Einführung
Unsere Sinne versorgen uns kontinuierlich mit Informationen aus der Umwelt. Die Informationsverarbeitung im zentralen Nervensystem, insbesondere im Gehirn, ist ein komplexer Prozess, der es uns ermöglicht, diese Informationen aufzunehmen, zu verarbeiten und darauf zu reagieren. Dieser Artikel beleuchtet die verschiedenen Aspekte der Informationsverarbeitung im Gehirn, von den grundlegenden Mechanismen bis hin zu klinischen Anwendungen und modernen Forschungstechniken.
Die Grundlagen der Informationsverarbeitung im Gehirn
Sinneswahrnehmung und sensorisches Gedächtnis
Der Prozess der Informationsverarbeitung beginnt mit der Aufnahme von Reizen durch unsere Sinnesorgane (sehen, hören, schmecken, riechen und tasten). Diese Reize werden zunächst im sensorischen Gedächtnis gespeichert, einem kurzlebigen Speicher, der Informationen nur für einige Sekunden festhält.
Aufmerksamkeit und bewusste Wahrnehmung
Nicht alle Informationen, die unsere Sinne erreichen, werden bewusst wahrgenommen. Durch den Filter der Aufmerksamkeit werden die relevanten Informationen ausgewählt und in die nächste Ebene der Verarbeitung, die bewusste Wahrnehmung, überführt. Was wir sehen, hören und fühlen, verknüpfen wir mit dem, was wir zuvor erlebt haben. Wir filtern die Informationen nach dem, was unser Gehirn denkt, dass wir in diesem Moment brauchen. Jemand anderes mag eine andere Auswahl an Informationen treffen.
Kurzzeitgedächtnis (Arbeitsgedächtnis)
Das Kurzzeitgedächtnis, auch Arbeitsgedächtnis genannt, ist der zentrale Verarbeitungsteil unseres Gehirns. Hier werden Informationen aktiv verarbeitet und manipuliert. Es ist jedoch ein begrenzter Speicher, der Informationen nur für etwa 10 bis 15 Sekunden speichern kann.
Langzeitgedächtnis
Das Langzeitgedächtnis dient als "Festplatte" unseres Gehirns. Es speichert Informationen über einen längeren Zeitraum, von Minuten bis hin zu Jahren. Das Langzeitgedächtnis unterstützt das Kurzzeitgedächtnis bei der Entscheidungsfindung und der Ausführung von Handlungen. Wir vergessen viel, erinnern uns aber an das, was zum Überleben wichtig ist.
Lesen Sie auch: Die auditive Wahrnehmung
Motorische Programme und Handlungen
Motorische Programme sind gespeicherte Handlungskonsequenzen und motorische Fähigkeiten, die uns bei der Ausführung von Entscheidungen und Plänen unterstützen. Ein erfahrener Segelflieger macht viele Dinge im Unterbewusstsein. Das kostet ihn wenig Aufmerksamkeit. Ein Flugschüler muss diese Automatismen Schritt für Schritt erlernen. Unsere Handlungen (Taten) haben Konsequenzen, die wir durch unseren Aufmerksamkeitsmechanismus beobachten.
Die Anatomie des Gehirns und ihre Funktionen
Das Gehirn ist die Steuerzentrale für lebenswichtige Abläufe im Körper. Es besteht aus verschiedenen Teilen und Milliarden von vernetzten Nervenzellen. Das Gehirn steuert alle wichtigen Fähigkeiten des Menschen: was wir wahrnehmen und empfinden, was wir wissen und denken oder wie wir uns verhalten. Es stellt aber auch sicher, dass unsere Organe richtig arbeiten und steuert all unsere Bewegungen. Es nimmt Sinneseindrücke auf und verarbeitet sie. Außerdem speichert es Informationen im Gedächtnis und ruft sie bei Bedarf wieder ab.
Hirnstamm
Der Hirnstamm ist der älteste Gehirn-Teil in der Entwicklungsgeschichte des Menschen. Er verbindet das Gehirn mit dem Rückenmark. Zum Hirnstamm werden drei Hirn-Abschnitte gerechnet: verlängertes Mark, Mittelhirn und Brücke. Der Hirnstamm ist u. a. Durch den Hirnstamm verlaufen wichtige Nervenbahnen. Sie sorgen dafür, dass eingehende Sinneseindrücke aus dem Körper an das Großhirn weitergeleitet werden. Umgekehrt leiten sie auch Informationen vom Großhirn zu den Nervenzellen des Rückenmarks. Diese sind z. B. Außerdem regelt der Hirnstamm lebenswichtige Systeme wie Herzschlag, Atmung und Blutdruck. Auch wichtige Körperreflexe haben hier ihren Sitz. Dazu gehören z. B.
Zwischenhirn
Das Zwischenhirn ist für viele überlebenswichtige Empfindungen und Instinkte des Menschen verantwortlich. Hier werden zum Beispiel Durst und Hunger oder der Schlaf gesteuert. Auch an der Verarbeitung von Sinneseindrücken wie Sehen, Hören oder Tasten ist das Zwischenhirn beteiligt.
Thalamus
Der Thalamus ist die wichtigste Schaltstation für Informationen aus den Sinnesorganen. Äußere Sinneseindrücke wie Sehen, Hören oder Tasten gehen hier ein. Hier werden sie verarbeitet und bewertet - jedoch, ohne dass sie uns bereits bewusst sind. Wichtige Informationen werden an das Großhirn weitergeleitet und dort bewusst gemacht. Der Thalamus ist also ein wichtiger Informationsfilter. Er sorgt dafür, dass das Großhirn und das Bewusstsein nicht von Signalen überflutet werden.
Lesen Sie auch: Das Gehirn und die visuelle Wahrnehmung
Hypothalamus
Der Hypothalamus regelt zahlreiche automatische Vorgänge im Körper. Dazu gehören die Körpertemperatur, Wasser- und Salz-Haushalt oder auch die Magen-Darm-Funktion. Er ist auch am Entstehen des Durst-, Hunger- und Sättigungs-Gefühls beteiligt. Gemeinsam mit der Hirn-Anhang-Drüse (Hypophyse) reguliert der Hypothalamus wichtige Hormone im Körper. Im Zusammenspiel mit anderen Gehirn-Bereichen ist der Hypothalamus auch für Gefühle zuständig, wie z. B.
Limbisches System
Zum limbischen System gehören verschiedene Teile im Zentrum des Gehirns. Es spielt eine wichtige Rolle bei Gefühlen und triebgesteuertem Verhalten (z. B. essen oder trinken).
Kleinhirn
Das Kleinhirn ist wichtig für das Gleichgewicht und die Koordination. Gemeinsam mit dem Großhirn steuert es die Muskeln und somit die Bewegungen. Außerdem sorgt es ganz wesentlich mit dafür, dass die Muskel-Spannung des Körpers erhalten bleibt. Während das Großhirn vorrangig für bewusste Bewegungen zuständig ist, steuert das Kleinhirn bereits gelernte Bewegungsabläufe. Hier werden bestimmte Bewegungsabfolgen wie Tanzschritte oder das Schalten beim Autofahren gespeichert.
Großhirn
Das Großhirn ist der jüngste Gehirn-Teil in der Entwicklungsgeschichte des Menschen. Es ist zugleich der größte Teil des menschlichen Gehirns. Das Großhirn ermöglicht die sogenannten „höheren“ Hirnfunktionen, wie Motivation, Lernen, Denken oder Verstehen.
Großhirnrinde
Die Großhirn-Rinde bedeckt die gesamte Oberfläche des Großhirns. Sie ist etwa 1,5 bis 4,5 Millimeter dick und enthält fast drei Viertel aller Nervenzellen des Gehirns. Hier gehen wichtige Sinneseindrücke ein. Sie werden sortiert, bewusst gemacht, gespeichert und sinnvoll miteinander verknüpft. Dadurch ist es dem Menschen möglich, zielgerichtet zu handeln. In der Großhirn-Rinde sitzen auch die Wahrnehmung und der Wille. Auch wesentliche Teile unseres Gedächtnisses liegen in der Großhirn-Rinde. Denken und Erinnern sind hier verankert, willentliche Bewegungen werden gesteuert.
Lesen Sie auch: Störungen der auditiven Wahrnehmung
Die Großhirn-Rinde ist in verschiedene Unterbereiche, sogenannte Gehirn-Lappen, gegliedert. Sie werden entsprechend ihrer Lage Stirn-Lappen, Schläfen-Lappen, Scheitel-Lappen und Hinterkopf-Lappen genannt. In ihnen haben Nervenzellen mit ganz bestimmten Aufgaben ihren Sitz. Man kann heute schon sehr genau sagen, wo sich einzelne Funktionen befinden, z. B.
Unterhalb der Großhirn-Rinde verlaufen die Fortsätze der Nervenzellen. Sie übertragen Informationen. Unterhalb des Großhirns liegen auch die Basal-Ganglien. Das sind sehr dichte Verbünde von Nervenzellen.
Neuronale Informationsverarbeitung: Der zelluläre Mechanismus
Das Gehirn ist ein gigantisches Netzwerk von Nervenzellen, den Neuronen. Diese Zellen kommunizieren miteinander über spezielle Verbindungsstellen, die Synapsen. Durch den wiederholten Informationsaustausch zwischen den Nervenzellen können sich die Verknüpfungen verstärken.
Neuronen: Die Bausteine des Nervensystems
Neuronen sind spezialisierte Zellen, die elektrische Signale erzeugen und weiterleiten können. Sie bestehen aus drei Hauptteilen:
- Dendriten: Nehmen Informationen von anderen Neuronen auf.
- Axon: Leitet das Signal in Form eines Aktionspotentials weiter.
- Synapsen: Übertragen Signale chemisch auf Zielneuronen.
Synaptische Plastizität: Die Grundlage des Lernens
Die synaptische Plastizität beschreibt die Fähigkeit des Gehirns, die Stärke oder Effizienz synaptischer Verbindungen als Reaktion auf Aktivität oder Erfahrungen zu verändern. Dies ist die Grundlage von Lernprozessen und Anpassungen.
Neuronale Netzwerke und Informationsverarbeitung
Neuronen sind nicht isoliert, sondern bilden komplexe Netzwerke, die für die Verarbeitung von Informationen verantwortlich sind. Diese Netzwerke können Informationen parallel verarbeiten und so komplexe Aufgaben bewältigen.
Visuelle Informationsverarbeitung: Ein Beispiel
Die visuelle Informationsverarbeitung ist ein gutes Beispiel für die Komplexität der neuronalen Netzwerke. Informationen von der Retina werden über den Thalamus an den visuellen Kortex weitergeleitet, wo sie in verschiedenen Stufen verarbeitet werden.
- V1 (primärer visueller Kortex): Hier werden grundlegende Merkmale wie Orientierung, Farbe und Bewegung verarbeitet.
- V2 (sekundärer visueller Kortex): Hier werden komplexere Formen und Muster erkannt.
- V4: Hier werden Farben und Formen weiter verarbeitet.
- MT (medialer temporaler Kortex): Hier wird Bewegung verarbeitet.
Aufmerksamkeit und selektive Informationsverarbeitung
Unsere Fähigkeit zur Informationsaufnahme ist begrenzt. Wir können nicht auf alles gleichzeitig achten und dabei speichern. Wir können eigentlich nur eine Sache gut machen und haben Schwierigkeiten, mehrere Dinge gleichzeitig zu tun. Konzentriertes Thermikfliegen im Tiefflug und dabei mögliche Landeplätze im Auge zu behalten, verträgt sich nicht mit einer Unterhaltung über Funk.
Die Aufmerksamkeit ermöglicht es uns, uns auf relevante Informationen zu konzentrieren und irrelevante Informationen auszublenden. Dies geschieht durch die Modulation der neuronalen Aktivität in verschiedenen Hirnarealen.
Klinische Anwendungen der neuronalen Informationsverarbeitung
Das Verständnis der neuronalen Informationsverarbeitung hat weitreichende Auswirkungen auf die klinische Praxis. Es ermöglicht es, komplexe Erkrankungen des Nervensystems besser zu verstehen und innovative Therapieansätze zu entwickeln.
Neurologische Erkrankungen
Viele neurologische Erkrankungen, wie Parkinson, Alzheimer und Multiple Sklerose, resultieren aus Störungen der neuronalen Informationsverarbeitung. Ein tieferes Verständnis dieser Störungen ermöglicht es, diese Erkrankungen effektiver anzugehen.
- Parkinson-Krankheit: Beeinträchtigung der dopaminergen Signalübertragung.
- Alzheimer-Krankheit: Verlust der synaptischen Funktion durch Plaque-Ablagerungen.
- Multiple Sklerose: Schädigung der myelinisierten Nervenfasern.
Tiefe Hirnstimulation
Ein bemerkenswertes Beispiel für den Einfluss der neuronalen Informationsverarbeitung auf die Medizin ist der Einsatz von Tiefer Hirnstimulation bei der Parkinson-Krankheit, um motorische Symptome zu lindern.
Bildgebungstechniken
Medizinische Bildgebungstechniken wie fMRT und PET sind unverzichtbare Werkzeuge, um neuronale Aktivität klinisch zu untersuchen.
Techniken und Methoden zur Untersuchung der neuronalen Informationsverarbeitung
Die Anwendung und Verbesserung von Techniken zur Untersuchung der neuronalen Informationsverarbeitung sind entscheidend, um das Verständnis neurologischer Erkrankungen zu erweitern.
Elektrophysiologie
Mittels Elektroenzephalogramm (EEG) können sie vor allem untersuchen, inwieweit räumlich verteilte Regionen in rhythmischen Mustern aktiv sind, und ob diese „Wellen“ im Gleichtakt schwingen. Die Hirnwellen hängen dabei vom aktuellen Bewusstseinszustand ab. Vom Tiefschlaf über Schläfrigkeit und einer ruhigen Entspanntheit bis zu geistiger Anspannung steigt deren Frequenz.
Funktionelle Magnetresonanztomografie (fMRT)
Mittels funktioneller Magnetresonanztomografie kann man sich anschauen, inwieweit das durchschnittliche Aktivitätsniveau von einzelnen Hirnregionen miteinander korreliert. Die funktionelle Kopplung gibt es auch in verschiedenen räumlichen Dimensionen. Sie reicht von ganz kleinen über weiträumige Netzwerke.
Transkranielle Wechselstromstimulation
Sie stimulierten mit Elektroden den okzipitalen Cortex in der linken und rechten Hirnhälfte, der für die Wahrnehmung von Bewegung wichtig ist. Auf diese Weise konnten Engel und seine Kollegen gezielt Gammawellen, Schwingungen im Bereich von 40 Hz, beeinflussen. Brachten sie so die beiden Hirnhemisphären dazu, vermehrt im Gleichtakt zu schwingen, sahen die Probanden verstärkt die horizontale Scheinbewegung.
Die Bedeutung der funktionellen Konnektivität
Seit einigen Jahren interessieren sich Hirnforscher verstärkt für die Kommunikation, also den Datenverkehr in diesen Netzwerken, - im Fachjargon funktionelle Konnektivität genannt. „Von funktioneller Kopplung spricht man, wenn zwei Hirnregionen A und B immer wieder auf ähnliche Weise, mit gleicher Intensität oder Frequenz, oder im Gleichklang aktiv sind“, sagt der Neurowissenschaftler Claus Hilgetag vom Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf. „Wenn sie gleichzeitig oder immer wieder mit einem bestimmten Zeitunterschied tätig sind, liegt die Vermutung nahe, dass hier eine funktionelle Kopplung zwischen den Regionen vorliegt.“
Phasenkopplung und Kohärenz
Eine besondere Rolle für die Kommunikation zwischen Hirnarealen spielt die so genannte Phasenkopplung oder Kohärenz It’s the rhythm. „Damit ist gemeint, dass die Hirnwellen zweier Hirnregionen im EEG, genauer die Berge und Täler dieser Wellen, gut aufeinander abgestimmt sind“, sagt der Hirnforscher Andreas Engel.
Das Gehirn als Vorhersagemaschine
Anders als früher gedacht ist unser Gehirn nämlich keineswegs ein passiver Zeitgenosse, der nur dann in die Gänge kommt, wenn er neuen Input erhält. Vielmehr scheint sich unser Oberstübchen gewissermaßen ständig in einer Art Erwartungshaltung zu befinden und Vorhersagen über künftige Reize und Umweltereignisse zu treffen. Diese permanenten Fluktuationen, Schwankungen der Hirnaktivität, bestehen dabei vielfach in fein orchestrierter Teamarbeit verschiedener Areale.
tags: #die #verarbeitung #der #informationen #erfolgt #im