Das Gehirn und das EVA-Prinzip: Eine einfache Erklärung

Das Gehirn ist ein faszinierendes Organ, das ständig Informationen verarbeitet, selbst wenn wir uns im Ruhezustand befinden. Das EVA-Prinzip (Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe) bietet ein nützliches Rahmenwerk, um zu verstehen, wie das Gehirn funktioniert und wie es mit der Umwelt interagiert. In diesem Artikel werden wir das EVA-Prinzip im Kontext des Gehirns erläutern und aufzeigen, wie es uns hilft, komplexe neurologische Prozesse zu verstehen.

Ruhezustandsnetzwerke im Gehirn

Verschiedene Regionen im Gehirn kommunizieren selbst dann miteinander, wenn wir stillliegen und an nichts Besonderes denken. Hirnforscher haben in den letzten Jahren Netzwerke aus solchen im Ruhezustand gekoppelten Hirnregionen stark in den Fokus gerückt. Mittels funktioneller Magnetresonanztomografie (fMRT) können Hirnforscher Hinweise darauf finden, dass manche Regionen selbst in diesem „Ruhezustand“ miteinander kommunizieren: Ihre Aktivität ändert sich über einen bestimmten Zeitraum in ähnlicher Weise.

Funktionelle Konnektivität

Die funktionale Konnektivität beschreibt, wie das fMRT-​Signal in verschiedenen Regionen des Gehirns synchron schwankt. Die Annahme ist, dass, wenn weit voneinander entfernte Regionen derart synchronisiert sind, Kommunikation zwischen ihnen stattfinden muss. Diese funktionale Konnektivität kann sich mit der strukturellen Konnektivität decken, also damit, wie die direkten anatomischen Verbindungen per Nervenfaser verlaufen - sie muss es aber nicht.

Bekannte Ruhenetzwerke

Etwa ein Dutzend Ruhenetzwerke sind Forschern derzeit bekannt, die relativ konsistent in verschiedenen Studien immer wieder beschrieben werden. Die Mehrzahl dieser Netzwerke besteht aus Regionen, die auch bei spezifischen Aufgaben gemeinsam aktiv werden. So umfasste das erste Ruhenetzwerk, das der Biomediziner Bharat Biswal 1995 entdeckte, Regionen, die für gewöhnlich an der Bewegungssteuerung beteiligt sind. Auch Hirnregionen für das Sehen sind im Ruhezustand miteinander verknüpft. Es sind Gruppen von Hirnregionen, die normalerweise bei Gedächtnis-​, Aufmerksamkeits- oder Orientierungsaufgaben gemeinsam aktiv sind.

Das Default Mode Network

Ein besonders interessantes Ruhenetzwerk ist das Default Mode Network (DMN). Der Name wurde intelligent gewählt, weil er einen Basiszustand zu beschreiben scheint. Teile von präfrontalem Cortex, Praecuneus und Gyrus cinguli fielen Marcus Raichle auf, weil ihr Energieverbrauch zwar im Ruhezustand dem des restlichen Gehirns entsprach - bekamen die Probanden dann allerdings Aufgaben, verhielten sich diese Regionen sehr untypisch: Statt bei spezifischen ähnlichen Aufgaben die Aktivität zu steigern, sank diese stattdessen. Anders gesagt: Die Areale des Default-​Netzwerkes waren offenbar in „Ruhe“ besonders aktiv. Das Netzwerk wird oft in einen Zusammenhang gestellt mit dem Treibenlassen der Gedanken, zu selbstbezogenem Denken und sogar als Basis des menschlichen Bewusstseins an sich diskutiert.

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Die Interpretation von Ruhenetzwerken

Bei allen Ruhenetzwerken ist aber bislang unklar, welche Information sie in Abwesenheit einer konkreten Aufgabe verarbeiten. Es könnte sich auch um einfache Taktgeber ohne echten Inhalt handeln. „Ruhe“ ist im Gehirn ein relativer Zustand. Selbst wenn wir stillliegen und an nichts Besonderes denken, verbraucht das Hirn etwa ein Fünftel der vom Körper benötigten Energie für sich.

Valentin Riedl beschreibt eine mögliche Interpretation der Daten: Etwa im so genannten Aufmerksamkeits-​Netzwerk laufen laufend aufmerksamkeitsbasierte Prozesse ab. Auch still im Scanner liegend könne ein Proband schließlich seine Aufmerksamkeit zum Beispiel auf die Geräusche lenken. Als anderes Extrem sieht er die Möglichkeit, dass die Verknüpfungen innerhalb eines Ruhenetzwerks nur Ausdruck eines Synchronisationsmodus sind, „in dem Regionen, die viel zusammenarbeiten, sich einen Takt setzen, der keinen Inhalt hätte.“

Gerhard Roth hat einmal formuliert, dass das Gehirn überwiegend mit sich selbst beschäftigt sei. Im visuellen System zum Beispiel entstammen unter zehn Prozent der Aktivität der Retina, der Rest entfällt auf interne Verarbeitung. Entsprechend vermutet Andreas Engel vom Universitätsklinikum Eppendorf in Hamburg, dass Ruhenetzwerke eher die eigenen, inneren Zustände des Gehirns abbilden. Ihn fasziniert vor allem, dass diese Fluktuation von Aktivität auf allen Lernprozessen, allem Vorwissen des Gehirns basieren. Und hier ergibt sich in seinen Augen eine faszinierende Schleife, denn das Gehirn ist permanent beschäftigt mit der Vorbereitung auf das, was der Außenwelt als nächstes an Reizen wohl einfallen mag.

Veränderungen der Ruhenetzwerke

Ruhenetzwerke können sich verändern, etwa bei Krankheiten, im Alter oder durch Lernvorgänge. Forscher arbeiten daran, diese Veränderungen für entsprechende Rückschlüsse zu nutzen. So konnte Riedls eigene Gruppe bei Probanden, die sie wiederholt leichten Schmerzreizen ausgesetzt hatte, vorhersagen, wie stark sie den nächsten Reiz empfinden würden - nur aus der Veränderung bestimmter funktionaler Verknüpfungen in Ruhe.

Das EVA-Prinzip: Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe

Das EVA-Prinzip ist ein grundlegendes Konzept, das die Art und Weise beschreibt, wie Informationen verarbeitet werden. Es besteht aus drei Hauptschritten:

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1. Eingabe (Input): Informationen werden aus der Umwelt aufgenommen.
2. Verarbeitung (Processing): Die aufgenommenen Informationen werden analysiert und interpretiert.
3. Ausgabe (Output): Eine Reaktion oder Handlung wird basierend auf der Verarbeitung erzeugt.

Dieses Prinzip lässt sich sowohl auf technische Systeme wie Computer als auch auf biologische Systeme wie das menschliche Gehirn anwenden.

Eingabe im Gehirn

Die Eingabe von Informationen in das Gehirn erfolgt über die Sinnesorgane: Augen, Ohren, Nase, Zunge und Haut. Diese Sinnesorgane nehmen Reize aus der Umwelt auf und wandeln sie in elektrische Signale um, die von Nervenzellen (Neuronen) transportiert werden.

• Visuelle Eingabe: Die Augen nehmen Lichtreize wahr und wandeln sie in Nervensignale um, die an den visuellen Cortex im Gehirn weitergeleitet werden.
• Auditive Eingabe: Die Ohren nehmen Schallwellen wahr und wandeln sie in Nervensignale um, die an den auditiven Cortex im Gehirn weitergeleitet werden.
• Taktile Eingabe: Die Haut nimmt Berührungen, Druck, Temperatur und Schmerz wahr und wandelt sie in Nervensignale um, die an den somatosensorischen Cortex im Gehirn weitergeleitet werden.
• Gustatorische und olfaktorische Eingabe: Die Zunge und die Nase nehmen chemische Reize wahr und wandeln sie in Nervensignale um, die an den gustatorischen bzw. olfaktorischen Cortex im Gehirn weitergeleitet werden.

Verarbeitung im Gehirn

Die Verarbeitung der Informationen findet im zentralen Nervensystem (ZNS) statt, das aus Gehirn und Rückenmark besteht. Das Gehirn ist der Hauptverarbeitungsort und besteht aus verschiedenen Regionen, die jeweils spezialisierte Funktionen haben:

• Sensorischer Cortex: Verarbeitet Informationen von den Sinnesorganen.
• Motorischer Cortex: Plant und steuert Bewegungen.
• Präfrontaler Cortex: Ist für höhere kognitive Funktionen wie Entscheidungsfindung, Planung und Problemlösung zuständig.
• Hippocampus: Spielt eine wichtige Rolle bei der Bildung und dem Abruf von Erinnerungen.
• Amygdala: Verarbeitet Emotionen, insbesondere Angst und Furcht.

Die Nervenzellen im Gehirn kommunizieren miteinander über elektrische und chemische Signale. Die Informationen werden von Neuron zu Neuron weitergeleitet, wobei jede Synapse (Verbindungsstelle zwischen zwei Neuronen) die Signalübertragung beeinflussen kann.

Ausgabe im Gehirn

Die Ausgabe des Gehirns erfolgt in Form von Reaktionen oder Handlungen. Diese können bewusst oder unbewusst sein und werden von den Muskeln und Drüsen des Körpers ausgeführt.

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• Motorische Ausgabe: Das Gehirn sendet Signale an die Muskeln, um Bewegungen auszuführen. Dies kann willkürlich (z.B. Gehen, Sprechen) oder unwillkürlich (z.B. Reflexe) sein.
• Hormonelle Ausgabe: Das Gehirn steuert die Freisetzung von Hormonen durch die Drüsen des endokrinen Systems. Hormone beeinflussen eine Vielzahl von Körperfunktionen, wie z.B. Wachstum, Stoffwechsel und Stimmung.
• Vegetative Ausgabe: Das Gehirn steuert unbewusste Körperfunktionen wie Atmung, Herzschlag und Verdauung über das vegetative Nervensystem.

Das EVA-Prinzip im Alltag

Das EVA-Prinzip lässt sich auf viele alltägliche Situationen anwenden. Hier sind einige Beispiele:

• Einparkhilfe im Auto:
  • Eingabe: Sensoren messen den Abstand zu Hindernissen.
  • Verarbeitung: Ein Computer berechnet die optimale Lenkbewegung.
  • Ausgabe: Ein akustisches Signal oder eine visuelle Anzeige warnt den Fahrer.
• Sehen einer Schlange:
  • Eingabe: Die Augen nehmen die Schlange wahr.
  • Verarbeitung: Das Gehirn gleicht die Information mit Erfahrungen und Situationen aus dem Gedächtnis ab.
  • Ausgabe: Schreien und Aktivierung des Sympathikus (Herzschlag und Atmung werden schneller).
• Radfahren:
  • Eingabe: Das periphere Nervensystem sendet Informationen über die Körperstellung und Bewegungen.
  • Verarbeitung: Das Gehirn verarbeitet diese Informationen.
  • Ausgabe: Das Gehirn gibt Befehle zurück, um die Muskeln entsprechend zu steuern und das Gleichgewicht zu halten.

Das Nervensystem: Die Grundlage des EVA-Prinzips

Das Nervensystem ist das biologische System, das die Grundlage für das EVA-Prinzip im menschlichen Körper bildet. Es besteht aus allen Nervenzellen und weiterem Nervengewebe. Das Nervensystem lässt sich anatomisch und funktionell einteilen.

Anatomische Einteilung

• Zentrales Nervensystem (ZNS): Besteht aus Gehirn und Rückenmark.
• Peripheres Nervensystem (PNS): Umfasst alle Nervenstrukturen außerhalb von Rückenmark und Gehirn.

Das periphere Nervensystem hat die Aufgabe, Signale von den Sinneszellen aufzunehmen und an das zentrale Nervensystem weiterzuleiten. Dieses wiederum hat die Funktion der Signalverarbeitung.

Funktionelle Einteilung

• Somatisches Nervensystem: Steuert bewusste Aktivitäten wie Sprechen oder Laufen (willkürliches Nervensystem).
• Vegetatives Nervensystem: Steuert unbewusste Abläufe wie Atmung, Verdauung und Stoffwechsel (autonomes oder unwillkürliches Nervensystem).

Das vegetative Nervensystem besteht aus zwei Hauptteilen:

• Sympathikus: Aktiviert Organe, wenn der Körper leistungsfähig sein muss (z.B. in Gefahren- und Stresssituationen oder beim Sport).
• Parasympathikus: Aktiviert in Ruhesituationen die Organe, die der Speicherung von Reservestoffen und der Erholung dienen.

EVA-Prinzip und das Gehirn: Ein Vergleich mit Computern

Das EVA-Prinzip ermöglicht einen Vergleich zwischen der Funktionsweise des menschlichen Gehirns und der von Computern.

• Eingabe: Beim Menschen erfolgt die Eingabe über Sinnesorgane, die Reize aus der Umwelt aufnehmen. Bei Computern erfolgt die Eingabe über Geräte wie Tastatur, Maus oder Scanner.
• Verarbeitung: Beim Menschen findet die Verarbeitung im zentralen Nervensystem statt, insbesondere im Gehirn. Bei Computern erfolgt die Verarbeitung im Prozessor (CPU).
• Speicherung: Beim Menschen werden Informationen im Gehirn gespeichert, insbesondere im Hippocampus. Bei Computern werden Informationen auf Festplatten, USB-Sticks oder SD-Karten gespeichert.
• Ausgabe: Beim Menschen erfolgt die Ausgabe über Muskeln (Bewegung) oder Drüsen (Hormone). Bei Computern erfolgt die Ausgabe über Monitore, Lautsprecher oder Drucker.
• Energieversorgung: Sowohl das Gehirn als auch Computer benötigen Energie, um zu funktionieren. Das Gehirn bezieht seine Energie aus der Nahrung, während Computer elektrische Energie benötigen.

Dieser Vergleich hilft, die Funktionsweise des menschlichen Nervensystems und von Computersystemen besser zu verstehen und Gemeinsamkeiten zu erkennen.

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