In der heutigen Zeit, in der Smartphones Gesichter mit Maske erkennen und Apples FaceID bei Markteinführung eine riesige Faszination auslöste, vergessen wir oft die unglaubliche Leistung unseres eigenen Gehirns. Es ermöglicht uns, auf der Straße unseren besten Freund unter hunderten Gesichtern zu entdecken, ein Wort zu lesen oder einen Apfel von einer Banane von einer Mandarine zu unterscheiden. Und das alles mit einer Leichtigkeit und Geschwindigkeit, die selbst moderne Maschinen vor Neid erblassen lassen würde.
Nervenzellen: Die Grundbausteine des Gehirns
Die Hauptakteure dieser Höchstleistungen sind die Nervenzellen, auch Neuronen genannt. Ein Neuron besteht aus einem Zellkörper (Soma), der für die Energieversorgung zuständig ist, sowie vielen Dendriten, die als "Ohren" des Neurons Informationen von anderen Neuronen empfangen. Das Axon, das am Axonhügel des Zellkörpers entspringt, ist der "Mund" des Neurons und trägt die Information an andere Neuronen weiter.
Synapsen: Die Verbindungsstellen zwischen Neuronen
Die Übertragung von Signalen zwischen Neuronen erfolgt an den Synapsen, den Verbindungsstellen, an denen das Axon eines Neurons auf die Dendriten eines anderen Neurons trifft. Eine Synapse besteht aus einem synaptischen Spalt, der Lücke zwischen den Neuronen, der Präsynapse (vor dem Spalt, meist das Axon des sendenden Neurons) und der Postsynapse (hinter dem Spalt, meist ein Dendrit der empfangenden Nervenzelle).
Ein Beispiel für eine einfache Kommunikation mit nur einer Synapse ist der Kniesehnenreflex. Hier sendet ein Sensor im Muskel, der die Dehnung der Kniesehne wahrnimmt, die Information über eine Synapse direkt an die Nervenzelle, die den Oberschenkelmuskel anspannen lässt.
Die Kommunikation zwischen Nervenzellen im Detail
Die Kommunikation zwischen Nervenzellen beginnt im synaptischen Spalt:
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- Nervenzelle 1 schüttet Botenstoffe (Neurotransmitter) wie Dopamin, Serotonin oder Acetylcholin in den synaptischen Spalt aus.
- Die Botenstoffe binden an die postsynaptische Membran des Dendriten von Nervenzelle 2.
- Die Bindung öffnet kleine Kanäle in der Membran, durch die geladene Teilchen (Ionen) wie Kalium, Natrium oder Chlorid in die Dendriten gelangen.
- Die Ionen verändern die Spannung der postsynaptischen Membran (positiver oder negativer).
- Die Spannungsänderung fließt über den Dendriten Richtung Axonhügel.
Der Axonhügel: Das "Entscheidungszentrum"
Der Axonhügel verrechnet alle eingehenden Signale. Erst wenn die Summe aller Signale einen bestimmten Schwellenwert erreicht, wird ein Aktionspotential ausgelöst. Dabei gilt das "Alles-oder-nichts-Prinzip": Wird der Schwellenwert nicht erreicht, passiert nichts; wird er erreicht, wird ein Aktionspotential ausgelöst, unabhängig davon, wie stark der Schwellenwert überschritten wurde.
Das Aktionspotential: Ein elektrisches Signal rast durch das Axon
Wird der Schwellenwert am Axonhügel erreicht, öffnen sich Kanäle für geladene Teilchen, wodurch die Zellmembran kurzzeitig positiv wird. Das Aktionspotential breitet sich gleichförmig auf die benachbarte Zellmembran aus. Das Axon ist von Myelinscheiden umhüllt, die eine Isolierung bieten, die in regelmäßigen Abständen an den Ranvierschen Schnürringen unterbrochen ist. Dadurch "springt" das Aktionspotential das Axon entlang bis zur Präsynapse.
Die Synapse: Umwandlung von elektrischen in chemische Signale
Im Bereich der Präsynapse öffnen sich spannungsgesteuerte Calciumkanäle, wenn ein Aktionspotential ankommt. Der Calciumeinstrom führt dazu, dass Bläschen mit Botenstoffen in den synaptischen Spalt freigesetzt werden. Die Botenstoffe binden an die Rezeptoren des nächsten Dendriten, Kanäle öffnen sich, und das Spiel beginnt von vorn. Nach einiger Zeit lösen sich die Botenstoffe wieder von den Rezeptoren und werden entweder von der Präsynapse wieder aufgenommen oder von Enzymen abgebaut.
Zusammenfassend wird das elektrische Signal des Axons an der Synapse in ein chemisches Signal umgewandelt, um dann am Dendriten der nächsten Nervenzelle wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt zu werden.
Elektrische Synapsen: Die schnelle Alternative
Neben den chemischen Synapsen gibt es auch elektrische Synapsen, die seltener erwähnt werden, aber in allen Teilen des Gehirns vorkommen. Sie funktionieren schneller, da keine Umwandlung elektrisch-chemisch-elektrisch stattfinden muss. Voraussetzung ist jedoch ein sehr kleiner synaptischer Spalt, damit die elektrische Erregung "springen" kann.
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Neuronales Netz: Die Grundlage komplexer Funktionen
Ein neuronales Netz ist eine Gruppe von Neuronen, die miteinander kommunizieren und so eine bestimmte Funktion ausüben. Jedes Neuron gibt Informationen an beliebig viele andere Neuronen weiter und erhält gleichzeitig Signale von beliebig vielen anderen Neuronen. Das neuronale Netz ist im Laufe des Lebens in ständiger Veränderung (neuronale Plastizität): Neue Verbindungen zwischen Synapsen werden geschaffen und bestehende gekappt. Häufig genutzte Synapsen verändern ihre Struktur, z.B. durch den Einbau von mehr Rezeptoren oder die Erhöhung der Menge an ausgeschütteten Botenstoffen (Langzeitpotenzierung). Nicht genutzte Verbindungen werden mit der Zeit schwächer.
Neurogenese: Die Neubildung von Nervenzellen im Erwachsenenalter
Lange Zeit ging man davon aus, dass im Erwachsenenalter keine neuen Neurone mehr gebildet werden können. Inzwischen ist man der Meinung, dass das sehr wohl möglich ist (adulte Neurogenese), vor allem im Hippocampus, dem zentralen Ort für die Entstehung neuer Erinnerungen. Stress soll die Neubildung behindern, während Sport sie begünstigt.
Visuelle Verarbeitung: Vom Auge zum Gehirn
Das Sehen ist mehr als nur die Übersetzung optischer Signale in Nervenimpulse. Das Gehirn analysiert die Informationen, ordnet sie Stück für Stück und begreift sie. Die visuelle Verarbeitung beginnt bereits in der Netzhaut, wo verschiedene Ganglienzell-Typen für die Verarbeitung von Farben oder Bewegungen zuständig sind.
Die Analyse des Gesehenen beginnt in der primären Sehrinde V1. In der Sehrinde und in höheren Gehirnregionen gibt es Neuronengruppen, die für die Erkennung bestimmter Muster zuständig sind, z.B. Farben, horizontale Reize oder Dreiecke. Von der primären Sehrinde gehen die Informationen über die dorsale Verarbeitungsbahn zum Scheitellappen ("Wo"-Bahn) und über die ventrale Verarbeitungsbahn zum Schläfenlappen ("Was"-Bahn). Die "Wo"-Bahn lokalisiert Dinge im Raum und Bewegungen, während sich die "Was"-Bahn auf die Objekterkennung konzentriert.
Die Sehbahn: Eine Hochgeschwindigkeitsstrecke
Die Sehnerven beider Augen überkreuzen sich am Chiasma opticum, wo etwa die Hälfte der Fasern die Seite wechselt, so dass Signale aus dem linken Auge auch in der rechten Hirnhälfte verarbeitet werden und umgekehrt. Jenseits der Kreuzung werden die Sehnerven als Sehtrakt bezeichnet. Die meisten Nervenfasern ziehen über den seitlichen Kniehöcker in den visuellen Cortex, ein kleiner Teil jedoch gibt dem Prätektum Input, etwa für die "innere Uhr" oder den Pupillenreflex.
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Die retinotope Organisation sorgt dafür, dass bestimmte Netzhautbezirke Signale nur an bestimmte Regionen des visuellen Cortex senden. So wird eine Art Landkarte des Gesehenen übermittelt, wobei die Fovea, der Ort des schärfsten Sehens, überproportional betont wird.
Visuelle Intelligenz: Selektion und Interpretation
Das menschliche Sehen ist selektiv und wählerisch. Wahrnehmung ist Reizempfang, aber kein passives Abbilden einer gegebenen Außenwelt, sondern ein selektives Reiz-"nehmen". Die Fülle der Reize wird gefiltert, und nur einige Reize, die Bedeutung haben könnten, werden ausgewählt. Aus dem diskontinuierlichen und zweidimensionalen Netzhautbild macht das Gehirn eine gegliederte dreidimensionale Umwelt mit klaren Formen und Farben.
Kommunikation mittels Eye-Gaze-Systemen
Eye-Gaze-Systeme ermöglichen schwerstgelähmten Menschen neue Kommunikationskanäle. Das System erfasst mit einer Kamera die Position der Pupille und errechnet daraus den Blickwinkel des Auges. Dieses Verfahren lässt sich zur Steuerung von Geräten oder zur Kommunikation nutzen.
Die Pupillenmethode: Kommunikation über die Pupillengröße
Ein internationales Neurophysikerteam entwickelte eine Methode, die es Patienten nach einem Hirnschlag ermöglicht, wieder mit ihrer Umwelt zu kommunizieren. Dabei wird die Pupillengröße gemessen, die sich bei geistiger Anstrengung verändert. Die Veränderung der Pupille zeigt dann die Antworten auf Ja/Nein-Fragen an.
Die Rolle der Sprache bei der visuellen Wahrnehmung
Die Sprache sortiert auch unser Sehen. Mit der Sprache potenzieren sich die Möglichkeiten, visuelle Einzelheiten aus dem sinnlichen Erleben herauszulösen und durch die Benennung im Gedächtnis als Muster zu fixieren und zur Grundlage des Denkens zu machen. Das abstrahierende, analytische Sehen macht Wahrnehmung unabhängig von ihrem emotionalen Kontext und ihren natürlichen Handlungs-Implikationen.
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