Einführung
Das menschliche Gehirn ist ein komplexes Organ, das uns ermöglicht, die Welt um uns herum wahrzunehmen, zu lernen und uns an verschiedene Situationen anzupassen. Diese Fähigkeiten beruhen auf der Vernetzung von Milliarden von Nervenzellen, auch Neuronen genannt, die in komplexen neuronalen Netzwerken organisiert sind. Diese Netzwerke sind nicht statisch, sondern verändern sich ständig im Laufe des Lebens durch Erfahrungen und Wahrnehmung. Dieser Artikel beleuchtet die Funktionsweise dieser neuronalen Netzwerke, wie sie durch Erfahrungen beeinflusst werden und welche Rolle sie bei unserer Wahrnehmung spielen.
Nervenzellen: Die Grundbausteine des Gehirns
Die Hauptakteure im Gehirn sind die Nervenzellen, auch Neuronen genannt. Ein Neuron besteht aus einem Zellkörper (Soma), der für die Energieversorgung zuständig ist, sowie aus Dendriten und einem Axon.
- Dendriten: Sie empfangen Informationen von anderen Neuronen und werden auch als "Ohren" des Neurons bezeichnet. Aufgrund ihrer Verzweigung spricht man auch vom Dendritenbaum.
- Axon: Es leitet die Information des Neurons an andere Neuronen weiter und wird als "Mund" des Neurons bezeichnet. Das Axon entspringt am Axonhügel des Zellkörpers.
Synapsen: Die Verbindungsstellen zwischen Neuronen
Die Stelle, an der das Axon eines Neurons auf die Dendriten eines anderen Neurons trifft, wird als Synapse bezeichnet. Hier findet die Übertragung von Signalen statt. Eine Synapse besteht aus:
- Synaptischer Spalt: Die Lücke zwischen dem Axon des einen Neurons und einem Dendriten des anderen Neurons.
- Präsynapse: Der Teil vor dem synaptischen Spalt, meist das Axon des sendenden Neurons. Hier befinden sich Bläschen mit Botenstoffen (Neurotransmittern).
- Postsynapse: Liegt hinter dem synaptischen Spalt, meist ein Dendrit der empfangenden Nervenzelle.
Ein bekanntes Beispiel für eine einfache Kommunikation über eine einzige Synapse ist der Kniesehnenreflex, ein "monosynaptischer Reflex".
Die Kommunikation zwischen Nervenzellen
Die Kommunikation zwischen Nervenzellen erfolgt in mehreren Schritten:
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- Ausschüttung von Neurotransmittern: Nervenzelle 1 schüttet Botenstoffe (Neurotransmitter) wie Dopamin, Serotonin oder Acetylcholin in den synaptischen Spalt aus.
- Bindung an die postsynaptische Membran: Die Neurotransmitter binden an die postsynaptische Membran des Dendriten von Nervenzelle 2.
- Öffnung von Ionenkanälen: Die Bindung führt zur Öffnung von Kanälen in der postsynaptischen Membran, durch die geladene Teilchen (Ionen) wie Kalium, Natrium oder Chlorid in die Dendriten gelangen.
- Spannungsänderung: Die Ionen verändern die Spannung der postsynaptischen Membran, wodurch diese entweder positiver oder negativer geladen wird.
- Weiterleitung zum Axonhügel: Die Spannungsänderung fließt über den Dendriten zum Axonhügel.
- Aktionspotential: Wenn am Axonhügel ein bestimmter Schwellenwert erreicht wird, wird ein Aktionspotential ausgelöst. Dabei gilt das "Alles-oder-nichts-Prinzip": Entweder wird der Schwellenwert erreicht und ein Aktionspotential ausgelöst, oder es passiert nichts.
- Ausbreitung des Aktionspotentials: Das Aktionspotential breitet sich entlang des Axons bis zur Präsynapse aus. Das Axon ist von Myelinscheiden umhüllt, die eine Art Isolierung bieten. An den Ranvierschen Schnürringen, den Unterbrechungen der Isolierung, "springt" das Aktionspotential entlang des Axons.
- Calciumeinstrom und Freisetzung von Neurotransmittern: An der Präsynapse öffnen sich spannungsgesteuerte Calciumkanäle, wodurch Calcium-Teilchen in die Präsynapse einströmen. Dies führt dazu, dass die Bläschen mit den Neurotransmittern in den synaptischen Spalt freigesetzt werden.
- Neuer Zyklus: Die Neurotransmitter binden wieder an die Rezeptoren des nächsten Dendriten, Kanäle öffnen sich und das Spiel beginnt von vorn.
Nach einiger Zeit lösen sich die Neurotransmitter wieder von den Rezeptoren und werden entweder von der Präsynapse wieder aufgenommen oder von Enzymen abgebaut.
Elektrische Synapsen als Alternative
Neben den chemischen Synapsen gibt es auch elektrische Synapsen. Diese funktionieren schneller, da keine Umwandlung von elektrischen in chemische Signale erforderlich ist. Allerdings ist hierfür ein sehr kleiner synaptischer Spalt notwendig, damit die elektrische Erregung "springen" kann.
Neuronale Netze und neuronale Plastizität
Ein neuronales Netz ist eine Gruppe von Neuronen, die miteinander kommunizieren und eine bestimmte Funktion ausüben. Jedes Neuron kann Informationen an beliebig viele andere Neuronen weitergeben und gleichzeitig Signale von beliebig vielen anderen Neuronen empfangen. Die Schnittstellen sind immer die Synapsen.
Diese neuronalen Netze sind nicht statisch, sondern verändern sich im Laufe des Lebens ständig. Diese Veränderbarkeit wird als neuronale Plastizität bezeichnet. Dabei werden neue Verbindungen zwischen Synapsen geschaffen (z.B. beim Lernen) und bestehende Verbindungen gekappt.
Langzeitpotenzierung
Wenn eine Synapse sehr häufig benutzt wird, verändert sich ihre Struktur. Zum Beispiel werden mehr Rezeptoren an der postsynaptischen Membran eingebaut oder die Menge an ausgeschütteten Botenstoffen erhöht sich. Dadurch verbessert sich die synaptische Übertragung. Diesen Mechanismus bezeichnet man als Langzeitpotenzierung. Sie ist vermutlich die Grundlage dafür, dass wir Dinge erlernen oder langfristig im Gedächtnis abspeichern können, wenn wir sie in regelmäßigen Abständen wiederholen. Umgekehrt werden nicht genutzte Verbindungen mit der Zeit immer schwächer.
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Adulte Neurogenese
Durch die neuronale Plastizität werden nicht nur neue Verbindungen zwischen bestehenden Neuronen geschaffen und verstärkt, sondern auch komplett neu gebildete Neuronen an das bestehende Netz angeschlossen. 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 und auch regelmäßig passiert. Dieses Phänomen nennt man "adulte Neurogenese". Vor allem im Hippocampus, dem zentralen Ort für die Entstehung neuer Erinnerungen, kommt es wohl zur regelmäßigen Neubildung von Nervenzellen. Stress soll die Neubildung eher behindern, während Sport sie begünstigt.
Die Rolle der Wahrnehmung bei der Vernetzung von Nervenzellen
Damit wir aktuelle Sinneseindrücke mit unserem Wissen und unseren Erinnerungen kombinieren können, laufen in unserem Gehirn Informationen aus verschiedenen Arealen zusammen. Die neuronalen Schaltkreise koordinieren die eingehenden Informationen und gehen immer wieder neue Verbindungen ein.
Hirnwellen und Neurogliaformzellen
Wenn unser Gehirn Informationen verarbeitet, vernetzen sich verschiedene Hirnareale. Dabei geben die beteiligten Nervenzellen ihre elektrischen Signale in einer bestimmten Frequenz weiter und schaffen so einen gemeinsamen Rhythmus. Die bewusste Wahrnehmung wird mit Hirnwellen schneller Frequenz in Verbindung gebracht, den sogenannten Gammawellen.
Forscher haben herausgefunden, dass Neurogliaformzellen im CA1-Bereich des Hippocampus eine wichtige Rolle bei der Regulation der Informationsflüsse spielen. Sie fungieren als eine Art "Ampel" im Informationsverkehr und ermöglichen es dem Gehirn, zwischen verschiedenen Eingangskanälen umzuschalten. Dieser Mechanismus ermöglicht es uns, Sinneswahrnehmungen mit Erinnerungen zu verknüpfen und sie zugleich unterscheiden zu können.
Selektive Wahrnehmung und Gehirnwellen im präfrontalen Cortex
Wahrnehmung ist immer selektiv: Das Gehirn entscheidet ständig, welche Informationen wichtig genug sind, um ins Bewusstsein vorgelassen zu werden. Ein internationales Forschungsteam hat charakteristische Muster von Gehirnwellen im präfrontalen Cortex gefunden, die mit Änderungen in der subjektiven Wahrnehmung einhergehen. Diese Gehirnwellen, insbesondere im Bereich von niedrigfrequenten und Betawellen, scheinen eine wichtige Rolle bei der Steuerung des Zugangs von Sinnesinformationen zum Bewusstsein zu spielen.
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Hemmende Nervenzellen und die Unterdrückung von Impulsen
Berner Forscher haben herausgefunden, dass Nervenzellen auch als "Unterdrücker" von bestimmten Impulsen fungieren können. Diese hemmenden Nervenzellen schütten eine chemische Substanz aus (GABA), welche über spezifische Rezeptoren den Kalziumeinstrom in die Pyramidenzellen verhindert. Die "Top-down-Information" wird somit vollständig unterdrückt. Diese Hemmungsmechanismen ermöglichen eine gerichtete Aufmerksamkeit sowie die Einbindung von Sinneseindrücken zu einer einheitlichen Wahrnehmung. Ohne diese Mechanismen wären alle sensorischen Hirnrindenareale maximal erregt, was eine bewusste und differenzierte Wahrnehmung unserer Umwelt unmöglich machen würde.
Die Rolle von Dopamin bei der sinnlichen Wahrnehmung
Neurone, die Dopamin produzieren, beeinflussen die sinnliche Wahrnehmung und erlauben so, das Verhalten flexibel an aktuelle Situationen anzupassen. Dopamin wird in verschiedenen Hirnregionen an den Synapsen verstärkt ausgeschüttet, wenn ein Organismus hungrig ist oder etwas Verlockendes riecht.
Lernen und die Bildung neuer Synapsen
Das Gehirn verändert sich ständig, wenn wir lernen. Es bilden sich neue Verbindungen unter den Nervenzellen, das neuronale Netz wird dichter und größer. Beim Lernen wachsen auf Nervenzellen winzige Fortsätze, die sich zu pilzartigen Strukturen ausbilden, um einen synaptischen Kontakt herzustellen. Auf der vorgeschalteten Seite des Neurons bilden sich axonale Endknöpfchen, auf der gegenüberliegenden Empfängerseite entstehen dendritische Dornen. Das Zusammenspiel beider Fortsätze ermöglicht den Informationsaustausch zwischen verschiedenen Nervenzellen. Dabei gilt die Lernregel: Neurone, die gemeinsam feuern, verdrahten sich untereinander.
Die Bedeutung von RNA-Transport zu den Synapsen
Beim Lernen wird ein Teil der RNA, der Abschrift der DNA, nicht nur im Zellkörper, sondern auch vor Ort an den Dendriten in neue Proteine übersetzt. Zu diesem Zweck muss die Abschrift zielgerichtet zu den Synapsen transportiert werden. Bestimmte Erkennungssequenzen in der RNA dienen als eine Art Briefmarke für den Transport und sorgen dafür, dass die Abschrift an die richtigen Stellen der Zelle gelangt.
Die Veränderung der Hirnaktivität beim Lernen
Wissenschaftler haben herausgefunden, dass beim Lernen nicht das visuelle Verarbeiten von immer mehr Details entscheidend ist, sondern die Fähigkeit, Feinheiten immer besser zu unterscheiden. Während die Aktivität im Sehzentrum während des Lernvorgangs gleich bleibt, wird eine Region im Präfrontalen Kortex, die bei der Interpretation von Reizen eine wichtige Rolle spielt, stetig aktiver.
Die Anpassungsfähigkeit des Nervensystems
Das Nervensystem ist ein Wandlungskünstler. Um neue Verdrahtungen live mitzuerleben, setzen Forscher auf die Zwei-Photonen-Mikroskopie. Sie erlaubt es, auch sehr feine Strukturen im intakten Nervensystem zu untersuchen. Die synaptische Plastizität sorgt dafür, dass unabhängig vom Bewegungsmuster jeweils funktionell korrekte Augenbewegungen ausgelöst werden.
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