Das menschliche Gehirn ist ein faszinierendes und komplexes Organ, das als Steuerzentrale unseres Körpers fungiert. Es steuert lebenswichtige Funktionen wie Atmung, Kreislauf und Schlaf-Wach-Rhythmus und ermöglicht uns das Denken, Lernen, Fühlen und Handeln. Um seine Funktionsweise und Fähigkeiten besser zu verstehen, ist es hilfreich, sich mit seiner Anatomie und den verschiedenen bildgebenden Verfahren vertraut zu machen, die uns einen Einblick in seine Struktur und Aktivität ermöglichen.
Die ständige Veränderung des Gehirns
Eines der bemerkenswertesten Merkmale des Gehirns ist seine Fähigkeit, sich ständig zu verändern und neu zu strukturieren. Diese Eigenschaft, die als Neuroplastizität bezeichnet wird, begleitet uns ein Leben lang und ermöglicht es uns, uns an neue Situationen anzupassen, zu lernen und uns von Verletzungen zu erholen.
Neuroplastizität: Die Anpassungsfähigkeit des Gehirns
Neuroplastizität beschreibt die wechselseitige Beziehung zwischen Struktur und Funktion des Gehirns. Wenn wir lernen, setzen wir neue Reize, die Veränderungen im neuronalen Netz auslösen. Es bilden sich neue Verbindungen zwischen den Nervenzellen, das Netz wird dichter und größer. Bestimmte Verbindungen und Hirnareale werden aktiver, insbesondere diejenigen, die für die jeweilige Tätigkeit notwendig sind, wie beispielsweise beim Erlernen des Geigenspiels.
"Wir verstehen vor allen Dingen darunter die wechselseitige Beziehung von Struktur und Funktion. Also, wie ändert sich das Gehirn, wenn ich es benutze und wie verändert das veränderte Gehirn wiederum mein Handeln?"
Die Neuroplastizität ermöglicht es uns auch, uns in unbekannten Umgebungen zu orientieren und mit neuen Situationen zurechtzukommen. Sie hilft uns, komplexe Zusammenhänge zu verstehen, schnell zu reagieren, abzuwägen, was neu und wichtig ist, und diese Informationen mit bereits gespeichertem Wissen zu verbinden.
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Neurogenese: Die Neubildung von Nervenzellen
Wenn sich Nervenzellen neu bilden, sprechen Forscher von Neurogenese. Diese Neubildung findet hauptsächlich im Hippocampus statt, einem Bereich im Gehirn, der für das Gedächtnis und Lernen zuständig ist und auch eine wichtige Rolle bei der räumlichen Orientierung spielt. Bis ins hohe Alter können sich im Hippocampus Nervenzellen erneuern, was besonders für Menschen von Bedeutung ist, die aufgrund eines Schlaganfalls viele Dinge neu lernen müssen.
Routinen und Gewohnheiten
Das Gehirn spielt auch bei Routinen eine wichtige Rolle. "Sind wir einmal an eine Verhaltensweise gewöhnt, schalten wir gewissermaßen auf Autopilot", sagt Lars Schwabe, Professor für Psychologie an der Universität Hamburg. Das menschliche Gehirn spare damit Arbeit. Das zeigt sich auch bei der Ernährung: Essen wir Lebensmittel mit sehr viel Zucker und Fett, gewöhnt sich unser Gehirn daran und verlangt nach mehr. Wissenschaftler fanden heraus, dass Bereiche im Gehirn an Signale des Magens gekoppelt sind, die vermutlich das menschliche Hunger- und Sättigungsgefühl beeinflussen. Die Effekte von Zucker und Fett auf das Gehirn sind sogar auf MRT-Bildern zu sehen. Zu der Frage, wie lange es dauert, neue, gesunde Gewohnheiten aufzunehmen, gibt es unterschiedliche Positionen: Die Dauer variiert je nach Studie und Routine zwischen 18 und 245 Tagen.
Ein Blick ins Gehirn: Bildgebende Verfahren
Mit Hilfe der Neurowissenschaften können die Fähigkeiten unseres Gehirns immer genauer erklärt werden. Ein Blick ins Gehirn ist mit bildgebenden Verfahren, wie der Magnetresonanztomographie (MRT) möglich. Damit kann man Veränderungen von Hirnarealen untersuchen und das neuronale Netz in seiner Dichte erfassen. Es bietet Möglichkeiten immer besser zu verstehen, wie unser Gehirn tatsächlich lernt. Aber die neuronalen Aktivitäten im Detail zu erkennen, dafür reicht das MRT-Verfahren nicht aus.
Funktionelle Bildgebung: Die Aktivität des Gehirns sichtbar machen
Die funktionelle Bildgebung ist die in-vivo-bildliche Darstellung von Hirnaktivität. Direkte Methoden wie Elektroenzephalografie (EEG) und Magnetenzephalografie (MEG) messen die elektrischen bzw. magnetischen Feldänderungen, die durch simultane Entladungen von Gruppen von Neuronen hervorgerufen werden. Indirekte Methoden wie funktionelle Magnetresonanztomografie (fMRT) und Positronenemissionstomografie (PET) messen die regionalen Änderungen im Blutfluss ("regional cerebral blood flow", rCBF) als Maß für die neuronale Aktivität.
Gemeinsam haben die direkten und indirekten Methoden, dass Änderungen der Hirnaktivität unter experimentellen Bedingungen mit einem Ausgangswert verglichen werden und so die lokale Beteiligung von einem oder mehreren Hirnarealen an einer Aufgabe nachgewiesen werden kann. Die gemessenen Änderungen werden zur Lokalisation auf anatomische Aufnahmen (in der Regel dreidimensionale kernspintomografische Aufnahmen) des Gehirns projiziert.
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Die ersten indirekten Methoden wurden mit PET gemacht, aber wegen der größeren Zugänglichkeit des MRT, der fehlenden Strahlenbelastung und der geringeren Kosten wird zurzeit für fast alle Studien das fMRT genutzt. MEG und EEG beschränken sich hauptsächlich auf Signale der Hirnoberfläche, haben aber ihren großen Vorteil in der hohen zeitlichen Auflösung. Diese kann mit dem fMRT als indirekte Methode wohl nie erreicht werden: obwohl die zeitliche Auflösung mit neuesten Methoden auf etwas 50-100 ms sinkt, bleibt die Verzögerung der BOLD-Antwort (BOLD = "blood oxygenation level dependent") eine physiologische Grenze. Das MRT hat aber den großen Vorteil, dass Aktivierungen anatomisch genau zugeordnet werden können. Zusätzlich können mit der voxelbasierten Morphometrie (VBM) lokale anatomische Unterschiede gemessen werden, mit dem Diffusion-Tensor Imaging (DTI) wird der Faserverlauf in der weißen Substanz untersucht. Allerdings werden diese zwei Methoden aufgrund der individuellen Unterschiede der Hirnanatomie in der Regel nur in Gruppenstudien angewandt, nur in Ausnahme bei individuellen Patienten.
Die funktionelle Organisation des Gehirns: Eine historische Perspektive
Die funktionelle Organisation des menschlichen Gehirns konnte bis zum 20. Jahrhundert nur untersucht werden, wenn Autopsiebefunde mit Ausfällen während des Lebens verglichen wurden. Anfang des 20. Jahrhunderts erlaubte die Anästhesie eine lokale elektrische Stimulation von Hirnarealen und die Beobachtung der motorischen Antworten, nach der Einführung der Lokalanästhesie auch die Befragung der Patienten nach sensiblen Eindrücken und Erlebnissen bei fokaler Stimulation. Parallel dazu hat die experimentelle Psychologie seit dem Ende des 19. Jahrhunderts große Fortschritte gemacht, wobei viele Modelle entwickelt wurden, um Verhalten zu erklären. Die funktionelle Bildgebung macht es möglich, diese psychologischen Modelle in vivo auf Korrelate im Gehirn zu testen.
Der Einfluss der funktionellen Bildgebung auf unser Verständnis des Gehirns
Vielleicht der wichtigste Beitrag der funktionellen Bildgebung ist der Einfluss auf die Art, in der wir über die Wirkungsweise des Gehirnes denken. Früher wurde versucht, eine Funktion an einer Stelle im Gehirn zu lokalisieren. Ein extremes Beispiel war die "Phrenologie" Anfang des 19. Jahrhunderts, die Fragen gestellt hat wie: "Wo sitzt die Persönlichkeit?", "Wo sitzt die Mutterliebe?". Die Gültigkeit der Antworten auf solche Fragen wurde allerdings auch vor der Ära der Bildgebung schon angezweifelt. Aber auch eine Frage wie "Welches Hirnareal sorgt für Bewegung der Hand?" muss durch die Erkenntnisse aus der funktionellen Bildgebung nuanciert werden. Unsere Vorstellungen sind aber noch immer durch die alte Denkweise geprägt.
Ein Beispiel ist ein kleines, wellenförmiges ("fusiformes") Areal unten im rechten Okzipitallappen, das, wie es zunächst erschien, nur beim Erkennen von Gesichtern aktiviert wurde, es wurde dann auch "fusiform face area" genannt. Es hat sich aber herausgestellt, dass dieses Areal durchaus auch bei anderen Aufgaben aktiviert wird, wenn es darum geht, Kategorien zu erkennen, wie bekannte Monumente (z. B. das Brandenburger Tor oder den Eiffelturm), oder beim Unterscheiden von verschiedenen Vogelarten (Haxby et al.
Anwendungen der funktionellen Bildgebung
Mit der funktionellen Bildgebung können wichtige und interessante Fragen am lebenden Menschen beantwortet werden. Welche Hirnareale sind beteiligt, wenn ein Proband während der Messung lernt, die Hand nur dann zu bewegen, wenn die rote Lampe aufleuchtet? Wie wird Schmerz verarbeitet? Wie wirkt ein Placebo? Welche Hirnareale sind beteiligt beim Lernen einer Fremdsprache?
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Hieraus ergeben sich die zwei wichtigsten Anwendungen der funktionellen Bildgebung. Erstens hilft sie zu verstehen, wie das normale Gehirn funktioniert. Zweitens kann sie darstellen, welche Auswirkungen eine Schädigung auf das Gehirn hat: Was passiert, wenn Patienten sich von einer Aphasie, verursacht durch einen Schlaganfall, wieder erholen? Wie kann es sein, dass manche Patienten mit vielen Marklagerläsionen, wie z. B. bei der zerebralen Mikroangiopathie oder bei der multiplen Sklerose, keine klinischen Symptome aufweisen?
Grenzen der funktionellen Bildgebung in der klinischen Routine
Aus verschiedenen Gründen hat die funktionelle Bildgebung jedoch bis jetzt noch wenig Eingang in die klinische Routine gefunden, wohl aber die daraus gewonnenen Erkenntnisse. Durch die große individuelle Variabilität von Anatomie und funktioneller Lokalisation lässt sich von Gruppenvergleichen nicht direkt auf einzelne Patienten schließen. Dabei ist z. B. gerade die Reorganisation des Gehirns nach einer lokalen Schädigung, wie nach einem Schlaganfall, individuell sehr unterschiedlich (Weiller et al. 1993). Die große Heterogenität von Läsionen und Ausfällen erfordert große Fallzahlen, um Muster zu erkennen.
Netzwerke im Gehirn: Zusammenarbeit statt Isolation
Es gibt im Gehirn einige hoch spezialisierte Areale, die nur eine einzige Funktion haben und nicht kompensiert werden können, z. B. das "Zentrum" für die visuelle Wahrnehmung von Bewegung, V5, im Okzipitallappen (Watson et al. 1993). Aber einer der Befunde der funktionellen Bildgebung, der am meisten zum Verständnis von der Wirkung des Gehirns beigetragen hat, ist, dass viele einzelne Hirnareale in beiden Hemisphären gleichzeitig an Aufgaben beteiligt sind. Das heißt, die meisten Funktionen werden durch die Aktivierung eines Netzes repräsentiert.
Zum Beispiel geht eine einfache Flexions-/Abduktionsbewegung eines Gelenks mit einer Aktivierung nicht nur im primär motorischen Kortex, sondern auch in einer Reihe von Arealen, wie in prämotorischen Kortizes, primären und sekundären sensiblen Arealen, Basalganglien und Thalamus einher (Fink et al. 1997). In diesem Netz gibt es Schwerpunkte für bestimmte Funktionen, aber die Zusammenarbeit ist essenziell für eine gute Leistung (Liu et al. 1999). Man kann versuchen, die Schwerpunkte in einem Netz mit ausgefeilten Paradigmata isoliert darzustellen, z. B.: Was ist im motorischen System mehr aktiv bei der Ausführung einer Bewegung als nur bei der Vorstellung dieser Bewegung (Stephan et al. 1995)? Aber dabei sollte nicht vergessen werden, dass so ein Areal alleine nicht funktionieren könnte. Die Frage ist also, inwieweit einzelne Teile eines Netzes notwendig sind, um eine bestimmte Funktion zu erfüllen, und welche von diesen Teilen ausreichend sind.
Hierarchische Struktur des Gehirns
Die funktionelle Bildgebung hat auch zu einem besseren Verständnis der hierarchischen Struktur des Gehirns beigetragen. Im motorischen System zeigen sich hierarchische Unterschiede, wenn eine Bewegung, die normalerweise von einer bestimmten Extremität ausgeführt wird, während des Experimentes von einer anderen Extremität ausgeführt wird (Rijntjes et al. 1999). Dabei ist die Spezialisierung von Arealen nicht nur an die Modalität gebunden, die üblicherweise Zugang zu diesen Arealen verschafft. So werden bei Blinden, die Blindenschrift (Braille) lesen, Teile des visuellen Systems aktiviert (Buchel et al. 1998), und Taubstumme, die die Gebärdensprache beherrschen, benutzen dafür das ganze sprachliche Netz, so wie dies bei Hörenden bekannt ist (MacSweeney et al. 2002).
Beeinflussung von Netzwerken durch andere Netzwerke
Sehr viele Studien beschäftigen sich damit, wie sich die Aktivierungen in Arealen oder Kombinationen von Arealen durch eine gezielte Variation der Bedingungen verändern lässt. Der Zahl der möglichen Variationen sind hierbei keine Grenzen gesetzt. Nicht nur kognitive Prozesse, sondern auch soziale Interaktionen werden unter unterschiedlichsten Bedingungen untersucht. Dabei zeigt sich, dass Netze, die eine Funktion repräsentieren, von der Aktivität in anderen Netzen abhängig sind. So wird die Aktivierung sogar im primär motorischen Kortex stärker, wenn ein Proband seine Aufmerksamkeit auf den Raum richtet, in dem seine Bewegung gerade stattfindet (Baker et al. 1999).
Lernprozesse und Kohärenz der Signale
Große Fortschritte wurden bei der Erforschung von Lernprozessen erzielt. Areale, die zusammenarbeiten, weisen eine signifikante Kohärenz der Signale auf, die für die Funktion zusammenarbeiten. Zum Beispiel verschiebt sich der Schwerpunkt des Handareals im motorischen Kortex, mit der Magnetstimulation gemessen, bei gleichzeitigen Hand- und Fußbewegungen entlang der Konvexität nach medial, also Richtung Fußareal (Liepert et al. 1998). Die Kohärenz der EEG-Signale aus verschiedenen motorischen Arealen nimmt bei zunehmend komplexer Fingerbewegung zu (Andres und Gerloff 1999). Diese Zunahme der Kohärenz findet in Arealen statt, von denen man weiß, dass sie direkte anatomische Verbindungen miteinander haben, nach dem Spruch "what wires together, fires together". Aber auch wenn eine Aufgabe eine gleichzeitige Verarbeitung von Arealen, die keine direkten anatomischen Verbindungen haben, verlangt, kann trotzdem eine Zunahme der Kohärenz der Signale in diesen Arealen gemessen werden, z. B. wenn Probanden sowohl die Stelle als auch den Inhalt eines visuellen Stimulus behalten sollen, wie das bei dem Memory-Spiel der Fall ist (Buchel et al.
Anatomische Unterschiede und funktionelle Merkmale
Es ist möglich, anatomische Aufnahmen von Gehirnen Voxel für Voxel miteinander zu vergleichen ("voxel-based morphometry"), um zu sehen, wo sich Gehirne statistisch signifikant voneinander unterscheiden. So ist bei Londoner Taxifahrern, die das Straßennetz der ganzen Metropole auswendig kennen müssen, der Hippocampus größer als bei anderen Menschen. Anatomische und funktionelle Merkmale können dann miteinander kombiniert werden: Bei der Vorstellung, sich eine geeignete Fahrtrichtung zu einem Ziel vorzustellen, ist der Hippocampus bei Taxifahrern auch stärker aktiv als bei Personen ohne diese besonderen Kenntnisse (Maguire et al. 2000).
Schnelle Änderungen im Gehirn
Wie schnell solche Änderungen auftreten können, zeigt eine Studie, in der Probanden üben sollten zu jonglieren. Nach 3 Monaten war ein kortikales Areal, in dem komplexe visuelle Information verarbeitet wird, signifikant gewachsen (Draganski et al. 2004). Umgekehrt führt das Fehlen von Aktivität zu einer Verkleinerung von Hirnstrukturen: Bei Erwachsenen, die im kindlichen Alter eine Armamputation erlitten haben, kann der typische Handknubbel im kontralateralen primär motorischen Kortex fehlen (Dettmers et al. 1999).
Ursache und Folge anatomischer Unterschiede
Ursache und Folge der anatomischen Unterschiede sind jedoch nicht immer eindeutig: Bei Patienten mit Cluster-Kopfschmerzen ist ein Bereich im Hypothalamus im Vergleich zu gesunden Probanden vergrößert.
Flexibilität der Repräsentationen im Gehirn
Ein interessanter Befund, der aus Tierexperimenten schon bekannt war, ist, dass die Repräsentationen flexibel auf Änderungen in der Peripherie reagieren können. Die Repräsentation einzelner Finger im primär sensiblen Kortex bei Affen sind in diesem Teil des Kortex ziemlich scharf voneinander abzugrenzen. Drei Monate nach Amputation des Mittelfingers hatten die Areale der benachbarten Finger sich in die Repräsentation von dem fehlenden Finger ausgedehnt (Merzenich et al. 1984). Bei Blinden, die Blindenschrift (Braille) lesen, ist das Areal vom Zeigefinger im motorischen Kortex gegenüber Sehenden vergrößert (Pascual-Leone und Torres 1993) und durch Immobilität nach Knöchelfraktur verkleinert sich das kortikale primäre Fußareal (Liepert et al. 1995).
Bedeutung der Reorganisation im Gehirn
Trotzdem ist es nicht immer offensichtlich, was für eine Bedeutung eine Reorganisation hat. Bei der peripheren Fazialisparese, eine rein motorische Deefferentierung, dehnt sich das Handfeld im motorischen Kortex in das benachbarte, brachliegende Gesichtsfeld aus (Rijntjes et al. 1997).
Erholung nach Schädigungen im Gehirn
In den letzten Jahren sind viele Studien durchgeführt worden mit der Frage, wie es möglich ist, dass eine Funktion sich nach einer lokalen Schädigung im Gehirn erholt. Als bestgeeignetes Beispiel für eine umschriebene Schädigung gilt der Schlaganfall und am ausführlichsten sind das motorische und sprachliche System untersucht worden. Üblicherweise werden Gruppen von Patienten untersucht, da Schädigungen unterschiedlich lokalisiert sind, anatomische Verhältnisse individuell variieren und die Repräsentation der Funktionen auch vor dem Schla…
Die Anatomie des Gehirns: Eine detaillierte Betrachtung
Das Gehirn ist ein komplexes Organ, das aus verschiedenen Teilen besteht, die jeweils spezifische Funktionen erfüllen. Zu den wichtigsten Bestandteilen gehören:
- Großhirn (Cerebrum): Der größte Teil des Gehirns, der für höhere kognitive Funktionen wie Denken, Lernen und Gedächtnis verantwortlich ist. Es besteht aus zwei Hemisphären, die durch den Corpus callosum miteinander verbunden sind. Die Oberfläche des Großhirns ist die Großhirnrinde (Cortex), die in vier Lappen unterteilt ist: Frontallappen, Parietallappen, Temporallappen und Okzipitallappen.
- Kleinhirn (Cerebellum): Befindet sich unterhalb des Großhirns und hinter dem Hirnstamm. Es ist vor allem für das Gleichgewicht und die Steuerung von erlernten Bewegungsabläufen verantwortlich.
- Zwischenhirn (Diencephalon): Liegt zwischen dem Großhirn und dem Mittelhirn und enthält den Thalamus, den Hypothalamus und die Zirbeldrüse. Der Thalamus filtert eingehende Informationen und leitet sie an das Großhirn weiter, während der Hypothalamus den Hormonhaushalt steuert.
- Hirnstamm (Truncus cerebri): Bildet den untersten Teil des Gehirns und verbindet es mit dem Rückenmark. Er ist für lebenswichtige Funktionen wie Atmung, Herzschlag und Reflexe verantwortlich.
Die Großhirnrinde (Cortex): Sitz der höheren kognitiven Funktionen
Die Großhirnrinde ist die äußere Schicht des Großhirns und besteht aus grauer Substanz, die reich an Nervenzellkörpern ist. Sie ist stark gefaltet, um ihre Oberfläche zu vergrößern, und in verschiedene Bereiche unterteilt, die jeweils spezifische Funktionen erfüllen.
- Frontallappen (Stirnlappen): Kontrolliert Bewegungen, führt kognitive Prozesse aus und ist für Persönlichkeit und Entscheidungsfindung verantwortlich.
- Parietallappen (Scheitellappen): Verarbeitet sensorische Informationen wie Berührung, Temperatur, Schmerz und räumliche Wahrnehmung.
- Temporallappen (Schläfenlappen): Ist für das Sprachzentrum und das Verständnis und die Verarbeitung von Sprache zuständig. Der Hippocampus im mittleren Teil des Temporallappens ist für das Gedächtnis von größter Bedeutung.
- Okzipitallappen (Hinterhauptlappen): Verarbeitet visuelle Informationen.
Das Kleinhirn (Cerebellum): Koordination von Bewegungen und Gleichgewicht
Das Kleinhirn befindet sich im unteren hinteren Bereich des Schädels und ist für die Steuerung und Koordination von Bewegungsabläufen sowie für die Aufrechterhaltung des Gleichgewichts verantwortlich. Es empfängt Informationen von den Sinnesorganen und anderen Teilen des Gehirns und nutzt diese Informationen, um motorische Bewegungen und Handlungen zu steuern und zu koordinieren.
Das Zwischenhirn (Diencephalon): Filter und Schaltstelle
Das Zwischenhirn enthält den Thalamus, den Hypothalamus und die Zirbeldrüse. Der Thalamus filtert eingehende Informationen, bevor er sie an das Großhirn weiterleitet. Der Hypothalamus steuert den Hormonhaushalt und agiert als Brücke zwischen Hormon- und Nervensystem. Er übernimmt die Steuerung von Funktionen wie Schlaf-Wach-Rhythmus, Körpertemperatur und Sexualverhalten.
Der Hirnstamm (Truncus cerebri): Lebenswichtige Funktionen
Der Hirnstamm dient als Verbindung zwischen Rückenmark und Großhirn. Er besteht aus dem Mittelhirn (Mesencephalon), der Brücke (Pons) und dem verlängerten Mark (Medulla oblongata). Der Hirnstamm ist für eine Vielzahl überlebenswichtiger Funktionen zuständig. Er koordiniert automatische Abläufe wie die Atmung und den Herzschlag, außerdem kontrolliert er auch Reflexe wie Husten, Harndrang, Erbrechen und Schlucken.
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