Das menschliche Gehirn, das komplexeste Organ, das die Natur hervorgebracht hat, fasziniert die Wissenschaft seit langem. Mit seinen etwa 86 Milliarden Nervenzellen und einer noch größeren Anzahl an Kontaktpunkten, den Synapsen, übertrifft es selbst die leistungsfähigsten Supercomputer in seinen Fähigkeiten. Eine der bemerkenswertesten Eigenschaften ist seine Lernfähigkeit, die die Frage aufwirft, wie eine solche Ansammlung von Nervenzellen überhaupt lernen kann.
Die Plastizität des Gehirns: Ein Leben lang lernfähig
Bis vor einigen Jahren herrschte in der Wissenschaft die Ansicht vor, dass sich das Gehirn eines Erwachsenen nicht mehr verändert. Diese Vorstellung hat sich jedoch grundlegend gewandelt. Heute wissen wir, dass das Gehirn bis ins hohe Alter ständig umgebaut wird. Einige Neurobiologen vergleichen es sogar mit einem Muskel, der durch Training gestärkt werden kann. Diese lebenslange Lernfähigkeit ist unbestritten und ermöglicht es uns, uns an die vielfältigen Herausforderungen anzupassen, denen wir im Laufe unseres Lebens begegnen. Wir können im hohen Alter noch Fremdsprachen lernen, Yoga praktizieren, uns neue Gesichter und Stimmen merken oder uns in einer unbekannten Stadt zurechtfinden.
Synaptische Plastizität: Die Grundlage des Lernens
Lernen findet an den Synapsen statt, den Kontaktstellen zwischen Nervenzellen, an denen elektrische Signale übertragen werden. Neurowissenschaftler haben entdeckt, dass Synapsen die Effektivität der Signalübertragung 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, sondern auch komplett neu ermöglicht oder gekappt werden. So können Synapsen selbst im erwachsenen Gehirn noch neu gebildet oder abgebaut werden. An wenigen Stellen, wie zum Beispiel im Riechsystem, können sogar zeitlebens neue Nervenzellen entstehen.
Die Stärke, mit der Signale zwischen Nervenzellen übertragen werden, wird also ständig angepasst. Vereinfacht ausgedrückt, wird die Signalübertragung verstärkt, wenn das Gehirn etwas speichert, und abgeschwächt, wenn es etwas vergisst. Ohne diese Plastizität würde dem Gehirn seine grundlegende Lernfähigkeit fehlen.
Trainingseffekt: Je mehr, desto besser
Wie beim Sport gilt auch beim Lernen: Je mehr eine bestimmte Fähigkeit gefordert wird, desto effektiver wird sie ausgeführt. Taxifahrer beispielsweise, die sich täglich orientieren und Routen merken müssen, entwickeln ein besonders gutes Ortsgedächtnis. Dies hinterlässt Spuren im Gehirn, insbesondere im Hippocampus, einer für das Ortsgedächtnis zentralen Region. Studien haben gezeigt, dass der Hippocampus bei Londoner Taxifahrern im Laufe der Jahre größer wird, was darauf hindeutet, dass ein trainiertes Orientierungsvermögen mehr Raum benötigt.
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Reparaturmechanismen: Das Gehirn als Baustelle
Die Plastizität des Gehirns ermöglicht es 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 teilweise kompensieren kann.
Die Verschaltung des Gehirns: Ein komplexes Netzwerk
Das menschliche Gehirn lässt sich nach verschiedenen Kriterien untergliedern. Entwicklungsgeschichtlich besteht es wie das aller Wirbeltiere aus dem End-, Zwischen-, Mittel-, Hinter- und Markhirn. Besonders auffällig ist die Großhirnrinde (Kortex), die im Laufe der Evolution so stark gewachsen ist, dass sie fast das gesamte Gehirn umgibt. Die Großhirnrinde ist der Sitz vieler höherer geistiger Fähigkeiten, wobei einzelne Bereiche unterschiedliche Aufgaben haben. 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.
Magnetresonanztomografie (MRT): Blick in das Netzwerk
Wissenschaftler untersuchen die Verbindungen zwischen verschiedenen Gehirnbereichen mithilfe der Magnetresonanztomografie (MRT). Mit dieser Technik können sie die zu Fasersträngen gebündelten Fortsätze von Nervenzellen sichtbar machen, die die Areale der Großhirnrinde miteinander verbinden. So haben Sprachforscher beispielsweise den Fasciculus Articuatus entdeckt, eine für das Sprachvermögen zentrale Gehirnregion. Ohne dieses Nervenfaserbündel können Kleinkinder keine komplexen Sätze bilden und verstehen.
Mit der funktionellen Magnetresonanztomografie können Wissenschaftler zwischen aktiven und nicht aktiven Gehirnregionen unterscheiden und so viel über den Aufbau und die Funktionsweise des Gehirns lernen. Max-Planck-Forscher aus Leipzig haben beispielsweise herausgefunden, warum bei Menschen, die stottern, ein Ungleichgewicht zwischen der Hirnaktivität von linker und rechter Großhirnhälfte auftritt.
Das Konnektom: Die Entschlüsselung des Schaltplans
Einen exakten Schaltplan des Gehirns lässt sich mit der MRT-Technik jedoch nicht erstellen, da die Genauigkeit der Methode nicht ausreicht. Schließlich sitzen bis zu 10.000 Synapsen auf einer Nervenzelle, insgesamt 100 Billionen. Dies zeigt, wie dicht das Kommunikationsnetz im Gehirn ist. Wissenschaftler entwickeln deshalb neue Methoden, mit denen sie das Konnektom entschlüsseln können. Als Modellfälle dienen ihnen dafür Mäuse, Zebrafische und sogar Wirbellose wie Fruchtfliegen und Fadenwürmer. Anhand solcher Schaltpläne wollen Wissenschaftler lernen, wie das Gehirn funktioniert.
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Die Kapazität des Gehirns: Ein unendliches Potential?
Die Frage nach der Kapazität des menschlichen Gehirns ist komplex und noch nicht abschließend beantwortet. Im Science-Fiction-Film "Lucy" wird die Vorstellung einer nahezu unbegrenzten Gehirnkapazität thematisiert. Doch wie viel Potential steckt wirklich in unserem Gehirn?
Neuronale Ressourcen der Kognition: Forschung in Magdeburg
Wissenschaftler am Standort Magdeburg im Sonderforschungsbereich SFB 1436 „Neuronale Ressourcen der Kognition“ forschen intensiv an dieser Frage. Sie wollen herausfinden, welches Potenzial das menschliche Gehirn hat und welche neurobiologischen Prinzipien uns daran hindern, die kognitiven Fähigkeiten zu erweitern bzw. voll auszuschöpfen. Ihr Forschungsfeld sind die Milliarden von Verbindungen im Gehirn, die Synapsen, die uns Menschen zu dem machen, was wir sind. Am Ende wollen die Wissenschaftler verschiedene überprüfbare Theorien zur Leistungsgrenze des menschlichen Gehirns entwickelt und Methoden zur Leistungssteigerung beschrieben haben.
Hochleistungsgeräte: Einblicke in die Architektur des Gehirns
Eine entscheidende Rolle spielen dabei auch leistungsstarke Hochleistungsmagnetresonanztomographen (MRT), wie das 7-Tesla-MRT und das weltweit erste 7-Tesla-Konnektom-MRT. Damit kann die innerste Architektur des Gehirns und dessen Plastizität beim Menschen mit nie dagewesener Auflösung erfasst werden. Darüber hinaus erlaubt hochauflösende Mikroskopie Einblicke in die Nanowelt von Synapsen und ein Forschungszyklotron mit einem Positronen-Emissionstomographen (PET) die Darstellung molekularer Prozesse im menschlichen Gehirn.
Die 10%-Mythos: Eine falsche Vorstellung
Eine weit verbreitete Theorie besagt, dass wir nur einen kleinen Teil unserer Möglichkeiten nutzen: Ein menschliches Gehirn soll gerade einmal 10% seiner Kapazitäten ausschöpfen. Es gibt jedoch keine wissenschaftlichen Studien, die diese Information belegt haben. Dieser Mythos ist falsch. Abgesehen vom Denken ist das Gehirn auch für die Steuerung von lebenswichtigen, aber unbewussten Körperfunktionen zuständig. Jede Schädigung des Gehirns führt in der Regel zu einer Einschränkung, was darauf hindeutet, dass alle Bereiche des Gehirns genutzt werden.
Die Speicherkapazität: Eine Schätzung
Noch vor ein paar Jahren, als die PCs noch schwach waren, schätzte man die Speicherkapazität des menschlichen Gehirns auf 20 MB bis maximal 100 MB ein. Heute wird die Kapazität bis zu 1 Petabyte geschätzt, was 1.000.000 Gigabyte entspricht. In Wirklichkeit kann es niemand genau sagen. Das Problem ist, dass wir noch gar nicht wissen, wie Informationen im Gehirn genau gespeichert werden. Bislang existieren nur Theorien.
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Mythen und Fakten über das Gehirn
Rund um das menschliche Gehirn ranken sich einige Irrtümer. Hier einige Fakten im Überblick:
- Nutzen wir nur 10 Prozent unseres Gehirns? Falsch! Wir nutzen unser ganzes Gehirn.
- Sind Kopfschmerzen Gehirnschmerzen? Nein! Es schmerzen die Blutgefäße der Hirnhaut.
- Können wir nur begrenzt Informationen speichern? Nein! Unser Langzeitgedächtnis kann unbegrenzt Informationen aufnehmen.
- Erinnerungen trügen nicht? Doch! Erinnerungen werden meist verschönert und bei jedem Abruf etwas variiert.
- Lässt sich unser Gehirn dopen? Nein! Hirndoping-Medikamente wirken bei Gesunden unberechenbar.
- Kann das Hirn Hunger haben? Und wie! Das Gehirn verbraucht etwa ein Fünftel von dem, was wir essen und einatmen.
- Helfen Kreuzworträtsel und Sudokus, geistig fit zu bleiben? Kaum! Denkarbeit sollte anstrengen und Routinen sprengen.
- Senkt die richtige Ernährung das Risiko für Demenz? Ja! Eine ausgewogene Ernährung ist enorm wichtig fürs Gehirn.
- Wird die Alzheimer-Demenz vererbt? Keineswegs! Nur etwa ein Prozent aller Alzheimer-Fälle ist eindeutig erblich bedingt.