Das menschliche Gehirn ist zweifellos das komplexeste Organ, das die Natur hervorgebracht hat. Mit seinen rund 100 Milliarden Nervenzellen und einer noch größeren Anzahl von Kontaktpunkten übertrifft es in seinen Fähigkeiten selbst die modernsten Supercomputer. Eine seiner herausragendsten Eigenschaften ist die Lernfähigkeit, die es uns ermöglicht, uns an veränderte Umgebungen anzupassen und ständig neues Wissen zu erwerben.
Die Plastizität des Gehirns: Ein Leben lang lernfähig
Früher galt die Annahme, dass sich das Gehirn eines Erwachsenen nicht mehr verändert. Heutige Forschungsergebnisse zeigen jedoch, dass das Gehirn bis ins hohe Alter einem ständigen Umbauprozess unterliegt. Einige Neurobiologen vergleichen es sogar mit einem Muskel, der durch Training gestärkt werden kann. Die Erkenntnis, dass das Gehirn ein Leben lang lernfähig bleibt, ist wissenschaftlich unbestritten. Diese Plastizität ist entscheidend, um die vielfältigen Herausforderungen des Lebens zu bewältigen. So können wir bis ins hohe Alter Fremdsprachen lernen, Yoga praktizieren, uns die Gesichter und Stimmen neuer Kollegen merken oder uns in einer neuen Umgebung zurechtfinden.
Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass viele Wissenschaftler die Wirksamkeit von Gehirnjogging-Übungen zur Steigerung der allgemeinen Leistungsfähigkeit des Gehirns bezweifeln. Sie gehen davon aus, dass der Trainingseffekt in der Regel auf die unmittelbar trainierte Aufgabe beschränkt ist.
Synaptische Plastizität: Die Grundlage des Lernens
Lernen findet an den Synapsen statt, den Kontaktstellen, an denen elektrische Signale von einer Nervenzelle zur nächsten übertragen werden. Neurowissenschaftler haben herausgefunden, dass Synapsen die Effektivität der Übertragung verändern können. Dieses Phänomen wird als synaptische Plastizität bezeichnet. Eine Synapse kann durch einen Prozess namens Langzeitpotenzierung (LTP) verstärkt werden, indem sie mehr Botenstoffe ausschüttet oder mehr Botenstoffrezeptoren bildet. Die Übertragung von Signalen kann aber nicht nur verstärkt oder abgeschwächt werden, sondern auch komplett neu entstehen oder gekappt werden. Neurowissenschaftler wissen 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. Daher ist es nicht übertrieben zu sagen, dass unser Gehirn zeitlebens einer Baustelle gleicht.
Stärkung und Schwächung, Auf- und Abbau - die Stärke, mit der Signale zwischen Nervenzellen übertragen werden, wird laufend angepasst. Vereinfacht ausgedrückt könnte man sich vorstellen, dass die Signalübertragung verstärkt wird, wenn das Gehirn etwas speichert - und abgeschwächt wird, wenn es etwas vergisst. Ohne die Plastizität würde dem Gehirn seine Lernfähigkeit fehlen.
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Trainingseffekte: Wie das Gehirn von Erfahrung profitiert
Wie beim Sport gilt auch beim Lernen: Je mehr eine bestimmte Fähigkeit gefordert wird, desto effektiver wird sie ausgeführt. Wer beispielsweise Taxi fährt, muss sich gut orientieren und Routen merken können. Durch diese tägliche Arbeit wird das Ortsgedächtnis immer besser. Dies hinterlässt Spuren im Gehirn, wie beispielsweise bei Londoner Taxifahrern, bei denen Forscher herausgefunden haben, dass sich ihr Hippocampus, eine für das Ortsgedächtnis zentrale Region im Gehirn, über die Jahre vergrößert. Offenbar braucht ein derart trainiertes Orientierungsvermögen mehr Raum!
Reparaturmechanismen: Wie das Gehirn Schäden kompensiert
Die Plastizität des Gehirns hilft ihm auch, Schäden zumindest teilweise zu reparieren. Sterben beispielsweise bei einem Schlaganfall Nervenzellen ab, können benachbarte Hirnregionen die Aufgaben des betroffenen Gebiets zum Teil übernehmen. Forscher am Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften haben herausgefunden, dass das Gehirn so die Schäden nach einem Schlaganfall zum Teil kompensieren kann.
Die Architektur des Gehirns: Regionen und ihre Funktionen
Das menschliche Gehirn lässt sich nach verschiedenen Kriterien untergliedern. Entwicklungsgeschichtlich 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 Großhirnrinde, der sogenannte Kortex. Sie ist im Laufe der Evolution so stark gewachsen, dass sie fast das gesamte Gehirn umgibt.
Die Großhirnrinde: Sitz höherer geistiger Fähigkeiten
Die Großhirnrinde ist der 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.
Konnektivität: Das Netzwerk des Denkens
Wissenschaftler untersuchen mithilfe der Magnetresonanztomografie (MRT), welche Gehirngebiete miteinander verbunden sind. 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 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.
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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.
Das Konnektom: Die Suche nach dem Schaltplan des Gehirns
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.
Modellorganismen: Vereinfachte Gehirne für die Forschung
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, da sie als Säugetiere ein ähnlich aufgebautes und funktionierendes Gehirn wie der Mensch besitzen. 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, wodurch ihre Aktivität nicht so leicht gemessen werden kann. 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.
Das enterische Nervensystem: Das Bauchhirn
Neben dem zentralen Nervensystem gibt es noch ein weiteres komplexes Nervensystem im Körper: das enterische Nervensystem (ENS), auch bekannt als Bauchhirn. Dieses Nervensystem steuert den Magen-Darm-Trakt und reguliert dessen zentrale Aufgaben und Funktionen von der Speiseröhre bis zum Enddarm.
Aufbau und Funktion des enterischen Nervensystems
Das enterische Nervensystem erstreckt sich als Geflecht durch den kompletten Verdauungstrakt. Die einzelnen Teilbereiche des ENS sind eng miteinander verknüpft und erfassen Reize aus dem Lumen des entsprechenden Abschnitts, also der Seite, welche direkt mit der aufgenommenen Nahrung, Flüssigkeit etc. in Kontakt kommt. Das ENS ist in der Lage, die Muskelzellen im Verdauungstrakt zu aktivieren und somit die Beförderung des Speisebreis, die Peristaltik, anzuregen. Gleichzeitig adressiert er verschiedene Drüsenzellen, welche so die Verdauungsenzyme nach Bedarf gezielt ausschütten können. Außerdem werden über Verschaltungen im Rückenmark Reize wie eine Überfüllung der einzelnen Abschnitte oder eine Infektion an das Gehirn weitergeleitet, was im bewussten Empfinden von Magenschmerzen, Völlegefühl und Übelkeit resultiert.
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Störungen des enterischen Nervensystems
Aufgrund der Komplexität des Systems haben Störungen des ENS oft vielfältige Auswirkungen auf den gesamten Verdauungsprozess. Sind etwa die Nervenzellen im Plexus myentericus, also zwischen den Muskelschichten, nicht in ausreichender Zahl ausgebildet, so kann an dieser Stelle der Speisebrei nicht mehr weitertransportiert werden. Vor der betroffenen Stelle staut sich entsprechend der Inhalt des Darms, was eine extreme Aufdehnung des entsprechenden Abschnitts zur Folge hat.
Die Darm-Hirn-Achse: Eine bidirektionale Kommunikation
Der Begriff Darm-Hirn-Achse beschreibt die Verbindung, die zwischen dem enterischen und dem zentralen Nervensystem besteht. Der Vagusnerv ist einer von 12 Hirnnerven, die das ZNS direkt mit dem ENS verbinden. Die Kommunikation der beiden Nervensysteme findet mittels verschiedener Botenstoffe, sogenannter Neurotransmitter, statt. Allgemein bekannte Neurotransmitter sind Serotonin, Dopamin und GABA (Gamma-Aminobuttersäure). Diese Botenstoffe werden sowohl im ZNS als auch im ENS produziert und als Information verstanden. Gehirn und Darm können sich über den Austausch von Botenstoffen somit wechselseitig beeinflussen.
Die Rolle der Darmflora
Auch die Darmflora gilt als eine wichtige Komponente des „Bauchhirns“. Die Bakterien der Darmflora produzieren hormonähnliche Substanzen und kurzkettige Fettsäuren, die der Kommunikation zwischen ENS und ZNS über die Darm-Hirn-Achse dienen. Emotionen, Stressresistenz und Schmerzwahrnehmung lassen sich über diese Botenstoffe steuern. Das „Glückshormon“ Serotonin wird beispielsweise überwiegend im Darm gebildet. Ein wichtiger Baustein für die Produktion von Serotonin ist die Aminosäure Tryptophan. Diese produzieren die darmfreundlichen Bifidobakterien. Die Bifidobakterien-Population der Darmflora kann also den Serotonin-Spiegel und damit auch das seelische Wohlbefinden maßgeblich beeinflussen. Mikroorganismen, die über die Gehirn-Darm-Achse mit dem ZNS kommunizieren, werden als „Psychobiom“ bezeichnet.
Nervenzellen: Die Bausteine des Nervensystems
Das Nervensystem umfasst alle Nervenzellen des menschlichen Körpers. Mit ihm kommuniziert er mit der Umwelt und steuert gleichzeitig vielfältige Mechanismen im Inneren. Das Nervensystem nimmt Sinnesreize auf, verarbeitet sie und löst Reaktionen wie Muskelbewegungen oder Schmerzempfindungen aus. Wer zum Beispiel auf eine heiße Herdplatte fasst, zieht die Hand reflexartig zurück - und die Nervenbahnen senden gleichzeitig ein Schmerzsignal ans Gehirn. Das Nervensystem enthält viele Milliarden Nervenzellen, sogenannte Neuronen. Allein im Gehirn sind es rund 100 Milliarden. Jede einzelne Nervenzelle besteht aus einem Körper und verschiedenen Fortsätzen. Die kürzeren Fortsätze (Dendriten) wirken wie Antennen: Über sie empfängt der Zellkörper Signale, zum Beispiel von anderen Nervenzellen. Nach der Lage der Nervenbahnen im Körper unterscheidet man zwischen einem zentralen und einem peripheren Nervensystem.
Das zentrale und periphere Nervensystem
Das zentrale Nervensystem (ZNS) umfasst Nervenbahnen in Gehirn und Rückenmark. Es befindet sich sicher eingebettet im Schädel und dem Wirbelkanal in der Wirbelsäule. Das willkürliche Nervensystem (somatisches Nervensystem) steuert alle Vorgänge, die einem bewusst sind und die man willentlich beeinflussen kann. Dies sind zum Beispiel gezielte Bewegungen von Gesichtsmuskeln, Armen, Beinen und Rumpf. Das vegetative Nervensystem (autonomes Nervensystem) regelt die Abläufe im Körper, die man nicht mit dem Willen steuern kann. Es ist ständig aktiv und reguliert beispielsweise Atmung, Herzschlag und Stoffwechsel. Hierzu empfängt es Signale aus dem Gehirn und sendet sie an den Körper. In der Gegenrichtung überträgt das vegetative Nervensystem Meldungen des Körpers zum Gehirn, zum Beispiel wie voll die Blase ist oder wie schnell das Herz schlägt. Das vegetative Nervensystem kann sehr rasch die Funktion des Körpers an andere Bedingungen anpassen. Ist einem Menschen beispielsweise warm, erhöht das System die Durchblutung der Haut und die Schweißbildung, um den Körper abzukühlen. Sowohl das zentrale als auch das periphere Nervensystem enthalten willkürliche und unwillkürliche Anteile.
Sympathikus und Parasympathikus
Das sympathische und parasympathische Nervensystem (Sympathikus und Parasympathikus) wirken im Körper meist als Gegenspieler: Der Sympathikus bereitet den Organismus auf körperliche und geistige Leistungen vor. Er sorgt dafür, dass das Herz schneller und kräftiger schlägt, erweitert die Atemwege, damit man besser atmen kann, und hemmt die Darmtätigkeit. Der Parasympathikus kümmert sich um die Körperfunktionen in Ruhe: Er aktiviert die Verdauung, kurbelt verschiedene Stoffwechselvorgänge an und sorgt für Entspannung.
Aktuelle Forschung und zukünftige Perspektiven
Die Erforschung des Gehirns und des Nervensystems ist ein dynamisches Feld, das ständig neue Erkenntnisse liefert. Wissenschaftler arbeiten daran, die komplexen Schaltkreise des Gehirns zu entschlüsseln, die Mechanismen der synaptischen Plastizität besser zu verstehen und neue Therapien für neurologische und psychische Erkrankungen zu entwickeln. Die Fortschritte in der Neurotechnologie, wie beispielsweise die Entwicklung von Gehirn-Computer-Schnittstellen, eröffnen vielversprechende Möglichkeiten zur Behandlung von Lähmungen und anderen neurologischen Störungen.
Künstliche Intelligenz und das Gehirn
Ein weiteres spannendes Forschungsfeld ist die Anwendung künstlicher Intelligenz (KI) zur Analyse von Gehirndaten und zur Entwicklung neuer Diagnose- und Behandlungsmethoden. KI-Algorithmen können beispielsweise Muster in EEG-Signalen erkennen, die auf bestimmte Krankheiten hindeuten, oder personalisierte Therapiepläne erstellen, die auf die individuellen Bedürfnisse des Patienten zugeschnitten sind.
Die alternde Bevölkerung und das Gehirn
Angesichts der alternden Bevölkerung gewinnt die Erforschung des alternden Gehirns zunehmend an Bedeutung. Wissenschaftler untersuchen, wie sich Alterungsprozesse auf die Struktur und Funktion des Gehirns auswirken und wie man altersbedingten kognitiven Abbau verhindern oder verlangsamen kann.
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