Das menschliche Gehirn ist ein faszinierendes und komplexes Organ, das unser Denken, Verhalten und Empfinden steuert. Es ist die Schaltzentrale unseres Körpers, die über 100 Milliarden Nervenzellen und ein Vielfaches davon an Kontaktpunkten verfügt und Fähigkeiten besitzt, die selbst Supercomputer in den Schatten stellen. Trotz jahrhundertelanger Forschung bleiben viele Aspekte seiner Funktionsweise rätselhaft. Dieser Artikel beleuchtet die grundlegenden Funktionen des Gehirns, seine bemerkenswerte Plastizität und gibt Einblicke in aktuelle Forschungsprojekte, die darauf abzielen, die Geheimnisse dieses erstaunlichen Organs zu entschlüsseln.
Die Anatomie des Gehirns: Eine Übersicht
Das Gehirn lässt sich grob in vier Hauptbereiche unterteilen: das Großhirn (Cerebrum), das Kleinhirn, das Zwischenhirn und den Hirnstamm.
Das Großhirn (Cerebrum)
Das Großhirn ist der größte Teil des Gehirns und macht etwa 85 % seines Gesamtvolumens aus. Es besteht aus zwei Hälften, den Hemisphären, die durch eine tiefe Fissur getrennt sind. Jede Hemisphäre ist weiter in vier Lappen unterteilt:
- Frontallappen (Stirnlappen): Verantwortlich für höhere kognitive Funktionen wie Planung, Entscheidungsfindung, Problemlösung und willkürliche Bewegungen.
- Parietallappen (Scheitellappen): Verarbeitet sensorische Informationen wie Berührung, Temperatur, Schmerz und räumliche Wahrnehmung.
- Temporallappen (Schläfenlappen): Zuständig für das Hören, das Gedächtnis, die Sprache und die Erkennung von Objekten und Gesichtern.
- Okzipitallappen (Hinterhauptlappen): Verarbeitet visuelle Informationen.
Die Großhirnrinde, auch Kortex genannt, ist die äußere Schicht des Großhirns und besteht aus zahlreichen Windungen (Gyri) und Furchen (Sulci). Diese komplexe Struktur vergrößert die Oberfläche des Gehirns und ermöglicht es, eine große Anzahl von Neuronen auf kleinem Raum unterzubringen. Die Windungen und Furchen sind nicht gleichmäßig verteilt und variieren zwischen verschiedenen Arten von Lebewesen.
Das Kleinhirn
Das Kleinhirn befindet sich unterhalb des Großhirns und ist hauptsächlich für die Koordination von Bewegungen und die Aufrechterhaltung des Gleichgewichts zuständig. Es spielt auch eine Rolle bei Lernprozessen und anderen kognitiven Funktionen.
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Das Zwischenhirn
Das Zwischenhirn liegt zwischen dem Großhirn und dem Hirnstamm. Es enthält wichtige Strukturen wie den Thalamus und den Hypothalamus. Der Thalamus filtert eingehende Signale von unseren Sinnesorganen und leitet sie an das Großhirn weiter. Der Hypothalamus steuert grundlegende Körperfunktionen wie Temperatur, Sexualverhalten, Hunger, Durst und Schlaf.
Der Hirnstamm
Der Hirnstamm befindet sich unterhalb des Zwischenhirns und verbindet das Gehirn mit dem Rückenmark. Er ist für lebenswichtige Funktionen wie Atmung, Herzfrequenz und Blutdruckregulation verantwortlich.
Die Kommunikation im Gehirn: Neuronen, Synapsen und Neurotransmitter
Das Gehirn besteht aus Milliarden von Nervenzellen, den Neuronen, die miteinander kommunizieren. Neuronen empfangen, verarbeiten und leiten Signale in Form von elektrischen Impulsen weiter. Sie bestehen aus einem Zellkörper, Dendriten und einem Axon. Dendriten empfangen Signale von anderen Neuronen und leiten sie an den Zellkörper weiter. Das Axon sendet Signale an andere Neuronen oder an Muskeln oder Drüsen.
Die Verbindungen zwischen Neuronen werden als Synapsen bezeichnet. An den Synapsen werden chemische Botenstoffe, die Neurotransmitter, freigesetzt, die an Rezeptoren auf dem Empfängerneuron binden und dort ein elektrisches Signal auslösen. Dieser Prozess ermöglicht die Übertragung von Informationen zwischen Neuronen und ist die Grundlage für die Informationsverarbeitung im Gehirn.
Die Plastizität des Gehirns: Lernen und Anpassung
Eine der bemerkenswertesten Eigenschaften des Gehirns ist seine Plastizität, d. h. seine Fähigkeit, sich an neue Erfahrungen und Herausforderungen anzupassen. Das Gehirn kann neue Verbindungen zwischen Neuronen bilden und bestehende Verbindungen verstärken oder schwächen. Diese Veränderungen ermöglichen es dem Gehirn, zu lernen, sich zu erinnern und sich an veränderte Umweltbedingungen anzupassen.
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Lernen und Gedächtnis
Lernen findet an den Synapsen statt. Neurowissenschaftler haben herausgefunden, dass Synapsen die Effektivität der Übertragung variieren können. Man bezeichnet dieses Phänomen auch als synaptische Plastizität. So kann eine Synapse durch einen Vorgang namens Langzeitpotenzierung (LTP) verstärkt werden, indem sie mehr Botenstoff ausschüttet oder mehr Botenstoffrezeptoren bildet. Die Übertragung von Signalen kann aber nicht nur verstärkt oder abgeschwächt werden, sie kann auch überhaupt erst ermöglicht oder völlig gekappt werden. So wissen Neurowissenschaftler heute, dass Synapsen selbst im erwachsenen Gehirn noch komplett neu gebildet oder abgebaut werden können. An wenigen Stellen wie zum Beispiel im Riechsystem können sogar zeitlebens neue Nervenzellen gebildet werden. Es ist also nicht übertrieben, wenn man sagt: Unser Gehirn gleicht zeitlebens einer Baustelle. Stärkung und Schwächung, Auf- und Abbau - die Stärke, mit der Signale zwischen Nervenzellen übertragen werden, wird laufend angepasst. Etwas vereinfacht könnte man sich also vorstellen, dass die Signalübertragung verstärkt wird, wenn das Gehirn etwas speichert - und abgeschwächt wird, wenn es vergisst. Ohne die Plastizität würde dem Gehirn folglich etwas Fundamentales fehlen: seine Lernfähigkeit.
Mit dem Lernen verhält es sich wie mit dem Sport: Je mehr eine bestimmte Fähigkeit gefordert wird, desto effektiver wird sie erledigt. Wer beispielsweise Taxi fährt, muss sich gut orientieren und Routen merken können. Durch die tägliche Arbeit wird so das Ortsgedächtnis immer besser. Das hinterlässt auch Spuren im Gehirn, zum Beispiel im Gehirn Londoner Taxifahrer: Forscher haben herausgefunden, dass in ihrem Gehirn der Hippocampus - ein für das Ortsgedächtnis zentrale Region im Gehirn - über die Jahre größer wird. Offenbar braucht ein derart trainiertes Orientierungsvermögen auch mehr Raum!
Neurogenese
Wenn Nervenzellen sich neu bilden, dann sprechen Forscher von einer Neurogenese. Diese Neubildung der Nervenzellen findet hauptsächlich im Hippocampus statt. Dieser Bereich im Gehirn ist für das Gedächtnis und Lernen zuständig. Ein Hirnareal, das aber auch zur räumlichen Orientierung notwendig ist. Bis ins hohe Alter können sich im Hippocampus Nervenzellen erneuern. Das ist für Menschen von Bedeutung, die aufgrund eines Schlaganfalls viele Dinge neu lernen müssen.
Rehabilitation nach Schädigungen
Seine Plastizität hilft dem Gehirn zudem, Schäden zumindest teilweise zu reparieren. Sterben beispielsweise bei einem Schlaganfall Nervenzellen ab, können benachbarte Hirnregionen die Aufgaben des betroffenen Gebiets zum Teil übernehmen. Am Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften haben Forscher herausgefunden, dass das Gehirn so die Schäden nach einem Schlaganfall zum Teil kompensieren kann.
Die Rolle des Gehirns bei Routinen
Das Gehirn spielt auch bei Routinen eine 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.
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Die Bedeutung der Konnektivität: Das "soziale Netzwerk" im Gehirn
Ein weiteres wichtiges Forschungsfeld ist die Verschaltung innerhalb des Gehirns. Das menschliche Gehirn lässt sich nach verschiedenen Kriterien untergliedern. Entwicklungsgeschichtlich beispielsweise besteht es wie das aller Wirbeltiere aus dem End-, Zwischen-, Mittel-, Hinter- und Markhirn, auch als Tel-, Di-, Mes-, Met- und Myelencephalon bezeichnet. Besonders auffällig ist die zum Endhirn gehörende sogenannte Großhirnrinde, der sogenannte Kortex. Sie ist im Laufe der Evolution so stark gewachsen, dass sie fast das gesamte Gehirn umgibt. Die Großhirnrinde ist Sitz vieler höherer geistiger Fähigkeiten. Einzelne Bereiche haben dabei unterschiedliche Aufgaben. So sind manche Areale darauf spezialisiert, Sprache zu verstehen, Gesichter zu erkennen oder Erinnerungen abzuspeichern. In der Regel ist aber keine Region allein für eine bestimmte Fähigkeit verantwortlich, sondern nur im Zusammenspiel mit anderen. Welche Gehirngebiete miteinander verbunden sind, untersuchen Wissenschaftler mithilfe der sogenannten Magnetresonanztomografie (MRT). Mit dieser Technik können sie die zu Fasersträngen gebündelten Fortsätze von Nervenzellen sichtbar machen, die die Areale der Großhirnrinde miteinander verbinden. Auf diese Weise haben Sprachforscher beispielsweise eine für das Sprachvermögen zentrale Gehirnregion entdeckt: den sogenannten Fasciculus Articuatus. Ohne dieses Nervenfaserbündel können Kleinkinder keine komplexen Sätze bilden und verstehen. Dies gelingt erst, wenn diese Verbindung genug entwickelt ist. Bei Menschenaffen hingegen sind diese Nervenfasern zeitlebens schwach ausgebildet. Folglich schaffen die Tiere es trotz jahrelangen Trainings nicht, selbst einfachste Sätze zu bilden - und das, obwohl andere erforderliche Hirnareale sowie anatomische Voraussetzungen zum Sprechen durchaus vorhanden sind.
Mit einer Variante dieser Technik, der sogenannten funktionellen Magnetresonanztomografie, können Wissenschaftler zwischen aktiven und nicht aktiven Gehirnregionen unterscheiden. Damit haben sie viel über den Aufbau und die Funktionsweise des Gehirns gelernt. So haben Max-Planck-Forscher aus Leipzig herausgefunden, warum bei Menschen, die stottern, ein Ungleichgewicht zwischen der Hirnaktivität von linker und rechter Großhirnhälfte auftritt: Innerhalb des überaktiven rechten Netzwerkes haben sie eine Faserbahn entdeckt, die bei den Betroffenen deutlich stärker ausgebildet ist, als bei Menschen ohne Sprechprobleme.
Einen exakten Schaltplan des Gehirns lässt sich jedoch mit der MRT-Technik nicht erstellen, dafür ist die Genauigkeit der Methode nicht hoch genug. Schließlich sitzen bis zu 10.000 Synapsen auf einer Nervenzelle, 100 Billionen sind es insgesamt. Dies zeigt, wie dicht das Kommunikationsnetz im Gehirn ist. In diesem Netz können einerseits benachbarte Nervenzellen miteinander verknüpft sein, andererseits auch Zellen, die weit voneinander entfernt sind. Die Wissenschaftler entwickeln deshalb neue Methoden, mit denen sie das Konnektom entschlüsseln können. Als Modellfälle dienen ihnen dafür Mäuse: Zuletzt haben sie die Verschaltung von Bereichen der Netzhaut des Auges sowie der Großhirnrinde aufgeklärt und herausgefunden, dass Nervenzellen im sogenannten entorhinalen Kortex der Großhirnrinde wie ein Transistor organisiert sind: Bevor eine Nervenzelle eine andere Zelle aktivieren kann, kontaktiert sie eine hemmende Zelle und wird so in ihrer eigenen Aktivität behindert. Anhand solcher Schaltpläne wollen Wissenschaftler lernen, wie das Gehirn funktioniert. An Max-Planck-Instituten arbeiten sie bereits heute daran, die Prinzipien der Informationsverarbeitung aufzuklären. Derzeit konzentrieren sie sich auf einfacher aufgebaute Gehirne, die weniger Nervenzellen und -fasern besitzen als das Gehirn des Menschen. Mäuse sind ein solcher Modellfall für Neurowissenschaftler. Sie besitzen als Säugetiere ein ähnlich aufgebautes und funktionierendes Gehirn wie der Mensch. Noch einfacher aufgebaut und leichter zu untersuchen ist das Gehirn von Zebrafischen und ihrer Larven. So besitzt das Gehirn einer Fischlarve nicht nur lediglich 100.000 Nervenzellen und damit eine Million Mal weniger als das des Menschen, es ist auch noch nahezu völlig transparent. Auch Wirbellose können ein Modell für Neurowissenschaftler sein. Ihre Nervenzellen sind zwar sehr klein, dadurch kann ihre Aktivität nicht so leicht gemessen werden. Dafür lassen sich wegen der vergleichsweise einfacheren Architektur die Prinzipien von Verschaltungen zur Wahrnehmung und Verarbeitung von Umweltreizen analysieren. So können Forscher anhand des Gehirns von Fruchtfliegen lernen, wie der Geruch von Nahrung die Fortpflanzung beeinflusst. Durch die Analyse des Sehsystems von Schmeißfliegen wollen sie herausfinden, wie die Insekten Bewegungen so unglaublich schnell wahrnehmen können. Selbst ein so einfach aufgebauter Organismus wie der Fadenwurm C.
Aktuelle Forschung: Neue Einblicke in die Funktionsweise des Gehirns
Die Hirnforschung ist ein dynamisches Feld, das ständig neue Erkenntnisse über die Funktionsweise des Gehirns liefert. Aktuelle Forschungsprojekte konzentrieren sich unter anderem auf die Entschlüsselung des Konnektoms, die Untersuchung der Plastizität des Gehirns und die Entwicklung neuer Therapien für neurologische Erkrankungen.
Die 1000-Gehirne-Studie
Ein Beispiel für ein solches Forschungsprojekt ist die 1000-Gehirne-Studie, die am Forschungszentrum Jülich durchgeführt wird. In dieser Studie werden die Gehirne von 1000 älteren Menschen über einen Zeitraum von mehreren Jahren untersucht, um die Auswirkungen von Alterungsprozessen und Lebensstilfaktoren auf die Gehirnstruktur und -funktion zu untersuchen. Die Forscher haben herausgefunden, dass Sport, soziale Kontakte und Alkoholkonsum sich direkt auf die Gehirnstruktur auswirken, während Rauchen eher die Kommunikation der Gehirnregionen untereinander beeinflusst.
Das Human Brain Project
Ein weiteres großes Forschungsprojekt ist das Human Brain Project, das von der Europäischen Kommission gefördert wird. Ziel dieses Projekts ist es, das komplette menschliche Gehirn detailgetreu auf einem Supercomputer zu simulieren, um ein besseres Verständnis der Gehirnfunktion zu erlangen und neue Therapien für neurologische Erkrankungen zu entwickeln.
Criticality und Efficient Coding
Die Studie "Signatures of criticality in efficient coding networks" liefert neue Erkenntnisse über die fundamentalen Mechanismen der Gehirnfunktion. Ein internationales Forschungsteam entwickelte ein mathematisches Modell, um ein neuronales Netzwerk zu simulieren, das die Funktionsweise echter Gehirnzellen nachahmt. Ein Schlüsselexperiment bestand darin, den Grad des Rauschens im Netzwerk zu variieren. Die Ergebnisse der Simulation waren eindeutig: Mittlere Rauschpegel bedeuten maximale Leistung. Das Netzwerk zeigte die beste Informationsverarbeitung bei einem moderaten Grad an Interferenz. Es wurde auch deutlich, dass zu viel oder zu wenig Rauschen schädlich ist. Bei einem zu niedrigen Rauschpegel synchronisierten sich die Neuronen zu stark, was die Flexibilität des Netzwerks einschränkt. Spitzenleistung und Kritikalität traten gleichzeitig auf - an einem Punkt des Gleichgewichts, an dem Präzision und Flexibilität perfekt aufeinander abgestimmt waren.
Das Gehirn als Baustelle
Die Vorstellung, dass das Gehirn ein Leben lang lernfähig bleibt, ist aus wissenschaftlicher Sicht unbestritten. Anders hätte der Mensch die vielfältigen Herausforderungen, denen er im Laufe eines Lebens begegnet, auch gar nicht bewältigen können. So können wir bis ins hohe Alter eine Fremdsprache und Yoga lernen, uns Gesicht und Stimme eines neuen Arbeitskollegen merken oder den Weg zu einer neuen Pizzeria. Viele Wissenschaftler bezweifeln aber, dass Gehirnjogging-Übungen die generelle Leistungsfähigkeit des Gehirns steigern. Sie gehen davon aus, dass sich der Trainingseffekt nur auf die unmittelbar trainierte Aufgabe auswirkt. Wissenschaftler können die Gehirnaktivität eines Menschen durch EEG-Signale mitlesen. Doch welche Signale gehören zu welchen Denkvorgängen? Bernhard Schölkopf und sein Team wollen diesen Code entschlüsseln und leistungsfähige Gehirn-Computer-Schnittstellen entwickeln. Synapsen übertragen nicht nur elektrische Signale von einer Nervenzelle zur nächsten, sie können die Intensität des Signals auch verstärken oder abschwächen. Kann künstliche Intelligenz Krankheiten erkennen? Welche Nervenzellen im Gehirn kommunizieren miteinander - und warum? Um das zu verstehen, kartografiert Moritz Helmstaedter das ‚soziale Netzwerk‘ im Gehirn, das unser Denken, Fühlen und Handeln steuert. Wie altert unser Gehirn? Und welchen Einfluss haben Infektionskrankheiten wie Corona? Dazu forscht Anne Schäfer vom Max-Planck-Institut für Biologie des Alterns.
Einblick ins Gehirn ist mit bildgebenden Verfahren möglich
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.
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