Einführung
Das menschliche Gehirn ist ein komplexes Organ, dessen Funktionsweise noch lange nicht vollständig verstanden ist. Neue Forschungsergebnisse eröffnen jedoch immer wieder spannende Einblicke in die neuronalen Prozesse, die unsere Wahrnehmung, Navigation und kognitiven Fähigkeiten steuern. Dieser Artikel beleuchtet, wie unser Gehirn den freien Raum um uns herum wahrnimmt und nutzt, welche Rolle bestimmte Hirnstrukturen dabei spielen und welche Potentiale in der Erforschung dieser Prozesse liegen.
Navigation im Raum und die Rolle des Temporallappens
Wenn wir uns in unserer Umgebung bewegen, konstruiert unser Gehirn eine interne Karte, die Hindernisse und Grenzen berücksichtigt. Gleichzeitig müssen wir die Bewegungen anderer Personen in unserer Nähe erfassen und kognitiv verarbeiten. Wie werden diese Signale codiert?
Aktivitätsmuster bei Annäherung an Wände
Forscher haben herausgefunden, dass im mittleren Temporallappen, einem wichtigen Bestandteil des Navigationssystems des Gehirns, spezifische Aktivitätsmuster auftreten, wenn wir uns Wänden nähern. Erstaunlicherweise entsteht die gleiche Aktivität, wenn wir eine andere Person bei der Erkundung des Raums beobachten.
Schwierigkeiten bei der Untersuchung natürlicher Bewegungen
Bisher standen Forscher vor dem Problem, dass die meisten Techniken zur Beobachtung der Hirnaktivität nur funktionierten, wenn sich der Proband in einer Röhre befand oder seinen Kopf stillhielt. Echte Bewegungen waren somit kaum möglich, und virtuelle Realität diente als Behelf.
Neue Ansätze durch Elektrodenimplantate
Eine Forschungsgruppe um Stangl und Topalovic löste dieses Problem auf innovative Weise. Sie rekrutierten Probanden, die aufgrund von nicht medikamentös behandelbaren epileptischen Anfällen Elektroden ins Gehirn implantiert bekommen hatten. Diese Elektroden messen die Hirnaktivität und geben bei Bedarf Impulse ab, um Krampfanfälle zu verhindern. Mit einem speziellen Rucksack zur Messung der Hirnströme konnten die Forscher beobachten, wie das Gehirn bei natürlichen Bewegungen funktioniert.
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Theta-Wellen und mentale Karten
In einem Experiment wurden die Probanden gebeten, durch einen Raum zu gehen, während ihre Hirnströme aufgezeichnet und ihre Augenbewegungen verfolgt wurden. Dabei zeigte sich, dass sich bestimmte Hirnströme, sogenannte Theta-Wellen, im Temporallappen verstärkten, wenn sich die Probanden einer Wand näherten. Dies bestätigt frühere Studien an Nagern und Menschen in virtueller Realität, die darauf hindeuten, dass das Gehirn eine mentale Karte erstellt, in der Wände oder andere Grenzen andere Aktivitätsmuster auslösen als freie Flächen.
Beobachtung anderer Personen
Überraschenderweise zeigte sich das gleiche Aktivitätsmuster, wenn der Proband nicht selbst durch den Raum ging, sondern einen Experimentator dabei beobachtete. Diese Fähigkeit ist im Alltag von großer Bedeutung, da wir ständig im Verhältnis zu anderen Menschen am gleichen Ort navigieren müssen.
Ausblick auf zukünftige Studien
Zukünftige Studien sollen komplexere soziale Situationen untersuchen, in denen wir beispielsweise die kürzeste Schlange am Flughafen auswählen, einen Parkplatz suchen oder auf der Tanzfläche nicht mit anderen Personen zusammenstoßen wollen.
Visuelle Wahrnehmung und die Rolle des Colliculus Superior
Ein weiteres wichtiges Hirnareal für die Nutzung des freien Raums ist der Colliculus Superior, eine Struktur im Hirnstamm, die traditionell mit der Steuerung von Augenbewegungen und gerichteter Aufmerksamkeit in Verbindung gebracht wird.
Neurowissenschaftlerteam entdeckt neue Funktion
Ein Neurowissenschaftlerteam unter der Leitung von Professor Ziad Hafed hat nun Hinweise gefunden, dass der Colliculus Superior nicht nur Bewegungen steuert, sondern auch eigenständig visuelle Reize verarbeitet. Er kann grobe, gleichförmige Bildbereiche besonders schnell verarbeiten und stellt so sicher, dass unsere Wahrnehmung die wichtigsten visuellen Informationen aus der Umwelt effizient ansteuern kann.
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Fokus auf Raumfrequenz
Hafed und seine Forschergruppe führten neurophysiologische Experimente mit Rhesusaffen durch, deren Sehsystem dem unseren sehr ähnlich ist. Sie beobachteten, wie einzelne Gehirnzellen (Neuronen) im Colliculus Superior auf Bildreize reagierten, die den Affen präsentiert wurden. Dabei stellten sie fest, dass Neuronen im Colliculus Superior am schnellsten auf Bildreize mit niedriger Raumfrequenz antworten. Solche Reize erhalten wir beispielsweise, wenn wir Landschaften, Wolken oder den Horizont betrachten.
Priorität für schnelle Reaktion
Die schnellstmögliche Reaktion auf solche Reize hat offenbar Priorität vor der Analyse des Bildinhalts selbst. Das erste schnelle Signal bestimmt, wie wir orientierende Raumbewegungen ausführen. Der Colliculus Superior zeigt also tatsächlich die Fähigkeit, visuelle Muster zu analysieren - eine Eigenschaft, die der Forschung diesem Hirnareal bislang abgesprochen hatte.
Bedeutung für die Orientierung
Die Art und Weise, wie der Colliculus Superior visuelle Eindrücke aus der Umwelt verarbeitet, ist genau darauf zugeschnitten, dass wir uns zielgerichtet orientieren können.
Das Potential des Gehirns: Forschung in Magdeburg
Der Science-Fiction-Film "Lucy" thematisiert die Frage, wozu das menschliche Gehirn in der Lage ist, wenn es sein volles Potential ausschöpfen könnte. Wissenschaftler in Magdeburg widmen sich dieser Frage auf realistische Weise.
Sonderforschungsbereich "Neuronale Ressourcen der Kognition"
Im Sonderforschungsbereich SFB 1436 „Neuronale Ressourcen der Kognition“ arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler daran herauszufinden, welches Potential das menschliche Gehirn hat und welche neurobiologischen Prinzipien uns daran hindern, die kognitiven Fähigkeiten zu erweitern bzw. voll auszuschöpfen.
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Fokus auf synaptische Verbindungen
Ihr Forschungsfeld sind die Milliarden von Verbindungen im Gehirn, Synapsen genannt, die uns Menschen zu dem machen, was wir sind. Am Ende wollen die Wissenschaftler verschiedene überprüfbare Theorien zur Leistungsgrenze des menschlichen Gehirns entwickelt und Methoden zur Leistungssteigerung beschrieben haben.
Hochmoderne Technologie
Eine entscheidende Rolle spielen dabei leistungsstarke Hochleistungsmagnetresonanztomographen (MRT), wie das 7-Tesla-MRT und demnächst das weltweit erste 7-Tesla-Konnektom-MRT. Damit kann die innerste Architektur des Gehirns und dessen Plastizität beim Menschen mit nie dagewesener Auflösung erfasst werden. Darüber hinaus erlaubt hochauflösende Mikroskopie Einblicke in die Nanowelt von Synapsen und ein Forschungszyklotron mit einem Positronen-Emissionstomographen (PET) die Darstellung molekularer Prozesse im menschlichen Gehirn.
Verbindung von verschiedenen Ansätzen
Den Wissenschaftlern in Magdeburg ist es gelungen, ablaufende Prozesse im Gehirn auf unterschiedlichen Ebenen mit Hilfe von verschiedenen Ansätzen miteinander zu verknüpfen. Damit wiederum sei es möglich, die Erkenntnisse für den Menschen zu übersetzen.
Bedeutung für Altersforschung
Die Forschungsergebnisse sind auch für ein gesundes Altern wesentlich. Die molekularen Veränderungen der Alzheimer-Erkrankung gehen einer Demenz bis zu 20 Jahre voraus. Es gibt interindividuelle Unterschiede, wie Menschen kognitive Leistungsfähigkeit trotz dieser Veränderungen lange aufrechterhalten können.
Der Raum zwischen den Zellen: Volume Transmission
Während sich die Neurowissenschaften lange auf die neuronalen Netzwerke konzentriert haben, rückt in den letzten Jahren der Raum zwischen den Gehirnzellen, der extrazelluläre Raum, immer mehr in den Fokus.
Ein wichtiger Kommunikationskanal
Dieser Raum ist ein wichtiger Kommunikationskanal, der Substanzen wie Botenstoffe und Schadstoffe transportiert. Das Paradigma der Volume Transmission, der Übermittlung über den Raum, wird uns wohl noch viele Jahre beschäftigen, vor allem bei Hirnkrankheiten.
Bedeutung bei Hirnkrankheiten
Insbesondere bei Epilepsie und Migräne spielt Volume Transmission eine fundamentale Rolle. Ebenso bei Hirninfarkt, Schädel-Hirn-Trauma, Subarachnoidalblutung und vielen anderen Pathologien des Gehirns, bei denen es zu einem Schlaganfall kommt. Dort ist Volume Transmission wahrscheinlich sogar viel entscheidender als die Schaltkreise im Gehirn, da in diesem betroffenen Gewebe Netzwerke oft schon nicht mehr funktionell aktiv sind.
Mathematische Modelle zur Diffusion
Die Wirkung der extrazellulären Diffusion kann mit Hilfe mathematischer Modelle verstanden werden. Bei Epilepsie und Migräne können anatomische Besonderheiten in verschiedenen Regionen des Gehirns eventuell die überssteigerte Erregung erklären.
Ausblick auf zukünftige Forschung
Unser Verständnis von neuronalen Schaltkreisen und Netzwerken ist also sehr begrenzt, denn es berücksichtigt bisher diese Art der neuronalen Kommunikation kaum.