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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)

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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)

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Bahnbrechende Messungen zur Entstehung von Bewusstsein

Video: Was ist Bewusstsein?

Mitte der 1990er Jahre haben die Forscher Stanislas Dehaene und Jean-Pierre Changeux einen theoretischen und experimentellen Ansatz zum Verständnis der biologischen Prozesse des Zugangs zum menschlichen Bewusstsein entwickelt. Ihre auf dem Gebiet der Neurowissenschaften bahnbrechenden Arbeiten ermöglichten es ihnen, die neuronale Aktivität der bewussten Informationsverarbeitung objektiv zu messen.

Versuchsmodell zur Bewusstseinsbildung.

Zur Messung der neuronalen Aktivität bei der Bewusstseinsbildung haben die Forscher ein Versuchsmodell entwickelt, das auf einer einfachen Idee basiert: Der Vergleich der Hirnaktivität bei der bewussten und der unbewussten Informationsverarbeitung. Einem Patienten wurden während einer schnellen Abfolge von Bildern geschriebene Wörter gezeigt. Durch die Variation der Bedingungen der Bilder-Präsentation ist die Versuchsperson in der Lage, oder auch nicht, das geschriebene Wort wiederzugeben. Konnte sie sich erinnern, so ist dies auf eine bewusste Verarbeitung zurückzuführen. Konnte sie es nicht, wurde das Wort nicht bewusst wahrgenommen. Die Forscher konnten aufzeigen, dass das Wort dennoch vom Gehirn verarbeitet wurde, wenn auch nur in unterschwelliger bzw. unbewusster Form. Bei jeder neuen Versuchsanordnung wurde die neuronale Aktivität in unterschiedlichen Hirnregionen des Patienten mit Hilfe verschiedener Verfahren gemessen. So war es möglich, die neuronalen Aktivitäten bei der bewussten und der unbewussten Verarbeitung des gleichen Reizes objektiv zu vergleichen. Durch die Fortsetzung dieser Arbeiten mit neuen Methoden zur Erfassung der Gehirnaktivität war es möglich, die Abfolge der Abläufe im Gehirn während der Bewusstseinsbildung zu erfassen. Die ersten Hirnareale, die sowohl bei der bewussten als auch bei der unbewussten Informationsverarbeitung aktiviert werden, sind der visuelle Kortex und insbesondere die Areale, die bei der Erkennung geschriebener Wörter beansprucht werden. Bei der bewussten Verarbeitung (200 – 400 Millisekunden nach der Präsentation des Wortes) wird ein großes Hirnareal – darunter der präfrontale Kortex – von einer enormen elektrischen Welle überflutet. Nach Angaben der Forscher synchronisiert sich dieses Areal während der Bewusstseinsbildung durch Neuronen, die über lange Axone eng miteinander verbunden sind.

Zugang zum Bewusstsein.

Laut Stanislas Dehaene und Jean-Pierre Changeux bietet dieser letzte Schritt den Zugang zum Bewusstsein. Sie sind davon überzeugt, dass diese Anregung des präfrontalen Netzwerks und die Synchronisierung der Neuronen in diesen Arealen nur ausgelöst werden können, wenn ein Mindestmaß an Aktivität in den vorangegangenen Schritten erreicht wurde.
Bewusstsein wäre demzufolge die Bereitstellung von Informationen in einem “neuronalen Arbeitsbereich”, der es dem Signal ermöglicht, in das Langzeitgedächtnis überzugehen.
Diese Theorien von Jean-Pierre Changeux und Stanislas Dehaene ermöglichen die Interpretation verschiedener klinischer Zustände, bei denen der Zugang zum Bewusstsein verändert oder verhindert wurde, wie zum Beispiel bei einer Vollnarkose, durch Koma oder psychiatrische Erkrankungen wie Schizophrenie. (Quelle: Pressemitteilung der CEA – 31/05/2010 via idw)

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Emergenz: Komplexität bestimmt die Welt

Video: Einführungsveranstaltung zur Ringvorlesung “Die Welt des Komplexen: Emergenz, Evolution und Kausalität” am 23.10.2007

FRANKFURT. Komplexität zieht sich als Leitmotiv durch nahezu alle heutigen Naturwissenschaften und gewinnt zunehmend an Bedeutung. Am Anfang der wissenschaftlichen Revolution der Neuzeit stand das Bestreben, das Naturgeschehen durch wenige und möglichst einfache Gesetzmäßigkeiten erfassen und verstehen zu können.

Dieses Programm im Sinne des Reduktionismus war von spektakulären Erfolgen gekrönt und hat die Welt entscheidend verändert. Die Suche nach fundamentalen Bausteinen und Gesetzmäßigkeiten hat auch heute nichts von ihrer Bedeutung verloren. Dennoch ist nicht zu übersehen, dass die real existierenden Objekte der Naturbeschreibung in der Regel alles andere als einfach sind. Nahezu überall stößt man auf komplexe Systeme, die sich aus miteinander wechselwirkenden Subeinheiten zusammensetzen und bei denen das Ganze mehr ist, als die Summe seiner Teile. Das Verständnis derartiger komplexer Systeme, charakterisiert durch Begriffe wie Strukturbildung, Selbstorganisation und Emergenz neuer Eigenschaften, gehört zu den zentralen Herausforderungen an die modernen Wissenschaften.

Die Biologie steht vor der Herausforderung, die Funktion und die Organisationsprinzipien der aus Evolutionsprozessen hervorgegangenen komplexen Systeme im lebenden Organismus aufzuklären. Dies gilt für die Funktion einzelner Biomoleküle oder Molekülkomplexe und für molekulare Netzwerke und Regelkreise innerhalb der Zelle (metabolische und Proteom-Genom-Netzwerke), für das Zusammenspiel von Zellen in Organen oder für das Immunsystem.

In den Neurowissenschaften steht das wohl komplexeste in der Natur existierende System im Zentrum der Untersuchungen, das Gehirn. Die Analyse des Aufbaus und der Funktionsprinzipien der riesigen, eng verflochtenen Netze von Neuronen im Gehirn, die letztlich für die kognitiven, mentalen und psychischen Prozesse bei Mensch und Tier verantwortlich sind, macht rapide Forschritte, wenn auch der Weg zu einem detaillierten Verständnis noch sehr weit ist.

In der Physik, die als erste der Naturwissenschaften den Weg zu einem quantitativen und theoretisch-mathematisch fundierten Verständnis beschritten hat, standen zunächst einfache, gut analysierbare Teilsysteme im Vordergrund. Spätestens mit der Entwicklung der nichtlinearen Dynamik und der Chaostheorie im 20. Jahrhundert wurde jedoch auch hier die Rolle der Komplexität klar. Das gilt für fast alle Vielteilchensysteme, ja selbst das Vakuum weist im Rahmen der Quantentheorie Züge großer Komplexität auf.

Die Rolle der Komplexität in der Chemie folgt schon aus ihrer Verankerung in der Physik, da chemische Moleküle Paradebeispiele für Vielteilchensysteme darstellen. Struktur, Funktion und Dynamik großer Makromoleküle sind im Grenzbereich zwischen Chemie, Physik und Biologie angesiedelte Fragestellungen. Von den supramolekularen chemischen Strukturen, die die Grundlage vieler Prozesse in der lebenden Zelle bilden, gibt es einen nahtlosen Übergang zum aktuellen Gebiet der atomaren Cluster und Nanostrukturen mit großem technischem Anwendungspotenzial. Quelle: idw
Mehr zum Thema:
Emergenz: Strukturen der Selbstorganisation in Natur und Technik

Elektronen auf frischer Tat beim Tunneln ertappt

Was sich wie ein Delikt anhört, nämlich das »Tunneln« ist ein ganz normaler quantenphysikalischer Vorgang. Erstmals ist es nun gelungen Elektronen live zu beobachten, wie sie die Atome verließen, von denen sie gefangen gehalten wurden (Heraustunneln).

Der Tunneleffekt erklärt unter anderem, wie es zur Kernfusion in der Sonne kommt oder auch die Funktionsweise des Raster-Tunnelmikroskops, mit dem man bis zu 100-Millionenfach vergrößern kann. Der Fernsehprofessor der Physik, Harald Lesch, demonstriert in der Bildungssendung Alpha Centauri eindrucksvoll, was es mit diesem Phänomen »Tunneleffekt« auf sich hat. Zu Beginn schwebt er durch die Tafelwand der Fernsehkulisse, so wie ein Geist, den keine Barriere von einem Spuk abhalten kann. Gleich darauf nimmt er wieder eine feste Gestalt an und erklärt, dass der Zuschauer seine Vorführung mit Vorsicht genießen soll. Mit dieser Warnung hat er wohl recht. Denn wenn ein Zuschauer es ihm gleich tun wollte, würde er nur Beulen und blaue Flecke davontragen. Die Wahrscheinlichkeit, dass Menschen durch Wände gehen können, ist verschwindend gering. Nur mikroskopischen Quantenobjekten wie Elektronen oder Protonen gelingt dieses Kunststück mit deutlich höherer Wahrscheinlichkeit.

Man kann den Effekt am Beispiel einer Kugel erklären, die ein Mensch mit Schwung einen Hügel hochrollen lässt. Wenn die Energie, welche der Kugel mitgegeben wird, nicht genügt, rollt die Kugel immer wieder zurück, anstatt die Kuppe zu überwinden und ins nächste Tal zu gelangen. In der Quantenphysik besteht dagegen für Quantenobjekte die Möglichkeit den Potentialwall, wie der Hügel genannt wird, zu durchtunneln. In einem Augenblick befindet sich das Quantenobjekt noch vor dem Potentialwall und im nächsten Augenblick schon dahinter im nächsten Tal. Es ist ein sprunghafter Übergang ohne Zwischenzustände.

Heraustunneln von Elektronen aus Atomen

Noch niemand konnte bisher das Quanten-Tunneln in Echtzeit beobachten. Dieses Kunststück ist nun Physikern des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik gelungen. Sie haben das Heraustunneln von Elektronen aus einem Atom erstmals in live verfolgt. Die elektrischen Kräfte innerhalb eines Atoms halten normalerweise jene Elektronen fest, die sich in seinem Inneren aufhalten. Die Kräfte bilden den Potentialwall, den es zu überwinden gilt, wenn sich ein Elektron aus dem Atom herauslösen soll.

Der Trick der Max-Planck-Physiker bestand darin, mit Hilfe von Attosekunden-Laserblitzen die Elektronen näher an den Rand ihres Atomgefängnisses zu bringen. Eine Attosekunde ist milliardster Teil einer milliardstel Sekunde und damit unvorstellbar kurz. Der Laserblitz vergrößert die Wahrscheinlichkeit, dass die Elektronen aus ihrem Atomgefängnis entkommen können. Und tatsächlich, nach einem zweiten Laserblitz, der die Breite des Potentialwalls ein wenig verringerte, nutzen die Elektronen die Gelegenheit, um herauszutunneln.

Atome, denen ein Elektron fehlt, sind positiv geladen. Als die Physiker im Anschluss an das Experiment die positiv geladenen Atome zählten, waren sie nicht schlecht überrascht, dass zahlreiche Elektronen entkommen waren. Noch interessanter ist aber die Feststellung, dass der Zeitbedarf für das Heraustunneln praktisch kaum messbar ist, sodass die Physiker annehmen, der Tunnelprozess benötige überhaupt keine Zeit. Die Erkenntnisse sollen helfen, bessere Röntgenlaser für die medizinische Therapie zu entwickeln.

Tunneleffekt und Hirnforschung

In der Hirnforschung kann das quantenmechanische Tunneln möglicherweise eine Erklärung für die Geschwindigkeit von bewussten Denkprozessen liefern. Die einzelnen Neuronen des Gehirns werden durch Schnittstellen verbunden, die Synapsen heißen. Diese besitzen einen winzigen Spalt, der überwunden werden muss, wenn ein Signal von Neuron zu Neuron übertragen werden soll. Die herkömmliche Theorie besagt nun, dass zur Übertragung von Signalen an den Synapsen, das ursprünglich elektrische Signal in ein chemisches umgewandelt werden muss. Die Theorie kann aber nicht die Geschwindigkeit von bewussten Denkprozessen erklären. Wie jeder weiß, der schon mal einen Akku am Stromnetz geladen hat, benötigt die Umwandlung von elektrischer Energie in chemische erhebliche Zeit. Würde die herkömmliche Theorie stimmen, müsste Denken schneckengleich langsam sein. Weil das der Erfahrung widerspricht, nehmen einige Hirnforscher an, dass der extrem schnelle quantenmechanische Tunneleffekt zur Überwindung des synaptischen Spalts eine Rolle spielt. Sollte man das experimentell bestätigen können, hätte man gleichzeitig eine Verbindung von Bewusstsein zur Welt der Quanten mit all ihren seltsamen Phänomenen gefunden. – Klaus-Dieter Sedlacek

Der Autor ist Verfasser des Buchs mit dem Titel »Unsterbliches Bewusstsein, Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen« in dem aufgrund quantenphysikalischer Phänomene die Existenz von Bewusstsein auch außerhalb des Gehirns nachgewiesen wird.

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

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

Wie ein Magnetresonanztomograph (MRT) unsere geheimsten Gedanken verrät

Wissen Sie was ein MRT kann? Hier jetzt ein Bericht, wie er unsere geheimsten Gedanken verrät!

München – Mit einem Magnetresonanztomographen (MRT) blicken Forscher von Siemens und der Harvard-Universität ins menschliche Gehirn und schauen ihm beim Denken zu. Die Psychologen erkennen dadurch, wie die Nervenzellen des Gehirns während des Sehpro­zesses arbeiten. Allgemein zeigten Wahrnehmungsexperimente, dass das Gehirn optische Signale sehr wohl registriert, obwohl sie dem Bewusstsein nicht zugänglich sind. Die Forscher bewiesen nun, dass es einen Informationsfluss zwischen Gehirnzellen und Augen gibt, der dem Bewusstsein verborgen bleibt, wie sie in der renommierten Zeitschrift Psychological Science schreiben. Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) betrachtet den Stoffwechsel im Gehirn und erstellt durch Überlagerung mit den Bildern eines MRT-Geräts eine Karte erhöhter Aktivität. Feuernde Neuronen brauchen mehr Sauerstoff, deshalb fließt in aktive Areale mehr Blut. Hier erhöht sich die Konzentration von sauerstoffreichem gegenüber sauerstoffarmem Blut, was sich im MRT als Signaländerung bemerkbar macht. Die eigentliche Messgröße ist das Eisen im Hämoglobin der roten Blutkörperchen.

Bei den Experimenten zeigten die Forscher von Siemens Corporate Research in Princeton im US-Staat New Jersey und der Harvard-Universität ihren im MRT liegenden Versuchspersonen für kurze Zeit einfache Muster und überlagerten die Sinneseindrücke mit weiteren kurzen optischen Reizen. In den Bildern des MRT war unabhängig von den Aussagen der Versuchspersonen ihre tatsächliche Wahrnehmung in bestimmten Gehirnarealen abzulesen. Die räumliche Auflösung des Siemens-MRT mit drei Tesla Magnetfeldstärke beträgt dabei etwa einen Kubikmillimeter.

Die fMRT ist in jüngster Vergangenheit ins Blickfeld gerückt, weil mit Hilfe der Technik neue Lügendetektoren auf den Markt kommen sollen. Die Siemens-Forschungen sind bislang reine Grundlagenforschung, eröffnen aber eine Perspektive für handfeste Anwendungen. Bewusste Falschaussagen von Testpersonen wären durch Vergleiche von fMRT-Bildern objektiv überprüfbar. Siemens-Entwicklungen könnten auf vielfältige Weise von dem präzisen Blick ins Gehirn profitieren. Weil mit fMRT überprüft werden kann, welche Entscheidungen Menschen treffen und auch Aussagen gemacht werden können, wie sie sich dabei fühlen, könnten solche Studien helfen, bessere Hörgeräte zu konstruieren. Ältere Personen haben oft Schwierigkeiten, sich an die Sinneseindrücke mit einem neuen Hörgerät zu gewöhnen, jüngeren Menschen fällt das dagegen leichter. Mit fMRT ließe sich klären, ob dabei Wahrnehmungsphänomene im Gehirn eine Rolle spielen oder physiologische Faktoren, die sich mit dem Alter ändern.
Quelle: pressetext.de

Kommentar:
Auch wenn man dem Gehirn beim Denken zuschauen kann, bedeutet das nicht, dass es der Ursprung des Bewusstseins ist.
Bewusstsein existiert vielmehr unabhängig vom Gehirn. Dies wird im Sachbuch mit dem Titel “Unsterbliches Bewusstsein” bewiesen. ISBN 978-3-837-04351-8 (Neuerscheinung Juli 2008).

Link: Gedankenlesen per Gehirnscan