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Das menschliche Gehirn – kompakt

Mehr als 650 Millionen Jahre brauchte die Evoution, um die anfangs sehr einfachen Nervensysteme in der Tierwelt zum menschlichen Gehirn weiterzuentwickeln. Das menschliche Gehirn in all seiner Komplexität basiert jedoch auf jenen Bausteinen (Nervenzellen) und Kommunikationsmitteln (elektrische und chemische Signale), die schon bei einfachen Lebewesen zu finden sind. Auch das Darmbakterium Escherichia coli ist fähig, auf Reize in seiner Umgebung sinnvoll zu reagieren, wobei ihm spezielle Empfangsmoleküle in der Zelwand hefen, Nahrungsquellen oder Giftstoffe wahrzunehmen. Werden diese Rezeptoren gereizt, erzeugen sie chemische Signale, die den Einzeller veranlassen, sich mit seinen propellerartigen Geißeln in die günstigste Richtung zu bewegen. Diese Form des Signalverkehrs hat die Natur auf dem Weg zum Menschenhirn beibehalten. Komplexere Lebewesen brauchten aber eine Instanz, die die Informationen aus unterschiedlichen Körperregionen zusammenführt, ein Ergebnis daraus ableitet und die Reaktion steuert: die Nervenzellen (Neurone). Sie bildeten sich aus Zellen der äußeren Hautschicht, die unmittelbar der Umgebung ausgesetzt waren und spezialisierten sich darauf, Reize zu empfangen, zu verarbeiten und weiterzuleiten. Quallen gehören zu den ältesten heute noch existierenden Organismen, die über ein solches einfaches Nervensystem verfügen, das aus einem Netz miteinander verbundener Neurone besteht, das den ganzen Körper durchzieht. Doch ein Gehirn wie beim Menschen findet sich beiihnen noch nicht. Erst bei den Würmern im Gegensatz zu radial symmetrischen Tieren wie Quallen oder Seesternen lassen sich vorn und hinten unterscheiden –und das bedeutete einen gewaltigen Sprung bei der Evolution des Gehirns. Schlägt ein Tier bevorzugt eine Richtung ein, also vorwärts, ist es sinnvoll, wenn sich ein Großteil seiner Nerven und Sinneszellen am vorderen Ende konzentriert. Schließlich kommt dieser Teil meist als Erster mit den Verheißungen und Gefahren einer neuen Umgebung in Berührung. Dieser Bauplan wurde von der Evolution beibehalten: Vorn sitzt ein Kopf und darin ruht das Gehirn als zentrale Schaltstelle. Mit der Zeit prägte sich dadurch der Kopf stärker aus, denn das Gehirn legte an Volumen zu. Nach und nach wurde es immer leistungsfähiger, weil die Zahl der Neurone und ihrer Verknüpfungen untereinander zunahm. Ursache dieser Entwicklung waren Mutationen, die sich als vorteilhaft für den Organismus erwiesen. Wichtige Gene wurden doppelt an die nächste Generation weitergegeben, wobei die GenKopie nun ihrerseits mutieren konnte, ohne die Lebensfähigkeit des Organismus aufs Spiel zu setzen. Dank solcher Gene wuchsen zusätzliche Neurone, die sich dann für neue Aufgaben nutzen ließen. Natürlich konnte das Hinterteil des Wurms nicht ganz auf Nervenzellen verzichten, deshalb durchzieht ein Nervenstrang der Länge nach seinen Leib –wie bei Menschen das Rückenmark. Die später entstandenen Insekten besitzen hingegen in Segmente gegliederte Körper, bei denen jeder Abschnitt zwei Nervenknoten (Ganglien) besitzt, die wie Minihirne das jeweilige Segment steuern. Die Ganglien sind zu einer strickleiterartigen Struktur verknüpft, die in den Kopf führt. Dort sitzt ihr größeres Pendant, das eigentliche Gehirn, und koordiniert die Signale der Nervenzellen. Anders entwickelten sich die Gehirne der Wirbeltiere, denn sie sind dynamischer und auf individuelle Entwicklung und Veränderung angelegt, damit sie sich in einer variablen Umwelt besser behaupten können. Der Schaltplan der Neurone, also das Muster der Verknüpfungen zwischen den Nervenzellen, wird in hohem Maße durch äußere Einflüsse während der Entwicklung des Embryos und in den frühen Lebensphasen bestimmt (s.u.). Während sich der Hirnstamm im Verlauf der Evolution relativ wenig veränderte, wurde das Vorderhirn ständig erweitert. Der Fortschritt hin zu immer mehr Leistung, Lernbereitschaft und zu komplexeren Fähigkeiten ist in erster Linie dem Aufblähen einer äußeren Schicht des Vorderhirns, der Großhirnrinde, zu verdanken. Ihr stammesgeschichtlich jüngster Teil, der Neocortex, existiert nur bei Säugetieren. Bei Menschen macht er knapp die Hälfte des Hirnvolumens aus. Je weiter entwickelt das Gehirn eines Wirbeltieres ist, desto größer sind die Areale seiner Großhirnrinde, die sich nicht mehr eindeutigen Funktionen wie etwa Sehen oder Hören zuordnen lassen. Diese assoziativen Areale ermöglichen Wirbeltieren erst ein flexibles Reagieren, also auf einen Reiz nicht nur mit einem festgelegten Verhalten zu antworten.Evolution des Gehirns. Den Aufbau des Gehirns läßt sich am besten über das Konzept der Funktionsniveaus beschreiben: im Laufe der Evolution haben immer wieder neue Hirnstrukturen auf schon vorhandenen aufgebaut. Erst diese Überlagerungen brachten höher entwickelte Gehirnniveaus wie die der Primaten oder der Menschen mit sich, die zu immer komplexeren Funktionen fähig waren. Der Mensch ist mental enorm anpassungsfähig durch seine Fähigkeit, die Welt zu interpretieren, implizite wie explizite Vorhersagen über die Zukunft zu treffen und so die Folgen seines eigenen Handelns abzuschätzen. Schon bei der Geburt besitzt das Gehirn daher potentiell alle Voraussetzungen zum Denken und Lernen, wobei beim Menschen etwa 70 Prozent der Gehirnkapazität dem Lernen zur Verfügung stehen, etwa 30% von vornherein für bestimmte Funktionen festgelegt sind. In den ersten fünf bis sechs Lebensjahren wird das menschliche Gehirn massiv umgestaltet. Dass es keine GehirnZentren für spezielle Funktionen wie Neugier, Angst oder Sehnsucht gibt, sondern dass diese durch Vernetzung entstehen, wird durch neueste neurologische Forschungen bestätigt. Heute glaubt kein Forscher mehr an einen modularen Aufbau des Gehirns, vielmehr hat sich die Erkenntnis durchgesetzt, dass die Vernetzung der Hirnregionen der entscheidende Faktor für ein spezielles Persönlichkeitsmerkmal ist. Auch dürfte der Einfluss der Gene auf die Struktur des Gehirnaufbaus bzw. der Vernetzung während der Entwicklung relativ hoch sein. Ein Netzwerk von Milliarden Nervenzellen reagiert auf jede Art von Eindrücken, Bildern und Informationen, indem es die Verknüpfungen zwischen den Nervenzellen (Synapsen) verändert. Während solcher prägungsähnlicherLernprozesse, werden mit Hilfe von chemischen Botenstoffen (Neurotransmitter) die elektrischen Impulse von einer Nervenzelle zur nächsten übertragen. Jede Nervenzelle verfügt über einen Sender und eine Vielzahl von Empfängern, mit denen sie die Informationen der anderen Nervenzellen aufnimmt. Das Gehirn verarbeitet diese Informationen zu neuen Strukturen, oder vernetzt diese mit anderen, schon vorhandenen Strukturen. Dabei werden bestimmte neuronale Verbindungen verstärkt, andere abgeschwächt, andere verschwinden ganz. In den verschiedenen Phasen der frühkindlichen Entwicklung gibt es bestimmte Zeitfenster oder „sensitive Phasen“, in denen Informationen mit viel höherer Geschwindigkeit und Wirksamkeit als in späteren Phasen aufgenommen werden. So entwickeln sich die Bereiche, die z.B. für Musik oder Sprache zuständig sind im Vergleich mit anderen deutlich stärker, wenn das Kind von früher Kindheit an mit Musik konfrontiert wird oder zweisprachig aufwächst.

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Wie man sich richtig langweilt

Während sich Erwachsene kaum langweilen, tun das Kinder und Jugendliche sehr häufig. Langeweile ist wichtig für die Entwicklung, denn Langeweile macht kreativ. Wenn Kinder mit ihrer Zeit nichts mehr anzufangen wissen, dann ist die richtige Reaktion von Eltern: “Dann langweilst du dich eben!”

Kinder müssen erfahren, wie es ist, seine eigenen Stimmungen auszuhalten, und müssen lernen, dagegen Strategien zu entwickeln. Eltern, die ihren Kindern Langeweile “zumuten”, machen dann die Erfahrung, dass es nicht sehr lange dauert, bis die Kinder doch eine Beschäftigung gefunden haben. Die Lust am Spiel, Entdecken, Lernen, Ausdauer und Neugier werden dann geweckt, alles Eigenschaften, die man später im Leben gut brauchen kann.

Eltern hingegen, die immer für “Action” sorgen, nehmen ihren Kindern die Möglichkeit, sich selber Gedanken zu machen und vielleicht etwas Kreatives zu entwickeln.

Bernhard Heinzlmaier vom Österreichischen Institut für Jugendkulturforschung hat im Auftrag der Medienregulierungsbehörde erstmals eine umfangreiche, representative Studie zur Nutzung von Medien und Nachrichten bei der Generation der Digital Natives durchgeführt. Es zeigte sich, dass diese Generation der Digital Natives panische Angst vor der Langeweile hat, sich gern im Netz inszeniert und ist ihr eigener Programmchef sein möchte. Er sagt: “Der schlimmste Feind einer Erlebnisgesellschaft ist die Langeweile. Das ist Zeitverschwendung, da geht qualitativ hochwertige Lebenszeit verloren. Die Ruhe und die Gelassenheit, die Ereignislosigkeit ist das Fürchterlichste überhaupt und muss sofort ausgelöscht werden. Wenn sich nichts ereignet, sind die Jugendlichen melancholisch. Langeweile ist rufschädigend.” Daher werden oft gleich mehrere Medien gemeinsam konsumiert, oberflächlich, schnell, nirgendwo in die Tiefe gehend. “Wenn junge Menschen mit einem Medium nicht genügend ausgelastet sind – da ist dann der Fernseher eingeschaltet und die Spielkonsole, im Hintergrund läuft Musik, und das Smartphone liegt griffbereit.”

Literatur

OÖN vom 7. Dezember 2018

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Mentale Räume als grundlegendes Muster der Informationsspeicherung

Es ist schon länger bekannt, dass das menschliche Gehirn Informationen über die Umgebung in sogenannten kognitiven Räumen speichert, jedoch geht es nach Untersuchungen von Bellmund, Gärdenfors, Moser & Doeller (2018) nicht nur um geografische Daten, sondern auch um Beziehungen zwischen Objekten und Erfahrung. Menschen denken offenbar über ihre Familie und Freunde in ähnlicher Weise, etwa indem sie Menschen etwa in den Kategorien ihres Humors oder Einkommens, als groß oder klein, humorvoll oder humorlos oder mehr oder weniger reich kodieren. Abhängig von den Dimensionen des Interesses können Individuen geistig näher zusammen oder weiter weg im Gehirn gelagert werden. Die regelmäßigen Aktivierungsmuster von Gitterzellen lassen sich beim Menschen nicht nur bei der Navigation durch natürliche Räume beobachten, sondern Gitterzellen sind auch beim Erlernen neuer Inhalte aktiv. Es macht offenbar für das menschliche Gehirn keinen Unterschied, einen realen Raum oder den Raum zwischen den Dimensionen der Gedanken zu nutzen, sodass ein Gedankengang im wahrsten Sinne des Wortes als Weg durch die Räume der Gedanken betrachtet werden kann, also entlang verschiedener mentaler Dimensionen. Dadurch ist es den Menschen möglich, rasch Rückschlüsse auf neue Objekte oder Situationen zu ziehen, auch wenn sie diese noch nie erlebt haben. Durch die Verwendung vorhandener mentaler Karten kognitiver Räume kann der Mensch antizipieren, wie ähnlich etwas Neues zu etwas Bekanntem ist, indem er es in Beziehung zu bestehenden Dimensionen setzt. Dies ist ein Phänomen etwa bei das Gesichtserkennung fundamental.

Menschen denken offenbar auch in kognitiven Räumen, denn Studien weisen darauf hin, dass Menschen mit Hilfe des Systems von Orts- und Rasterzellen ihre Gedanken und Erinnerungen ordnen, und zwar in kognitiven Räumen. Diese räumliche Ordnung erlaubt es Menschen, Inhalte aus vergangenen Erlebnissen auf neue Situationen zu übertragen, und trägt damit entscheidend zur geistigen Flexibilität bei. Schließlich ist auch die Sprache geprägt von räumlichen Bildern, die das Erleben beschreiben, sie sind anschaulich und jeder kann sich sofort vorstellen, was damit gemeint ist, etwa ein entfernter Verwandter oder eine raumfüllende Persönlichkeit. Menschen haben enge Freunde und entfernte Bekannte, finden manche Ideen naheliegend, andere weit hergeholt, Hinweise deuten in die eine oder in die ­andere Richtung. Menschen erleben emotionale Höhenflüge, und von einem Tiefpunkt aus kann es nur wieder aufwärtsgehen. Läuft etwas einmal nicht wie gedacht, versucht man Abstand zu gewinnen. Offenbar scheinen Menschen Erfahrungen und Erinnerungen im Gehirn mit Hilfe desselben neuronalen Schaltkreises zu sortieren, der ihnen die räumliche Vorstellungskraft verleiht, wobei er unter anderem Bereiche des Hippocampus sowie den entorhinalen Cortex umfasst, also jene Areale, die auch als körpereigenes Navigationssystem bezeichnet werden.

Zum neuronalen Verhältnis von Ortszellen und Gitterzellen

Gitterzellen, Rasterzellen bzw. Grid cells sind Nervenzellen im Gehirn, die der Orientierung dienen, und dabei wie Landkarten mit metrischen Koordinaten arbeiten, wobei sie neben räumlichen Informationen auch Zielinformationen liefern. Die Gitterzellen im entorhinalen Cortex sind dadurch Teil des Orientierungssinns des Menschen und können bestimmte Orte und Wege mithilfe eines hexagonalen Netzes präzise bestimmen, wobei sie ihre Informationen aus dem Hippocampus bzw. vonden dort lokalisierten Ortszellen bzw. Platzzellen erhalten. Ein Bindeglied zwischen der Einzelzell- und der Netzwerkebene liegt im entorhinalen Cortex, in dem die Rasterzellen lokalisiert sind, deren Rolle bei der räumlichen Orientierung auf Einzelzellebene belegt ist. Eine Theorie besagt, dass benachbarte Zellen ähnliche Orte codieren, wobei dieses räumliche Muster dann auch in den Oszillationen sichtbar sein müssten. Ein anderer Ansatz beschreibt, dass beim Navigieren in bestimmte Richtungen eine höhere Anzahl unterschiedlicher Zellen aktiviert wird als beim Navigieren in andere Richtungen, was wiederum zu verstärkten EEG-Oszillationen führen könnte. Diese Oszillationen könnten also die Verbindung zwischen Einzelzellen und den üblicherweise bei Menschen untersuchten Netzwerken darstellen. Eine weitere Theorie besagt, dass die Phänomene auf Einzelzell- und auf Netzwerkebene unabhängig voneinander sind, d. h., die beiden Ebenen könnten parallel voneinander zum Verhalten beitragen, ohne kausal miteinander verknüpft zu sein.

Im Gegensatz zu den Ortszellen, die nur an einer Stelle aktiv sind, sind Gitterzellen vielerorts aktiv, wobei deren Aktivität einem auffallend regelmäßigen, hexagonalen Muster neuronaler Signale folgen, das die gesamte Umgebung eines Menschen in Form eines Mosaiks nachzeichnet, wobei auch Zielinformationen durch eine Verformung des Aktivitätsfelds der Gitterzellen geliefert werden, sodass eine Art Stadtplan entsteht. Die Ortszellen, die einem Ziel am nächsten liegen, verschieben sich dabei stärker als jene, die weiter von diesem entfernt liegen. Allerdings bleibt die Verformung der Gitterzellen während einer Ortssuchleistung über einen längeren Zeitraum erhalten, während das bei Ortszellen nicht der Fall ist, denn diese nehmen bald wieder ihre ursprüngliche Form an. Gitterzellen haben also eine Form der Erinnerung, die Ortszellen nicht besitzen, sodass die Gitterzellen das Verhalten eines Lebewesens damit mitbestimmen. Die Gitterzellen informieren also vermutlich die Ortszellen über relevante Regionen, während Ortszellen diese Regionen dann präzise kartieren.

Die von Fledermäusen bekannte Echoortung macht sich der Mensch inzwischen für zahlreiche technische Anwendungen zunutze, vom Radargerät bis hin zum Hightech-Blindenstock mit Ultraschallsensoren (Klicksonar). Blinde Menschen, die sich via Echoortung in ihrer Umgebung orientieren, verarbeiten Geräusche ähnlich wie Sehende Licht, wobei eigentlich auf visuelle Reize spezialisierte Gehirnbereiche die Echos räumlich zuordnen, indem sie eine Art neuronale Karte des reflektierten Schalls erstellen, sodass echoortende Blinde ziemlich genau bestimmen können, aus welcher Richtung ein Geräusch kommt. Norman & Thaler (2019) haben in einer Studie den primären visuellen Cortex untersucht, der bei sehenden Menschen in die Retina einfallende Lichtreize verarbeitet. Die Neuronen in diesem Bereich stellen dabei eine Art räumliche Karte unserer Umgebung dar, wobei einfallendes Licht von Punkten, die im Raum nebeneinander liegen, auch nebeneinanderliegende Punkte im Gehirn aktivieren. In dem Experiment spielte man Probanden (Sehende, echoortende und nicht im Klicksonar geschulte Blinde) Klicklaute vor, die von einem Gegenstand an jeweils unterschiedlichen Positionen im Raum reflektiert wurden. Die Teilnehmergruppe setzte sich dabei aus sehenden Menschen sowie echoortenden und nicht im Klicksonar geschulten Blinden zusammen. Dabei lösten die Echos bei echoortenden Blinden im Gehirn dieselben Aktivierungsmuster aus, wie sie bei sehenden Menschen durch visuelle Reize ausgelöst werden, sodass ihr visueller Cortex Geräusche ähnlich räumlich zu kartieren scheint wie er es Sehende mit Licht tun. Bei den sehenden und auch bei den nicht zum Klicksonar sich orientierenden blinden Probanden zeigte sich dieser Zusammenhang hingegen nicht, sodass Blindsein allein keineswegs ausreicht, damit sich der visuelle Cortex auf die Verarbeitung anderer Reize spezialisiert. Je stärker die Aktivierungsmuster im Gehirn der echoortenden Blinden der von Sehenden bekannten „neuronalen Karte“ glichen, desto besser konnten sie die Position des Gegenstands im Raum erkennen. Offenbar kann der visuelle Cortex räumliche Informationen nach ausreichendem Training auch dann nutzen, wenn sie nicht durch die Augen kommen.

Kurioses: Dieses Forschungsergebnis führte übrigens zu folgender journalistischen Simplifizierung: “Wir denken mit Navi “.

Literatur

Bellmund, J. L. S., Gärdenfors, P., Moser, E. I., & Doeller, C. F. (2018). Navigating cognition: Spatial codes for human thinking. Science, doi:10.1126/science.aat6766.
Kunz, L., Maidenbaum, S., Chen, D., Wang, L., Jacobs, J. & Axmacher, N. (2019). Mesoscopic neural representations in spatial navigation. Trends in Cognitive Sciences, doi:10.1016/j.tics.2019.04.011.
Norman, Liam J. & Thaler, Lore (2019). Retinotopic-like maps of spatial sound in primary ‘visual’ cortex of blind human echolocators. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 286, doi: 10.1098/rspb.2019.1910.
Stangl, W. (2019). Ortszellen und Gitterzellen in menschlichen Gehirn. Werner Stangls Arbeitsblätter-News.
WWW: https://arbeitsblaetter-news.stangl-taller.at/ortszellen-und-gitterzellen-in-menschlichen-gehirn/ (2019-03-31).
https://www.spektrum.de/magazin/kognitive-raeume-wie-das-gehirn-gedanken-sortiert/1671440 (19-10-02)
https://www.wissenschaft.de/gesundheit-medizin/wie-echoortung-das-gehirn-veraendert/ (19-10-05)

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