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Gedächtnisforschung: Hemmender Botenstoff am Lernprozess beteiligt


Honigbienen lernen sehr schnell und haben ein hervorragendes Gedächtnis. Daher sind sie als Modellorganismen für die Forschung interessant. Da die Lernprozesse beim Menschen ähnlich ablaufen, können Erkenntnisse aus der Bienenforschung übertragen werden. Wissenschaftler der Saar-Uni haben nun erstmals an Nervenzellen von Bienen experimentell belegt, dass der Neurotransmitter Gamma-Aminobuttersäure (GABA) eine bedeutende Rolle bei Lernprozessen spielt. GABA ist einer der wichtigsten hemmenden Botenstoffe im Gehirn und spielt unter anderem bei Krankheiten wie Alzheimer und Epilepsie eine Rolle. Die Studie wurde in der renommierten Fachzeitschrift „Journal of Neuroscience“ veröffentlicht.
Mit einem Gehirn kleiner als ein Stecknadelkopf und mit weniger als einer Million Nervenzellen können sich Bienen hervorragend in der Umgebung orientieren und lernen, wo für sie wichtige Futterquellen liegen. Hierbei verknüpft ihr Nervensystem spezifische Informationen wie Düfte, Farben und Landmarken mit einer Belohnung in Form von Nektar. Dies wird im Gedächtnis gespeichert, sodass die Biene die Futterstelle auch Tage später wiederfindet.
„Bei diesen Lernprozessen spielen chemische Botenstoffe eine wichtige Rolle“, sagt Uli Müller, Professor für Zoologie und Physiologie an der Universität des Saarlandes. „Diese Neurotransmitter übermitteln Informationen zwischen Nervenzellen, wobei zwischen erregenden und hemmenden Transmittern unterschieden wird.“ Ein erregender Botenstoff wie Acetylcholin (ACh) aktiviert die nächste Nervenzelle, während ein hemmender Transmitter wie GABA die Signalübermittlung herunterregelt. Kommen nun zwei Reize wenige Millisekunden hintereinander an einer Nervenzelle an, „verrechnet“ die Zelle diese miteinander. So kann das Signal bei der Verrechnung zweier Reize besonders verstärkt oder abgemildert werden, je nachdem, welche Transmitter beteiligt sind.
Kommt es bei der Reizweiterleitung zu Änderungen, sind Nervenzellen in der Lage, darauf zu reagieren – eine Eigenschaft, die Fachleute als neuronale Plastizität bezeichnen. Sie ist maßgebend für das Lernen und die Gedächtnisbildung.
„Beim Lernen spielt die zeitliche Abfolge der Informationen, also etwa die zeitliche Paarung von Duft und der anschließenden Nektarbelohnung, eine entscheidende Rolle“, so Müller weiter. „Bei bisherigen Untersuchungen von Lernprozessen stand vor allem die zeitliche Verrechnung von erregenden Neurotransmittern im Fokus. Obwohl bekannt war, dass der hemmende Neurotransmitter GABA beim Lernen eine Rolle spielt, wurde er nicht mit diesen Prozessen in Verbindung gebracht.“

Dies ist nun erstmals Müller und seinem Mitarbeiter Davide Raccuglia in ihrer aktuellen Studie gelungen. Die Biologen haben die für das Lernen bei Insekten verantwortlichen Nervenzellen, die Kenyonzellen, isoliert und die zeitliche Verrechnung bei erregenden und hemmenden Botenstoffen untersucht. Dazu haben die Forscher die Zellen von Honigbienen und Fruchtfliegen zuerst mit dem erregenden Transmitter ACh und Sekunden später mit dem hemmenden Botenstoff GABA als auch in umgekehrter Reihenfolge stimuliert. Zur Kontrolle haben sie die Versuche jeweils nur mit dem hemmenden oder dem erregenden Botenstoff durchgeführt. Anschließend haben sie gemessen, ob sich die Signalverarbeitung der Zellen verändert hat.
„Wir haben beobachtet, dass es bei der Stimulation mit beiden Transmittern im Gegensatz zu den Kontrollversuchen noch Minuten später zu Änderungen in der Signalverarbeitung der Kenyonzellen kommt“, sagt der Neurobiologe. Durch diese zeitliche Verrechnung haben die Zellen, so Müller weiter, ein „molekulares Gedächtnis“ gebildet. Dabei hänge das Ausmaß dieser Änderungen davon ab, welcher Transmitter zuerst stimuliert und wie viele Rezeptoren die Zellen für den Neurotransmitter GABA besitzen.
Folgestudien müssen jetzt klären, welche Rolle GABA-Rezeptoren bei der Signalverrechnung beim Lernen genau spielen und ob diese beispielsweise mit Krankheiten wie Alzheimer in Zusammenhang stehen. GABA ist einer der wichtigsten Botenstoffe des menschlichen Zentralnervensystems. Er wird auch mit weiteren neurologischen Krankheiten wie Epilepsie in Verbindung gebracht.
Die Studie wurde in der Fachzeitung „Journal of Neuroscience“
veröffentlicht:
„Temporal Integration of Cholinergic and GABAergic Inputs in Isolated Insect Mushroom Body Neurons Exposes Pairing-Specific Signal Processing”.  DOI: 10.1523/JNEUROSCI.0714-14.2014

Komponenten des Lebens und ihre Funktion

Die Biophysik bildet die Brücke zwischen der Physik und den Lebenswissenschaften. Sie ist eng mit der Physik Weicher Materie und Komplexer Systeme verknüpft und viele Fragestellungen sind Bestandteil der Statistischen Physik geworden. Dabei verfolgt die Biophysik mehrere Stoßrichtungen.

Die eine versucht, Methoden zu entwickeln, um die Architektur biologischer Materialien von molekularen bis makroskopischen Skalen zu untersuchen und ihre physikalischen Eigenschaften unter möglichst natürlichen Bedingungen zu messen – in „vivo“, sagt der Biologe. Entdeckungsfreudige Physiker finden eine breite Spielwiese, um mit einfachen Methoden wie optischen und magnetischen Pinzetten oder einer Glaspipette, gepaart mit einem guten Mikroskop, die physikalischen Eigenschaften der Zellen zu studieren.

Dreidimensionale Darstellung der Struktur des Proteins GGA1.
Struktur eines Proteins

Große Maschinen hingegen sind notwendig, um die Struktur und Dynamik biologischer Materialien mittels Neutronen- und Röntgenbeugung zu erforschen. Moderne Methoden der Röntgenbeugung mit fokussierten Strahlen eröffnen dabei auch völlig neue Einblicke in die molekulare Architektur von Gewebe, Knochen oder Holz. Zudem verspricht die Entwicklung der Spallations-Neutronenquellen und des Freien Elektronenlasers neue Einsichten in die molekulare Basis des molekularen Erkennens zwischen Proteinen und DNS oder die physikalischen Grundlagen der Proteinfaltung.

Biologie als Vorbild

Eine zweite Forschungsrichtung ist die von der Biologie inspirierte Physik. Sie versucht möglichst realistische Modelle lebender Materie – wie Membranen, Gewebe oder Knochen – aufzubauen, um spezifische biologische Prozesse zu imitieren. Solche Modelle spielen eine wichtige Rolle, um etwa die Verlässlichkeit neuer physikalischer Methoden zu testen oder um nach den wesentlichen physikalischen Parametern zu suchen, welche das biologische Verhalten eines Systems bestimmen.

Parallele Untersuchungen natürlicher Systeme und von Modellen helfen auch, Bezüge zur Physik Kondensierter Materie herzustellen. Im Hintergrund steht der Gedanke, die Strategie der biologischen Selbstorganisation zur Herstellung neuartiger smarter Materialien einzusetzen. Beispiele dieses Bionik genannten Gebietes sind Materialien, die ihre Eigenschaften an wechselnde Umgebungsbedingungen anpassen können, wie selbst reinigende Oberflächen oder bruchfeste Keramiken, wie sie in Prozessen der Biomineralisierung entstehen.

Im Grenzbereich zwischen Physik und Technik sind Bemühungen angesiedelt, Methoden der Navigation in der Tierwelt zu imitieren. Beispielsweise inspirierte die Echoortung der Fledermaus die Radartechniker zum Bau des Zirp-Radars. Auch beim Bau von Robotern lässt man sich gern von der Biologie inspirieren: Zahlreiche Arbeitsgruppen versuchen, die Fähigkeit der Insekten und Salamander des Hochlaufens an Wänden zu imitieren. Roboter zum Fensterputzen wären eine passende Umsetzung des Prinzips.

Ein anderer zukunftsträchtiger Zweig der angewandten Biologischen Physik ist der Bau von Biosensoren durch den Aufbau von Enzymsystemen, Biomembranen oder Nervenzellen auf elektro-optischen Bauelementen. Ein Beispiel sind zweidimensionale Anordnungen von Punkt-Transistoren, die als Nano-Voltmeter fungieren. Hier sitzen auch zahlreiche Querverbindungen zur Nanotechnik oder Mikrooptik, denn die dort entwickelten Methoden eröffnen neue Möglichkeiten zur Messung physikalischer Eigenschaften der Zellen in natürlicher Umgebung.

Komplexe Wechselwirkungen erfassen

Dargestellt ist eine Nervenzelle mit Axonen.
Neuron

Auf fundamentalere Fragen der Biologie zielt die oft als Systembiophysik bezeichnete Erforschung der Regulation biologischer Prozesse durch das Wechselspiel zwischen biochemischen und genetischen Signalkaskaden, der dadurch bedingten Modifikation der Materialeigenschaften und der biologischen Funktion. Hier arbeiten Physiker, Mathematiker und Ingenieure miteinander. Eine besonders faszinierende Fragestellung dieser Kategorie ist die Entwicklung vom befruchteten Ei zum Embryo, oft Morphogenese genannt. Was steuert die Differenzierung der zunächst völlig identisch erscheinenden Zellen des befruchteten Eis in Neuronen oder Muskelzellen und was legt den Zeitplan der embryonalen Entwicklung fest? Ist dies alles im genetischen Code vorbestimmt oder bestimmt die Kopplung zwischen externen äußeren Kräften – wie chemischen Potentialen oder mechanischen Kräften – und dem genetischen Apparat den Prozess der Morphogenese?

Alan Turing, der geistige Vater des Programmierens, lehrte erstmals, wie raum-zeitliche Muster, etwa von Signalmolekülen, die dann die Entwicklung von Organen steuern, allein durch das Zusammenspiel chemischer Potenziale und autokatalytischer Prozesse entstehen können. Zwar ist die Entwicklung vom befruchteten Ei zum ausgewachsenen Lebewesen vor allem durch die zeitliche Folge der Gen-Expression bestimmt, doch zeigt sich auch immer mehr, dass die Zell-Zell-Erkennung und insbesondere mechanische Kräfte die Differenzierung und räumliche Organisation der Zellen steuern können. Die Aufklärung des Wechselspiels zwischen Morphogenese und der Physik der Zelle ist eine besonders reizvolle Aufgabe für Experimentatoren und Theoretiker.

Immer mehr Physiker finden außerdem Interesse an der Hirnforschung und versuchen zu verstehen, wie das Gehirn die Umwelt wahrnimmt. Ein Meilenstein auf dem Weg zur quantitativen Hirnforschung war die Entdeckung, dass optische Muster, die auf die Netzhaut der Augen projiziert werden, im visuellen Cortex als Erregungsmuster abgebildet werden. Diese Experimente brachten der Physik neuronaler Netzwerke einen enormen Aufschwung. (Quelle: Welt der Physik, Lizenz: CC by-nc-nd)

Buchtipp:
Leben aus Quantenstaub: Elementare Information und reiner Zufall im Nichts als Bausteine einer 4-dimensionalen Quanten-Welt

Funktioniert unser Langzeitgedächtnis digital?

Der Hippocampus ist eine Struktur im Gehirn, die maßgeblich dafür verantwortlich ist, dass wir uns längerfristig erinnern. Personen, deren Hippocampus zerstört ist, vergessen umgehend Situationen, die sie gerade erlebt haben, oder Mitmenschen, die sie kurz zuvor gesehen haben. „Bisher nahmen wir an, dass die Informationsspeicherung im Hippocampus von der Stärke der dortigen Nervenzellverbindungen, den Synapsen, abhängig ist“, sagt Prof. Dr. Thomas Oertner, Direktor des Instituts für Synaptische Physiologie am ZMNH. Synapsen sind die Strukturen, mit denen eine Nervenzelle in Kontakt zu einer anderen Zelle, etwa einer Sinnes-, Muskel-, Drüsen- oder Nervenzelle steht. Sie dienen der Übertragung von Informationen und spielen eine wichtige Rolle bei deren Speicherung. Für ein funktionierendes Langzeitgedächtnis, so die gängige Lehrmeinung, müssen die Zellverbindungen stark sein und unbegrenzt stabil bleiben. Dieser Prozess wird als „long-term plasticity“ bezeichnet und ist seit mehreren Jahren ein zentrales Thema der neurobiologischen Forschung.

Das Team um Prof. Oertner ist jetzt zu neuen, anderen Ergebnissen gekommen. Mit experimentellen Tricks beeinflussten sie synaptische Verbindungen so, dass diese Informations-Autobahnen quasi in Tempo 30-Zonen umgewandelt wurden. „Wir haben die Stärke der Synapsen drastisch reduziert und die Zellverbindungen dann weiter beobachtet“, erläutert Prof. Oertner. Das Ergebnis nach sieben Tagen war verblüffend. „50 Prozent der manipulierten Synapsen lösten sich auf, die anderen 50 Prozent kehrten in den Ausgangszustand zurück“, sagt Dr. Simon Wiegert aus dem ZMNH, Erstautor der jetzt veröffentlichten Studie. „Eine stabile Langzeitveränderung der Synapsen gibt es offenbar nicht. Demnach muss das Langzeitgedächtnis auch anders als bislang angenommen funktionieren.“

Die Studie legt den Wissenschaftlern zufolge den Schluss nahe, dass das Gehirn ähnliche Strategien wie ein digitaler Computer verwendet, um Informationen über lange Zeiträume zu speichern. Dabei speichert der Hippocampus zunächst Information in „analoger“ Form, indem die Stärke der Synapsen verändert wird. Doch dieser Zustand ist instabil. Nach wenigen Tagen wird diese analoge Speicherung durch eine „digitale“ Form der Speicherung ersetzt – einige Synapsen fallen aus, andere kehren in den Ausgangszustand zurück. „Digitale Speicherung ist wesentlich weniger anfällig für langsamen Zerfall. Das könnte erklären, wieso wir uns an Schlüsselerlebnisse aus Kindheit und Jugend bis ins hohe Altern erinnern“, so Dr. Wiegert.

Für ihre Arbeit nutzen die Grundlagenforscher ein sogenanntes Zwei-Photonen-Mikroskop, um funktionelle Messungen an einzelnen Synapsen in intaktem Gewebe durchzuführen. Diese neue Technik erlaubt es den UKE-Wissenschaftlern erstmals, Nervenzellen im Labor über mehrere Tage hinweg kontinuierlich bei der Arbeit zu beobachten. (Quelle: idw)

Literatur:
J. Simon Wiegert and Thomas G. Oertner: Long-term depression triggers the selective elimination of weakly integrated synapses. PNAS 2013 ; published ahead of print November 4, 2013.

J. Simon Wiegert and Thomas G. Oertner (2011) Dendritische Spines: Dynamische Bausteine des Gedächtnisses. Neuroforum 1/11: 12-20.

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

Sind Aufmerksamkeit und Bewusstsein zwei verschiedene Prozesse?

Video: Faszination Bewusstsein

 

Im Experiment lassen sich zwei anscheinend eng miteinander verwobene Funktionen des Gehirns teilweise entflechten
Im Alltagsleben scheinen Aufmerksamkeit und Bewusstsein zusammenzugehören: Wer seine Aufmerksamkeit auf die Schere rechts auf dem Schreibtisch richtet, wird sich ihrer Eigenschaften, wie etwa der roten Griffe, bewusst. Umgekehrt können die roten Griffe auch dazu führen, dass man auf die Schere aufmerksam wird. Jedoch haben Wissenschaftler aus einer Reihe von Verhaltensbeobachtungen in jüngster Zeit geschlossen, dass Aufmerksamkeit und Bewusstsein zwei grundlegend verschiedene Prozesse im Gehirn darstellen, die nicht notwendigerweise miteinander verbunden sind. Dazu haben jetzt Forscher des Max-Planck-Instituts für biologische Kybernetik zusammen mit japanischen Kollegen eine neue Studie in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht. Sie liefern den ersten experimentellen Nachweis, dass die primäre Sehrinde, der Eingangsbereich zur visuellen Informationsverarbeitung in der Großhirnrinde, nur durch Aufmerksamkeit, nicht aber durch das Bewusstsein aktiviert wird. Dieses Ergebnis bekräftigt die Hypothese, dass Nervenzellen unterschiedlich auf Aufmerksamkeit und Bewusstsein reagieren. Sind Aufmerksamkeit und Bewusstsein zwei verschiedene Prozesse? weiterlesen

Wie das Gehirn Geist hervorbringt


Das vernetzte Gehirn.
Forscher analysieren das Verknüpfungsmuster der Nervenzellen im Gehirn, um dessen Arbeitsweise besser zu verstehen.

Wie das Gehirn unseren Geist hervorbringt ist noch immer ein großes Rätsel. Manche Forscher sehen den Grund dafür in der bisher üblichen separaten Untersuchung einzelner Bereiche und Funktionen, die den Blick auf das große Ganze versperrte. Sie halten es für aussichtsreicher, das Gehirn als riesiges Netzwerk miteinander verknüpfter Nervenzellen zu betrachten, und wollen – wie Spektrum der Wissenschaft in seinem Oktoberheft berichtet – aus dem Muster dieser Verknüpfungen seine Funktionsweise erschließen.

Einer von ihnen ist Dietmar Plenz vom National Institute of Mental Health der USA in Bethesda (Maryland). Er und seine Kollegen züchten Hirngewebestückchen in der Größe von Sesamkörnern in Kulturschalen. Mit 64 Elektroden, die sie hineinstechen, registrieren sie dann das spontane Feuern der Nervenzellen. Was sie dabei aufzeichnen, sind Salven schnell aufeinander folgender elektrischer Entladungen, die man als neuronale Lawinen bezeichnet.

Auf den ersten Blick scheint es so, als handle es sich um ein Zufallsmuster. In diesem Fall müssten jedoch winzige und großräumige Lawinen gleich häufig auftreten. Das ist aber nicht der Fall: Plenz und seine Kollegen beobachten kleine Exemplare viel öfter als große. Zeichnet man die Größenverteilung der Lawinen in einem Diagramm auf, ergibt sich eine glatte, abfallende Kurve. Wissenschaftler kennen diesen Kurvenverlauf aus anderen Zusammenhängen – etwa der Intensitätsverteilung von Erdbeben oder dem Muster der Erkrankungsfälle bei einer Epidemie. Er ist ein Merkmal komplexer Netzwerke, die Verbindungen über kurze und weite Distanzen enthalten. Die konkrete Form der Verteilungskurve erlaubt dabei Rückschlüsse auf das genaue Verknüpfungsmuster.

Plenz und seine Kollegen testeten eine Reihe verschieden konfigurierter Modellnetze im Computer, um herauszufinden, welche davon eine ähnliche Verteilung neuronaler Lawinen erzeugte ihre Hirngewebestücke. Die beste Übereinstimmung ergab eine Architektur mit 60 Neuronengruppen, deren Mitglieder alle direkten Kontakt zueinander hatten. Jeder solche “Cluster” war im Durchschnitt mit zehn weiteren verknüpft. Doch dieser Wert schwankte stark: Einige wenige Cluster waren mit vielen anderen verbunden, die meisten aber nur mit sehr wenigen. Wissenschaftler bezeichnen das als “Kleine-Welt-Netzwerk”. Seine Architektur hat zur Folge, dass eine Erregungswelle zwar überwiegend auf den Ursprungscluster beschränkt bleibt, aber über wenige Zwischenstationen auf jeden beliebigen anderen überschwappen kann.

Inzwischen verfolgen Neurowissenschaftler das Ziel, die geschätzten 100 Billionen Verknüpfungen zwischen allen 100 Milliarden Neuronen im Gehirn zu kartieren. Dazu haben die National Institutes of Health 2010 das mit 30 Millionen Dollar dotierte “Human Connectome Project” ins Leben gerufen. An ihm arbeitet auch Olaf Sporns von der Indiana University in Bloomington (USA) mit. Gemeinsam mit Patric Hagmann und dessen Neuroimaging-Gruppe an der Universität Lausanne (Schweiz) hat er Aufnahmen des menschlichen Gehirns mit einer speziellen Methode angefertigt, welche die Nervenfasern sichtbar macht, die verschiedene Regionen der Hirnrinde miteinander verbinden. Die beiden Wissenschaftler wählten annähernd 1000 Regionen aus und kartierten sämtliche Faserstränge zwischen ihnen. Das Ergebnis ähnelte dem Kleine-Welt-Netzwerk, das Plenz in den kleinen Gewebestückchen entdeckt hatte.

Selbst wenn das Konnektom-Projekt erfolgreich sein sollte, bleibt allerdings fraglich, ob die Resultate wirklich klar machen, wie das menschliche Gehirn funktioniert. Wie schwierig die Aufgabe ist, lehrt die Erfahrung mit dem einfachsten im Detail bekannten Nervensystem: dem des Fadenwurms. Es besteht aus genau 302 Nervenzellen, deren Verknüpfungsmuster schon seit 20 Jahren vollständig bekannt ist. Trotzdem weiß immer noch niemand genau, wie dieses simple Netzwerk die Körperfunktionen und das Verhalten des Wurms steuert. (Quelle: Spektrum der Wissenschaft, Oktober 2011)

Buchtipp:
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Der neuronale Ursprung des Glaubens.

Video: How Do Your Superstitions Get Started? (Wie dein Aberglaube anfängt).

In der Antike wohnte Zeus, der mächtigste Gott der Griechen, auf dem Olymp. Heutige Neurowissenschaftler haben dagegen einen obersten Lenker im Hippocampus des menschlichen Gehirns aufgespürt. Haben sie die Wurzeln des Glaubens gefunden?

Ins Grübeln kamen die Forscher schon vor Jahrzehnten, als der US-amerikanische Psychologe Burrhus F. Skinner seine Untersuchungen zur Entstehung des Aberglaubens Ende der 1940er Jahre durchführte und veröffentlichte. Laut der Fachzeitschrift „Monitor on Psychology” ist Skinner der bedeutendste Psychologe des 20. Jahrhunderts.

Die Psychologie versteht unter Aberglauben keineswegs eine von den Dogmen der Kirche abweichende Glaubensform. Vielmehr gilt ein irrationales Regelwissen, das sich nicht objektiv bestätigen lässt, als Aberglaube. Irrationale Verhaltensformen zählen ebenfalls dazu. Zum Aberglauben gehört, dass Menschen an einem Freitag, den 13. nicht aus dem Haus gehen wollen, damit ihnen kein Unglück passiert oder dass sie glauben, ein persönlicher Talisman sei ursächlich für ihr Glück.

Aberglaube und Glaube hängen eng zusammen. Unter Glauben im nichtreligiösen Sinn versteht man, dass ein Sachverhalt hypothetisch für wahr gehalten wird. Das lässt im Gegensatz zum Aberglauben die Möglichkeit des Irrtums zu, ganz nach dem Motto: »Es könnte auch anders sein«. Glauben im religiösen Sinn lässt dagegen nicht zu, dass es auch anders sein könnte. Insofern gleichen religiös motivierter Glaube und die daraus folgenden Verhaltensformen dem unbestätigten Regelwissen, das in den nächsten Abschnitten näher beleuchtet wird. Der neuronale Ursprung des Glaubens. weiterlesen

Neurointerface: Laden von Informationen aus dem Internet direkt ins Gedächtnis

Video: BrainGate Neural Interface (englisch)

Wie weit ist die Entwicklung einer Gehirn-Maschine-Schnittstelle vorangeschritten? Werden wir eines Tages Informationen aus dem Internet direkt in unser Gedächtnis laden können?

Rasante technische Fortschritte in der Informationstechnik und Biotechnologie inspirierten den Sciencefiction-Autor William Gibson 1984 zu seiner Roman-Trilogie “Neuromancer”. Darin werden Menschen Teil einer Maschinenwelt, die von ihrer eigenen biologischen Sphäre kaum noch zu unterscheiden ist. Die Romanfiguren tauchen in Computernetzwerke ein und müssen sich dort künstlicher Intelligenzen erwehren. In der Spielfilm-Trilogie “Matrix” haben diese die Menschheit längst versklavt.

Was ist dran an solchen Visionen? Wie in der April-Ausgabe von “Spektrum der Wissenschaft” ausgeführt wird, liegt zwar eine “Matrix”-Welt noch in weiter Ferne. Gleichwohl haben Verbindungen zwischen Gehirn und technischen Systemen durchaus die Aussicht, einmal Realität werden.

Werden sich Informationen zwischen dem Gehirn “downloaden” oder “uploaden” lassen? Das ist nicht nur eine Frage für Visionäre: Mit diesem Wissen ließen sich vielleicht Neuroprothesen konstruieren, um Alzheimerpatienten dabei zu helfen, neue Gedächtnisinhalte aufzubauen. All die Visionen und Prognosen setzen verlässliche Schnittstellen zwischen der organischen und der technischen Welt voraus, etwa in Form spezieller, in das Gehirn implantierter Mikrochips oder Elektrodensysteme nebst einer Verbindung zur Außenwelt. Ein “auslesendes” Neurointerface würde die natürliche elektrische Aktivität unseres Nervensystems registrieren, ein “einschreibendes” hingegen erzeugte darin Nervenimpulse. Neurointerface: Laden von Informationen aus dem Internet direkt ins Gedächtnis weiterlesen

Das Rätsel des Bewusstseins: Die Brücke zur Interpretation der Quantenphysik

(idw). Dr. Tobias Müller will Erkenntnisse der Neurowissenschaften und philosophische Ideen verbinden – Ziel ist ein neues Selbstbild des Menschen

Dank moderner Technologien können wir heute in unserem Gehirn fast wie in einem Buch lesen. Die Neurowissenschaften haben in den vergangenen Jahrzehnten nicht nur im Detail gezeigt, welche Hirnareale für welche Funktionen zuständig sind, sondern sagen uns auch, welche Stoffe bei einem bestimmten Reiz wo, wie und wann ausgeschüttet werden. Nicht gefunden wurde bislang jedoch eine Art Geistsubstanz oder Seelensubstanz, eine Materie oder ein Ort, wo unser Bewusstsein verankert ist. Einige Hirnforscher halten daher unser altes Selbstbild für obsolet und betrachten den Menschen eher als determinierte Biomaschine denn als frei handelndes Subjekt. “Dieser Verkürzung möchte ich Einhalt gebieten und anstatt den freien Willen ganz in Abrede zu stellen, darüber diskutieren, welche graduelle Freiheit es gibt”, sagt Dr. Tobias Müller. Der Nachwuchswissenschaftler wird am Philosophischen Seminar der Johannes Gutenberg-Universität Mainz ein Forschungsprojekt einrichten, das sich mit der Frage nach dem Bewusstsein und somit mit dem Selbstverständnis des Menschen unter Berücksichtigung der jüngsten Erkenntnisse der Neurowissenschaften beschäftigt.

“Der Erkenntnisgewinn der Neurowissenschaften schreitet mit einem atemberaubenden Tempo voran”, konstatiert Müller. Während davon große Fortschritte bei der Behandlung von Krankheiten wie Demenzerkrankungen und für die Entwicklung neuer Pharmaka erwartet werden, stellen die Ergebnisse der Hirnforschung gleichzeitig eine enorme Herausforderung für unser Selbstverständnis dar. Beginnend mit dem Libet-Experiment in den 70er Jahren – es zeigte anscheinend, dass unser Gehirn eine Bewegung vorbereitet noch bevor wir überhaupt einen Handlungswunsch verspüren – bis zu den heutigen Untersuchungen mit modernen bildgebenden Verfahren wie der funktionelle Magnetresonanz-Tomographie (fMRT) und der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist es den Wissenschaftlern immer besser gelungen, in das menschliche Gehirn vorzudringen. So kann etwa die Wahl einer Testperson zwischen zwei Aufgaben im Gehirn abgelesen werden, bevor der Proband beginnt, die gewählte Aufgabe zu bearbeiten. Hier schließt sich fast automatisch die Frage an, ob unser Bewusstsein nur ein Oberflächenphänomen ist und ob es eine kausale Wirksamkeit besitzt.

Die Ergebnisse der Neurobiologie hinterlassen immer mehr den Eindruck, wir seien von Grund auf festgelegt, vorbestimmt durch unseren physischen Zustand, determiniert durch Nervenzellen und ihre Verknüpfung. “Wir sollten aufhören von Freiheit zu sprechen”, so brachte es der Frankfurter Hirnforscher Wolf Singer auf den Punkt. “Das erscheint uns als eine eminente Herausforderung für unsere lebensweltliche Vorstellung von Willensfreiheit und innerem Selbst”, erklärt Müller. “Wenn es keinen freien Willen gäbe, dann hätte das weitreichende Folgen für die Beurteilung von Straftaten und würde sich in allen anderen juristischen, politischen und sozialen Bereichen auswirken.” Müller plädiert dafür, die Diskussion nicht im Schwarz-Weiß-Schema sondern differenzierter zu führen. “Zwischen Schwarz und Weiß gibt es unendlich viele Grautöne. Anstatt eine Position der Extreme einzunehmen und den Menschen entweder als völlig frei oder als völlig determiniert zu betrachten, gibt es gute und vernünftige Gründe, uns Freiheit auch in Abstufungen vorzustellen.”

Ansätze für eine solche Debatte bieten die sogenannte Emergenztheorie und der Pan-Proto-Psychismus. Beide gehen davon aus, dass sich Geistiges nicht einfach auf Physikalisches reduzieren lässt: Der Wunsch nach etwas ist eben nicht nur das Feuern von Nervenzellen in einer bestimmten Gehirnregion, unser Bewusstsein ist Wirklichkeit, auch wenn es sich nicht auf physikalische Prozesse reduzieren lässt. Die Emergenztheorie vertritt die These, dass unser Bewusstsein einfach als eine neue Eigenschaft aus dem System heraus entsteht. Vertreter des Pan-Proto-Psychismus beantworten die Frage, woher diese neue Eigenschaft denn genau kommt, damit, dass es Vorformen von Subjektivität schon immer latent in allen Formen des Seins im Universum gegeben habe. “Vielleicht können wir es so sagen: Vertreter dieser Position behaupten, dass das Bewusstsein als eine Eigenschaft im Universum von Anfang an angelegt ist, je weiter die Evolution fortschreitet und je komplexer die Welt wird, desto stärker tritt diese Eigenschaft hervor, bis sie sich beim Menschen als Bewusstsein zeigt.” Müller sieht hier Ansätze, um nicht nur die Frage nach dem Bewusstsein und dem freien Willen zu erörtern, sondern um auch die Brücke zur Interpretation der Quantenphysik zu schlagen, wie dies der bekannte Quantenphysiker Henry Stapp vorgeschlagen hat. Er hofft, dass sich die empirischen Erkenntnisse der Hirnforscher und die Theorien der Philosophen verknüpfen lassen zu einer integralen Theorie des Bewusstseins. “Vielleicht können wir so gemeinsam zu einem neuen Verständnis des Menschen beitragen.”

Mehr Info:
1. Dr. Tobias Müller
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Philosophisches Seminar
Tel. 06131 39-22459
E-Mail: tobmuell@uni-mainz.de

2. Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen

Wieso unser Gehirn Bewusstsein zeigt und wie das zu unsterblichem Bewusstsein führt.

Video: Professor Dr. Wolf Singer, Max Planck Institut Frankfurt über die synchrone Oszillation von Gehirnwellen


(idw). Wie entsteht die Welt in unserem Kopf? Warum erscheint sie uns als einheitliches, zusammenhängendes Phänomen – obwohl doch Neurobiologen seit langem wissen, dass unser Gehirn zum Beispiel Sinneswahrnehmungen in mehreren Dutzend verschiedenen Arealen und zudem in unterschiedlicher Geschwindigkeit verarbeitet? Was “bindet” die Nervenzellen in den oft weit voneinander entfernten Arealen zusammen? Und: Kann die Aktivität vieler solcher Nervenzell-Verbände jenen mentalen Zustand erzeugen, den wir “Bewusstsein” nennen?

Worüber Philosophen wie Renè Descartes (“Ich denke, als bin ich”) seit Jahrhunderten rätselten, rückte in den beiden letzten Jahrzehnten zunehmend ins Zentrum des Interesses der Neurobiologen. Den theoretischen Schlüssel für das Tor zur experimentellen Erkundung des Bewusstseins lieferte ihnen die 1981 von Christoph von der Malsburg formulierte “Korrelationstheorie der Hirnfunktion” – ein radikal neues Konzept, wie der Kosmos im Kopf funktionieren könnte: keine Zentrale und kein starres Programm, dafür eine zeitliche Verknüpfung (die “Korrelation”) der Aktivitäten von Nervenzell-Verbänden, die sich augenblicklich und je nach Bedarf selbst zu Zweckbündnissen zusammenschließen, um bestimmte Aufgaben gemeinsam zu lösen. Damit öffnete sich ein eleganter Weg aus dem “Bindungsproblem” der Hirnforscher.

Diese Idee war vor 20 Jahren allerdings zu revolutionär: Der studierte Physiker von der Malsburg – heute Professor an der Ruhr-Universität Bochum – konnte sie damals nur als weitgehend unbeachteten “Internen Report 81-2” des Max-Planck-Instituts für biophysikalische Chemie in Göttingen, wo er seinerzeit arbeitete, veröffentlichen. Erst 1987 entdeckten Wolf Singer, Direktor am Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt, und sein US-amerikanischer Forschungsgast Charles Gray ungewöhnliche elektrische Oszillationen im Frequenzbereich um 40 Hertz (Schwingungen pro Sekunde) in einem fürs Sehen zuständigen Hirnrindenbereich narkotisierter Katzen. Ähnliche Phänomene registrierte etwa zur selben Zeit ein Team um Reinhard Eckhorn von der Universität Marburg.

Damit war der Damm gebrochen. Seitdem untermauert eine wachsenden Zahl experimenteller Ergebnisse die Existenz zeitlich synchronisierter Entladungen von Nervenzell-Verbänden – auch neuronale Ensembles genannt – in tierischen und menschlichen Gehirnen. Vor allem die Forschergruppe um Wolf Singer, der auch der studierte Mediziner und Philosoph Andreas Engel bis zum Jahr 2000 angehörte, trug mit ihren Arbeiten wesentlich zur Aufklärung bei, welche Rolle die synchronisierten Oszillationen in hoch entwickelten Gehirnen spielen.

Heute, berichtet Andreas Engel, der inzwischen am Forschungszentrum Jülich arbeitet, “weisen zahlreiche Arbeiten darauf hin, dass diese zeitlichen Korrelationen tatsächlich eine Bindungsfunktion haben” – und das nicht nur bei der Verarbeitung von Sinneseindrücken oder beim Steuern komplizierter Bewegungsabläufe: Die zeitliche Bindung neuronaler Ensembles, die ihre Aktivität höchst präzise im Millisekunden-Bereich synchronisieren, könnte nach Meinung Engels und Singers auch “entscheidend für die Entstehung von Bewusstsein” sein.

Kommentar:
Wenn synchrone Gehirnwellen nicht nur innerhalb eines Gehirns vorkommen, sondern wie von Physikern festgestellt auch transpersonal zwischen verschiedenen Personen übertragen werden, deutet das auf die Existenz eines “Jenseits” und eines unsterblichen Bewusstsein außerhalb des Gehirns hin. Näheres kann dazu im neu erschienenen Buch von Klaus-Dieter Sedlacek “Unsterbliches Bewusstsein” ISBN: 978-3-837-04351-8 nachgelesen werden.

Unsterbliches Bewusstsein: Kann bereits eine einzelne Nervenzelle denken?


Video: Neuronen bei der Arbeit
(idw). Ein Team von Wissenschaftlern der Universität von Kalifornien in Los Angeles (UCLA) und des California Institute of Technology (Caltech) hat entdeckt, dass einzelne Nervenzellen (Neuronen) in der Lage sind, eine Art Vorstellung von Dingen oder Personen zu entwickeln. Diese Forschung widerspricht der Auffassung der meisten Neurowissenschaftler, wonach einzelne Zellen nichts anderes sind, als kleine Pixel in einem großen, sehr komplexen System. Die Frage lautet also: “Kann eine einzelne Nervenzelle denken?”, so Dr. Christof Koch vom Caltech, der die Ergebnisse dieser Forschung am 9. Juli auf dem Forum of European Neuroscience Societies (FENS) 2006 in Wien vorstellte.
“Was ist Bewusstsein? Das ist eine grundlegende Frage, die beantwortet werden muss”, sagte Dr. Koch. Dr. Itzhak Fried, Dr. Koch und Mitarbeiter untersuchten acht Patienten, die wegen ihrer Epilepsie behandelt werden sollten. Zu diesem Zweck wurden den Patienten Elektroden ins Gehirn eingepflanzt, um damit den Ursprung für ihre epileptischen Anfälle aufzuspüren.

Gleichzeitig wurden jedem Patienten im Temporallappen, der Stelle im Gehirn hinter den Schläfen, wo das Gedächtnis vermutet wird, 100 Mikroelektroden eingepflanzt. Nach der Operation wurden die Patienten gebeten, sich unter anderem Bilder berühmter Menschen auf einem Computer anzusehen. Während sich die Patienten die Bilder anschauten, maßen die Wissenschaftler die elektrischen Ströme der Nervenzellen, die mit den Elektroden verbunden waren.

Die Wissenschaftler stellten fest, dass einzelne Neurone quasi als Antwort auf bestimmte Bilder elektronische Signale aussandten, also “feuerten”. So sah ein Patient in einer Reihe verschiedener Bilder sieben Photos von Jennifer Aniston, einer amerikanschen Filmschauspielerin. Für jedes einzelne dieser sieben Photos “feuerte” jeweils eine bestimmte Nervenzelle. Ein anderer Patient hatte eine bestimmte “Halle Berry-Nervenzelle”, die sogar nur auf den Schriftzug der amerikanischen Schauspielerin reagierte. Bemerkenswert fanden die Wissenschaftler, dass das Neuron nicht nur bei dem Photo “feuerte”, sondern auch bei den abstrakten Schriftzeichen.

Die Vorstellung, wonach einzelne Neuronen auf etwas reagieren, ist nicht neu. Sie geht auf den Neurowissenschaftler Jerry Lettvin zurück, der in den 60er Jahren des vergangenen Jahrhunderts mit einer “Großmutter-Zelle” Aufsehen erregt hatte. Danach könne ein einzelnes Neuron die Erinnerung an einen Menschen, in diesem Fall eine Großmutter, speichern. Diese Vorstellung wurde als zu vereinfachend abgelehnt.

“Wir brauchen jetzt moderne molekulare Methoden, um herauszufinden, wie das Gehirn arbeitet”, sagte Dr. Koch vor dem Hintergrund der neuesten Erkenntnisse. “Aber diese Forschung wird nicht einfach sein, das sie größere Gehirnoperationen nötig macht”. Hinzu komme, dass es praktisch sehr schwer ist, in großangelegten Studien jedes einzelne Neuron zu untersuchen.

Zweifelsohne wird diese Forschung weitreichende Auswirkungen haben. Diese einzelnen Nervenzellen könnten unter Umständen am Gedächtnis beteiligt sein. Dr. Koch will jetzt zunächst herausfinden, auf wieviele verschíedene Bilder ein Neuron reagieren kann und wie diese speziellen Nervenzellen organisiert sind.

Kommentar:
Wenn bereits einzelne Nervenzellen denken können und möglicherweise sogar primäres Bewusstsein zeigen, dann unterstützt das die Theorie,
dass Bewusstsein unabhängig vom Gehirn existiert. Mehr dazu im Sachbuch mit dem Titel “Unsterbliches Bewusstsein” ISBN 978-3-837-04351-8