Das menschliche Bewusstsein ist seit Jahrtausenden Gegenstand philosophischer und wissenschaftlicher Auseinandersetzung. Die Frage, was uns bewusst macht und wie unser Gehirn diese Fähigkeit ermöglicht, beschäftigt Forscher verschiedenster Disziplinen. Dieser Artikel beleuchtet die neuesten Erkenntnisse und Theorien zur Erforschung des Bewusstseins und seiner neuronalen Grundlagen.
Die neuronalen Korrelate des Bewusstseins
In den letzten Jahrzehnten haben sich Wissenschaftler auf die Suche nach den "neuronalen Korrelaten des Bewusstseins" begeben. Damit sind jene Aktivitäten und Teilsysteme des Gehirns gemeint, die bewusstes Erleben erzeugen. Anfangs glaubten viele Wissenschaftler, ganz bestimmte, abgegrenzte Hirnareale seien für bewusste Wahrnehmung entscheidend. Nach neueren Studien könnte allerdings viel wichtiger sein, dass weit verstreute Neuronenverbände kurzzeitig im Gleichtakt feuern. Nicht alle Informationen, die aus der Umgebung auf uns einprasseln, erreichen unser Bewusstsein. Viele Reize - vor allem sehr kurze - werden im Gehirn verarbeitet, ohne dass wir etwas davon merken.
Das Gehirn als komplexes Netzwerk
Das menschliche Gehirn besteht aus rund hundert Milliarden Nervenzellen, von denen jede über viele tausend Kontaktstellen mit ihren Nachbarzellen verbunden ist. Wissenschaftler gehen davon aus, dass erst der flexible Auf- und Abbau dieser Kontaktstellen es ermöglicht, Informationen zu verarbeiten und zu speichern. Um etwas zu lernen, also neue Informationen verarbeiten zu können, gehen Nervenzellen neue Verbindungen miteinander ein. Steht zum Beispiel eine Information an, für die es noch keinen Verarbeitungsweg gibt, wachsen von der entsprechenden Nervenzelle feine Fortsätze auf ihre Nachbarzellen zu. Bildet sich am Ende des Fortsatzes eine spezielle Kontaktstelle, eine Synapse, ist der Austausch von Informationen zwischen den Zellen möglich - die neue Information wird gelernt. Löst sich der Kontakt wieder auf, wird das Gelernte vergessen. Auch andere Gehirnfunktionen sind nur dann möglich, wenn Nervenzellen zur richtigen Zeit und am richtigen Ort über solche Kontakte Informationen austauschen können.
Synapsen: Informationsübertragung und Flexibilität
An den Synapsen fließt die neuronale Information entlang einer Einbahnstraße: von der Sendeeinheit zur Empfangseinheit der nachgeschalteten Zelle. Wissenschaftler können beobachten, wie von nachgeschalteten Zellen aktiv Fortsätze auswachsen oder sich wieder zurückziehen, wenn Informationen verarbeitet werden. Die Sendeeinheit einer Synapse spielt eine deutlich aktivere Rolle bei deren Auf- und Abbau als bisher gedacht. Verringert sich der Informationsfluss, den eine Nervenzelle weitergeben muss, so werden viele der nun überflüssigen Sendestationen abgebaut. Unerwartet war, dass die durchschnittliche Anzahl der Sendestationen gleich blieb. So wurde ihre Anzahl zwar bei einer Verringerung des Informationsflusses reduziert; im gleichen Zeitraum entstanden jedoch an anderen Stellen neue Sendestationen.
Hemmende Synapsen: Bremsen an vorgegebenen Kreuzungen
Neben den Synapsen, die den Informationsfluss zwischen zwei Nervenzellen fördern, gibt es auch Synapsen, die die Informationsübertragung hemmen. Hemmende Synapsen stellen rund ein Fünftel aller Kontakte zwischen Nervenzellen dar. Sie entstehen nur dort, wo bereits ein physischer Kontakt zwischen einem Dendriten und dem Axon einer anderen Nervenzelle besteht. Diese Ortsbeschränkung auf direkte Kontaktstellen könnte jedoch problematisch sein: Im Gegensatz zu den beweglichen Fortsätzen können weder die Dendriten noch das Axon einer Nervenzelle ihre Position nach vollendeter Gehirnentwicklung ändern. Doch obwohl dies die möglichen Stellen für hemmende Synapsen im erwachsenen Gehirn begrenzt, bleibt auch hier Raum für Flexibilität. Nur an ungefähr 40 Prozent der Überkreuzungen von Dendriten und Axonen fanden die Wissenschaftler eine Synapse. So können je nach Bedarf hemmende Synapsen an noch freien Überkreuzungen aufgebaut werden; der Abbau von nicht mehr benötigten Synapsen macht Überkreuzungen für einen späteren Bedarf wieder frei.
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Effiziente Kontaktsuche durch Kalzium-Signale
Für jede erregende Synapse lassen Nervenzellen unzählige kontaktsuchende Fortsätze auf ihre Nachbarzellen zuwachsen. Kommt es zum Zellkontakt, müssen Informationen über den Wert der Verbindung ausgetauscht werden: Passen die Zellen nicht optimal zusammen, wird der Fortsatz nach wenigen Sekunden bis Minuten wieder abgebaut. Anscheinend können Nervenzellen also auch ohne Synapsen Informationen über ihre Nachbarn einholen. Lokale Kalzium-Signale übermitteln den Zellen schnell alle nötigen Informationen. Erst wenn Zelle und Kontaktstelle für einen langfristigen Kontakt geeignet sind, entsteht tatsächlich eine Synapse. Trifft ein auswachsender Fortsatz auf eine Nachbarzelle, so löst dies eine Kalzium-Ausschüttung an der Basis des Fortsatzes aus. Dieses Kalzium-Signal funktioniert dann wie ein Stoppschild und der Fortsatz stellt sein Wachstum ein. Gleichzeitig enthält das Signal bereits alle wichtigen Informationen über die Qualität des neuen Kontakts. Denn nur wenn das Kalzium-Signal deutlich höher ist als der umgebende Kalzium-Spiegel der Zelle, bleibt der Kontakt bestehen. Ansonsten zieht sich der Fortsatz zurück und die Nervenzelle sucht an anderer Stelle nach einer geeigneten Partnerzelle. Mithilfe dieser erstaunlich effizienten Technik spart das Gehirn Zeit und Energie und sammelt wichtige Informationen sozusagen im Vorbeigehen.
Flexibilität des Gehirns im Alter
Auch im Gehirn gilt: Freie Kapazitäten werden nicht verschwendet. Wie gründlich die Nervenzellen dieses Prinzip jedoch beherzigen, erstaunte die Experten. Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass nach einer kleinen punktförmigen Netzhaut-Läsion eine komplette „Neuverdrahtung“ der zuvor für diesen Bereich zuständigen Nervenzellen stattfindet. Bereits nach wenigen Tagen bildeten die Nervenzellen, die nun keine Informationen mehr von „ihren“ Netzhautzellen bekamen, dreimal so viele Fortsätze aus wie nichtbetroffene Nachbarzellen. Das Ergebnis dieser gesteigerten Aktivität konnten die Wissenschaftler nach knapp zwei Monaten bestaunen: Die Nervenzellen hatten ihre vorherigen Kontakte, die durch die Läsion nutzlos geworden waren, nahezu vollständig durch neue Kontakte ersetzt. Durch diese massive Umstrukturierung der Zellkontakte konnten die zwischenzeitlich arbeitslos gewordenen Nervenzellen nun eingehende Signale aus anderen Netzhautbereichen verarbeiten. Der Schaden kann so wahrscheinlich teilweise kompensiert werden. Besonders überraschend war, dass diese massive Neuverdrahtung auch im erwachsenen Gehirn stattfindet. Eine neue Erkenntnis, die ganz neue Denkanstöße zu den Regenerationsmöglichkeiten bei Verletzungen der Sinnesorgane gibt.
Informationsleitungen auf Vorrat
Durch die sich ständig verändernden Zellverbindungen kann das Gehirn neue Informationen verarbeiten, Überflüssiges vergessen und Schäden zum Teil wieder ausgleichen. Doch können solche Strukturveränderungen auch das bekannte Phänomen erklären, dass es deutlich leichter ist, etwas Vergessenes wiederzulernen als etwas ganz neu zu lernen? Die Martinsrieder Wissenschaftler konnten nun zeigen, dass es tatsächlich deutliche Unterschiede im Auswachsen von Zellkontakten gibt - je nachdem, ob eine Information neu oder erneut gelernt wird. So wachsen von Nervenzellen deutlich mehr Fortsätze aus, wenn der Informationsfluss von „ihrem„ Auge zeitweise unterbrochen wurde. Nach zirka fünf Tagen hatten sich die Nervenzellen soweit neu verbunden, dass sie nun auf Informationen aus dem anderen Auge reagieren konnten - das Gehirn hatte gelernt, sich mit nur einem Auge zurechtzufinden. Kamen nun wieder Informationen von dem zwischenzeitlich inaktiven Auge, nahmen die Nervenzellen schnell ihre ursprüngliche Arbeit wieder auf und reagierten kaum mehr auf Signale aus dem anderen Auge. Überraschend war jedoch, dass ein Großteil der neu entstandenen Fortsätze bestehen blieb. Alle Beobachtungen deuten darauf hin, dass häufig nur die Synapsen inaktiviert und so die Informationsübertragungen unterbrochen werden. Da eine einmal gemachte Erfahrung vielleicht später noch einmal gebraucht wird, scheint das Gehirn ein paar Fortsätze sozusagen „auf Vorrat“ zu behalten. Und tatsächlich: Wurde das gleiche Auge zu einem späteren Zeitpunkt noch einmal inaktiviert, verlief die Neuorganisation der Nervenzellen deutlich schneller - und das, obwohl keine neuen Fortsätze entstanden. Diese Beständigkeit einiger der einmal gebildeten Fortsätze erleichtert ein späteres Wiedererlernen, da nur die Synapse wieder aufgebaut werden muss. Eine bedeutende Erkenntnis zum Verständnis der grundlegenden Vorgänge beim Lernen und Erinnern.
Technologische Fortschritte in der Hirnforschung
Die Entwicklung des revolutionären STED-Mikroskops, das eine bis zu 10fach verbesserte Auflösung gegenüber herkömmlichen Mikroskopen bietet, ermöglicht es Forschern, winzige Zellstrukturen mit einer Größe von 0.02 bis 0.05 Mikrometern getrennt voneinander zu beobachten. In Reihenaufnahmen von bis zu hundert Bildern konnten die Wissenschaftler nun Veränderungen des Kopfes eines Nervenzellfortsatzes in einer nie dagewesenen Auflösung beobachten.
Die Rolle des Kleinhirns
Der Neuropsychologe Assaf Breska am Max-Planck-Institut für Biologische Kybernetik in Tübingen untersucht die Rolle des Kleinhirns (Cerebellum) bei der Erzeugung des Bewusstseinsstroms. „Es ist ein geheimnisvoller Teil des Gehirns, der 80 Prozent aller Neuronen ausmacht“, sagt Breska, „dessen Funktion wir aber immer noch nicht vollständig verstehen.“
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Bewusstsein: Eine Funktion des Gehirns
International führende Wissenschaftler sind sich einig, dass Bewusstsein eine Funktion unseres Gehirns und nicht Produkt eines immateriellen Geistes ist. "Mühelos koordiniert das Gehirn im Alltag bewusste und unbewusste Prozesse, etwa bei der Wahrnehmung. Philosophen streiten seit Jahrtausenden über die Natur des Bewusstseins. Wir können nun mit modernsten Methoden bewusstseinsgenerierende Prozesse im Gehirn sichtbar machen und so zur Lösung dieser alten Frage beitragen. Auch wenn die Prozesse im Kopf sehr kompliziert und nach wie vor zum Teil unverstanden sind: Klar ist, dass Bewusstsein eine Funktion unseres Gehirns und nicht Produkt eines immateriellen Geistes ist", erläutert Markus Kiefer.
Die Suche nach dem "kollektiven Gehirn"
Stefan Klein argumentiert, dass schöpferisches Denken Kommunikation, Vorbilder und Lehrer braucht. Es entspringe keinem "Originalgenie", sondern eher einem "kollektiven Gehirn", in dem das Wissen von Generationen gespeichert sei, die Erfahrungen zahlloser Menschen. Je mehr Menschen zusammenleben, umso größer und leistungsfähiger ist dieses kollektive Gehirn.
Kritische Betrachtungen und offene Fragen
Tim Parks kritisiert die Vorstellung, dass das menschliche Gehirn ausschließlich als eine Art Computer zu beschreiben sei, als Instrument, das Informationen verarbeitet. Er setzt sich mit der "Spread Mind Theorie" auseinander, die besagt, dass das Bewusstsein nicht im Gehirn entsteht, sondern im Zusammenwirken von Objekten der Außenwelt und dem Menschen mit seinem Gehirn. Allerdings wird seine Verteidigung dieser Theorie unkonkret und schwer verständlich. Wenn er immer wieder behauptet, es gebe keine Bilder oder Farben im Gehirn, setzt er sich über unzählige Beobachtungen und Forschungsergebnisse hinweg, die aufzeigen, wie die Wahrnehmung von Bildern, Gerüchen oder Geräuschen im Gehirn abläuft.
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