Die Welt um uns herum wird erst durch unsere Sinnesorgane lebendig. Sie verwandeln Licht, Schall, Druck oder Düfte in Botschaften, die unser Gehirn versteht. Die Biologie des Hörens, die neurologischen Prozesse im Gehirn und ihre untrennbare Verbindung sind faszinierend und komplex. Dieser Artikel beleuchtet, wie diese Disziplinen zusammenarbeiten, um uns die Welt des Schalls erleben zu lassen.
Die Grundlage: Was sind Sinnesorgane?
Sinnesorgane sind spezialisierte Organe, die Reize aus unserer Umgebung aufnehmen. Sie sind die Grundpfeiler unserer Wahrnehmung und helfen uns, relevante Informationen aus einer chaotischen Umweltflut herauszufiltern. Ein Sinnesorgan besteht meist aus mehreren Elementen: rezeptiven Zellen („Sinneszellen“), Hilfsstrukturen (z. B. Augenlinse, Ohrmuschel), Versorgungsgewebe und Nervenverbindungen.
Die Bausteine der Wahrnehmung: Rezeptoren und Hilfsstrukturen
Trotz ihrer Verschiedenheit teilen alle Sinnesorgane einige Grundbestandteile. Rezeptoren, auch Sinneszellen genannt, sind hochspezialisierte Zellen, die bestimmte Reize erkennen. Hilfsstrukturen verstärken, leiten oder verarbeiten Reize vor. Ein klassisches Beispiel ist das Auge: Hier bündeln Linse und Hornhaut das Licht auf die Netzhaut, wo die Fotorezeptoren (Stäbchen und Zapfen) die Lichtreize aufnehmen. Im Ohr trifft der Schall aufs Trommelfell, wird von den Gehörknöchelchen verstärkt und gelangt zum Corti-Organ mit den Haarzellen (Rezeptoren).
Wichtig ist, dass Sinnesorgane niemals isoliert arbeiten, sondern per Nervenbahnen im ständigen Austausch mit dem zentralen Nervensystem stehen.
Die Umwandlung: Transduktion und Signalverarbeitung
Das wahre Wunder beginnt, wenn die Sinneszellen einen Reiz umwandeln. Der Begriff „Transduktion“ bezeichnet die Umwandlung eines Reizes (z. B. Licht, Schall, Molekül) in ein elektrochemisches Signal durch Sinneszellen. Diese elektrischen Botschaften werden entlang spezieller Bahnen (Nervenfasern) zum Gehirn geleitet. Dort erfolgt die sensible Integration - das Gehirn vergleicht, verstärkt, hemmt oder interpretiert die Signale.
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Ein anschauliches Alltagsbeispiel: Stell dir vor, du beißt in ein Stück Zitrone. Die Geschmackszellen auf deiner Zunge nehmen sauer wahr und senden einen elektrischen „Alarm“ ans Gehirn - du zuckst zusammen, deine Gesichtsmuskeln verziehen sich, vielleicht läuft dir sogar das Wasser im Mund zusammen.
Die fünf klassischen Sinne: Eine Entdeckungsreise
Jetzt gehen wir auf Entdeckungsreise zu den fünf klassischen Sinnesorganen des Menschen: Auge, Ohr, Haut, Nase und Zunge. Jedes erfüllt spezielle Aufgaben - doch alle folgen dem Grundprinzip Reizaufnahme → Transduktion → Signalverarbeitung.
Das Auge: Mehr als nur ein Fenster zur Welt
Unser Auge ist das komplexeste Sinnesorgan. Aufbauend auf Hornhaut, Kammerwasser, Linse, Glaskörper und Netzhaut (Retina) sorgt es dafür, dass Licht gebündelt und fokussiert wird. Auf der Netzhaut sitzen die Fotorezeptoren (Stäbchen: hell/dunkel; Zapfen: Farbsehen), die Lichtimpulse in Nervenimpulse übersetzen.
Wie erkennen wir Farben? Durch die drei Zapfentypen in der Retina, die auf unterschiedliche Wellenlängen reagieren.
Das Ohr: Hören und Gleichgewicht
Das Ohr ist nicht nur das Organ des Hörens, sondern auch unseres Gleichgewichts. Es gliedert sich in Außenohr, Mittelohr und Innenohr. Schallwellen werden vom Außenohr aufgenommen, versetzen das Trommelfell in Schwingungen, die über die Gehörknöchelchen ins Innenohr und zur Schnecke (Cochlea) weitergegeben werden.
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Die Haut: Unser größtes Sinnesorgan
Mit rund 2 m² Fläche ist die Haut unser größtes Sinnesorgan. Sie enthält verschiedene Rezeptoren: Meissner-Körperchen (Tastsinn), Vater-Pacini-Körperchen (Druck), Thermorezeptoren (Temperatur), Nozizeptoren (Schmerz).
Die Nase: Ein Meer von Düften
Die Nasenschleimhaut beherbergt Millionen von Riechzellen, die Geruchsmoleküle erkennen. Jede Riechzelle (Rezeptor) spricht auf andere Duftstoffe an, was eine riesige Duftvielfalt erklärt.
Die Zunge: Mehr als nur Geschmack
Der Geschmackssinn ermöglicht die Wahrnehmung von süß, sauer, salzig, bitter und umami. Die Zunge trägt Papillen, in denen jeweils Hunderte von Geschmacksknospen stecken.
Das Gehirn: Der Dirigent der Wahrnehmung
Im Gehirn wird die von den Sinneszellen umgewandelte Information analysiert, vervollständigt und interpretiert. Dabei spielen verschiedene Hirnteile eine Rolle. Spannend ist, dass das Gehirn nicht einfach als „Durchlauferhitzer“ arbeitet, sondern Sinnesreize ergänzt, verstärkt oder hemmt. Manche Reize erreichen nie unser Bewusstsein. Letztlich entscheidet das Gehirn, was „wichtig“ ist - und wie wir auf unsere Umwelt reagieren.
Die neuronale Codierung: Analog und Digital im Wechselspiel
Wie unser Nervensystem Informationen über die Lautstärke von Tönen und Geräuschen zwischen den Nervenzellen des Nervensystems weiterleitet, ist ein komplexer Prozess, bei dem es zu einem ständigen Wechsel zwischen analoger und digitaler Codierung kommt.
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Wird ein Reiz von den Sinnesorganen aufgenommen, so verändert sich das Membranpotenzial an den Nervenzellen, die den entsprechenden Sinneszellen nachgeschaltet sind. Die elektrische Spannung an der Membran der Nervenzelle wird verändert. Sie wird erregt. In den Dendriten und dem Zellkörper der Nervenzelle kommt es noch nicht zu einem Aktionspotenzial. Es kommt nur zu einer passiven Potenzialverschiebung. Die Information über den Reiz wird analog codiert: D.h. Die Reizstärke wird in Form der Amplitude der Potenzialverschiebung codiert.
Diese Veränderung in der elektrischen Spannung setzt sich fort bis zum Axonhügel, welcher in das Axon übergeht. Ein bestimmter Amplitudenwert muss dabei überschritten werden, damit der Reiz überhaupt wahrgenommen wird, denn die Entstehung von Aktionspotentialen erfolgt nach dem “Alles oder Nichts Prinzip”. Der zu überschreitende Wert nennt sich Schwellenpotential. Töne, welche sehr leise sind verursachen also im Soma der Nervenzelle keine ausreichende Potenzialverschiebung, sodass kein Aktionspotential wahrgenommen werden kann.
Im Axon werden diese Aktionspotentiale dann weitergeleitet. Da es sich nun um Aktionspotentiale handelt, welche stets eine gleich große Amplitude aufweisen, kann die Codierung nun nicht mehr analog erfolgen. Die Abfolge der Aktionspotentiale ist bei einem starken Reiz schneller, die Frequenz ist also größer.
Es ist aber möglich, dass an den Dendriten einer Nervenzelle mehrere Synapsen aktiv sind oder dass eine Synapse in sehr kurzen Abständen immer wieder Impulse sendet. Mehrere schwache Signale können zusammen dann ein Aktionspotenzial auslösen. Eine räumliche Summation liegt vor, wenn mehrere Synapsen schwache Signale senden, die dann im Soma aufgerechnet werden. Von zeitliche Summation spricht man dann, wenn eine Synapse in kurzen Abständen schwache Signale sendet, die addiert werden. So ist es beispielsweise auch möglich sehr leise Töne überhaupt wahrzunehmen.
Eine aufgenommene Information wird im Nervensystem mehrfach umcodiert. Eine Information wird zunächst von den Sinneszellen in elektrische Erregung umgewandelt. Danach wird die Information abwechselnd analog und digital codiert. Im Axon erfolgt die Codierung digital in Form von Aktionspotentialen. So kann das Gehirn die Stärke eines Reizes ermitteln und die entsprechenden Signale für eine Reaktion senden.
Aktives Hören: Mehr als nur Schall aufnehmen
Die menschliche Wahrnehmung zeichnet sich durch hohe Flexibilität aus. Das erlaubt uns, gleichartige Ereignisse in verschiedensten Kontexten oder Situationen gleichartig zu erleben. Tagtäglich befinden wir uns in wechselnden akustischen Situationen. So sitzen wir beispielsweise im Café und hören den Erzählungen eines Freundes zu oder wir stehen vor einer Konzertbühne und nehmen die Gespräche der Menschen neben uns wahr. Unsere Fähigkeit zu hören stellt sich also flexibel auf verschiedenste Situationen ein und ermöglicht es uns, an vielen Kontexten teilzunehmen.
Die in elektrische Nervensignale umgewandelte akustische Signal wird in unterschiedlichen Arealen des Gehirns verarbeitet. Die dabei am frühsten aktiven Areale werden klassisch als sensorische, das heißt als empfangende Areale bezeichnet; man spricht auch von auditiv-sensorischen Arealen. Diese Sichtweise, welche die Nervenzellen in bezeichneten Arealen als vorrangig rezipierend und statisch auf bestimmte Sinnesreize reagierend beschreibt, gilt inzwischen als überholt.
Bekannt ist, dass Neuronen bevorzugt auf bestimmte Stimulation, wie zum Beispiel einen bestimmten Bereich von Tonlautstärken oder Tonfrequenzen, reagieren. Dieses Phänomen wird „neurale Sensitivität“ genannt. In jüngeren Studien ist beobachtet worden, dass sich die neurale Sensitivität in Abhängigkeit des präsentierten Stimulationskontextes für kurze Zeit verändert.
In einem Umfeld mit akustisch umgrenztem Frequenzbereich reagieren Nervenzellen also ausnehmend sensitiv auf einen schmalen Bereich. In einem Umfeld mit akustisch weitem Frequenzbereich dagegen reagieren Nervenzellen besonders sensitiv auf einen breiten Bereich.
Die neurale Aktivität in der Hörrinde verändert sich nicht nur abhängig von der Frequenzspanne, sondern passt sich auch an rhythmische Strukturen der akustischen Umwelt an. Die im EEG/MEG gemessenen neuralen Oszillationen synchronisierten sich mit dem Rhythmus des akustischen Signals („neurales Entrainment“). Die neurale Aktivität oszillierte also mit dem gleichen Rhythmus wie das akustische Signal. Die Synchronisation neuraler Oszillationen mit akustischen Rhythmen beeinflusst auch die menschliche Wahrnehmung.
Aus diesen beispielhaften Studien lässt sich schließen, dass gleichartige, unveränderte Umweltreize die neurale Aktivität nicht notwendigerweise prototypisch und in immer gleicher Art und Weise beeinflussen. Vermutlich ist es genau diese dynamische Ultra-Kurzzeit-Plastizität des Gehirns, die es uns ermöglicht, flexibel auf verschiedene Situationen gleichwertig zu reagieren.
Die Arbeitsteilung im Gehirn: Hemisphären im Einklang
Ein Forscherteam der New York City University (NYU) School of Medicine und des Max-Planck-Instituts für empirische Ästhetik hat eine neue Arbeitsteilung zwischen den beiden Hemisphären in unserem Gehirn beim Verstehen von Wörtern und Geräuschen entdeckt. Beide Hirnhälften übernehmen beim Zuhören gleichzeitig stattfindende, aber unterschiedliche Aufgaben. Klinische Beobachtungen aus dem 19. Jahrhundert haben bereits gezeigt, dass Schäden an der linken Hemisphäre, jedoch nicht an der rechten, die Sprachverarbeitung beeinträchtigen.
Echoortung: Hören mit anderen Sinnen
Wer sein Gehör trainiert, kann durch Echoortung hören, wie groß ein Raum ist. Münchner Forscher zeigen, dass auch sehende Menschen Echoortung einüben können und dass bei ihnen dabei andere Gehirnregionen aktiv sind als bei blinden Menschen.
Der Mensch muss nicht um sich schauen, um sich im Raum zu orientieren. Blinde Menschen orten Echos von selbstgenerierten Geräuschen, um zu wissen, in welcher Entfernung von Wänden sie sich befinden. Dafür klopfen sie zum Beispiel mit einem Stock auf den Boden oder klicken mit der Zunge. Auch sehende Menschen können Echoortung mit Klicklauten lernen.
Die LMU-Biologen haben zusammen mit Dr. Virginia L. Flanagin vom Deutschen Schwindelzentrum am Klinikum der LMU erstmals die Gehirnaktivitäten von Sehenden und einem Blinden im Moment der Echoortung analysiert und eine Technik entwickelt, die es erstmals möglich macht, Echoortung mit Klicklauten im MRT-Scanner aufzunehmen.
Allen Teilnehmenden ist es gelungen, sogar kleinste Unterschiede in der Raumgröße wahrzunehmen. Ein Proband konnte die Raumgrößen so genau nennen, dass seine Angaben nur um höchstens 4% von der tatsächlichen Größe abwichen.
Bei der Echoortung gibt es eine ganz enge Kopplung zwischen sensorischem und Motor-Kortex. Der Schall wird beim Schnalzen mit der Zunge ausgesendet, von der Umgebung reflektiert und kehrt zum Ohr zurück, wodurch der sensorische Kortex aktiviert wird, kurz darauf wird der Motor-Kortex angeregt, damit neue Klick-Geräusche produziert werden. Die Aufnahmen eines blinden Probanden zeigten dagegen eine Aktivierung im visuellen Kortex. Das zeigt, wie plastisch das menschliche Gehirn ist. Der visuelle primäre Kortex kann offenbar auditive Aufgaben übernehmen.
Schwerhörigkeit im Alter: Ein Risiko für das Gehirn
Wenn im Alter das Gehör nachlässt, steigt das Risiko für Demenzerkrankungen und kognitiven Verfall. Ein Team aus der Neurowissenschaft der Ruhr-Universität Bochum (RUB) hat nun mit Untersuchungen an Mäusen herausgefunden, was im Gehirn passiert, wenn das Hörvermögen nach und nach schlechter wird: Hirnbereiche werden umorganisiert, worunter das Gedächtnis leidet.
Die so gewonnenen Daten zeigten, dass die synaptische Plastizität im Hippocampus durch den graduellen Verlust des Hörvermögens beeinträchtigt ist. Die synaptische Plastizität wiederum ermöglicht die langfristige Speicherung von Erlebnissen, dadurch werden Erinnerungen gebildet und festgehalten. Die Verteilung und Dichte von Botenstoffrezeptoren änderte sich stetig. Mit Fortschreiten der Schwerhörigkeit verstärkten sich auch die Effekte im Gehirn.
Stille: Mehr als nur Abwesenheit von Lärm
Im Alltag stehen wir häufig unter Dauerbeschallung. Erst wenn es richtig ruhig ist, spüren wir, wie gut das tut. Auch Hirnforscher haben den Nutzen akustischer Auszeiten entdeckt.
Dass Lärm auf Dauer krank machen kann, wissen Fachleute schon lange. So belegen zahlreiche Studien den Zusammenhang zwischen Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Dauerlärm an Flughäfen oder Autobahnen.
Unser Gehirn reagiert sehr prompt auf Geräusche, und das sogar im Schlaf, wenn das Bewusstsein pausiert. Ungewohnter oder potenziell belastender Lärm aktiviert die Amygdala - ein Kerngebiet tief im Schläfenlappen, das bei Angst und anderen negativen Emotionen »anspringt«. Über die Hypothalamus-Hypophysen-Nebennieren-Achse wird schließlich das Stresssystem des Körpers eingeschaltet, das große Mengen Kortisol ins Blut schwemmt. Das Hormon signalisiert dem Körper: Achtung, Gefahr droht!
Wie sehr unser Körper von akustischen Auszeiten profitiert, entdeckten Hirnforscher durch Zufall. Luciano Bernardi und sein Team von der Universität Pavia in Italien wollten herausfinden, welche Arten von Musik unserem Herz-Kreislauf-System guttun. Sie spielten ihren Versuchspersonen Musikstücke in sechs verschiedenen Stilen vor, von Beethoven über Techno bis hin zu den Red Hot Chili Peppers, während sie unter anderem Atmung, Blutdruck und Herzschlag maßen. Mitten in jedem Stück wurde - als Kontrollbedingung - eine zweiminütige Pause eingelegt, während der die Teilnehmer nichts hörten.
Alle Musikstücke ließen die drei genannten Messgrößen über die vor Beginn des Experiments erhobenen Werte (Baseline) ansteigen, wobei die schnelle Musik sie besonders in die Höhe trieb. Das Überraschende: Während der kurzen Pausen fielen die Werte oft sogar noch unter die Baseline.
Die Musikstücke hatten offenbar die Wirkung der darauf folgenden Stille verstärkt. Die Versuchspersonen wurden quasi vom aufmerksamen Zuhören erlöst und konnten nun umso mehr entspannen. Ist es also immer ruhig, scheinen wir davon weniger zu profitieren, als wenn Trubel und Ruhephasen sich abwechseln.
Die Ursache für diese Wahrnehmungsverzerrung gründet in der Arbeitsweise unserer Nervenzellen. Denn Neurone lieben die Abwechslung! Sie entladen sich bevorzugt dann, wenn sich etwas verändert. Neuroforscher sprechen hier von Habituation, was nichts anderes heißt als Gewöhnung.
Zeiten ohne akustischen Input sind zu einer wertvollen Ressource geworden, für die immer mehr Menschen bereit sind zu zahlen.
Ein Team um Gerd Kempermann vom Deutschen Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen in Dresden fand bei Experimenten an Mäusen heraus, dass Stille das Nervenzellwachstum im Hippocampus erwachsener Labormäuse anregt.
Verglichen mit der gewohnten Geräuschkulisse stimulierten fast alle Bedingungen bereits nach einem Tag die Neurogenese im Hippocampus. Nur das Rauschen zeigte keinerlei Effekt. Nach sieben Tagen wiesen jedoch nur noch diejenigen Mäuse mehr neue Nervenzellen auf, die zwei Stunden pro Tag von jeglichen Geräuschen abgeschirmt waren. Die entstandenen Vorläuferzellen konnten sich also nur zu funktionsfähigen Neuronen ausdifferenzieren, wenn die Tiere regelmäßig längerer Stille ausgesetzt waren.
Ohne Input von außen produziert das Gehirn seinen eigenen Film. Ende der 1990er Jahre entdeckte der Neurologe Marcus Raichle von der Washington University in St. Louis mit seinem Team den Ursprung unseres Kopfkinos: das so genannte Default Mode Network oder Ruhezustandsnetzwerk. Diese Gruppe von Hirnregionen wird immer dann aktiv, wenn wir nichts tun und unsere Gedanken schweifen lassen. Sobald wir uns wieder einer Aufgabe zuwenden, verstummen die beteiligten Nervenzellen.
Sprache und Denken: Eine enge Verbindung
Der Einfluss der Sprache auf das menschliche Denken könnte stärker sein als bislang angenommen. Das geht aus einer neuen Studie des Sprach-, Kognitions- und Neurowissenschaftlers Prof. Dr. Friedemann Pulvermüller und seinem Team aus dem Labor für Gehirn- und Sprachforschung der Freien Universität Berlin hervor.
Die neuen Forschungsergebnisse legen nahe, dass der Einfluss von Sprache auf unser Denken viel stärker und wichtiger ist, als das bisher angenommen wurde. Die neuen Ergebnisse mit gehirnähnlichen Netzwerken zeigen nun einen starken Einfluss von Sprache auf die Konzeptbildung im Simulationsexperiment.
Musik im Gehirn: Ein Zusammenspiel vieler Regionen
Bildgebende Verfahren können zeigen, was im Gehirn beim Musikhören passiert. Die Bilder lassen erahnen, wie viele Hirnareale beim Musizieren beteiligt sind. Und es gibt Auffälligkeiten im Hirn von Klassik- oder Jazzpianisten. Beim Musizieren oder Musik hören werden Endorphine ausgeschüttet.
Hört ein Mensch Musik, werden die Strukturen zuerst im Hirnstamm verarbeitet. Auf dieser Ebene ist die Musik noch nicht ins Bewusstsein gedrungen. Das geschieht erst, wenn die Reize das Hörzentrum, den sogenannten Hörkortex, erreichen.
Welche Musik wir hören, verrät das Muster unserer Hirnaktivität. Besonders komplexe Musikstücke lösen eine höhere Aktivität im rechten Schläfenlappen aus. Mithilfe der Schnittbilder des menschlichen Gehirns zeigte sich, dass in Musikerhirnen die Verbindung zwischen rechter und linker Gehirnhälfte, das sogenannte Corpus callosum, deutlich kräftiger ausgebildet ist.
Neurowissenschaftler haben herausgefunden, dass einige Menschen völlig immun gegen jede Wirkung von Musik sind. Die Forscher sprechen von Anhedonie - der Unfähigkeit, Freude zu empfinden. In Tests erkannten die Teilnehmer zwar, ob Musik fröhlich oder traurig war, aber sie ließen sich von den Gefühlen nicht anstecken. Die Forscher gehen davon aus, dass ihr Belohnungssystem im Gehirn anders arbeitet.
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