Einführung
Das menschliche Gehirn ist ein komplexes Organ, das unsere Wahrnehmung, unser Verhalten und unsere Interaktion mit der Welt maßgeblich beeinflusst. Neueste Forschungen beleuchten die vielfältigen Mechanismen, durch die unser Gehirn unsere Erfahrungen formt, von der Entwicklung neuronaler Netzwerke über Lernprozesse bis hin zur Reaktion auf unsere Umwelt.
Vorstellungskraft und soziale Präferenzen
Eine aktuelle Studie der Universität von Colorado Boulder (CU Boulder) und des MPI CBS zeigt, dass allein die Vorstellung einer positiven Begegnung mit jemandem dazu führen kann, dass man diese Person mehr mag. Dies wird durch die Aktivierung von Gehirnregionen ermöglicht, die für das Lernen und die Präferenzbildung zuständig sind. Die Studie liefert einige der bislang überzeugendsten Belege dafür, dass lebhafte Vorstellungen konkrete Auswirkungen auf das Nervensystem und das Verhalten haben können. Die Ergebnisse könnten potentiell neue Wege zur Behandlung psychischer Probleme, zur Verbesserung von Beziehungen und sogar zur Steigerung der sportlichen und musikalischen Leistungsfähigkeit aufzeigen.
Die Rolle des Belohnungsvorhersagefehlers
Im Mittelpunkt der Experimente stand der „Belohnungsvorhersagefehler“, ein Phänomen, das entscheidend dazu beiträgt, dass Menschen Präferenzen entwickeln, Gewohnheiten bilden und lernen. Wenn wir etwas in der realen Welt begegnen, das uns mehr Belohnung verschafft, als wir erwartet hatten, schüttet unser Gehirn eine Portion des Neurotransmitters Dopamin aus, um zu signalisieren, dass uns diese Begegnung unerwarteterweise gefällt. Je überraschender diese positive Erfahrung ist, desto größer ist dieser „Vorhersagefehler” und desto mehr neuronale Verbindungen baut unser Gehirn auf, um diese Präferenz zu verankern.
Auswirkungen auf das Gehirn
Die Teilnehmer entwickelten eine Vorliebe für die Personen, mit denen sie mehr positive imaginäre Erlebnisse hatten, und gaben in einem anschließenden Test an, dass sie diese Personen mehr mochten. Bemerkenswert ist, dass sich die Art und Weise, wie sie zu dieser Präferenz gelangten, deutlich in ihren Gehirnscans zeigte: Das ventrale Striatum (die Hauptregion des Gehirns, die für die Vorhersage von Belohnungsfehlern zuständig ist) leuchtete während der Vorstellung stärker auf, wenn die Teilnehmer eine unerwartet positive Erfahrung machten und somit einen stärkeren Vorhersagefehler erlebten. Diese Region arbeitete mit dem dorsomedialen präfrontalen Kortex zusammen, der an der Speicherung von Erinnerungen an einzelne Personen beteiligt ist.
Anwendungsmöglichkeiten
Die Forschungsergebnisse sind für zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten bedeutsam, beispielsweise im Bereich der Psychotherapie. Anstatt sich realen Ängsten auszusetzen - wie es bei der gängigen Phobiebehandlung, der Expositionstherapie, praktiziert wird - können Betroffene diese einfach vorstellen und ähnliche Ergebnisse erzielen. Die aktuelle Forschung liefert wichtige Erkenntnisse über die zugrunde liegenden Mechanismen. Um Spannungen am Arbeitsplatz abzubauen, könnte man sich eine positive Zeit mit einem Kollegen vorstellen, zu dem man kein so gutes Verhältnis hat. Dies könnte der Beziehung zu einem Neustart verhelfen. Die Vorstellungskraft hat jedoch auch ihre Schattenseiten. Menschen mit Angstzuständen und Depressionen neigen dazu, sich negative Dinge lebhaft vorzustellen, was die Probleme verschlimmern kann.
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Entwicklung der Gehirnstruktur über die Lebensspanne
Eine groß angelegte Studie der University of Cambridge liefert eine weitreichende Antwort auf die Frage, wie sich die Struktur unseres Gehirns wirklich über ein gesamtes Leben hinweg entwickelt. Das Forschungsteam hat 3.802 Diffusions-MRT-Scans ausgewertet und daraus die Muster der neuronalen Vernetzung zwischen der Geburt und dem Alter von 90 Jahren rekonstruiert.
Fünf Phasen der neuronalen Vernetzung
Die Studie identifiziert fünf wichtige Phasen der neuronalen Vernetzung im Laufe eines Menschenlebens, die durch vier Wendepunkte gekennzeichnet sind:
- Phase 1 (Geburt bis ca. 9 Jahre): Rapid zunehmende graue und weiße Substanz, Überproduktion von Synapsen und deren spätere Auslese. Die Forschungsgruppe beschreibt diesen Abschnitt als eine Phase der "Netzwerkkonsolidierung". Das Gehirn lernt so viele neue Dinge wie nie im weiteren Leben. Das Gehirn eines Babys produziert übermäßig Synapsen, also Verbindungen zwischen den Neuronen. In der Kindheit wird diese Fülle reduziert, und nur die aktiveren Synapsen bleiben übrig. Benachbarte Regionen vernetzen sich enger und spezialisieren sich. Das Volumen der grauen und weißen Substanz nimmt rapide zu. Vereinfacht gesagt, bildet die graue Substanz das "Rechenzentrum", während die weiße Substanz die "Verbindungskabel" stellt. Die kortikale Dicke, also der Abstand zwischen der äußeren grauen und der inneren weißen Substanz, erreicht ihren höchsten Wert.
- Phase 2 (Jugend bis ca. 32 Jahre): Zunahme der Effizienz der Gehirnnetzwerke, sowohl innerhalb einzelner Regionen als auch über weite Distanzen. In dieser Zeit nimmt die Effizienz der Gehirnnetzwerke zu, sowohl innerhalb einzelner Regionen als auch über weite Distanzen. Der erste Wendepunkt im Alter von neun Jahren fällt nicht zufällig mit dem Beginn der Pubertät zusammen. Diese zweite Phase der Hirnentwicklung erstreckt sich bis kurz nach dem 30. Geburtstag, also bis weit ins frühe Erwachsenenalter. Ein erstaunlich später Zeitpunkt. Während die Pubertät einen klaren Anfang darstellt, ist das Ende der Adoleszenz wissenschaftlich viel schwieriger zu bestimmen. Rein auf der Grundlage der neuronalen Architektur haben wir festgestellt, dass jugendliche Veränderungen in der Gehirnstruktur mit etwa Anfang 30 enden. Das Volumen der weißen Substanz wächst weiter, und die Organisation der Kommunikationsnetzwerke verfeinert sich zunehmend. Neu in dieser Phase ist, dass das Gehirn die Pfadlänge der Verbindungen optimiert. Dadurch arbeitet das Gehirn in dieser Phase insgesamt zunehmend effizienter. Nun verbessert sich auch wieder die Kommunikation über weite Teile des Gehirns.
- Phase 3 (Erwachsenenalter bis ca. 66 Jahre): Längste stabile Phase, Plateau in kognitiven Fähigkeiten und Persönlichkeitseigenschaften. Mit Anfang 30 tritt die Gehirnstruktur in ihre längste stabile Phase ein: das Erwachsenenalter. Der Befund passt zu anderen Studien, die ein Plateau in kognitiven Fähigkeiten und Persönlichkeitseigenschaften beschreiben. Auf topologischer Ebene zeigt sich eine langsame Zunahme der funktionellen Aufteilung - die Netzwerke werden etwas stärker in Teilbereiche gegliedert. Viele bedeutende Künstler zählen zur Gruppe der hochfunktionalen Autisten. Ihre überaus feine Wahrnehmung könnte dazu beitragen, dass sie bedeutende Werke schaffen, aber dennoch oft sozial auffällig werden. Das Gehirn arbeitet zwar effizient, die komplexen, schnellen Veränderungen der Jugend sind jedoch vorbei. Ganz starr bleibt das Gehirn in dieser langen Phase jedoch nicht. Die Forschenden konnten beobachten, wie die Hirnregionen langsam stärker voneinander abgegrenzt werden.
- Phase 4 (Mittleres Alter bis ca. 83 Jahre): Allmähliche Reorganisation der Gehirnnetzwerke, Abbau der weißen Substanz. Der Einschnitt mit 66 ist ausgeprägter als zunächst sichtbar: Zwar verändern sich die Kennzahlen nicht abrupt, doch die Forscher erkennen eine deutliche Verschiebung in den globalen Mustern. Mousley beschreibt es so: "Die Daten deuten darauf hin, dass eine allmähliche Reorganisation der Gehirnnetzwerke in der Mitte der Sechziger kulminiert." In diesem Alter beginnt die weiße Substanz messbar abzubauen. Die Daten deuten darauf hin, dass eine allmähliche Umstrukturierung der Hirnnetze Mitte der Sechziger ihren Höhepunkt erreicht. Die weiße Substanz wird zunehmend abgebaut, die topologischen Muster werden einfacher, und das Netzwerk wird ausgedünnt. Zugleich beobachteten die Forschenden eine weitere Zunahme der Trennung und Spezialisierung der einzelnen Regionen - das Gehirn arbeitet modularer.
- Phase 5 (Hohes Alter ab ca. 83 Jahre): Schwierigkeiten bei der effizienten Kommunikation über weite Strecken. Der letzte Wendepunkt wird im Alter von etwa 83 Jahren erreicht, die letzte Epoche der Gehirnstruktur beginnt. Dem Netzwerk fällt es zunehmend schwer, über weite Strecken effizient zu kommunizieren. In dieser Phase konnten die Forschenden das Lebensalter der Probanden am schlechtesten an der Gehirnentwicklung festmachen.
Bedeutung der Erkenntnisse
Die Studie liefert die bislang klarste Einteilung der Gehirnentwicklung in verschiedene Phasen und könnte in zukünftigen Studien dazu beitragen, die Veränderungen im Gehirn mit Veränderungen der Persönlichkeit, der kognitiven Fähigkeiten und von Krankheitsrisiken genauer in Verbindung zu bringen. "Diese Phasen liefern einen wichtigen Kontext dafür, worin unser Gehirn in verschiedenen Lebensphasen am besten ist oder wofür es anfälliger ist", sagt Mousley.
Environmental Neuroscience: Der Einfluss der Umwelt auf das Gehirn
Unser Gehirn passt seine Struktur und Funktion der Umwelt an, in der wir uns bewegen. Die Environmental Neuroscience untersucht, welche Bedingungen es braucht, damit es unserem Gehirn gut geht.
Die physische Umwelt
Die physische Umwelt meint die externe und materielle Umgebung, die wir sehen, hören, riechen und messen können, zum Beispiel Temperatur, Luftqualität oder Lärm. Das bezieht sich nicht nur auf natürliche Landschaften, sondern auch auf Menschengemachtes wie Gebäude und Infrastruktur.
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Natur und Stressreduktion
Studien haben gezeigt, dass bereits eine Stunde in der Natur unsere stressbedingte Gehirnaktivität reduzieren kann. Die Aktivität der Amygdala, der Gehirnregion, die für Stressverarbeitung zuständig ist, nahm im Wald ab, wohingegen die stressbedingte Hirnaktivität in der Stadt konstant blieb. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich die Natur positiv auf das Gehirn und die Psyche auswirkt. Ärzt:innen verschreiben bei Stress oder Depression mittlerweile gezielt Zeit in der Natur.
Extreme Umweltbedingungen
Nicht jede Umwelt tut gut: Studien zu den Auswirkungen extremer Umweltbedingungen in der Antarktis haben gezeigt, dass Isolation und Dunkelheit die Gehirnstruktur der dort forschenden Wissenschaftler:innen verändern können.
Frühe Studien mit Nagetieren
Frühe Verhaltensstudien mit Nagetieren zeigten, dass sich die Umwelt auf die Plastizität des Gehirns auswirkt. Ratten, die in einer angereicherten Umgebung aufwuchsen, entwickelten unter anderem mehr Synapsen und eine verbesserte Hirndurchblutung.
Methoden der Environmental Neuroscience
Heutzutage arbeiten Umweltneurowissenschaftler:innen mit bildgebenden Methoden wie der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) und virtueller Realität, um die Auswirkungen einzelner Umweltfaktoren auf das Gehirn zu untersuchen. Auch die Georeferenzierung wird eingesetzt, um die lokale Umwelt anhand von Landkarten und Satellitenbildern zu analysieren.
Zukünftige Herausforderungen
Die Environmental Neuroscience steht vor der Herausforderung, die Auswirkungen der zunehmenden Urbanisierung und des Klimawandels auf unser Gehirn zu verstehen. Die Forschung hilft zu verstehen, wie sich Umweltstressoren wie Hitzewellen oder Luftverschmutzung neuronal und psychisch auf uns auswirken. Die Erkenntnisse der Forschenden sollen eines Tages in politische Entscheidungen einfließen, etwa bei der Stadtplanung.
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KI und Lernen: Veränderungen im Gehirn?
Der Einsatz von KI-Tools wie ChatGPT kann Prozesse im Oberstübchen verändern. Nachhaltiges Lernen muss aktiv passieren. Im Gehirn arbeiten Milliarden vernetzter Nervenzellen, verschiedene Areale haben unterschiedliche Aufgaben. Die Digitalisierung verändert Experten zufolge Lernprozesse im Gehirn.
Aktiver Lernprozess vs. passive Rezeption
Es darf nicht passieren im Bildungsprozess, dass der aktive Lernprozess an ChatGPT ausgelagert und das Gehirn nicht gefordert wird. Kognitive Arbeitsleistungen an KI abzugeben sei immer mit der Frage verbunden, ob damit Freiräume entstehen, die das Gehirn für andere Aufgaben nutzen könne. Fakt ist: Wird eine bestimmte Fähigkeit nicht mehr benötigt, dann werden die Hirnareale, die diesen Skill implementieren, geschwächt.
Auswirkungen auf Hirnareale
Bestimmte Bereiche "schwellen" quasi an bei besonders starken Anforderungen. "Sie werden größer und dichter." Und sie verkleinern sich bei abnehmender Anforderung. Schon das Nutzen technischer Geräte wie Tablets beim digitalen Lernen benötigt extra Aufmerksamkeit und Energie, weil neben der inhaltlichen Verarbeitung auch die Bedienung der Technik Konzentration beanspruche.
Nachhaltiges Lernen
Wenn wir beim Lernen durch vorgefertigte Antworten nur passive Zuschauer sind, ist das Lernen nicht nachhaltig. Aktivität sei wichtig - und ebenso, dass man Inhalte und Informationen reflektieren könne. Daraus entstehe dann Wissen, das im Gehirn abgespeichert werde - was wiederum "die Verschaltungen, also die Struktur des Gehirns verändert".
Chancen und Risiken von KI
Eine KI, die verstanden werde in ihren Stärken und Schwächen, könne ein Gewinn sein. Neue Informationen zu bewerten, auszuwählen, Quellen zu vergleichen - alles das ist Arbeit für den Frontallappen unseres Gehirns. Diese Fähigkeit zur Bewertung wird immer wichtiger.
KI als Lernbuddy
Langfristig soll Syntea zu einem personalisierten Lernbuddy werden, der die Studierenden aktiv motiviert und dabei unterstützt, ihre Lernziele zu erreichen. Durch den sokratischen Lernansatz werden Studierende aus ihrer Komfortzone gelockt und zu weiteren Fragen und tieferem Verständnis angeregt.
Entlastung der Lehrenden
Die ideale Situation für jede oder jeden Lehrenden wäre, Studierenden den Lernstoff in individuellen Tutorien zu vermitteln. Dies ist in größeren Gruppen aber leider nur begrenzt möglich. Durch den Einsatz von KI ist eine wesentlich zielgerichtete und personalisierte Vermittlung von Wissen möglich.
Mechanische Eigenschaften des Gehirns und Synapsenbildung
Ein internationales Team hat herausgefunden, dass bei der Entwicklung der Verschaltungen und der Entstehung elektrischer Signale mechanische Eigenschaften des Gehirns eine wichtige Rolle spielen. Die Erkenntnisse könnten neue Ansätze für das Verständnis neurologischer Entwicklungsstörungen eröffnen.
Weiche Regionen und Synapsenbildung
Die aktuelle Studie zeigt, dass sich in besonders weichen Regionen des Gehirns mehr Synapsen bilden - und beleuchtet den zugrunde liegenden molekularen Mechanismus. Während seiner Entwicklung hat das Gehirn eine sehr weiche Konsistenz, etwa vergleichbar mit der von Frischkäse. Je nach Region variiert jedoch seine Steifigkeit.
Einfluss der Steifigkeit
Um zu testen, ob die Steifigkeit einen direkten Einfluss auf die Synapsenbildung hat, versteifte das Team das Gehirn künstlich und beobachtete, dass sich die Synapsenentwicklung in allen Regionen verzögerte. Die Wissenschaftler/-innen bewiesen so, dass mechanische Eigenschaften des Gehirns aktiv beeinflussen, wie schnell und wo Synapsen gebildet werden.
Mechanosensitive Ionenkanäle
Neuronen nehmen diese Steifigkeit über den mechanosensitiven Ionenkanal Piezo1 wahr. Die Wissenschaftler/-innen maßen dann die Expression Tausender Gene und entdeckten, dass Piezo1 die neuronale Entwicklung in steiferen Umgebungen verzögert, indem es die Expression von Transthyretin reduziert - einem Protein, von dem kürzlich gezeigt wurde, dass es die Synapsenbildung reguliert.
Bedeutung für das Verständnis der Gehirnentwicklung
"Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung mechanischer Signale für die Gehirnentwicklung und weisen auf ihre mögliche Rolle bei der Entstehung von neuronalen Schaltkreisen im Gehirn hin."
Lernprozesse und Wahrnehmung
Eine neue Studie Tübinger Forschender zeigt, wie Lernprozesse im Gehirn unsere Wahrnehmung formen. Unser Gehirn optimiert ständig die eigene Wahrnehmung der Welt, indem es aus den Erfahrungen der Vergangenheit lernt und Vorhersagen über die Zukunft trifft. Das Gehirn passt seine neuronalen Strukturen so an, dass es besser auf die Muster und Regelmäßigkeiten in unserer Umwelt reagieren kann.
Vorhersagelernen
Dieses Vorhersagelernen könnte uns helfen, Informationen schneller zu verarbeiten und uns im Alltag leichter zurechtzufinden. Das Gehirn verändert durch das Erlernen der Tonmuster seine „innere Karte“ der Klänge: Ähnliche oder vorhersehbare Töne wurden im Gehirn gruppiert und zusammengefasst, was die Verarbeitung effizienter macht.
Zusammenarbeit von Gehirnregionen
Besonders überraschend war, dass dabei ein Netzwerk aus sensorischen und höheren assoziativen Gehirnregionen zusammenarbeitet, um Vorhersagefehler zu erkennen und zu korrigieren. Das bedeutet, dass verschiedene Bereiche des Gehirns gemeinsam daran arbeiten, die Umwelt aktiv zu „verstehen“ und zu lernen, was als Nächstes passieren könnte.
Implikationen für Neurowissenschaften und mehr
Diese Forschung bietet neue Einblicke, die nicht nur für die Neurowissenschaften relevant sind, sondern auch Anwendungen in Bereichen wie Bildung und psychische Gesundheit haben könnten. So könnte dieses Wissen beispielsweise bei der Entwicklung von Lernstrategien oder in der Behandlung von sensorischen Wahrnehmungsstörungen hilfreich sein.
Lern- und Erinnerungsprozesse
Ungefähr 86 Milliarden Nervenzellen vernetzen sich in einem menschlichen Gehirn. Die Neurone sind über Synapsen miteinander verbunden, die darauf spezialisiert sind, Signale elektrochemisch umzuwandeln und weiterzuleiten.
Synaptische Plastizität
Lernen basiert dabei auf einer spezifischen Verstärkung von bestimmten Synapsen, an denen die Signalübertragung durch biochemische und strukturelle Modifikationen erleichert wird (Stichworte sind hier Langzeitpotenzierung und synaptische Plastizität). Plastische Synapsen verändern hierbei ihre Struktur und ihre Übertragungseigenschaften, was die Grundlage für Lern- und Gedächtnisprozesse ist. Manchmal bilden sich beim Lernen neue Synapsen oder nicht mehr gebrauchte Synpasen werden abgebaut.
Faktoren, die das Lernen beeinflussen
Wie gut wir lernen und uns etwas merken können, ist dabei von Faktoren wie Aufmerksamkeit, Motivation und Belohnung abhängig. Dabei werden wichtige von unwichtigen Informationen getrennt. Im Gehirn gibt es keinen zentralen Ort, an dem Informationen gespeichert werden, aber der Hippocampus ist eine zentrale Schaltstelle für viele Gedächtnisinhalte.
Jülicher Hirnforschung
Jülicher Hirnforscher:innen arbeiten daran, das Gehirn zu entschlüsseln. Sie wollen verstehen, wie unser Gehirn aufgebaut ist, wie es funktioniert. Und sie wollen neurologischen Erkrankungen wie Alzheimer ihren Schrecken nehmen. Ihre Erkenntnisse fließen auch in die Entwicklung neuartiger Computertechnologien.
Der Julich Brain Atlas
Der Julich Brain Atlas ist die bisher detaillierteste Karte des menschlichen Gehirns. Als eine Art „Google Maps“ bietet dieses einzigartige Werkzeug eine Fülle von Daten - und die Möglichkeit, die Jülicher Supercomputer für ihre Analyse zu nutzen. Damit ist der Atlas ein wesentlicher Baustein der digitalen Forschungsinfrastruktur EBRAINS, die Forschenden weltweit zugänglich ist.
Forschungsinfrastruktur
Die Forscher:innen am Institut für Neurowissenschaften und Medizin stützen sich bei ihrer Arbeit auf die einzigartige Jülicher Forschungsinfrastruktur. Mit der Hilfe von Supercomputern erstellen sie aus Tausenden von mikroskopischen Aufnahmen „Landkarten“ der Nervenzellen und -fasern im Gehirn. In leistungsstarken Magnetresonanztomographen entdecken die Wissenschaftler:innen, wo Gedanken entstehen. Künstliche Intelligenz unterstützt dabei, die Daten zu interpretieren.
Global vernetzte Hirnforschung
Ein Meilenstein der Hirnforschung war das Human Brain Project, an dem das Forschungszentrum federführend beteiligt war. Das im Herbst 2023 abgeschlossene Vorhaben hat die Instrumente der Hirnforscher:innen weltweit um eine einzigartige Plattform bereichert: EBRAINS macht die bislang größte Datenbasis zum menschlichen Gehirn frei verfügbar und verknüpft sie mit den Möglichkeiten des Supercomputings - etwa für Simulationen und KI-basierte Analysen.
Unser Gehirn baut sich ständig um
Neurowissenschaftler der Universität Cambridge haben nun fünf wichtige Phasen der neuronalen Vernetzung im Laufe eines Menschenlebens identifiziert. Ende einer Phase und Beginn einer neuen Phase sind gekennzeichnet durch vier wichtige Wendepunkte, in denen die Entwicklung rasante Kurven nimmt und das Gehirn seine Strategie ändert, um sich neu zu konfigurieren.
Vergleich von Gehirnen
Für seine Untersuchung verglich das Forschungsteam die Gehirne von 3802 Menschen im Alter zwischen null und 90 Jahren. Grundlage waren MRT-Diffusionsscans: Sie bilden die neuronalen Verbindungen ab, indem sie die Bewegung von Wassermolekülen durch das Gehirngewebe verfolgen.
Bedeutung der Verdrahtung
"Wir wissen, dass die Verdrahtung des Gehirns für unsere Entwicklung entscheidend ist, aber uns fehlt ein Gesamtbild davon, wie sie sich im Laufe unseres Lebens verändert und warum", sagt die Forscherin Alexa Mousley.