nur einen kleinen Teil der Hirnaktivität aus. Das wissen Hirnforscher schon lange. Doch den Rahmen für das kleine Bewusstseinsfenster liefert, so Raichle, die bisher übersehene „dunkle Energie“ des Gehirns. Wenn Forscher das Ruhenetz von Versuchspersonen im Hirnscanner beobachten, erkennen sie bis zu eine halbe Minute im Voraus, ob der- oder diejenige gleich in einem Computertest einen Fehler machen wird – nämlich dann, wenn dieses früher übersehene System die Kontrolle übernimmt. (Quelle: Spektrum der Wissenschaft, Juni 2010)

Die “Sprache des Gehirns” wird enträtselt

Ohne Aufmerksamkeit ist es uns allen nicht möglich, mit der Umwelt zu interagieren. Speziell beim Sehen ist Aufmerksamkeit absolut notwendig, um Sinneseindrücke sinnvoll zu verarbeiten und am Ende des Verarbeitungsprozesses Personen oder Objekte wahrzunehmen. Obwohl Aufmerksamkeit ein grundlegender Mechanismus der Informationsverarbeitung im Gehirn ist und Aufmerksamkeitsstörungen bei vielen neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen große Probleme für die Patienten nach sich ziehen, sind die neuronalen Mechanismen von Aufmerksamkeit – insbesondere in der frühen Verarbeitung von Seheindrücken – bislang nur unzureichend verstanden.

Wie wirkt sich visuelle Aufmerksamkeit auf die Sprache des Gehirns – also die Signale, mit denen die Gehirnzellen untereinander Information austauschen – aus? Dieser Frage sind Forscher der Universität Bremen aus Neurobiologie und theoretischer Physik in einem fachübergreifenden Projekt gemeinsam nachgegangen. Um die zugrunde liegenden Mechanismen zu untersuchen, wurden Makaken darauf trainiert, komplizierte Linienfiguren zu betrachten und sie dann entweder aufmerksam zu beobachten oder zu ignorieren. Die dabei gemessenen Aktivitätsmuster der Gehirnzellen wurden mit Methoden des “Machine Learning” (Maschinenlernen, d.h. der automatisierten Suche nach verborgenen Regelmäßigkeiten in großen Datenmengen durch ein Computerprogramm) daraufhin untersucht, wie viel Information in diesen Signalen über die Figuren enthalten ist und ob die Informationsmenge von Aufmerksamkeit abhängig ist. Normalerweise kommen Techniken des Machine Learning beim Erkennen von Kreditkarten-Betrug, bei der Aktienmarktanalyse oder in der medizinischen Diagnostik zum Einsatz. Wie die Bremer Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift “Journal of Neuroscience” nun berichten (https://www.jneurosci.org/), lassen sich diese Methoden auch erfolgreich zur Untersuchung des Phänomens Aufmerksamkeit nutzen.

Signale verraten, welche Linienfiguren gesehen werden

Die Forschungen zeigen zwei Hauptergebnisse: Einerseits ist es mit diesen Methoden möglich, dem Gehirn beim Arbeiten sehr genau zuzuschauen – und zwar so genau, dass aus den Signalen abgelesen werden kann, welche Strichfiguren gerade gesehen wurden. Dabei ließen sich die untereinander recht ähnlichen Figuren mit sehr hoher Genauigkeit (in bis zu 93% der Fälle) anhand der gemessenen elektrischen Hirnaktivität richtig identifizieren. Andererseits verändert Aufmerksamkeit die Hirnaktivität, so dass diese Identifikation bei aufmerksam beobachteten Mustern erfolgreicher ist als bei Mustern, auf denen keine Aufmerksamkeit ruht.

Genau diese Veränderung der Hirnsignale erfolgt jedoch auf eine völlig überraschende Art und Weise. Das Gehirn fährt nicht etwa andere Störeinflüsse einfach herunter oder blendet sie aus. Vielmehr werden die zu den unterschiedlichen Mustern gehörenden “Fingerabdrücke” in der Hirnaktivität aktiv verändert, so dass sie sich deutlicher voneinander unterscheiden.

Ergebnisse für konkrete medizinische Anwendungen nutzbar

Neben dem besseren Verständnis der grundlegenden Funktionsweise des Gehirns als Basis für Fortschritte in Verständnis und Behandlung von neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen sind auch konkrete medizinische Anwendungsmöglichkeiten eine wichtige Antriebsfeder für die Bremer Forschungen auf diesem Gebiet. Ein Ziel ist die Schaffung einer zentralen Basis für funktionelle Neuroprothesen. Dabei geht es um so genannte Brain Computer Interfaces (BCI) – eine Technologie, mit der die elektrische Hirnaktivität eines Menschen detailliert gemessen werden kann, um aus den Signalen auf Aktions- und Kommunikationswünsche zu schließen (“Gedanken lesen”). Ein solches System soll beispielsweise vollständig gelähmten Personen ermöglichen, mit ihrer Umwelt wieder zu kommunizieren und Geräte und Hilfseinrichtungen zu kontrollieren, um so ein Stück Autonomie ins Leben zurückzubringen.

Die “Sprache des Gehirns” enträtseln

Unerlässlich für den Bau einer robusten und sicheren Schnittstelle zwischen der Gedankenwelt des Patienten und einem Computersystem ist dabei, die “Sprache des Gehirns” zu enträtseln. Deshalb versuchen die Bremer Wissenschaftler abweichend von den in diesem Forschungsbereich herkömmlichen Ansätzen, die Sehhirnrinde als Signalquelle zur Verarbeitung von Seheindrücken zu verwenden.

In dem im Journal of Neuroscience veröffentlichen Artikel wurde gezeigt, dass die vom Sehsystem erzeugten elektrischen Hirnsignale willentlich – eben durch die untersuchte selektive visuelle Aufmerksamkeit – verändert werden können. Sie könnten somit als ein Kontrollsignal für die beschriebenen medizinisch-technischen Anwendungen genutzt werden. Eine weiterführende Untersuchung dazu wird zurzeit durchgeführt. Sie ist ein wichtiger Teil der aktuellen neuro-technologischen Initiative der Universität Bremen. Quelle: idw