Die Hirnforschung hat in den letzten Jahrzehnten enorme Fortschritte gemacht und unser Verständnis des menschlichen Gehirns revolutioniert. Durch die Errungenschaften der Regeltheorie (Kybernetik), der Informationstheorie und der Computertechnologie hat die Hirnforschung eine Perspektive gewonnen, die es möglich erscheinen lässt, das, was man bisher gewohnt war, als Wesen und Leistung des menschlichen Geistes zu verstehen, als Wesen und Leistung des als Supercomputer verstandenen Gehirns aufzufassen.
Das Gehirn als Supercomputer
Wenn man Computer als Automaten bezeichnet, dann kann man - demzufolge - auch das Gehirn als einen Automaten auffassen, der - salopp ausgedrückt - den Geist überflüssig macht. Die Analogie von Computer und Gehirn wurde ermöglicht durch die detaillierte Erforschung der Hirnstruktur und die Erkenntnis, dass das Nervensystem aus prinzipiell gleichartigen Grundelementen aufgebaut ist, den Neuronen, deren charakteristische Funktion in der Erzeugung und Fortleitung elektrischer Pulse (Nervenimpulsen) besteht.
Diese Sichtweise hat zu einer intensiven Auseinandersetzung mit der Frage geführt, was das Gehirn wirklich ausmacht und wie es funktioniert. Dabei stehen verschiedene Paradigmen und Theorien im Wettbewerb, die alle versuchen, die Geheimnisse der menschlichen Intelligenz zu entschlüsseln.
Das Gehirn als Vorhersagemaschine
Ein neues Paradigma der Hirnforschung sieht das Gehirn als eine Vorhersagemaschine. Man versteht einen Satz oft schon, bevor er zu Ende gesprochen wird. Erkennt einen Hund bereits, wenn nur dessen Schnauze zu sehen ist. Ein paar Reize genügen, und schon ergänzt das Gehirn sie mit seinen Modellen zu fertigen Mustern. Die inneren Modelle sind reichhaltiger als die außen verfügbaren Informationen. Der Traum kann jederzeit platzen: Der Gesprächspartner beendet den Satz ganz anders als gedacht. Der Hund erweist sich als Schatten an der Wand. Die vermeintlichen Hüte sind Papageien. Das Gehirn muss sich viel zu oft mit Vorhersagefehlern herumschlagen.
Lars Muckli, ein Neuropsychologe an der Universität Glasgow, veranschaulicht dies anhand von Kippbildern wie der Rubinschen Vase oder einem Gemälde seiner Frau, das Papageien mit Hüten zeigt. Diese Bilder verdeutlichen, wie das Gehirn ständig Hypothesen bildet und versucht, die eingehenden Sinnesdaten mit seinen inneren Modellen abzugleichen.
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Belege für die Vorhersagekraft des Gehirns
Guido Hesselmann von der Berliner Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie legte Versuchspersonen das Kippbild der Rubinschen Vase in einem Hirnscanner vor. Er zeigte ihnen das Bild so kurz, dass es nicht mehr kippen konnte. Dabei registrierte der Scanner spontane Fluktuationen, also Aktivitätsschwankungen im Gehirn. Das Ergebnis: Waren die Fluktuationen im Gesichtsareal stärker, sahen die Versuchspersonen hinterher Gesichter. War vorher das Objekterkennungsareal stärker erregt, sahen sie die Vase. Dies deutet darauf hin, dass in den Erregungsmustern der Hirnareale Modelle stecken.
Hinderk Emrich, emeritierter Psychiatrieprofessor, hat bereits vor 20 Jahren untersucht, wie solche Modelle beeinflussen können, was ein Mensch als "normal" empfindet. Er erzeugte präzis gemalte Hohlmasken menschlicher Gesichter und stellte fest, dass Versuchspersonen diese normalerweise als wirkliche, plastische Gesichter wahrnahmen. Emrichs Schlussfolgerung: Sie korrigierten ihre Wahrnehmung, um den Eindruck bedrohlicher Masken zu vermeiden.
Experimente zum Sehsystem
Lars Muckli hat im Centre for Cognitive Neuroimaging der Universität Glasgow Experimente durchgeführt, um das Paradigma der Vorhersagemaschine systematisch zu untersuchen. Sein Forschungsgebiet ist das Sehsystem. Er hat herausgefunden, dass nur fünf Prozent der neuronalen Projektionen in das Areal V1 (die Eingangspforte des Sehsystems) direkt vom Auge hineinprojiziert werden. Jedes Neuron dieser Region V1 hat viel mehr Verbindungen zu den Nachbarzellen und den höheren kortikalen Regionen V2 bis V5. Dies deutet darauf hin, dass das Gehirn fähig ist, sein "Vorwissen" auf die eintreffenden Sehreize anzuwenden.
In einem Experiment sahen Versuchspersonen zwei Leuchtpunkte, die regelmäßig im gleichen Abstand hintereinander aufblinkten, wodurch eine Scheinbewegung entstand. Wenn nun genau in der Mitte zwischen den beiden Punkten ein neuer Punkt aufleuchtete, wurde dieser deutlicher wahrgenommen, wenn er in den zeitlichen Kontext der Scheinbewegung passte. Das Sehsystem kann auch komplexere Szenen ergänzen, Bilder etwa, in denen Lücken klaffen. Auch hier registrierte Lars Muckli in den zuständigen Sehregionen Aktivitäten, die zum Gesamtmuster des Bildes passten.
Die Rolle der Sinne
Wie Muckli zeigen konnte, fließen Informationen zwischen allen verfügbaren Sinnen, zum Beispiel auch zwischen Hören und Sehen. Wenn man eine Geräuschkulisse einer Partygesellschaft hört, reagiert auch das Sehsystem unter der Schädeldecke.
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Das Prinzip der freien Energie
Karl Friston, wissenschaftlicher Direktor des Wellcome Trust Centre for Neuroimaging am University College London, betrachtet das Gehirn ebenfalls als Vorhersage-Künstler, will das Paradigma aber noch einmal in ein höheres Prinzip überführen. Er hat das Prinzip der freien Energie entwickelt, das besagt, dass alle Organismen, die überleben, der natürlichen Tendenz zur Unordnung und Auflösung widerstehen. Ein Weg, das zu gewährleisten, besteht darin, in einer Weise mit der Welt in Kontakt zu treten, dass wir eine innere Struktur aufrechterhalten.
Die Notwendigkeit, eine konstante innere Ordnung zu erhalten, ist für Karl Friston der eigentliche Grund dafür, warum alle Organismen mit Vorhersagen und Hypothesen arbeiten. Das Gehirn nutzt innere Modelle, um Reize zu interpretieren, weil das energetisch weniger aufwändig ist als sie immer neu zu berechnen. Erst wenn die Sinnessysteme abweichende Daten melden, gibt das Gehirn die alte Ordnung auf und erschafft bessere Modelle.
Die neurowissenschaftliche Weltformel
Karl Friston rechnet mit eleganten Formeln vor, dass das Gehirn zwangsläufig bestrebt sein muss, den Energieeinsatz zu minimieren. Lebendige Systeme müssen Unordnung vermeiden, das informationsverarbeitende Gehirn Überraschung, lautet seine neurowissenschaftliche Weltformel. Zusammen mit anderen Hirnforschern versucht er, daraus alle Eigenheiten des Gehirns abzuleiten.
Henrik Walter, Neurowissenschaftler und Philosoph an der Charité Berlin, erklärt das Prinzip am Beispiel der Gesichtserkennung: Eine Nervenzelle sagt voraus, dass auch andere Nervenzellen aktiv sein müssen, wenn gewisse Gesichts-Signale auftauchen. Stimmt diese Vorhersage nicht, verändert die Nervenzelle ihre Verbindungsstärke zu den anderen Neuronen, um den Vorhersagefehler zu minimieren.
Was sind Gedanken überhaupt?
Die Frage, was Gedanken eigentlich sind, ist zentral für das Verständnis des Gehirns. John-Dylan Haynes und Matthias Eckoldt widmen dieser Frage in ihrem Buch "Fenster ins Gehirn" ein eigenes Kapitel, beantworten sie aber letztendlich nicht. Sie relativieren eilig: “Die Neurowissenschaft ist jedoch noch weit davon entfernt, die Sprache der Hirnaktivitätsmuster gänzlich zu entziffern. Die Hirnmuster sind für uns eher wie rätselhafte Geheimbotschaften, die wir mühsam zu entschlüsseln versuchen. Wir müssen uns also in das Kämmerlein der Gedanken von Probanden quasi erst ‘einhacken’.”
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Das Introspektionsproblem
Haynes und Eckoldt sprechen das altbekannte Introspektionsproblem an: Wer über seine Gedanken berichtet, verändert diese unweigerlich. In der Philosophiegeschichte und auch der Gründerzeit der akademischen Psychologie war man sich des Problems bewusst, dass hier Subjekt und Objekt, Forscher und Forschungsgegenstand zusammenfallen. Menschen kann man nicht wie Atome erforschen. Man muss sie dazu befragen, was in ihnen vorgeht; oder man beobachtet ihr Verhalten und schließt daraus interpretativ auf innere Vorgänge.
Die behavioristische Entsubjektivierung
Der Behaviorismus verachtete Introspektion als “mentale Gymnastik”. Dessen Vorreiter, John B. Watson, war der Meinung, dass Psychologen nicht über innere Vorgänge sprechen sollten, sondern sich an der Biologie orientieren sollten.
Eine Lücke in westlicher Wissenschaft
Swami Veda Bharati kritisierte, dass die westliche Philosophie, Psychologie und Neurowissenschaft Schwierigkeiten damit haben, zu definieren, was ‘Geist’ ist. Er bemängelte, dass sie nie dazu in der Lage waren zu unterscheiden, wo die Seele [spirit] aufhört und der Geist anfängt und wo der Geist aufhören mag und der Körper (das heißt, Gehirnfunktionen) anfängt.
Alan Wallace kritisiert den reduktionistischen Ansatz in Philosophie, Psychologie und Hirnforschung. Er bemängelt ein “Tabu der Subjektivität” und arbeitet an einer neuen Wissenschaft des Bewusstseins.
Mustererkennung
Hirnforscher können nicht den Inhalt von Gedanken auslesen. Alles was sie - beziehungsweise: ihre Lernalgorithmen - tun können, ist Muster zu vergleichen. Um diesen eine Bedeutung zu geben, braucht es Introspektion oder Umweltwissen. Das bezeichnet man heute als wissenschaftliches “Gedankengelesen”, obwohl hier gar nichts gelesen, sondern nur verglichen wird.
Das “Chinesische Zimmer”
Zum Verständnis kann man auch John Searles bekanntes “Chinesisches Zimmer” heranziehen: In diesem Gedankenexperiment befindet sich ein Mensch in einem Raum mit einem Computer und zwei Briefschlitzen. Durch den einen Schlitz kommen Zettel mit chinesischen Schriftzeichen herein. Damit sind Fragen formuliert. Der Mensch spricht zwar kein Chinesisch, kann am Computer aber die Antwort nachschlagen. Die schreibt er - wieder auf Chinesisch - auf einen neuen Zettel und wirft diesen durch den zweiten Schlitz nach draußen. Von außen betrachtet scheint es so, als verstehe das Chinesische Zimmer die Fremdsprache. Dabei vergleicht der Mensch im Inneren nur (für ihn sinnlose) Muster mithilfe eines Computers.
Was ist also ein Gedanke?
Ohne zu wissen, was ein Gedanke ist, kann man wohl kaum sinnvoll vom Gedankenlesen sprechen. Westliche Psychologie und Hirnforschung haben hier eine Erkenntnislücke.
Denken scheint stark sprachlich geprägt und kulturell erlernt. In einer anderen Umgebung, anderen Kultur, anderen Zeit hätte man wahrscheinlich andere Denkvorgänge. Denken fasst eine große Klasse von strukturbildenden Vorgängen zusammen, in denen Information erkannt, erschlossen oder neu gebildet wird. Diese Prozesse sind rational gesteuert und (im a…
Wie funktioniert Erinnern?
Die Vorstellung, dass es Gehirnzellen gibt, die einzig und allein dafür da sind, eine bestimmte Person zu erkennen, galt in der Hirnforschung lange als Quatsch. Wenn man etwa Zellen fände, die einzig für die Erinnerung an die Großmutter zuständig sind, dann könnte man doch, wenn man das wollte, die Großmutter einfach aus dem Gedächtnis löschen, indem man die für sie zuständigen Neuronen rausoperiert.
Die Pioniere der Hirnforschung
Die Arbeit der frühen Hirnforscher war ein Abenteuer: Da zuckten Froschschenkel auf Wäscheleinen, verbitterte Feindschaften wurden gepflegt und Nobelpreise wurden geteilt. Bis Ende des 19. Jahrhunderts war nicht klar, ob das Gehirn ein zusammenhängendes Netz aus verschmolzenen Neuronen ist oder aus einzelnen Zellen besteht. Erst durch Camillo Golgis Entdeckung der Silbernitratfärbung wurden einzelne Neurone sichtbar - eine Technik, die Santiago Ramón y Cajal die Formulierung der Neuronendoktrin ermöglichte: Diskrete Nervenzellen sind die grundlegenden Bausteine des Gehirns.
Luigi Galvani, Hermann von Helmholtz, Lord Adrian und andere beschäftigte die elektrische Erregungsleitung von Nerven und Nervenzellen. Otto Loewi entdeckte die Neurotransmitter.
Der Aufbau des Gehirns
Der menschliche Körper besteht aus geschätzten 100 Billionen Zellen, sämtlich spezialisiert auf bestimmte Aufgaben. Zellen, die auf die Verarbeitung und Weitergabe von Information spezialisiert sind, heißen Nervenzellen oder Neurone. Gemeinsam mit den Gliazellen bilden sie das zentrale und das periphere Nervensystem. Laut der aktuellsten Schätzung befinden sich 86 Milliarden Neurone im Gehirn. Sie sind dafür verantwortlich, dass wir sprechen, handeln, fühlen können. Durch ihre vielfältige Verschaltung entstehen Netzwerke, die auch komplexe Reize verarbeiten.
Die Entdeckung der Nervenzelle
1872 entdeckte der Physiologe Camillo Golgi die „schwarze Reaktion“, eine Färbemethode, die einzelne Neurone per Silbernitrat sichtbar machte. Golgi war sicher: Was er in seinen Präparaten sah, war ein zusammenhängendes Netz von miteinander verschmolzenen Zellen, ein so genanntes Synzytium. Ganz anderer Meinung war der spanische Mediziner Santiago Ramón y Cajal, der mit Golgis Technik zahlreiche Präparate färbte. Er postulierte mit Überzeugung, dass das Gehirn aus einzelnen funktionellen Einheiten besteht, die in Verbindung stehen, aber eben nicht miteinander verschmolzen sind. Letztlich behielt Cajal Recht - die von ihm vertretene Neuronendoktrin legte die Grundlage der modernen Neurobiologie. Für ihre Leistungen wurden Golgi und Cajal 1906 mit einem gemeinsamen Nobelpreis gewürdigt.
Die Synapse
Charles Sherrington benannte die Kontaktstelle zweier Neurone als Synapse. Über sie werden, wie wir heute wissen, Impulse von einer an die andere Zelle weitergeleitet, zudem sind sie notwendig für den Lernprozess.
Die chemische Kommunikation
Otto Loewi entdeckte 1921 die chemische Kommunikation von Nervenzellen. Er legte ein noch schlagendes Froschherz in eine Salzlösung und stimulierte elektrisch den Vagusnerv, was den Herzschlag verlangsamte. Als Loewi dann ein zweites Froschherz in die gleiche Lösung platzierte, schlug auch dieses langsamer. Offensichtlich war hier ein chemischer Botenstoff des Nervensystems aktiv - Loewi nannte ihn damals den „Vagusstoff“, inzwischen ist er als Acetylcholin bekannt.
Die elektrische Erregungsleitung
Luigi Galvani hatte 1786 beobachtet, dass Froschschenkel an einer Wäscheleine bei Gewitter zuckten. Er hatte etwas entdeckt, das er als tierische Elektrizität bezeichnete. Hermann von Helmholtz fand, dass diese elektrischen Signale Informationen von Bedeutung trugen: Die elektrischen Impulse sind so etwas wie die Sprache der Nervenzellen und werden über das Axon weitergeleitet.
Das Alles-oder-nichts-Prinzip
Lord Edgar Adrian widmete sich ab 1920 der Frage, welcher Art die Signale der Neurone sind. Er kam zu der Erkenntnis, dass ein elektrischer Impuls genauso aussieht wie der nächste - unabhängig von der Intensität der Reizung. Wir kennen das heute als Alles-oder-nichts-Prinzip: Entweder das Neuron feuert oder nicht. Allerdings zeigte sich die Stärke des Eingangsreizes in der Häufigkeit der elektrischen Impulse: Je stärker der Reiz, umso höher die Feuerrate.
Die Membran-Hypothese
Julius Bernstein entwickelte die so genannte „Membran-Hypothese“. Er fand heraus, dass bei der nicht gereizten Zelle an der Membran eine elektrische Spannung von -70 Millivolt anliegt - das Ruhepotential. Dieses Potential beruht auf der unterschiedlichen Verteilung positiver und negativer Ionen innerhalb und außerhalb der Zelle.
Hemmende und erregende Impulse
John Eccles fand heraus, dass es bei den so genannten postsynaptischen Potentialen sowohl hemmende als auch erregende Impulse gibt. Diese werden von der Nervenzelle summiert, die dann entweder feuert oder eben nicht.
Emotionale Erstarrung als Schutzmechanismus
Das Gehirn schützt uns vor Überforderung - manchmal, indem es die Emotionen betäubt. Emotionale Erstarrung ist ein Zustand, in dem Fühlen, Denken und Handeln voneinander abgekoppelt scheinen. Sie ist die Folge einer extremen Stressreaktion, bei der das autonome Nervensystem die Kontrolle übernimmt. Im Zentrum steht unter anderem die Amygdala, die für die Regulierung von Angst oder Wut verantwortlich ist. Gleichzeitig verändert sich die Aktivität im präfrontalen Kortex - vor allem in jenen Arealen, die für emotionale Bewertung zuständig sind.
Die Folgen chronischer Dissoziation
Chronische Dissoziation kann zu einem brüchigen Selbstgefühl führen, zu Depressionen und Angststörungen. Wer sich selbst nicht spürt, kann auch schwer in Beziehung treten.
Wege zurück zur Empfindung
Um die Gefühle wiederzufinden, braucht es zuweilen keiner Worte, sondern den Körper: Berührung, Bewegung, Atmung. Deshalb setzen Therapien mehr und mehr auf körperorientierte Verfahren. Methoden wie Somatic Experiencing, traumasensibles Yoga oder achtsamkeitsbasierte Körperarbeit können helfen, die Verbindung zwischen Empfindung und Bewusstsein langsam wiederherzustellen. Auch EMDR (Eye Movement Desensitization and Reprocessing) zeigt bei vielen Menschen Wirkung.
Die Bedeutung des Lernens
Neugier hat den Eroberungs- und Wissensdrang des Abendlandes, das Ausstrecken nach dem Anderen, Fremden geleitet. Über das, was das Lernen des Homo sapiens, des weisen Menschen, begünstigt und was es hemmt, hat die Hirnforschung inzwischen viel herausgefunden. Jeder Mensch lernt automatisch von Geburt an - und wahrscheinlich sogar schon davor. Wenn ein Baby nicht lernt, ist es krank.
Die Architektur des Gehirns
Das Gehirn ist alles andere als ein statisches, fertiges Produkt. Voller Dynamik verändert es sich auch physiologisch ständig, was sich geistig auswirkt. Umgekehrt verändert in Wechselwirkung die Geistestätigkeit den Aufbau des Gehirns, die Hirnzellenverknüpfungen. Das Gehirn lernt, indem sich die Zellen besser vernetzen. Konfrontiert mit Herausforderungen, vor die uns Neues stellt, müssen alte, einfachere Verschaltungen aufgelöst und neue, vielfältigere geknüpft werden.
Die Rolle der Emotionen
Alles, was von außen auf den Menschen einströmt, wird automatisch mit Gefühl und Bedeutung versehen, noch bevor es unser Bewusstsein erreicht. In evolutionsgeschichtlich-anthropologisch sehr alten Bereichen des Gehirns, im limbischen System, das für Gefühle, darunter religiöse Gefühle, zuständig ist, werden die Informationen zuerst bewertet, „als angenehm oder unangenehm markiert, als wichtig oder unwichtig“. Das Rationale folgt in gewisser Weise dem Emotionalen. Gefühle steuern wesentlich das Lernen, Erkennen, Wissen.
Die Bedeutung der Umgebung
Wichtig für das Lernen ist die Umgebung. Nur wenn jemand sich geliebt, geachtet, sicher und sich vor allem als einzigartiges Individuum akzeptiert fühlt, ist er aufnahmefähig und bereit, sich auf Neues einzulassen.
Fazit
Die Hirnforschung hat in den letzten Jahrzehnten enorme Fortschritte gemacht und unser Verständnis des menschlichen Gehirns revolutioniert. Verschiedene Paradigmen und Theorien stehen im Wettbewerb, die alle versuchen, die Geheimnisse der menschlichen Intelligenz zu entschlüsseln. Dabei spielen sowohl die Struktur und Funktion der Nervenzellen als auch die Rolle der Emotionen und der Umgebung eine wichtige Rolle. Noch sind viele Fragen offen, aber die Hirnforschung ist auf dem besten Weg, das Gehirn im Innersten zu verstehen.