Die moderne Gehirnforschung begann mit der Phrenologie, als Franz Joseph Gall Zusammenhänge zwischen Arealen des Gehirns und kognitiven Funktionen herstellte.
Zum Thema ‘Gehirnforschung’
Schleifen im episodischen Gedächtnis
Bekanntlich ist das menschliche Gedächtnis einerseits sehr präzise, d. h., es kann ähnliche Ereignisse trennen, andererseits ist es integrativ, d. h., es kann sich an Gemeinsamkeiten zwischen ähnlichen Ereignissen erinnern. Jüngste Befunde (Koster et al., 2018) stellen nun die damit verbundene Hypothese in Frage, dass der Hippocampus auf das episodische Gedächtnis spezialisiert ist, indem man zeigen konnte, dass er auch die Integration von Informationen über ältere Erfahrungen hinweg unterstützt, sodass das das menschliche Gedächtnis gleichzeitig detailgetreu und integrativ sein kann. Der neue Ansatz geht nun davon aus, dass diese beiden gegensätzlichen Funktionen durch Schleifen erreicht werden.
Ultrahochauflösende fMRI-Daten unterstützen diese Annahme, da sie zeigen, dass gewonnenen Informationen als neuer Input auf dem oberflächlichen entorhinalen Cortex präsentiert werden, wobei diese funktionelle Konnektivität zwischen der tiefen und oberflächlichen entorhinalen Schicht gesteuert wird. Darüber hinaus korrelierte die Größe dieser Konnektivität mit der inferenzmäßigen Leistung, was ihre Bedeutung für das Verhalten unterstreicht. Offenbar speichert das Gedächtnis ähnliche Ereignisse zwar erst getrennt ab, speist aber diese getrennten Erinnerungen wieder ins Gedächtnis zurück, damit diese in einem zweiten Schritt miteinander verknüpft werden können.
Diese Ergebnisse bieten eine neue Perspektive auf die Informationsverarbeitung innerhalb des Hippocampus und unterstützen einen einheitlichen Rahmen, in dem der Hippocampus die Struktur höherer Ordnung über Erfahrungen hinweg erfasst, indem er einen dynamischen Gedächtnisspeicher aus getrennten episodischen Codes für individuelle Erfahrungen schafft.
Literatur
Raphael Koster, Martin J. Chadwick, Yi Chen, David Berron, Andrea Banino, Emrah Düzel, Demis Hassabis & Dharshan Kumaran (2018). Big-Loop Recurrence within the Hippocampal System Supports Integration of Information across Episodes, Neuron, 99, 1342–1354.
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Das Gehirn und die Zahl Null
Das verarbeiten der Zahl Null ist für das menschliche Gehirn bekanntlich eine alles andere als triviale Leistung, denn eine leere Menge, ein Nichts, muss dabei als Teil der mentalen Zahlenreihe erkannt und korrekt eingeordnet werden. Schon die Vorfahren beherrschten das Zählen und schufen sich Zahlensysteme, um Mengen anzugeben, wobei sich im Gehirn sogar eigene Areale für die Verarbeitung von Zahlengrößen entwickelt haben. In der Menschheitsgeschichte hat es lange gedauert, bis die Null als Zahl erkannt und genutzt wurde, und auch Kinder verstehen erst lange nachdem sie Zählen gelernt haben, dass auch die Null als Zahl zu betrachten ist.
Ramirez-Cardenas et al. (2016) haben bei Versuchen mit Primaten untersucht, wo und wie die Zahl Null im Gehirn verarbeitet wird. Sie trainierten Rhesusaffen darauf, Punktmengen von Null bis vier zu erkennen und zuzuordnen, wobei eine solche Aufgabe für diese prinzipiell kein Problem darstellt, auch wenn manchmal Fehler vorkommen (siehe dazu das eidetische Phänomen). Die Affen ordneten die Bilder mit keinem Punkt wesentlich häufiger der nächsthöheren Kategorie eins zu als anderen Punktmengen, was dafür spricht, dass auch die Affen die Null bereits als Teil ihrer Zahlenreihe sehen und sie dort neben der Eins platzieren. Die Untersuchung der Gehirnaktivität der Affen zeigte, dass das in zwei Arealen passiert: dem hinter der Stirn liegenden präfrontalen Cortex und dem Scheitellappen. Beide Hirnareale spielen eine Schlüsselrolle bei der Verarbeitung von Mengen, wobei der präfrontale Cortex als nachgeschaltete, kognitiv übergeordnete Verarbeitungsebene gilt. Der Vergleich der beiden Hirnareale zeigte nun, wie leere Mengen offensichtlich neuronal abgebildet werden: im Scheitellappen registrierten die Nervenzellen die Abwesenheit von zählbaren Punkten noch als fehlenden visuellen Reiz, d. h., für diese war da einfach ein Nichts ohne quantitative Bedeutung, während hingegen im übergeordneten präfrontalen Cortex die Neuronen ähnlich aktiv wie beim Anblick einer Menge zwischen einem und vier Punkten waren. Dieses Ergebnis spricht dafür, dass dieses Hirnareal ein „Nichts“ im Kontext dieser Aufgabe anders betrachtet, d. h., als eine leere Menge, die damit in der mentalen Zahlenreihe vor der Eins steht. Erst im Stirnlappen wird somit die leere Menge als Wert auf dem Zahlenstrahl abstrahiert, sodass es eine Hierarchie in der Verarbeitung gibt, und die Null erst auf Weg vom Scheitellappen zum präfrontalen Cortex nach und nach aus dem rein visuellen Kontext gelöst und in das numerische Kontinuum eingeordnet wird.
Nach Howard et al. (2018) besitzen auch Honigbienen ein primatennähnliches Verständnis von Zahlenwerten und auch der auch Null, was angesichts der GRöße ihres Gehirns überraschend ist, denn es umfasst weniger als eine Million Neuronen. Nach Ansicht der AutorInnen sind demnach große Gehirne also nicht unbedingt notwendig, wobei sie vermutlich deshalb spezielle neuronale Mechanismen für Zahlen entwickelt haben, da sie sehr unterschiedliche Nahrungsquellen aufsuchen müssen. In einem Experiment mussten Bienen lernen, aus Bildern jeweils das Bild mit der geringsten Zahl an Punkten anzufliegen und erhielten Zuckersaft als Belohnung, wobei die Punktmengen zwischen 1 und 4 oder 2 und 5 lagen. Schon nach wenigen Durchgängen steuerten achtzig Prozent zielsicher den jeweils niedrigeren Zahlenwert an. Nun sollten die Insekten zwischen einer ihnen schon bekannten Punktmenge und einem leeren Blatt wählen, wobei im Durchschnitt über sechzig Prozent der Bienen das leere Blatt ansteuerten, obwohl sie dies nie zuvor geübt hatten, wodurch sichtbar wurde, dass der Zahlenwert Null am unteren Ende des Zahlenstrangs liegt, also dass Null kleiner ist als eins bzw. zwei ist.
Übrigens: je näher zwei Punktmengen zahlenmäßig beieinander lagen, desto eher machten die Tiere Fehler, was auch Menschen bei solchen Experimenten tun.
Literatur
Howard, Scarlett R., Avarguès-Weber, Aurore, Garcia, Jair E., Greentree, Andrew D. & Dyer, Adrian G. (2018). Numerical ordering of zero in honey bees. Science, 360, 1124-1126.
Ramirez-Cardenas, A., Moskaleva, M. & Nieder, A. (2016). Neuronal Representation of Numerosity Zero in the Primate Parieto-Frontal Number Network. DOI: http://dx.doi.org
/10.1016/j.cub.2016.03.052
http://www.scinexx.de/wissen-aktuell-20107-2016-04-25.html (16-04-26)
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Die Illusion der modernen Gehirnforschung
Es ist ja nicht so, als könne man Neuropublizisten,
die aus fragwürdigen Forschungsergebnissen
noch fragwürdigere Konsequenzen für den
Reformbedarf von Schulen, Gerichten, Sendeanstalten und
Internetdiensten ableiten, ungestraft aus den Augen lassen.
Dirk Baecker
Das Kuriose und vielleicht auch Fatale an der aktuellen Gehirnforschung ist, dass sie die Zuständigkeit sowohl für Dummheit als auch für Intelligenz der dafür doch wohl bisher zuständigen Disziplin Psychologie entreißen und partout mehr nicht abtreten will. Die GehirnforscherInnen glauben nach wie vor, dass sich ihre Disziplin, je weiter diese die neurotechnischen Fertigkeiten nur verfeinert, von einer analytisch-beschreibenden zu einer präventiv-konstruktiven Disziplin fortentwickeln wird. In einer Ankündigung eines Vortrages zur „modernen Hirnforschung“ heißt es daher großspurig unter anderen: „Die moderne Hirnforschung konnte in den vergangenen Jahren bedeutende Erkenntnisse zur Funktionsweise des menschlichen Gehirns gewinnen. Nie zuvor verstanden Hirnforscher so gut, welche Hirnareale und neuronalen Informationsverarbeitungsprozesse an der Generierung und Kontrolle von menschlichem Erleben und Verhalten beteiligt sind“.
Insbesondere soll in dem Vortrag die „erstaunliche Plastizität des Gehirns und die besondere Bedeutung von Spezialisierungen der beiden Hirnhälften dargestellt“ werden, denn „am Ende sollen die Zuhörerinnen und Zuhörer begreifen, dass es sich bei dem menschlichen Gehirn um einen Weltsichtapparat handelt, dessen wesentliches Ziel es ist, uns die Illusion einer realen Welt zu vermitteln – eine Konstruktion der Wirklichkeit, die real genug ist, um das eigene und das Überleben der Art zu sichern“.
Diese hier postulierten Erkenntnisse sind allerdings so neu nicht, wenn man sich nur einigermaßen mit der Geschichte der Psychologie beschäftigt, denn schon vor beinahe hundert Jahren in der Gestaltpsychologie, der Ganzheitspsychologie und der Feldpsychologie findet man diese Auffassungen, die dann in der radikal konstruktivistischen Psychologie eines Stangl (1989) zusammengefasst und ausformuliert wurden.
Ungenauigkeiten und Betrug plagen im übrigen alle neuen Wissenschaftsbereiche, also auch die Gehirnforschung, was auch daher kommt, dass sie ein Feld ist, das sich schnell entwickelt hat und Erwartungen etwa für neue Methoden des Lernens oder auch Therapien geweckt hat. Deshalb wird über Fortschritte sehr prominent berichtet, sowohl in der Fachliteratur als auch in den Medien. Vor allem der Erfolgsdruck kann Forschende dann dazu verleiten, zu unlauteren Mitteln zu greifen. Ähnliches ist in anderen kompetitiven Forschungsfeldern wie in der Klon- und Stammzellforschung oder auch Gentherapie passiert, in der immer wieder Skandale über gefälschte oder zumindest überinterpretierte Ergebnisse Schlagzeilen machen. Durch geschönte oder schlampige Forschung wird aber nicht nur Arbeitszeit verschwendet, auch wenn das Wissenschaftssystem in der Lage ist, falsche Resultate mit der Zeit zu korrigieren, doch solche unwissenschaftlich produzierte Resultate leiten häufig die künftige Forschung fehl. Wissenschaft funktioniert nur dann, wenn die Suche nach Wahrheit im Zentrum steht, unabhängig von der Bedeutung, die spezifischen Resultaten von der Gesellschaft beigemessen wird.
Damit werden Befürchtungen geschürt, die sich dann in Diskussionen darüber äußern, ob man hierbei nicht menschliche Grundrechte verletzt. Manche befürchten auf Grund der Ergebnisse der neueren Hirnforschung, dass das Neuro-Enhancement, also die Leistungssteigerung des Gehirns und das Brain reading, die bildlichen Darstellung von Hirnaktivität und daraus Gedanken, Emotionen und Handlungsabsichten herauszulesen, neue Möglichkeiten liefert, das menschliche Gehirn zu manipulieren oder zu beeinflussen. Inzwischen sei es ja sogar möglich, Willensentscheidungen einige Sekunden tendenziell vorauszusagen. Problematisch sei auch das Gehirn-Marketing, bei dem getestet wird, welche Produkte das Gehirn stark ansprechen und Kaufabsichten auslösen.
In einem neueren Sammelband mit dem Titel „Zukunft Gehirn“ geben Hirnforscher einen Überblick darüber, „was wir aktuell über die wohl komplexeste Struktur im Universum wissen und auf welchen Feldern demnächst Durchbrüche zu erwarten sind. Das Buch vermittelt das wichtigste Wissen über Funktion und Entwicklung des Gehirns, etwa unsere Fähigkeit, etwas zu lernen, im Gedächtnis zu behalten und später wieder abzurufen. Es schildert, wie wir die verschiedenartigsten Belohnungen erkennen und benutzen können, um unser Leben zu erhalten, zu gestalten und weiterzugeben. Der Leser lernt die Zusammenhänge zwischen Hirnprozessen und Erleben, Verhalten und Handeln, aber auch die Notwendigkeit und Funktionsweise des Schlafens zu verstehen. Er erhält einen Einblick in die Krankheiten des Gehirns und ebenso einen Ausblick auf mögliche Therapieansätze, etwa in der Stammzellforschung. Und er wird mit Fragen und Antworten konfrontiert, wie sich die Ergebnisse der modernen Hirnforschung in Bezug auf Ethik, Recht und die Frage nach der Freiheit verorten lassen“.
Sind Gehirne überhaupt modellierbar?
Die gelungene Simulation eines Nervennetzes durch ein Computermodell müsste etwa das raumzeitliche Muster der Aktionspotentiale nachbilden, wozu es aber notwendig wäre zu wissen, wie Aktionspotentiale in der Realität zustande kommen. Dieser Prozess ist aber nach all dem derzeitigen Wissen hochgradig analog-kontinuierlich, sodass es fraglich ist, ob man dien Prozess auf vernünftige Weise digitalisieren kann. Schon allein bei einer einzigen Pyramidenzelle im Cortex, also eine sehr spezialisierte Nervenzelle, besitzt auf ihrem Dendritenbaum mehr als zehntausend erregende und hemmende Synapsen. Dabei muss man etwa wissen, welche Informationen essentiell dafür sind, wann der Schwellenwert überschritten wird und das Neuron feuert. In der Theorie hört sich das Problem einfach an, denn die Potentiale, die sich an den aktiven Synapsen bilden, wandern zum Axonhügel, addieren sich, und wenn die Überlagerung den Schwellenwert überschreitet, dann feuert das Neuron, doch ist die Praxis viel komplexer, denn es gibt eine sehr komplexe zeitliche Phasenbeziehung aller aktiven Synapsen, wobei aber auch der Ort der Synapsen auf dem Dendritenbaum von Bedeutung ist, denn die Amplituden der synaptisch erzeugten Potentiale nehmen im Gegensatz zu den Aktionspotentialen mit der Entfernung ab. Darüber hinaus gibt es im menschlichen Gehirn gibt viele verschiedene erregende und hemmende Neuronenarten, die nicht nur mit verschiedenen Botenstoffen arbeiten. Auch ist diese Reizleitungsdynamik kein stabiles System, sondern alles hängt von der Vorgeschichte ab, die diese Neuronenstrukturen erlebt haben. Das Gehirn ist auch ein extrem dynamisches System ist, denn es verändert sich in jeder Sekunde seiner Existenz, wobei diese Veränderungen zum Teil rückbezüglichen Schleifen geschuldet sind, da sich das Gehirn viel mit sich selbst beschäftigt. Bedeutsam sind darüber hinaus auch die Wechselwirkungen mit der äußeren Welt, denn ohne die vollständige Kenntnis des Körpers und seiner Position in der Umgebung lässt sich das Gehirn nicht verstehen (Wehr, 2016).
Eine Bilanz nach einem Jahrzehnt der intensiven Hirnforschung ist ernüchternd, denn sie ist offensichtlich nur darauf aus, das Gehirn in noch höherer Auflösung zu beschreiben, anstatt zu versuchen, es zu verstehen. Auch mit sehr detaillierten Gehirnscans lässt sich nicht mehr zeigen, als dass das Gehirn ein extrem komplexes dynamisches System ist. Welch Überraschung! Langsam dämmert es den Gehirnforschern, dass nicht nur mathematische und chirurgische Methoden benötigt werden, um die Komplexität des menschlichen Gehirnes zu erfassen, sondern vor allem eine Erkenntnistheorie zum Umgang mit solchen komplexen Systemen. Diese steht aus!
Literatur
Stangl, Werner (1989). Die Psychologie im Diskurs des Radikalen Konstruktivismus. Braunschweig: Friedr. Vieweg & Sohn.
Wehr, M. (2016). Die Schnittstelle im Kopf. Frankfurter Allgemeine vom 11. Juni.
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