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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

Sicherung der kulturellen Identität durch Religion?

Erkenntnis statt Sünde. Bild: Sedlacek
Erkenntnis statt Sünde. Bild: Sedlacek

Führende deutsche Journalisten halten Ideologiekritik an den christlichen Kirchen mehrheitlich für überholt. „Die meisten Meinungsmacher sehen eine kulturelle Renaissance der christlichen Religion – in Abgrenzung zum Islam“.

Die befragten Chefredakteure und Kommentatoren betrachten das Christentum, laut einer neuen Studie, unabhängig von ihrer eigenen Religiosität, als legitime Kraft zur Sicherung der öffentlichen Moral und der gesellschaftlichen Integration.

Bis Ende der 1990er Jahre sei unter Journalisten und Intellektuellen eine ideologische Abwertung des Christentums „als Hemmschuh der Moderne oder als Aberglauben“ verbreitet gewesen, schreiben die Autoren der Studie, die Soziologin Dr. habil. Christel Gärtner und die Theologen und Sozialethiker Prof. Dr. Karl Gabriel und Prof. Dr. Hans-Richard Reuter. „Die Kirchen wurden als gesellschaftliche Randerscheinung betrachtet. Diese Haltung ist unter Meinungsmachern nicht mehr zu finden. Sie sehen die Kirchen als wesentliche zivilgesellschaftliche Kraft in einer Situation des Umbruchs.“

Durch die Globalisierung, die wachsende Vielfalt der Religionen und einen radikalisierten Islam sei viel Verunsicherung entstanden, so die Wissenschaftler: „Aus Sicht der Journalisten können die Kirchen Orientierung geben, indem sie helfen, die eigene religiös-kulturelle Identität zu stärken“.

Religion und Gewalt

Die Autoren haben für die qualitative Studie anonymisierte Interviews mit 18 Chefredakteuren und Ressortleitern von überregionalen Printmedien sowie TV und Radio geführt. Sie befragten sie detailliert über den Nachrichtenwert von Religion, über Gründe für die Zunahme der Berichterstattung sowie über die eigenen religiösen und normativen Orientierungsmuster. Die Daten wurden 2007 erhoben, als die medial breit vermittelte Papstwahl noch stark im Bewusstsein war, und vor Beginn des Missbrauchsskandals in der Kirche. „An den gesellschaftlichen und religionspolitischen Umständen hat sich aber wenig geändert.“

Die befragten Journalisten sehen das Thema Religion auch im Zusammenhang mit religiös motivierter Gewalt und politischen Konflikten, wie die Befragung ergab. Daraus leiten sie einen hohen Nachrichtenwert für die Berichterstattung ab. Als Zäsur betrachten die Medienmacher die Attentate des 11. Septembers 2001. „Wenn Religion unter führenden Journalisten negativ bewertet wird, betrifft das also vornehmlich den Islam“, schreiben die Autoren.

Die Chefredakteure messen der Religion im Mediengeschehen keine Sonderstellung bei, wie aus den Interviews hervorgeht. Vielmehr folge die Berichterstattung üblichen journalistischen Auswahlkriterien wie Neuigkeit, Nähe, Konflikt und Tragweite. Letzteres Kriterium führt der Studie zufolge dazu, dass Medien vor allem über Religion als Massenphänomen in kirchlichen Kontexten berichten, „weil Millionen von Menschen den Kirchen angehören und kirchliche Feste ihren Jahreskreis strukturieren“. Der in den 1980er Jahren üblichen Berichterstattung über eine frei flottierende, nicht-institutionalisierte Religiosität, etwa über Esoterik, messen die befragten Journalisten kaum Bedeutung zu.

Die persönliche Religiosität der Befragten ähnelt den Mustern, die die Journalisten für die Berichterstattung formulieren: Die neue religiöse Vielfalt mit einem großen muslimischen Bevölkerungsanteil motiviert sie, die Wurzeln der eigenen Kultur im Christentum zu suchen und sich der eigenen kulturellen Identität zu vergewissern. „Diese sehen die Meinungsmacher in einer geglückten Verbindung aus Christentum, Humanismus und Aufklärung“, schreiben die Autoren. „Für eine solche Verbindung machen sie im Islam im Unterschied zum Christentum prinzipielle Hindernisse aus.“ (vvm) (Quelle: idw)

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Weltrekord: Quantenteleportation über große Distanzen

Quantenteleportationsexperiment hat neuen Distanzrekord erzielt Foto IQOQI-Vienna

Physiker der Universität Wien und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften haben mit einem Quantenteleportations-Experiment zwischen zwei kanarischen Inseln einen neuen Distanzrekord erzielt. Das Experiment ist ein wesentlicher Schritt in Richtung Satelliten-basierte Quantenkommunikation. Die Ergebnisse erscheinen aktuell im renommierten Fachmagazin “Nature” (Advance Online Publication/AOP).

Ein Team um Anton Zeilinger, Professor an der Universität Wien und Direktor des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation der Akademie der Wissenschaften (ÖAW), hat erfolgreich Quantenzustände über eine Distanz von 143 km von La Palma nach Teneriffa übertragen. Dies entspricht der Luftlinie zwischen Wien und Graz. Der alte Rekord, aufgestellt von Forschern in China, lag bei 97 km und war gerade erst ein paar Monate alt. Die Ergebnisse des internationalen Forscherteams sind aktuell in der internationalen Fachzeitschrift “Nature” veröffentlicht worden.

Dem Quanteninternet einen Schritt näher

Den Wissenschaftern ging es aber nicht primär um diesen Rekord: Ihre Experimente ermöglichen eine höhere Datenrate als das chinesische Experiment und könnten damit die Grundlage für ein weltumspannendes Informationsnetzwerk schaffen, in welchem es quantenmechanische Effekte ermöglichen, Nachrichten mit größerer Sicherheit auszutauschen und bestimmte Berechnungen effizienter durchzuführen als dies mit konventionellen Technologien möglich ist. In einem solchen zukünftigen “Quanteninternet” wird die Quantenteleportation ein zentrales Protokoll für die Übermittlung von Information zwischen Quantencomputern sein.

In einem Quantenteleportations-Experiment können Quantenzustände – nicht aber Materie – zwischen zwei Parteien über an sich beliebige Distanzen ausgetauscht werden. Der Prozess funktioniert selbst wenn der Ort des Empfängers nicht bekannt ist. Ein solcher Austausch kann entweder dem Übermitteln von Nachrichten dienen, oder in künftigen Quantencomputern eingesetzt werden. In solchen Anwendungen müssen jedoch die Lichtquanten (oder Photonen), welche die Quantenzustände kodieren, zuverlässig über weite Distanzen transportiert werden, ohne dass ihr empfindlicher Quantenzustand zerstört wird. Das Experiment der Wiener Physiker, in welchem sie eine für Teleportation taugliche Quantenverbindung über deutlich mehr als 100 km hergestellt haben, eröffnet nun neue Horizonte.

Quantenteleportation über große Distanz nun möglich

Xiao-Song Ma, einer der verantwortlichen Mitarbeiter dieser Studie erklärt: “Eine Quantenteleportation über eine Distanz von 143 km durchzuführen war eine enorme technische Herausforderung”. Die Photonen mussten direkt durch die turbulente Atmosphäre zwischen den beiden Inseln geschickt werden. Der Einsatz von Glasfasern für Teleportations-Experimente ist über diese Distanzen nicht möglich – der Signalverlust wäre zu groß. Um ihr Ziel zu erreichen, mussten die Wissenschafter eine ganze Reihe von technischen Innovationen aufbieten. Unterstützung haben die Wiener Physiker dabei von einer Theoriegruppe am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching (D) und von einer experimentellen Gruppe an der University of Waterloo (Kanada) erhalten. “Ein entscheidender Schritt zu unserer erfolgreichen Teleportation war eine Methode namens ‘Active Feed-Forward’, die wir zum ersten Mal in einem solchen Langstreckexperiment eingesetzt haben und dank der wir die Übertragungsrate verdoppeln konnten”, sagt Ma. Dabei werden parallel zur Quanteninformation konventionelle Daten geschickt, die es dem Empfänger wesentlich erleichtern, die transferierte Information zu entschlüsseln.

Nächster Schritt: Quantensatellit für weltumspannendes Experiment

“Unser Experiment zeigt, wie reif ‘Quantentechnologien’ heutzutage sind und wie nützlich sie für praktische Anwendungen sein können”, so Anton Zeilinger. Sein Blick ist nun nach oben gerichtet: “Der nächste Schritt ist Satelliten-basierte Quantenteleportation, womit dann Quantenkommunikation auf einer globalen Skala realisierbar sein sollte. Wir haben nun einen großen Schritt in diese Richtung genommen und werden unser Know-how in eine internationale Kooperation einbringen, an welcher auch unsere Kollegen von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften beteiligt sind. Das Ziel ist, einen gemeinsamen Quantensatelliten ins All zu schießen.”

Rupert Ursin, der seit 2002 mit Zeilinger an Langstreckenexperimenten arbeitet, ergänzt: “Hinsichtlich zukünftiger Experimente in denen wir entweder Signale zwischen der Erde und Satelliten austauschen oder von einem Satelliten zu einem anderen schicken werden, sind unsere neuesten Resultate sehr ermutigend.” Die Umlaufbahnen von Satelliten im sogenannten “Low-Earth Orbit” verlaufen zwischen 200 bis 1200 km über der Erdoberfläche. (Die Internationale Raumstation ISS, zum Beispiel, kreist in einer Höhe von rund 400 km.) “Auf dem Weg durch die Atmosphäre von La Palma nach Teneriffa sind unsere Signale um ein rund Tausendfaches abgeschwächt worden. Trotzdem haben wir es geschafft, ein Teleportations-Experiment durchzuführen. In Satelliten-basierten Experimenten werden die Strecken, die wir zurücklegen müssen, zwar länger sein, aber es wird weniger Atmosphäre zu durchqueren sein. Wir haben nun eine grundsolide Basis für solche Experimente geschaffen.” (Quelle: idw; Foto: IQOQI/Vienna – Quantenteleportationsexperiment hat neuen Distanzrekord erzielt)

Buchtipp:
Der Widerhall des Urknalls: Spuren einer allumfassenden transzendenten Realität jenseits von Raum und Zeit

Sind Dampfquellen die Wiege des Lebens?

»Die ersten Funken zellulären Lebens sind auf dem Festland entstanden, und zwar in Teichen oder Seen aus kondensiertem geothermalem Dampf«, davon ist Dr. Armen Mulkidjanian, Biophysiker am Fachbereich Physik der Universität Osnabrück, überzeugt. »Damit wird die bislang weithin verbreitete Ansicht widerlegt, das Leben sei im Ozean entstanden«, fasst der Osnabrücker Wissenschaftler eine Studie zusammen (https://www.pnas.org/).

Die heutige Wissenschaft lässt kein Zweifel daran, dass alle zellulären Organismen einen gemeinsamen Ursprung haben. Die neue Disziplin »Vergleichende Genomik« (Comparative Genomics), analysiert ganze Genome und nicht nur einzelne Gene. »Der Vergleich von Hunderten bereits entschlüsselter Genome hat einen Satz von ca. 60 essentiellen Genen aufgedeckt, die in allen zellulären Organismen vorhanden sind«, so der Osnabrücker Biophysiker. »Diese Gene waren definitiv Bestandteil des Genoms des letzten gemeinsamen Vorfahren von allem zellulären Leben.«

Mulkidjanian und seine Kollegen haben nun geprüft, welche anorganischen Ionen für die durch die allgegenwärtigen Gene kodierten Proteine, die in den ersten Zellen mit Sicherheit anwesend waren, funktionell oder strukturell wichtig sind. Kalium ist funktionell wichtig für mehrere dieser Proteine, während Natrium von keinem dieser Proteine benötigt wird.  Diese Ergebnisse stimmen mit der Tatsache überein, dass alle Zellen mehr Kalium als Natrium enthalten. Es ist auch bekannt, dass nicht die absolute Menge an Kalium und Natrium für das Funktionieren einer Zelle wichtig ist, sondern deren relatives Verhältnis.

Die anorganische Zusammensetzung des Inneren der Zellen (des Zytoplasmas) ist dementsprechend in allen Organismen annähernd ähnlich. Daher repräsentiert diese Ähnlichkeit die »innere« Chemie der ersten Zellen. Da die ersten Zellen mit aller Wahrscheinlichkeit undichte oder sogar durchlässige Zell-Hüllen (Membranen) hatten, reflektiert die anorganische Zusammensetzung der allgegenwärtigen Proteine nicht nur die innere Chemie der ersten Zellen, sondern auch die Geologie der Habitate in denen diese lebten«, erläutert der Osnabrücker Biophysiker.

Die ursprünglichen Zutaten für die Entstehung der ersten Zellen waren nie in der richtigen Zusammensetzung im Ozean vorhanden. Die heutige Geologie geht fest davon aus, dass im Meer von Anfang an Natrium gegenüber Kalium vorherrschte. In Proben von Meerwasser, das in 3,5 Milliarden Jahre alten Gesteinen gefangen war, findet man vierzig Mal mehr Natrium als Kalium, genau wie in modernen Ozeanen. Übergangsmetalle, wie Zink, waren ebenfalls nie in großen Konzentrationen in Ozeanen vorhanden.

»Die Brutstätten der ersten Zellen waren daher aller Wahrscheinlichkeit nach auf dem Land, wo aktive geothermale Prozesse chemisch reiche Gase und Dämpfe aus dem Erdinneren auf das junge Festland beförderten«, erklärt Mulkidjanian. Der Dampf kondensierte zu langlebigen urzeitlichen Seen, die zur chemischen Katalyse fähige Mineralien enthielten. Auf den heutigen geothermalen Feldern, zum Beispiel auf der Kamtschatka-Halbinsel oder im Yellowstone Nationalpark (USA), die als Modelle von urzeitlichen geothermalen Systemen dienen, enthält das Dampfkondensat mehr Kalium als Natrium und erhebliche Mengen an Phosphat und Übergangsmetallen.

Unter der ursprünglich sauerstofffreien Atmosphäre entsprach die chemische Zusammensetzung der mit Dampfkondensat gefüllter Seen, so die Autoren, fast genau der anorganischen Chemie heutiger Zellen. Daher bildeten die ursprünglichen geothermalen Felder, wo ebenfalls Sonnenlicht als Energie-Quelle vorhanden war, den natürlichen Startpunkt für die Evolution der essentiellen biochemischen Prozesse des heutigen Lebens. Das vorgeschlagene Modell hat Ähnlichkeit mit Darwins Idee vom Lebensursprung in einem »kleinen warmen Teich«. Den Autoren nach ist das Leben auf dem Festland entstanden und hat erst nachträglich den Ozean bevölkert. (Quelle: idw)

Wissen Schimpansen um das Bewusstsein anderer?

Frei lebende Schimpansen warnen unwissende Gruppenmitglieder häufiger vor einer Gefahr als solche, die bereits alarmiert sind

Viele Tiere stoßen in Gegenwart von Raubtieren oder anderen Gefahren Alarmrufe aus. Dies geschieht häufiger bei Anwesenheit von verwandten oder befreundeten Tieren. Bisher gab es jedoch keine Belege dafür, dass Schimpansen dabei auch den Wissensstand anderer Gruppenmitglieder berücksichtigen. Jetzt haben Forscher am Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie in Leipzig und der University of St. Andrews in Großbritannien frei lebende Schimpansen in Uganda beobachtet und dabei herausgefunden, dass diese erkennen, wer über welches Wissen verfügt. Die Schimpansen gaben Alarmrufe zur Warnung vor einer Giftschlange häufiger in Gegenwart von unwissenden als in Gegenwart von bereits informierten Gruppenmitgliedern. Neue Informationen mit anderen zu teilen, ist ein wichtiger Schritt auf dem evolutiven Weg zur Sprache, den der gemeinsame Vorfahre von Mensch und Schimpanse vermutlich bereits vor sechs Millionen Jahren beschritten hat.

Verschiedene Studien zur “Theory of Mind”, dem Wissen um das Bewusstsein anderer, fanden bislang jedoch nur mit Zootieren statt und führten zum Teil zu kontroversen Ergebnissen. Meist war dabei unklar, ob Schimpansen die Aufgabe nicht lösen konnten oder diese nicht verstanden. Ein Problem, das bei frei lebenden Schimpansen in ihrem natürlichen Umfeld nicht besteht.

Catherine Crockford, Roman Wittig und Kollegen beobachten deshalb frei lebende Schimpansen im Budongo Wald in Uganda. Sie konfrontierten die Tiere mit Attrappen gefährlicher Giftschlangen, zwei Gabunvipern und einer Nashornviper. „Diese gut getarnten Schlangen liegen oft wochenlang am selben Fleck. Es lohnt sich also, wenn der Schimpanse, der sie entdeckt, seine Gruppenmitglieder vor der Gefahr warnt”, sagt Catherine Crockford, die an der University of St. Andrews forscht.

Die Forscher beobachteten das Verhalten von 33 verschiedenen Schimpansen, die jeweils eines von drei Schlangenmodellen gesehen hatten. Es zeigte sich, dass Alarmrufe häufiger dann ausgestoßen wurden, wenn der Rufer sich in der Gesellschaft von Gruppenmitgliedern befand, die die Schlange entweder selbst noch nicht gesehen oder frühere Warnrufe nicht gehört haben konnten. „Schimpansen scheinen den Wissensstand anderer zu berücksichtigen und stoßen freiwillig einen Warnruf aus, um die anderen über eine Gefahr zu informieren, von der sie nichts wissen“, sagt Roman Wittig vom Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie und der University of St. Andrews. „Gruppenmitglieder, die die Gefahr bereits kannten, wurden seltener informiert“.

Diese Studie belegt erstmals, dass Alarmrufe nicht nur absichtlich, sondern auch häufiger ausgestoßen werden, wenn sich die Zuhörer der Gefahr nicht bewusst sind. „Schimpansen verstehen offenbar, dass sie etwas wissen, was ihr Gegenüber nicht weiß. Sie verstehen ebenfalls, dass sie den anderen informieren können, indem sie eine ganz bestimmte Lautäußerung von sich geben“, so Wittig. Einigen Wissenschaftlern zufolge ist die Fähigkeit zum Bereitstellen von fehlenden Informationen an andere Gruppenmitglieder ein wichtiger Schritt während der Evolution von Sprache: Warum sollte man jemanden über etwas informieren, wenn man nicht vorher erkannt hat, dass derjenige diese Information benötigt? Bisher war nicht klar, wann in der Evolution der Affenartigen (Hominoiden) oder der Menschenartigen (Hominiden) dieser wichtige Schritt gegangen wurde. Der gemeinsame Vorfahre von Mensch und Schimpanse könne diesen Weg möglicherweise vor 6 Millionen Jahren beschritten haben, wie die aktuelle Studie zeigt. (Quelle: idw).

Originalveröffentlichung:
Catherine Crockford, Roman M. Wittig, Roger Mundry, and Klaus Zuberbühler
Wild Chimpanzees Inform Ignorant Group Members of Danger
Current Biology, December 29, 2011

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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

Roboter erobern die Haushalte

Foto cc-by-sa Manfred Werner - Tsui.jpg

In den nächsten Jahren werden Haushaltsroboter und automatisierte Lösungen für ältere Menschen zunehmend in die Haushalte einziehen und auch Pflegeaufgaben übernehmen. Deutschland eröffnen sich hierdurch aufgrund seiner guten Position in der Industrierobotik und Automation sowie anderen Basistechnologien große Potentiale auf dem Weltmarkt.

Dies sind Ergebnisse der neuen VDE-Studie „Mein Freund der Roboter“, die der Verband in München vorstellte. „Unsere Experten erwarten im Bereich Servicerobotik attraktive ökonomische Wachstumsraten, die zu neuen Arbeitsplätzen führen“, so VDE-Präsidiumsmitglied Dr.-Ing. Kurt Bettenhausen. Zum anderen trügen Serviceroboter dazu bei, die Herausforderungen des demografischen Wandels erfolgreich zu meistern und die Lücke zwischen einer kontinuierlich alternden Bevölkerung, einer rückläufigen Erwerbsbevölkerung und einem Mangel an Pflegekräften zu schließen.

Vor allem im Bereich der Rehabilitationsrobotik, wie zum Beispiel intelligente Rollstühle, kleine Roboterarme oder neuartige Beinprothesen erwartet der VDE in naher Zukunft große Fortschritte. Sie ermöglichen es heute schon alten, kranken oder behinderten Menschen, verlorene Mobilität und Selbständigkeit zurückzugewinnen. Einen kommenden Boom sieht der Verband in der Entwicklung von menschenähnlichen Robotern (Humanoide) als Haushaltshelfer für komplexe Aufgaben oder als persönlicher Assistent für ältere Menschen. „Bisher haben nur wenige Firmen in Japan, Korea und China erste humanoide Roboter auf den Markt gebracht. Wir erwarten jedoch für die nächsten zehn Jahre erhebliche Zuwachsraten in diesem Segment“, so Bettenhausen weiter. Gegenwärtig stammen zahlreiche Serviceroboter für den Privatbereich aus Asien.

Senioren ziehen Roboter dem Altenheim vor
Roboter sollen, so die Vision, gemeinsam mit den älteren Menschen den Alltag bewältigen und sie dabei unterstützen, länger möglichst eigenständig zu leben. Aber werden Serviceroboter von Senioren überhaupt akzeptiert? Der VDE-Studie zufolge steht die Mehrheit der Senioren (56 Prozent) Servicerobotern positiv gegenüber. 50 Prozent der Pflegekräfte befürworten den Einsatz von Robotern im privaten Bereich. Am beliebtesten sind Haushaltsroboter wie Staubsauger- und Wischroboter, aber auch futuristische Anwendungsszenarien wie der „roboterisierte Rollstuhl“. Allerdings zeigt die VDE-Studie auch, dass das gesellschaftliche und technologiepolitische Bekenntnis zum „Freund Roboter“ noch nicht so klar ausfällt wie in asiatischen Ländern, etwa Südkorea oder Japan. So lehnen 40 Prozent der Senioren die Servicerobotik im Alltag spontan ab. 60 Prozent der befragten Senioren empfinden Robotik als „unheimlich“.

Der Wunsch nach einer selbständigen Lebensführung ist jedoch ein starker Faktor für die Akzeptanz. So erreichte das futuristische Anwendungsszenario „roboterisierter Rollstuhl“ einen der höchsten Rankingplätze, obwohl die Vorbehalte gegenüber Systemen, die direkt mit den Menschen kommunizieren, kooperieren oder sie sogar berühren, am stärksten ausgeprägt sind. Der Nutzen – Mobilität, Orientierung, Unabhängigkeit, Selbständigkeit, Schutz der Intimsphäre – wird in diesen Fällen höher bewertet als die damit verbundenen akzeptanzhemmenden Faktoren. Die überwiegende Mehrheit der Befragten würde einen Serviceroboter zu Hause der Alternative Altenheim vorziehen. Am beliebtesten sind Roboter, die abgrenzbare Tätigkeiten im Haushalt autonom erledigen, insbesondere Staubsauger- und Wischroboter. Im Mittelfeld liegen die Szenarien „gesundheitliches Monitoring“, „Fitness-Coach“ und „Kommunikation und Anregung“, gefolgt von Fensterputz-Robotern, Therapieanwendungen und humanoiden Haushaltsrobotern für komplexe Tätigkeiten. (Quelle: idw; Foto: cc-by-sa Manfred Werner – Tsui)

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Gehirn: Bewusstes und unbewusstes Erinnern sichtbar gemacht

fMRT Aktivitaeten
Was im Gedächtnis hängenbleibt, ist maßgeblich davon abhängig, auf welche Aspekte eines Ereignisses wir uns konzentrieren. Magdeburger Neurowissenschaftler konnten nun zwei Netzwerke im Gehirn identifizieren, die beim Lernen qualitativ unterschiedliche Merkmale einer Information abspeichern.

Ein Streit auf der Straße kann unsere Aufmerksamkeit auf verschiedene Aspekte der Szene lenken: Konzentriert man sich auf das, was dort geschrien wird, kann man sich später vermutlich an das Thema des Streit erinnern, vielleicht aber nicht an die Kleidung der Streitenden. Konzentriert man sich dagegen sehr auf das Aussehen, kann man später wohl eher Details über die Farbe der Kleidung als über den Inhalt des Streits wiedergeben. Erfolgreiches Erinnern hängt also immer auch davon ab, welcher Teil eines Gedächtnisinhaltes (z. B. oberflächliche oder inhaltliche Merkmale) aktuell von Bedeutung ist.

In der Studie an der Universitätsklinik für Neurologie wurde die Hirnaktivität von Probanden mittels funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) gemessen, während diese sich lange Wortlisten einprägten. Diese Lernphase wurde gefolgt von einem zweistufigen „Gedächtnistest“. Dabei blitzten sukzessive Wörter für nur extrem kurze Zeit (33-66 msec) auf dem Bildschirm auf, und die Probanden sollten zunächst versuchen, diese Wörter zu identifizieren. Danach sollte zudem angegeben werden, ob es sich bei dem eben gezeigten Wort um ein zuvor gelerntes oder um ein neues Wort handelt. Zuvor gelernte Wörter konnten wesentlich besser identifiziert werden als neue Wörter. Diesen Effekt bezeichnet man als implizites (unbewusstes) Gedächtnis, weil er unabhängig davon auftritt, ob sich die Probanden bewusst daran erinnern konnten, das entsprechende Wort zuvor gelernt zu haben (explizites oder bewusstes Gedächtnis). Gehirn: Bewusstes und unbewusstes Erinnern sichtbar gemacht weiterlesen

Wachsen uns verlorene Gliedmaßen bald nach?

Zebrafisch Foto: PD

Den molekularen Geheimnissen der Regeneration etwas mehr auf die Spur gekommen sind jetzt Forscher am DFG-Forschungszentrum für Regenerative Therapien Dresden (CRTD) und am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen. In der Fachzeitschrift Developmental Biology beschreiben sie die neu entdeckte Funktion des Zebrafisch-Gens fam53b/simplet (smp) in Bezug auf den Regenerationsprozess von Geweben. Das ist die Voraussetzung dafür, zu verstehen, wie sich Körpergewebe nach Verlust wieder neu bildet.

Während der Neubildung von Schwanzflossen beim Zebrafisch reguliert smp zum einen die Vermehrung von Zellen und zum anderen die Aktivierung von Genen. In vorangegangenen Studien ist bereits die Rolle von smp im Prozess der Zellvermehrung identifiziert worden. In der nun vorliegenden Studie haben die Dresdner und Tübinger Forscher erkannt, dass smp während der frühen Regeneration der Schwanzflosse und des Herzens aktiv wird und die Struktur (Patterning) des neu entstehenden Gewebes maßgeblich beeinflusst. “Die starke Vermehrung von Zellen und die Regulierung von Genen nach dem Verlust von Körperteilen ist Teil des natürlichen Regenerationsprozesses bei Organismen, die die Fähigkeit besitzen, ganze Körperteile wiederherzustellen”, so Christopher Antos. “Der Zebrafisch kann verschiedene Gewebe, wie beispielsweise Flossen und Herz nach Teilverlust vollständig regenerieren.” Dabei spielt smp eine wichtige Rolle: “Im Zebrafisch wird smp bei der Neubildung der Flossen und des Herzens ‘angeschaltet’. Allerdings wird durch die Unterdrückung dieses Gens der Regenerationsprozess verhindert”, so Antos.

In dieser Studie haben die Forscher auch zeigen können, dass smp zwei Gene (msxb und shh) kontrolliert, die während der Regeneration wichtig sind. So beeinflusst smp die Aktivierung dieser Gene beim Nachwachsen von Schwanzflossen des Zebrafisches. “Herausgefunden haben wir diesen Zusammenhang, indem wir smp in einem Versuch ‘ausgeschaltet’ haben. Danach wurden die Gene shh und msx vermehrt gebildet”, erklärt Dr. Antos. Da nicht nur die reine Menge von neuen Zellen bei der Wiederherstellung von Gewebe wichtig ist, untersuchten die Wissenschaftler auch die Aufgabe des Gens smp bei der Strukturbildung von neuen Körperteilen. Manche Fische mit verminderter Menge an smp bilden mehr Knochen während der Regeneration der Schwanzflosse, allerdings am falschen Ort. “Demnach ist smp sehr wichtig, um Körperteile nach Verlust wieder fehlerfrei nachwachsen zu lassen”, fasst Antos zusammen.

Lässt diese Entdeckung auch Rückschlüsse auf den Menschen zu? Es gibt in der Tat ein menschliches Gen, das dem Zebrafisch Gen smp sehr ähnlich ist. “Das Potential dieses Genes bei der Neubildung von menschlichen Geweben ist bis jetzt nicht erforscht”, sagt Christopher Antos. Durch die Identifikation weiterer molekularer Zusammenhänge bei der Regenerierung sind therapeutische Ansätze für die Neubildung von menschlichem Gewebe zukünftig durchaus denkbar.  (Quelle: idw)

Wie das Tempo der Evolution für Resistenzen sorgt.

Video: Genmutation

Max-Planck-Forscher messen erstmals, wie schnell sich das Erbgut verändert. Ihre Erkenntnisse erklären zum Beispiel, warum Unkrautvernichtungsmittel oft innerhalb weniger Jahre ihre Wirkung verlieren.

Mutationen sind das Rohmaterial der Evolution. Schon Charles Darwin hatte erkannt, dass Evolution nur funktionieren kann, wenn es vererbbare Unterschiede zwischen Individuen gibt: Wer besser an die Umwelt angepasst ist, hat größere Chancen, seine Gene weiterzugeben. Eine Art kann sich daher nur weiterentwickeln, wenn sich das Erbgut permanent durch neue Mutationen verändert und die jeweils vorteilhaftesten Veränderungen in der Selektion bestehen. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen haben nun erstmals direkt die Geschwindigkeit des Mutationsprozesses in Pflanzen gemessen. Ihre Erkenntnisse werfen ein neues Licht auf einen grundlegenden Vorgang der Evolution und erklären zum Beispiel, warum Unkrautvernichtungsmittel oft innerhalb weniger Jahre ihre Wirkung verlieren. (Science, 1. Januar 2010)

“Während die langfristigen Auswirkungen von Erbgutmutationen auf die Evolution gut verstanden sind, war bislang weitgehend unbekannt, wie schnell solche Veränderungen auftreten”, erläutert Studienleiter Detlef Weigel, Direktor am Max-Planck-Institut in Tübingen. So ist es gängige Praxis, das Erbgut verwandter Tier- und Pflanzenarten zu vergleichen. Mutationen aber, die in den Jahrmillionen seit der Trennung dieser Arten wieder verlorengegangen sind, bleiben dabei unberücksichtigt. Weigel und seine Mitarbeiter interessierten sich nun dafür, wie die Handschrift der Evolution aussieht, bevor die Selektion eingreift. Hierfür verfolgten sie die genetische Entwicklung von fünf Linien der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana über 30 Generationen hinweg. Im Erbgut der letzten Generation untersuchten sie dann, welche Unterschiede sich im Vergleich mit den Ausgangspflanzen ergeben hatten.

Wie der aufwändige Vergleich des gesamten Genoms ergab, waren in nur wenigen Jahren in jeder der fünf Linien im Durchschnitt 20 einzelne DNA-Bausteine – so genannte Basenpaare – verändert worden. “Die Wahrscheinlichkeit, mit der ein beliebiger Buchstabe des Genoms innerhalb einer Generation verändert wird, liegt demnach bei rund sieben Milliardsteln”, rechnet Detlef Weigel vor. Anders ausgedrückt, hat ein Keimling im Durchschnitt knapp eine Neumutation in jeder der beiden Erbgutkopien, die er jeweils von der mütterlichen und väterlichen Seite mitbekommen hat. Diese winzigen Veränderungen im rund 120 Millionen Basenpaare umfassenden Genom von Arabidopsis zu finden, vergleicht Weigel mit der sprichwörtlichen Suche nach der Nadel im Heuhaufen: “Die Mutationen aufzuspüren, war nur mithilfe neuer Methoden möglich, mit denen sich das komplette Erbgut einer Pflanze in kurzer Zeit erfassen lässt”. Dennoch war der Aufwand für die Experimente gewaltig: Um echte Neumutationen zuverlässig von Experimentierfehlern unterscheiden zu können, buchstabierten die Wissenschaftler jedes untersuchte Genom 30-mal vollständig durch.

Hohe Variabilität des Genoms

Angesichts der Genomgröße mag die Zahl der Neumutationen zunächst sehr gering erscheinen. Berücksichtigt man jedoch, dass dieser Prozess bei allen Individuen einer Art parallel abläuft, dann erweist sich das genetische Material insgesamt als erstaunlich plastisch: In nur 60 Millionen Arabidopsis-Individuen ist jede Position des Genoms im Durchschnitt einmal mutiert. Für eine Art, die Tausende von Samen in jeder Generation produziert, wahrlich keine große Anzahl von Pflänzchen.

Neben der Geschwindigkeit, mit der Neumutationen auftreten, wirft die Tübinger Studie ein neues Licht auf deren Verteilung im Genom. So stellten die Wissenschaftler fest, dass nicht alle möglichen Mutationsklassen gleichmäßig auftreten. Bei vier verschiedenen Arten von Basenpaaren im Genom gibt es sechs Möglichkeiten der Veränderungen – aber eine dieser sechs ist für die Hälfte aller Mutationen verantwortlich. Auch lässt sich nun genauer kalkulieren, wann sich die Entwicklungslinien verschiedener Arten voneinander getrennt haben – gut möglich daher, dass Stammbäume an neue zeitliche Maßstäbe angepasst werden müssen. Detlef Weigel geht anhand der neuen Daten etwa davon aus, dass Arabidopsis thaliana sich von ihrer Schwesterart Arabidopsis lyrata, die in vielen Merkmalen sehr unterschiedlich ist, nicht wie bisher angenommen erst vor fünf Millionen, sondern bereits vor 20 Millionen Jahren getrennt hat. Entsprechende Untersuchungen an anderen Arten könnten ebenfalls Neujustierungen nötig machen – etwa bei der Frage, zu welchem Zeitpunkt in der Ur- und Frühgeschichte verschiedene Haustiere und Ackerpflanzen domestiziert wurden.

Hohe Mutationsrate fördert Resistenzen gegen Herbizide

Auch für die Pflanzenzüchtung ergeben sich neue und Erfolg versprechende Gedankenexperimente. Bei genügend großen Populationen kann davon ausgegangen werden, dass nahezu jede mögliche Mutation im Verlauf einer oder weniger Generationen realisiert wird. Das bedeutet, dass spontan auftretende Mutationen, die den Ertrag steigern oder Pflanzen gegen Dürre unempfindlich machen, vermutlich gar nicht so selten sind, auch wenn das Auffinden geeigneter Veränderungen immer noch sehr aufwändig bleibt. Auf der anderen Seite treffen Herbizide, die auf große Flächen ausgebracht werden, auf eine umfangreiche Population von Unkräutern. Da deren Erbgut mit großer Wahrscheinlichkeit ähnlich wandlungsfreudig ist wie das der Ackerschmalwand, verwundert es nicht, dass Herbizidresistenzen innerhalb von wenigen Jahren auftauchen. “Dieser Effekt ist auch deshalb besonders deutlich ausgeprägt, weil Herbizide oft nur die Funktion eines einzelnen Gens beeinträchtigen”, sagt Detlef Weigel. Ein Ausweg wäre die Suche nach Herbiziden, die auf mehrere Gene wirken.

Die Tübinger Biologen gehen davon aus, dass auch das menschliche Genom einer ähnlich schnellen Veränderung unterworfen ist. “Wenn man unsere Ergebnisse auf den Menschen überträgt, dann finden von einer Generation zur nächsten durchschnittlich 60 Basenaustausche statt”, rechnet Weigel vor. Bei mehr als sechs Milliarden Menschen, die derzeit auf der Erde leben, bedeutet das, rein statistisch betrachtet, dass es für jede Stelle des Erbguts Dutzende von Erdbewohnern gibt, bei denen diese Position mutiert ist. “Alles, was genetisch möglich ist, wird demnach innerhalb recht kurzer Zeit durchgetestet”, resümiert Detlef Weigel und beschreibt damit einen völlig neuen Blick auf die Evolution, der man sonst eher ein Arbeitstempo zuschreibt, das sich in Jahrtausenden oder gar Jahrmillionen bemisst.

Originalpublikation
The rate and molecular spectrum of spontaneous mutations in Arabidopsis thaliana. Science, 1. Januar 2010. (Quelle: idw)