Unser Gehirn ist ein bemerkenswertes Organ, das Sinneswahrnehmungen verarbeitet, Bewegungen und Verhaltensweisen koordiniert und komplexe Informationen speichert. Es ist die Steuerzentrale für lebenswichtige Abläufe im Körper und besteht aus verschiedenen Teilen und Milliarden von vernetzten Nervenzellen. Doch wie genau funktionieren diese Prozesse und wie beeinflussen sie unser tägliches Leben?
Einführung in die Welt der neuronalen Netzwerke
Ungefähr 86 Milliarden Nervenzellen bilden ein komplexes Netzwerk in unserem Gehirn. Diese Neuronen sind über Synapsen miteinander verbunden, die darauf spezialisiert sind, Signale elektrochemisch umzuwandeln und weiterzuleiten. Diese Verbindungen sind nicht statisch, sondern verändern sich ständig als Reaktion auf unsere Erfahrungen.
Lernen und Gedächtnis: Die Grundlage unserer Erfahrungen
Beim Lernen werden individuell und selektiv erworbene Informationen aus der Umwelt im Gedächtnis in abrufbarer Form gespeichert. Dies geschieht manchmal nur kurzfristig, manchmal auf Erfahrungen aufbauend, auch über längere Zeiträume hinweg, zum Teil sogar für das ganze weitere Leben. Lernen basiert dabei auf einer spezifischen Verstärkung von bestimmten Synapsen, an denen die Signalübertragung durch biochemische und strukturelle Modifikationen erleichtert wird (Stichworte sind hier Langzeitpotenzierung und synaptische Plastizität). Plastische Synapsen verändern hierbei ihre Struktur und ihre Übertragungseigenschaften, was die Grundlage für Lern- und Gedächtnisprozesse ist. Manchmal bilden sich beim Lernen neue Synapsen oder nicht mehr gebrauchte Synpasen werden abgebaut.
Wie gut wir lernen und uns etwas merken können, ist dabei von Faktoren wie Aufmerksamkeit, Motivation und Belohnung abhängig. Dabei werden wichtige von unwichtigen Informationen getrennt. Im Gehirn gibt es keinen zentralen Ort, an dem Informationen gespeichert werden, aber der Hippocampus ist eine zentrale Schaltstelle für viele Gedächtnisinhalte.
Vielfalt der Nervenzellen und ihre Funktionen
Das Gehirn besteht aus einer großen Vielfalt an Nervenzelltypen, die unterschiedliche biologische Funktionen erfüllen. Je nach Aufgabe und Position berechnen und verarbeiten sie Signale, unterstützen und vernetzen sich mit ihren Nachbarn und ermöglichen so die vielfältigen Aufgaben und Funktionen des Gehirns. Die Zelltypen, die am Ende ganz unterschiedliche Aufgaben ausführen, entwickeln sich aus wenigen Arten von Vorläuferzellen.
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Die Ursprünge der Vielfalt: Woher "weiß" eine junge Nervenzelle, wo sie sich im Gehirn niederlassen muss, zu welchem Zelltyp sie sich entwickeln und mit welchen Nachbarn sie sich vernetzen muss? Gene, aber auch Signale aus dem Zellinneren und der Zell-Umgebung beeinflussen die individuelle Bestimmung einer Zelle. Am Ende ihrer Entwicklung wird jede Nervenzelle für die anstehenden Aufgaben gerüstet sein und sich über neuronale Netzwerke mit anderen Zellen vernetzt haben; denn ihr ganzes Potential entfalten Nervenzellen erst im Verbund mit ihren Nachbarn.
Arbeitsabläufe in den Nervenzellen
Die Funktionen von Nervenzellen werden erforscht, um die biologischen Prozesse in den Zellen und die übergreifenden Abläufe im Gehirn besser zu verstehen. Dazu werden verschiedene Methoden genutzt, entwickelt und kombiniert, wie zum Beispiel Computer-Simulationen, Optogenetik, Elektrophysiologie oder Mikroskopie. So wird versucht zu verstehen, wie Nervenzellen die eintreffenden Signale verarbeiten und welche Signale sie an benachbarte Zellen weitergeben.
Zusammenspiel von Sinnen und Motorik
Tiere sind häufig in Bewegung - auf der Suche nach Futter, Partnern oder Sicherheit. Dafür brauchen sie ein Nervensystem, das Sinneseindrücke und Verhalten gut aufeinander abstimmt. Wichtige Sinneseindrücke müssen schnell erkannt und korrekt interpretiert werden, um daraus angemessene Verhaltensbefehle für das motorische System zu entwickeln. In der einfachsten Variante reicht ein Reiz, um eine eindeutige Reaktion auszulösen. Manches Verhalten lässt sich daher bottom-up, von unten nach oben erklären, etwa manche Reflexe. Oft ist die Lage aber komplizierter. Dann beeinflussen höhere Netzwerke aufgrund von Erfahrungen, Erwartungen und multiplen sensorischen Informationen die Verarbeitung in den senso-motorischen Netzwerken - eben top-down.
Die Verarbeitung von Sinneseindrücken wird bisher als hierarchisches System betrachtet, in dem unterschiedlich spezialisierte Zellen nacheinander verschiedene Informationen aus den Eingaben der ihnen vorgeschalteten Zellen herausfiltern. Neuere Forschungen zeigen, dass Informationen aber nicht nur in eine Richtung, sondern oft in komplizierten und dynamischen Rückkopplungen zwischen Sensorik, Motorik und assoziativen „höheren“ Netzwerken laufen. Solche Rückkopplungen reichen zurück bis zu den Sinnesorganen. Durch vorherige Erfahrungen und andere interne Informationen entstehen im Nervensystem Erwartungshaltungen, die sich auf die Wahrnehmung selbst auswirken. So reagiert man zum Beispiel besonders sensibel auf unerwartete Reize, und ist damit gut gewappnet für Überraschungen.
Die Welt wahrnehmen und auf sie reagieren - das kennzeichnet alles Leben, vom schlichtesten Einzeller bis zum komplexesten Primaten. Am virtuosesten interagieren Tiere mit ihrer Umwelt, denn sie sind im Gegensatz zu vielen anderen Organismen zumindest für einen Teil ihres Lebens in reger Bewegung: auf der Suche nach Nahrung, Partnern oder Sicherheit. So ein Lebensstil setzt die Fähigkeit voraus, schnell und flexibel auf die sich ständig verändernde Außenwelt zu reagieren - Chancen bestmöglich zu nutzen und Risiken möglichst zu umschiffen. Der Schlüssel zum Erfolg, geschmiedet in mehr als 500 Millionen Jahren der Evolution, ist ein Nervensystem, in dem Sinne und Motorik geschickt zusammenspielen.
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Das Erfolgsrezept erscheint einfach: von Moment zu Moment gilt es wahrzunehmen, was wichtig ist, um dann zu tun, was richtig ist. Dafür braucht es drei Komponenten:
- ein sensorisches System, das Reize aus der Umwelt aufnimmt,
- Prozessoren, die diese Informationen verarbeiten und korrekte Verhaltensempfehlungen berechnen und
- Einigen tierischen Verhaltensmustern kann man sich mit einem solchen schlichten Schema nähern. Schaltkreise mit klaren Bahnen, die von unten nach oben, von einem sensorischen Reiz zur Verarbeitung und dann weiter zur motorischen Reaktion verlaufen, gibt es beispielsweise bei Reflexen, mit denen ein Tier schnell und unwillkürlich in immer gleicher Weise auf bestimmte äußere Reize reagiert.
Mit derart starren Verhaltensmustern lässt sich aber längst nicht alles erreichen, was in einer wandelbaren Welt notwendig oder wünschenswert wäre. Das gilt erst recht, wenn es um komplexeres Verhalten geht, das viele Faktoren berücksichtigen muss und vielleicht sogar längerfristiger geplant wird. Wie ein Nervensystem solche Aufgaben löst und dabei die richtige Balance zwischen Reizwahrnehmung und Reaktionswahl findet, lässt sich besser top-down betrachten - also von oben nach unten. Denn Planung bezieht auch Erfahrungen mit ein und Erfahrung führt zu Erwartung. Höherliegende Schaltkreise beeinflussen entsprechend die Verarbeitung bestimmter Reize durch vorgeschaltete Netzwerke, indem sie wie ein Filter wirken. Eine solche Verschaltung ermöglicht ein deutlich komplexeres Verhalten.
Die Realität liegt meist irgendwo zwischen beiden Extremen. Die Nervenbahnen von Sensorik und Motorik funken selten nur einspurig. Stattdessen gilt es schon für scheinbar schlichtes Verhalten, oft Informationen aus mehreren Quellen zu verrechnen und das Ergebnis dann wiederum an mehrere Empfängerregionen im Körper zurückzuspielen. Diese Integrations- und Verteilungsleistungen laufen auf unterschiedlichen Ebenen ab. Anfangs registrieren Sinneszellen bestimmte Reize ▸ Sinne mit Sinn. Die mit ihnen verknüpften Neurone und Netzwerke funktionieren dann wie eine Reihe von Filtern, die auf unterschiedliche Aspekte der Sinneseindrücke reagieren. Die extrahierten Informationen geben sie jeweils an die nächste Ebene zur Verrechnung weiter: Sie werden weiter gefiltert, und mit den Informationen aus anderen Sinnesorganen oder zentralen neuronalen Netzwerken integriert.
Sensorik und Motorik interagieren dabei nicht nur mehrspurig, sondern auch in beide Richtungen: Sie funken in einem regen Gegenverkehr vielfältige Rückmeldungen hin und her. Schon einfach gestrickte Nervensysteme können so Sinneseindrücke und Verhaltensbefehle virtuos aufeinander abstimmen.
Das Gehirn als Kommunikationssystem
Wie vielfältig und komplex sich die Interaktion von Sensorik und Motorik ▸ Was Nerven verbindet jedoch tatsächlich gestaltet, um Verhalten optimal an die Umwelt anzupassen, wird erst neuerdings richtig deutlich. „Nervensysteme funktionieren nicht nur als externe sondern auch als interne Kommunikationssysteme“, sagt Grothe: „Auf der Suche nach Regeln für die Informationsverarbeitung von Ebene zu Ebene haben wir zu oft nur in die eine Richtung geschaut und dann festgestellt, dass das nur die halbe Wahrheit ist.“
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Auf Grundlage solcher Erkenntnisse sind Konzepte wie predictive coding und active sensing entstanden, nach denen Sinneseindrücke im Cortex mit Erfahrungen, Erwartungen und Handlungsdispositionen integriert werden, die wiederum zu bestimmten Erwartungshaltungen führen. Diese schärfen das Sinnessystem besonders für Reize, die diesen Erwartungen gerade nicht entsprechen. Solche Überraschungen werden nun bevorzugt registriert und lösen Alarm aus. Die Vorteile eines derartigen Feintunings liegen auf der Hand: Wer im Alltagstrott feine Antennen für unerwartete Gefahren - oder Chancen - bewahrt, sichert sich so vielleicht den entscheidenden Überlebensvorteil.
Die fünf klassischen Sinne
Die Sinnesorgane sind spezialisierte Organe, die unserem Körper helfen, Reize aus der Umwelt - wie Licht, Geräusche, Gerüche, Geschmack oder Berührung - wahrzunehmen. Typische Beispiele sind Auge, Ohr, Nase, Zunge und Haut. Jedes Sinnesorgan enthält besondere Sinneszellen (Rezeptoren), die bestimmte Reize aufnehmen und in elektrische Signale für unser Nervensystem umwandeln.
Das Auge
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. Die drei Zapfentypen in der Retina reagieren auf unterschiedliche Wellenlängen und ermöglichen so das Erkennen von Farben.
Das Ohr
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.
Die Haut
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
Die Nasenschleimhaut beherbergt Millionen von Riechzellen, die Geruchsmoleküle erkennen. Jede Riechzelle (Rezeptor) spricht auf andere Duftstoffe an, was eine riesige Duftvielfalt erklärt.
Die Zunge
Der Geschmackssinn ermöglicht die Wahrnehmung von süß, sauer, salzig, bitter und umami. Die Zunge trägt Papillen, in denen jeweils Hunderte von Geschmacksknospen stecken.
Transduktion: Die Umwandlung von Reizen
Der Begriff „Transduktion“ bezeichnet die Umwandlung eines Reizes (z. B. Licht, Schall, Molekül) in ein elektrochemisches Signal durch Sinneszellen. Licht trifft auf ein Photopigment in den Fotorezeptoren, das eine Kettenreaktion in Gang setzt. Im Gehirn wird diese Information analysiert, vervollständigt und interpretiert.
Das Gehirn als "Vorhersagemaschine"
Auch damit wir uns nahtlos durch die Welt bewegen und sie als zusammenhängende Einheit erleben können, muss unser Gehirn permanent abschätzen, was im nächsten Augenblick geschieht. Unser Denkorgan ist also eine „Vorhersagemaschine“: Was wir wahrnehmen, liegt sozusagen in der Zukunft.
Aufbau des Gehirns
Das menschliche Gehirn lässt sich grob in fünf Abschnitte gliedern:
- Großhirn (Telencephalon)
- Zwischenhirn (Diencephalon)
- Mittelhirn (Mesencephalon)
- Kleinhirn (Cerebellum)
- Nachhirn (Myelencephalon, Medulla oblongata)
Die verschiedenen Anteile der Großhirnrinde übernehmen ganz unterschiedliche Funktionen.
Großhirn (Telencephalon)
Das Großhirn ist der größte und schwerste Teil des Gehirns und ähnelt mit seinen Falten und Furchen einem Walnusskern. Es ermöglicht die sogenannten „höheren“ Hirnfunktionen, wie Motivation, Lernen, Denken oder Verstehen. Die Großhirn-Rinde bedeckt die gesamte Oberfläche des Großhirns. Sie ist etwa 1,5 bis 4,5 Millimeter dick und enthält fast drei Viertel aller Nervenzellen des Gehirns. Hier gehen wichtige Sinneseindrücke ein. Sie werden sortiert, bewusst gemacht, gespeichert und sinnvoll miteinander verknüpft. Dadurch ist es dem Menschen möglich, zielgerichtet zu handeln. In der Großhirn-Rinde sitzen auch die Wahrnehmung und der Wille. Auch wesentliche Teile unseres Gedächtnisses liegen in der Großhirn-Rinde. Denken und Erinnern sind hier verankert, willentliche Bewegungen werden gesteuert. Die Großhirn-Rinde ist in verschiedene Unterbereiche, sogenannte Gehirn-Lappen, gegliedert. Sie werden entsprechend ihrer Lage Stirn-Lappen, Schläfen-Lappen, Scheitel-Lappen und Hinterkopf-Lappen genannt. In ihnen haben Nervenzellen mit ganz bestimmten Aufgaben ihren Sitz.
Zwischenhirn (Diencephalon)
Das Zwischenhirn besteht unter anderem aus dem Thalamus und dem Hypothalamus. Der Thalamus ist die wichtigste Schaltstation für Informationen aus den Sinnesorganen. Äußere Sinneseindrücke wie Sehen, Hören oder Tasten gehen hier ein. Hier werden sie verarbeitet und bewertet - jedoch, ohne dass sie uns bereits bewusst sind. Wichtige Informationen werden an das Großhirn weitergeleitet und dort bewusst gemacht. Der Thalamus ist also ein wichtiger Informationsfilter. Er sorgt dafür, dass das Großhirn und das Bewusstsein nicht von Signalen überflutet werden. Der Hypothalamus regelt zahlreiche automatische Vorgänge im Körper. Dazu gehören die Körpertemperatur, Wasser- und Salz-Haushalt oder auch die Magen-Darm-Funktion. Er ist auch am Entstehen des Durst-, Hunger- und Sättigungs-Gefühls beteiligt. Gemeinsam mit der Hirn-Anhang-Drüse (Hypophyse) reguliert der Hypothalamus wichtige Hormone im Körper. Im Zusammenspiel mit anderen Gehirn-Bereichen ist der Hypothalamus auch für Gefühle zuständig, wie z. B.
Hirnstamm
Der Hirnstamm ist der stammesgeschichtlich älteste Teil des Gehirns und besteht aus Mittelhirn, Medulla oblongata und Brücke (Pons). Durch den Hirnstamm verlaufen wichtige Nerven-Bahnen. Sie sorgen dafür, dass eingehende Sinneseindrücke aus dem Körper an das Großhirn weitergeleitet werden. Umgekehrt leiten sie auch Informationen vom Großhirn zu den Nervenzellen des Rückenmarks. Außerdem regelt der Hirnstamm lebenswichtige Systeme wie Herzschlag, Atmung und Blutdruck. Auch wichtige Körperreflexe haben hier ihren Sitz.
Kleinhirn (Cerebellum)
Oberhalb des Hirnstamms und unterhalb der beiden Großhirnhemisphären sitzt das Kleinhirn. Es ist wichtig für das Gleichgewicht und die Koordination. Gemeinsam mit dem Großhirn steuert es die Muskeln und somit die Bewegungen. Außerdem sorgt es ganz wesentlich mit dafür, dass die Muskel-Spannung des Körpers erhalten bleibt. Während das Großhirn vorrangig für bewusste Bewegungen zuständig ist, steuert das Kleinhirn bereits gelernte Bewegungsabläufe. Hier werden bestimmte Bewegungsabfolgen wie Tanzschritte oder das Schalten beim Autofahren gespeichert.
Hirnnerven
Dem Gehirn entspringen zwölf paarige Nerven, die den Kopf, den Hals und Organe im Rumpf versorgen. Diese Menge kann bis zum 50. Lebensjahr geringfügig schwanken, nimmt aber danach ab (zusammen mit dem Sauerstoff- und Glukoseverbrauch). Zwischen 15 und 20 Prozent des Herzminutenvolumens entfällt auf die Blutversorgung des Gehirns.
Die zwölf Hirnnerven bestehen alle aus unterschiedlichen Nervenbündeln und haben spezielle Aufgaben:
- Nervus olfactorius (Riechnerv): Überträgt Gerüche von der Nase zum Gehirn.
- Nervus opticus (Sehnerv): Leitet visuelle Informationen von der Netzhaut zum Gehirn.
- Nervus oculomotorius (Augenbewegungsnerv): Steuert die meisten Augenmuskeln.
- Nervus trochlearis (Augenrollnerv): Steuert einen einzelnen Augenmuskel.
- Nervus trigeminus (Drillingsnerv): Versorgt das Gesicht sensibel und steuert die Kaumuskulatur.
- Nervus abducens (Abziehnerv): Steuert einen Augenmuskel, der das Auge nach außen bewegt.
- Nervus facialis (Gesichtsnerv): Steuert die Gesichtsmuskulatur, den Geschmackssinn im vorderen Zungenbereich und die Tränen- und Speichelproduktion.
- Nervus vestibulocochlearis (Hörnerv): Überträgt Informationen über Hören und Gleichgewicht vom Innenohr zum Gehirn.
- Nervus glossopharyngeus (Zungen-Rachen-Nerv): Versorgt den Rachen sensibel und steuert den Geschmackssinn im hinteren Zungenbereich.
- Nervus vagus (umherschweifender Nerv): Versorgt viele Organe im Körper und steuert unter anderem die Herzfrequenz, die Atmung und die Verdauung.
- Nervus accessorius (Beinerv): Steuert Muskeln im Hals und Schulterbereich.
- Nervus hypoglossus (Unterzungennerv): Steuert die Zungenmuskulatur.