Einführung
Die Informationsverarbeitung im Gehirn von Säugetieren ist ein komplexes Zusammenspiel neuronaler Aktivität, das von lokalen Zellgruppen bis hin zu Interaktionen des gesamten Gehirns reicht. Um die Gehirnfunktion auf all diesen Ebenen zu verstehen, ist es wichtig, die Beziehungen zwischen Aktionspotentialen, lokalen Feldpotentialen und der Hirnaktivität in verschiedenen Strukturen zu untersuchen.
Gehirnnetzwerke und ihre Dynamik
Die Hirnregionen arbeiten nicht isoliert, sondern über sogenannte Netzwerke zusammen. Diese Netzwerke bestehen aus kleinen lokalen Gruppen von Neuronen, die in Mikroschaltungen organisiert sind. Die Aktivität dieser Nervenzellen und der verschiedenen Hirnstrukturen muss koordiniert werden, um Chaos zu vermeiden und klare Gedanken zu ermöglichen.
Die Gehirnnetzwerke sind dynamisch, wobei Verbindungen zwischen einzelnen Zellen oder ganzen Hirnbereichen gestärkt oder abgebaut werden. Durch die Selbstorganisation der miteinander kommunizierenden Hirnareale entstehen verschiedene "Netzwerkzustände". Diese Zustände umfassen die neuronale Aktivität in verschiedenen Hirnstrukturen zu einem bestimmten Zeitpunkt und die Konsequenzen, die sie auf das Verhalten eines Organismus hat. Ein Beispiel hierfür sind die Schlafphasen des Menschen.
Die Klassifikation von Hirnzuständen ist noch nicht vollständig eindeutig und bedarf weiterer Forschung. Es deutet jedoch vieles darauf hin, dass das Repertoire der verschiedenen Zustände dazu genutzt wird, Verhalten zu erzeugen, das das Überleben sichert, wie z.B. die Suche nach Nahrung oder Schutz.
Messung von Netzwerk-Interaktionen
Um Netzwerkzustände zu erkennen, muss die Anzahl der Netzwerk-Interaktionen auf unterschiedlichen räumlichen Ebenen gemessen werden. Dies erfordert die Messung verschiedener Signalarten. Aktionspotentiale oder neuronale Spikes sind ein wichtiges Merkmal der Informationsverarbeitung auf zellulärer Ebene.
Lesen Sie auch: Auswirkungen des Belohnungssystems
Das Signal einer einzelnen Nervenzelle muss jedoch im Zusammenhang gesehen werden. Wenn sie gleichzeitig mit anderen Zellen aktiv ist, kann die Information vom Gehirn anders interpretiert werden, wodurch die Nachricht auf Systemebene eine andere Bedeutung erhält. Ein Telefonklingeln aktiviert beispielsweise eine Nervenzelle im auditorischen System, die jedoch nicht unterscheidet, ob dies im eigenen Haus oder im Haus eines Freundes stattfindet.
Bei der Messung der Gehirnaktivität im Versuchsaufbau ist die Ableitung der Aktivität einzelner Nervenzellen naturgemäß eingeschränkt. Um die übrigen Nervenzellaktivitäten aufzuzeichnen und den Zusammenhang auf Systemebene zu entziffern, kann das lokale Feldpotential (LFP) gemessen werden. Mikroelektroden nehmen Signale aus den Zellzwischenräumen auf und liefern Informationen über die Aktivität von Neuronenpopulationen. Beziehungen zwischen in verschiedenen Strukturen erfassten LFPs können zur Identifizierung von Interaktionen im Gesamtgehirn verwendet werden.
BOLD-Signale haben jedoch Nachteile aufgrund ihrer geringen zeitlichen Auflösung und ihrer abweichenden Beziehung zur elektrischen Hirnaktivität. Um zu verstehen, welche Strukturen an bestimmten Hirnfunktionen beteiligt sind und wie, ist eine Kombination mehrerer Methoden notwendig.
Replays und der Hippocampus
Wenn wir uns an eine kürzlich gemachte Erfahrung erinnern, kommen uns Momentaufnahmen von dem, was wir gehört und gesehen haben, in den Sinn. Dadurch sind wir in der Lage, sehr konkrete Probleme zu lösen. Neurowissenschaftler gehen davon aus, dass beim Kramen im Gedächtnis dieselben Neuronenverbindungen im Neokortex wieder aktiviert werden, die beim Blick auf ein Portemonnaie aktiv waren. Während dieser "Replays" sind dieselben Neuronenverbände aktiv wie beim Erlebnis selbst.
Es wird vermutet, dass der Hippocampus eine entscheidende Rolle im Abruf von Erlebnissen als auch in der Überführung dieser Erlebnisse ins Langzeitgedächtnis spielt. Um eine Gedächtnisspur zu reaktivieren, erzeugt der Hippocampus eine intensive Hirnwelle, die sich im LFP-Signal beobachten lässt und als Sharp-Wave-Ripple-Komplex (SWR) bezeichnet wird. Dabei ist ein sehr schneller Ripple, Hochfrequenzschwingung (über 100 Zyklen pro Sekunde) mit einer langsameren "scharfen" Potenzialänderung, der Sharp Wave, kombiniert.
Lesen Sie auch: Bewertung Freisinger Neurologen
Die Signale mehrerer einzelner Nervenzellen werden präzise synchronisiert und in Form dieses Ripples zu den Neuronen der Hirnrinde gesendet, um einen Replay hervorzurufen. Diese Zielneuronen können in mehreren spezialisierten Hirnarealen sitzen. Das Auftreten der SWR ist entscheidend für das Abspeichern einer Erinnerung und macht es möglich, dass wir uns über Monate, Jahre oder sogar unser ganzes Leben lang an Ereignisse oder Fakten erinnern. Während des Tiefschlafs tauchen die SWRs regelmäßig auf. Durch die synchronisierte Informationsweiterleitung zum Kortex werden synaptische Verbindungen ausgebaut und verstärkt, wodurch feste Verbindungen zwischen den Neuronen eines definierten Netzwerks entstehen und damit die Gedächtnisspur. Ist eine dieser so vernetzten Nervenzellen aktiv, aktiviert sie durch die starke Verbindung zu den anderen das gesamte Netzwerk.
Untersuchung der Wiedergabe-Eigenschaften
Zur Untersuchung der Wiedergabe-Eigenschaften auf multiplen Ebenen wurde eine Versuchseinrichtung entwickelt, mit der sich elektrophysiologische und BOLD-Signale in nicht-menschlichen Primaten simultan erfassen lassen. Damit wurde es erstmals möglich aufzuzeichnen, was im Gesamtgehirn abläuft, während eine spezifische Struktur elektrisch aktiv ist: der Hippocampus.
Durch Mikroelektroden erfassen die Forscher die Hippocampus-Aktivität simultan zur BOLD-Aktivität vom Gesamtgehirn. Mit Hilfe automatisierter multivariater Analysetechniken identifizierten sie neuronale Ereignisse mit grundlegenden elektrophysiologischen Merkmalen von Sharp Wave Ripples. Es zeigte sich, dass während eines SWRs die Stoffwechselaktivität der Hirnrinde stärker wird, während die der Strukturen im Zwischenhirn, wie etwa des Thalamus, heruntergefahren wird. Der Thalamus leitet normalerweise Eindrücke aus der Umwelt an die Hirnrinde weiter. Wird dies aber während der SWRs unterbunden, wäre freie Bahn für die Kommunikation zwischen dem Cortex und anderen Hirnregionen, wie dem Hippocampus.
Replays in verschiedenen Situationen
Ursprünglich ging man davon aus, dass die erneute Aktivierung einer Gedächtnisspur nur für die Gedächtniskonsolidierung während des Schlafs genutzt wird. Inzwischen kommen Neurowissenschaftler immer mehr zu dem Schluss, dass die Replays von Gedächtnisspuren auch in vielen anderen Situationen auftreten. Das Gehirn nutzt die Ripples vermutlich auch, um Erinnerungen abzurufen. Währenddessen kann sich das Gehirn in ganz unterschiedlichen Netzwerkzuständen befinden.
Um diese Hypothese zu überprüfen, haben sich die Forscher die Aktivierungsmuster angeschaut, die gleichzeitig mit einem Ripple auftreten. Zudem haben sie Mustererkennungstechniken verwendet, um die Existenz sehr ausgeprägter Unterarten von Sharp Wave Ripples nachzuweisen, die jeweils eine spezifische Phasenbeziehung zu den Ripple-Hochfrequenzschwingungen aufweisen: Hochfrequenzschwingungen können der Sharp-Wave-Spitze vorangehen, ihr folgen oder mit ihr zusammenfallen und als Welle ohne deutliche Sharp-Wave-Signatur auftreten. Entscheidend ist dabei, dass diese Unterarten mit verschiedenen Änderungen im Gesamtgehirn assoziiert waren, wie aus den Zeitverläufen von BOLD-Aufzeichnungen über mehrere Gehirnregionen während des Auftretens jedes Ereignisuntertyps zu ersehen war. Insbesondere waren Untertypen mit Differenzen in der BOLD-Reaktion in mehreren neuromodulatorischen Zentren verbunden, die für die Regulierung der Aktivität vieler Gehirnstrukturen verantwortlich sind, um beabsichtigte Ergebnisse wie Lernen, Wachzustand oder Belohnung zu erreichen.
Lesen Sie auch: Gensingen Neurochirurgie: Was Sie wissen sollten
Bedeutung für zukünftige Studien
Die Ergebnisse zeigen, dass elektrophysiologische Ereignisse wie Sharp-Wave-Ripple-Komplexe auf Korrelate zurückzuführen sein können, die sich über ihre Messstelle hinaus ausdehnen, was zeigt, wie großangelegt die neuronale Informationsverarbeitung ist. Vor allem die subkortikalen Strukturen haben häufig einen wichtigen Einfluss auf die Aktivität der Hirnrinde.
Ein wichtiger Aspekt für zukünftige Studien ist, dass man von einer Aktivität auf einer Ebene auf die einer anderen schließen kann. Dies würde es ermöglichen, die elektrische Aktivität in den Hirnregionen nur auf Basis der Magnetresonanztomographie-Aufnahmen abzuschätzen.
Der Neokortex: Schaltzentrale höherer kognitiver Funktionen
Der Neokortex, der größte Bereich des menschlichen Gehirns, ist entscheidend für höhere Gehirnfunktionen wie Wahrnehmung, Entscheidungsfindung und Bewusstsein. Seine komplexe und flexible Struktur ermöglicht eine Vielzahl kognitiver Prozesse.
Aufbau und Funktion
Der Neokortex ist in sechs verschiedene Schichten unterteilt, wobei jede Schicht spezifische Arten von Neuronen und unterschiedliche Funktionen aufweist. Diese Schichten helfen bei der Verarbeitung von sensorischen Informationen, der Steuerung motorischer Funktionen sowie der Integration und Interpretation kognitiver Daten. Die oberen Schichten sind hauptsächlich für die Aufnahme und Verarbeitung von Sinnesreizen verantwortlich, während die tieferen Schichten eher motorische Funktionen steuern.
Evolutionäre Entwicklung
Die Evolution des Neokortex war ein Meilenstein für Säugetiere und hat speziell bei Primaten und Menschen drastische Veränderungen durchgemacht. Im Vergleich zu anderen Säugetieren ist der menschliche Neokortex stark vergrößert und differenziert. Diese Anpassung ist mit den komplexen sozialen Strukturen und der Nutzung von Werkzeugen und Sprache verbunden.
Bedeutung für den Menschen
Der Neokortex trägt maßgeblich dazu bei, dass Menschen in der Lage sind, Sprache zu verstehen und zu verwenden, Probleme zu lösen und kreative Ideen zu entwickeln sowie Entscheidungen aufgrund von rationalem Denken zu treffen. Diese Funktionen machen den Neokortex zu einer Schlüsselkomponente der menschlichen Intelligenz und des sozialen Verhaltens.
Neokortex im Neuromarketing
Im Neuromarketing spielt der Neokortex eine wichtige Rolle bei Kaufentscheidungen. Der präfrontale Kortex, ein Teil des Neokortex, besteht aus zwei Funktionseinheiten: einer stark emotionalen (orbitofrontaler und ventromedialer Kortex) und einer funktional-rationalen (dorsolateraler, ventrolateraler und frontolateraler Kortex).
ADHS und die Belohnungsbewertung
ADHS kann nicht allein durch symptomorientierte Beschreibungen oder durch ein einzelnes neurologisches Wirkprinzip erklärt werden. Ältere, einfache Modelle beschränkten sich darauf, die sichtbaren Symptome wie Hyperaktivität, Impulsivität und Unaufmerksamkeit zu benennen. Ein Modell sieht eine Inhibitionsstörung als zentrales Merkmal von ADHS. Ein verändertes Belohnungsreaktionsverhalten und eine veränderte Motivation werden ebenfalls als mögliche Erklärungsansätze genannt.
Entwicklungsverzögerung des präfrontalen Kortex
Das menschliche Gehirn ist erst im Alter von 23 bis 25 Jahren ausgereift. Bei ADHS ist die Entwicklung des präfrontalen Kortex verzögert oder gestört, was zu Symptomen wie Hyperaktivität, Unaufmerksamkeit und Impulsivität führen kann. Bei manchen Betroffenen kann das Gehirn die Entwicklungsverzögerung im Erwachsenenalter aufholen.
Modelle zur Erklärung von ADHS
Verschiedene Modelle versuchen, die Ursachen von ADHS zu erklären:
- Dynamische Entwicklungstheorie: Betont die Rolle der veränderten dopaminergen Funktion und erklärt die Verhaltensprobleme und Symptome von ADHS durch die Interaktion von genetischer Veranlagung und Umwelteinflüssen.
- Dopamin-Transfer-Defizit-Modell: Beschreibt eine abgeschwächte phasische Dopaminreaktion auf Belohnungshinweise.
- Kognitiv-energetisches Modell: Sieht einen Mangel an kortikaler Gesamtaktivierung aufgrund einer Dysfunktion im retikulären System des Hirnstamms.
- 2- bzw. 3-Ursachen-Modell: Geht davon aus, dass unterschiedliche Regelkreise im Gehirn für verschiedene Symptome wie z.B. Hemmungsstörungen, Belohnungsprobleme und Zeitverarbeitungsstörungen verantwortlich sind.
- 4-Kategorien-Modell: Beschreibt vier Hauptprobleme bei ADHS: eine Störung der selektiven Aufmerksamkeit, ein exzessives Arousal, behaviorale Desinhibition bzw. Impulsivität/Hyperaktivität und Probleme im Belohnungssystem.
- Hypothese von Ulrich Brennecke: Besagt, dass das Gehirn bei ADHS dauerhaft in einem Funktionsprofil arbeitet, das eigentlich für schweren Stress vorgesehen ist. Die so hervorgerufenen Symptome wären bei schwerem Stress funktional, bei ADHS (das meist genetisch entsteht und keinen zu bekämpfenden Stressor hat) sind sie jedoch nachteilig.
ADHS als neuronale Entwicklungsstörung
Maßgebliche Modelle dürften die Sichtweisen von ADHS als neuronale Entwicklungsstörung, als Folge eines Dopamin- und Noradrenalinmangels in bestimmten Gehirnregionen, als Dysfunktion des Cerebellums und als immunologische neuroinflammatorische Störung sein.
ADHS und Konzentration
Die technische Fähigkeit zur Konzentration und Aufmerksamkeit ist bei ADHS-Betroffenen nicht beeinträchtigt. ADHS-Betroffene können sich sehr wohl - auch lang anhaltend - konzentrieren (Stichwort: Hyperfokus). Doch genauer betrachtet ist auch die Steuerungsfähigkeit von Aufmerksamkeit und Konzentration nicht “defekt” - sie folgt lediglich einem anderen Leitbild. Dieses Leitbild ist, dass eine akute schwerwiegende Stresssituation bestünde, vergleichbar mit einer überlebensgefährlichen Situation. Die voll funktionsfähige Aufmerksamkeit, Konzentration und Aufmerksamkeitssteuerung sind jedoch durch dieses Leitbild des Notzustandes so verzerrt, dass ihre Alltagstauglichkeit eingeschränkt ist - es besteht ein “Stress ohne adäquaten Stressor”.
Reizfilterung bei ADHS
Bei ADHS ist regelmäßig unter anderem der Filter, der unwichtige Reize ausblendet, zu weit geöffnet. Insbesondere in Situationen mit geringem intrinsischem Interesse besteht eine Schwäche der Reizfilterung. Viele ADHS-Betroffene berichten allerdings neben einer Beeinträchtigung der Fähigkeit zum Ausblenden irrelevanter Reize auch eine erhöhte (subjektive) Sensibilität für Reize innerhalb der zielgerichteten Aufmerksamkeit.
Dimensionalität von ADHS
ADHS ist in Bezug auf die Symptome dimensional zu definieren. Das bedeutet, dass nicht einzelne bestimmte Symptome das Vorhandensein von ADHS definieren, sondern die Häufigkeit und das Maß, in denen diese auftreten.
Inhibitionsprozesse bei ADHS
Barkley sieht bei ADHS vor allem die Kontrolle von Inhibitionsprozessen (Mechanismen der Verhaltenshemmung) beeinträchtigt. Die Inhibitionsprozesse regulieren laut Barkley die exekutiven Funktionen. Barkley sieht dabei keine grundsätzliche Unfähigkeit in diesen Bereichen, sondern ein Problem in der Steuerung, die grundsätzlich vorhandenen Fähigkeiten angemessen einzusetzen.
Motivationale Dysfunktion bei ADHS
ADHS kann auch als motivationale Dysfunktion betrachtet werden, die durch Versuche gekennzeichnet ist, einer Verzögerung zu entgehen oder sie zu vermeiden. Wender postulierte bereits 1971, dass bei ADHS Anomalien im Belohnungszentrum des Gehirns die Reaktionsfähigkeit auf Belohnungen wie auf Strafen verringern. Haenlein und Caul entwickelten auf dieser Grundlage die Hypothese einer “erhöhten Belohnungsschwelle” bei ADHS, was dazu führe, dass eine bestimmte Belohnung für ADHS-Betroffene einen geringeren Belohnungswert habe als für Nichtbetroffene. Ebenso sind Impulsivität und zumindest teilweise das Arbeitsgedächtnis betroffen.
Abweichende Funktionsprofile bei ADHS
Modelle mit abweichenden Funktionsprofilen betrachten ADHS nicht als unmittelbare Folge einer krankhaften Fehlfunktion des Gehirns oder einzelner Teile davon, sondern als Folge eines anderen Funktionsmodus des Gehirns, der nicht selbst unmittelbar krankhaft ist, sondern (unter anderen Umständen) eine gesunde Funktionsweise darstellt.
Hypothese von Ulrich Brennecke
Nach der Hypothese von Ulrich Brennecke befindet sich bei ADHS das Gehirn dauerhaft in einem spezifischen Funktionsprofil, das lediglich bei schwerem (chronischen) Stress hilfreich ist, die Stressoren zu überleben. Zwar ist in der Stressmedizin längst unstreitig, dass schwerer oder langanhaltender Stress zur Entstehung von psychischen Störungen im Allgemeinen und ADHS im Besonderen beitragen kann. Doch ADHS ist zu 75 % vererblich. Insofern ist nicht gemeint, dass man nur irgendeinen Stressor beseitigen müsse, um ADHS loszuwerden. Schwerer Stress kann durchaus ADHS-Symptome verursachen. Diese Menschen leiden dann aber unter Stress und nicht unter ADHS. Bei Stress gehen die Symptome mit dem Stressor. ADHS bleibt, auch wenn alle Stressoren gegangen sind.
Nach der Hypothese von Ulrich Brennecke lässt sich ADHS also als (im Wesentlichen genetisch bedingte) dauerhafte Fehlregulation der Stresssysteme erklären, vornehmlich der HPA-Achse (Stressachse). Dabei ist die Fehlregulation der Stresssysteme nicht Ursache von ADHS, sondern die Folge von ADHS oder auch ein Vermittlungsweg der Symptome innerhalb des ADHS.
Das Vier-Ebenen-Modell der Persönlichkeit und Psyche nach Gerhard Roth
Auf Basis der Erkenntnisse hat Gerhard Roth das Vier Ebenen Modell der Persönlichkeit und Psyche entwickelt. Es fokussiert auf die drei limbischen Ebenen, die nonverbale Kommunikation steuern - Mimik, Stimmlage und Körpersprache - und die präfrontale sprachlich-rationale Ebene.
- 1. Ebene (untere limbische Ebene): Steuert die Lebenserhaltung, biologische Funktionen und die Erfüllung primärer körperlicher Bedürfnisse.
- 2. Ebene (mittlere limbische Ebene): Basiert stark auf vorgeburtlichen und frühkindlichen Erfahrungen und Bindungen.
- 3. Ebene (obere limbische Ebene): Bringt unsere Persönlichkeit in bewusstem Lernen durch emotionale Erfahrungen mit unserer Umwelt in Einklang und sorgt für die Anpassung an gesellschaftliche Strukturen.
- 4. Ebene (Neocortex kognitiv sprachliche-rationale Ebene): Enthält die verbale Kommunikation als Grundlage des rein sachlichen Denkens.
Soziales Lernen und das Gehirn
Soziales Lernen ist eine Form des Lernens, bei der ein Mensch oder ein Tier beobachtet, wie sich ein Artgenosse verhält, und dann dieses Verhalten nachahmt. Seit einigen Jahren untersuchen Neurowissenschaftler und Psychologen, was beim Sozialen Lernen im Gehirn passiert. Wenn Kleinkinder eine neue Bewegung wiederholt sehen, dann wird ihr motorischer Cortex aktiviert - so, als ob die Kinder selbst diese Bewegung ausführen würden. Auch das Septum und der Nucleus caudatus sind am Sozialen Lernen beteiligt.
Gedächtnis und Vergessen
Bevor man etwas vergessen kann, muss es eine Erinnerung geben. Im Allgemeinen kann man Erinnerungen wie folgt einteilen: Langzeit- und Kurzzeitgedächtnis. Das Langzeitgedächtnis umfasst explizites und implizites Gedächtnis. Das implizite Gedächtnis, oder die unbewusste Erinnerung, umfasst prozedurale Erinnerungen, wie etwa das Muskelgedächtnis und Priming. Das Kurzzeitgedächtnis sorgt dafür, dass man sich für kurze Zeit kleine Mengen an Informationen merken kann. Zu den kurzlebigsten zählt das Arbeitsgedächtnis, welches nur einige Sekunden umfasst.
Auf zellulärer Ebene ist eine Erinnerung die Reaktivierung bestimmter neuronaler Gruppen. Synaptische Plastizität erlaubt die Reaktivierung verschiedener neuronaler Gruppen. Je öfter eine bestimmte Vernetzung genutzt wird, desto stärker wird sie und bleibt erhalten.
Es gibt drei Mechanismen im Arbeitsgedächtnis, die dafür sorgen können, etwas zu vergessen: Ersetzen, unterdrücken und löschen. Vergessen aus dem Langzeitgedächtnis ist wichtig für die mentale Gesundheit und Produktivität.