Zum Thema ‘Gehirnforschung’

Die moderne Gehirnforschung begann mit der Phrenologie, als Franz Joseph Gall Zusammenhänge zwischen Arealen des Gehirns und kognitiven Funktionen herstellte.

Intelligenz und Gehirnstruktur



Die allgemeine Intelligenz ist ein psychologisches Konstrukt, das in einer einzigen Maßzahl das Gesamtniveau der Verhaltens- und kognitiven Leistung eines Individuums erfasst. Während frühere Forschungen versucht haben, Intelligenz in umschriebenen Hirnregionen zu lokalisieren, konzentrieren sich neuere Arbeiten auf funktionelle Interaktionen zwischen den Regionen. Obwohl sich Hirnnetzwerke durch eine erhebliche Modularität auszeichnen, ist jedoch unklar, ob und wie die modulare Organisation des Gehirns mit der allgemeinen Intelligenz in Verbindung gebracht werden kann.

Hilger et al. (2017b) haben dabei charakteristische Verbindungen zwischen Intelligenz und Maßen der Konnektivität innerhalb und zwischen Gehirnarealen, insbesondere in frontalen und parietalen Hirnregionen, die mit Intelligenz in Verbindung stehen sollen, untersucht. Man hat mittels MRT-Hirnscans von mehr als 300 Probanden und moderne Verfahren der graphentheoretischen Netzwerkanalyse untersucht, ob damit bestimmte neurobiologischen Grundlagen menschlicher Intelligenz zu entdecken sind. Schon früher hatten Basten et al. (2015) und Hilger et al. (2017a) Gehirnareale identifiziert, darunter den Präfrontalcortex, in denen Aktivierungsveränderungen während kognitiver Herausforderungen einen zuverlässigen Zusammenhang mit Intelligenz zeigen. In der neuen Studie zeigte sich nun, dass bei intelligenteren Menschen zwei Areale, die mit der Verarbeitung aufgabenrelevanter Informationen in Verbindung gebracht werden (vorderer insulärer und cingulärer Cortex), über kürzere und somit effizientere Verbindungen mit dem Rest des Hirnnetzwerks verbunden sind. Eine weitere Region, die mit dem Ausblenden irrelevanter Informationen in Verbindung gebracht wird (die Übergangsregion zwischen Temporal- und Parietalcortex), ist hingegen weniger stark mit dem Rest des Netzwerks verbunden. Die unterschiedlich starke Einbettung dieser Regionen ins Gesamtnetzwerk des Gehirns könnte es intelligenteren Personen erleichtern, zwischen wichtigen und unwichtigen Informationen zu unterscheiden, was bei vielen kognitiven Herausforderungen einen Vorteil darstellt. In der letzten Studie zeigte sich nun, dass bei intelligenteren Menschen bestimmte Gehirnregionen deutlich stärker am Austausch von Informationen zwischen Subnetzwerken beteiligt sind, so dass bedeutsame Informationen schneller und effizienter übertragen werden können. Auch konnte man Regionen identifizieren, die bei intelligenteren Personen stärker vom restlichen Netzwerk abgekoppelt werden, wodurch Gedanken möglicherweise besser gegen störende Einflüsse abgeschirmt sind.

Man geht daher davon aus, dass Netzwerkmerkmale, die man bei intelligenteren Personen in stärkerer Ausprägung gefunden hat, es den Menschen erleichtern, sich gedanklich auf etwas zu konzentrieren und dabei irrelevante, möglicherweise störende Reize auszublenden. Das erlaubt zwei Interpretationen: Es scheint möglich, dass manche Menschen aufgrund einer biologischen Veranlagung Gehirnnetzwerke ausbilden, die intelligente Leistungen wahrscheinlicher machen, doch kann auch umgekehrt der häufigere Gebrauch des Gehirns für intelligentere Leistungen sich positiv auf die Ausformung dieser Netzwerke im Gehirn auswirken.

Literatur

Basten, Ulrike, Hilger, Kirsten & Fiebach, Christian J. (2015). Where smart brains are different: A quantitative meta-analysis of functional and structural brain imaging studies on intelligence. Intelligence, 51, 10-27.
Hilger, Kirsten,Ekman, Matthias, Fiebach, Christian J. & Basten, Ulrike (2017a). Efficient hubs in the intelligent brain: Nodal efficiency of hub regions in the salience network is associated with general intelligence. Intelligence 60, 10-25.
Hilger, Kirsten, Ekman, Matthias, Fiebach, Christian J. & Basten, Ulrike (2017b). Intelligence is associated with the modular structure of intrinsic brain networks. Scientific Reports, 7, doi:10.1038/s41598-017-15795-7.
https://aktuelles.uni-frankfurt.de/forschung/studie-kluge-koepfe-haben-die-besser-vernetzten-gehirne/ (17-12-30)



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Wie entstehen episodische Erinnerungen?



Episodische Erinnerungen hängen von der menschlichen Fähigkeit ab, eine breite Palette multisensorischer Informationen zu verarbeiten und diese Informationen in eine kohärente, einprägsame Darstellung zu integrieren. Auf neuronaler Ebene werden diese beiden Prozesse durch neocortikale Alpha/Beta-Desynchronisation (8 bis 20 Hz) bzw. Hippocampus-Theta/Gamma-Synchronisation (40 bis 50 Hz) unterstützt.

Episodische Erinnerungen zeigen Menschen daher deren persönlich erlebte Vergangenheit, wobei man bisher vermutet hat, dass die Bildung und das Abrufen dieser Erinnerungen durch eine Arbeitsteilung zwischen dem Neocortex und dem Hippocampus unterstützt wird, wobei der erste ereignisbezogene Informationen verarbeitet und der zweite diese Informationen miteinander verbindet. Dabei wurde bisher davon ausgegangen, dass sich diese beiden Prozesse koppeln, um erfolgreich episodische Erinnerungen zu erzeugen und auch wieder abzurufen. Griffiths et al. (2019) haben nun am Menschen gezeigt, dass dieser Informationsfluss in den Hippocampus und aus dem Hippocampus durch elektrische Oszillationen verfolgt werden kann, also phasenhafte Schwingungen, die Neuronen während der Verarbeitung von Prozessen generieren. Demnach beruhen Gedächtnisbildung und -abruf wesentlich auf Synchronisationsprozessen im Hippocampus und Desynchronisationsprozesse im Cortex, wobei das Verständnis dieser Interaktionen zwischen den verschiedenen Zentren beim Aufbau von Erinnerungen eine Basis dafür bildet, etwa Gedächtnisstörungen besser behandeln zu können.

Die Forscher fanden nun, dass sich dieser Prozess während des Gedächtnisabrufs umkehrt, wobei ein bidirektionaler Informationsfluss zwischen dem Neocortex und dem Hippocampus von grundlegender Bedeutung für die Bildung und den Abruf episodischer Erinnerungen ist. Die ForscherInnen vermuten nun, dass diese Kopplung den Informationsfluss vom Neocortex zum Hippocampus während der Gedächtnisbildung widerspiegelt, und die Vervollständigung des Hippocampus-Musters, die eine Wiederherstellung der Informationen im Neocortex während des Speicherabrufs bewirkt.

Literatur

Griffiths, Benjamin J., Parish, George, Roux, Frederic, Michelmann, Sebastian, van der Plas, Mircea, Kolibius, Luca D., Chelvarajah, Ramesh, Rollings, David T., Sawlani, Vijay, Hamer, Hajo, Gollwitzer, Stephanie, Kreiselmeyer, Gernot, Staresina, Bernhard, Wimber, Maria & Hanslmayr, Simon (2019). Directional coupling of slow and fast hippocampal gamma with neocortical alpha/beta oscillations in human episodic memory. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116, doi:10.1073/pnas.1914180116.



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Erinnern ist immer auch Ergänzen



Da das menschliche Gedächtnis erfahrungsgemäß nicht in der Lage ist, sich an alle Details einer vergangenen Erfahrung zu erinnern, füllt es solche Lücken mit wahrscheinlichen Informationen auf. Um nun zu überprüfen, wie das Gehirn solche Gedächtnisinhalte beim Erinnern ergänzt, haben Staresina et al. (2019) Versuchspersonen in acht Versuchsdurchgängen jeweils zehn Landschaftsbilder gezeigt, wobei in jeder Aufnahme ein Detailfoto mit einem von zwei Objekten eingefügt war, etwa eine Himbeere oder ein Skorpion. Die Probanden – Epilepsiepatienten, denen Elektroden ins Gehirn eingepflanzt worden waren – durften jedes der zusammengesetzten Fotos drei Sekunden lang betrachten. Nach einer Pause erhielten sie in einem zweiten Durchgang nur die Landschaften zu sehen und sollten dann angeben, ob dort ursprünglich zusätzlich die Himbeere oder der Skorpion aufgetaucht waren. In der Erinnerungsphase feuerten zunächst die Nervenzellen im Hippocampus, was auch bei einer Kontrollaufgabe der Fall war, bei der die Probanden sich nur einfache Landschaftsaufnahmen einprägen mussten. Bei der Aufgabe, in der die Bilder eine zusätzliche Information enthalten hatten, dauerte die Aktivität des Hippocampus jedoch deutlich länger, wobei während dieser Verlängerung zusätzlich Neuronen im entorhinalen Cortex zu feuern begannen. Dieses Aktivitätsmuster im Cortex ähnelte stark der Erregung, die man dort in der Lernphase gemessen hatte, also bei der Betrachtung des zusammengesetzten Bildes. Diese Ähnlichkeit ging so weit, dass eine Analysesoftware aus der Aktivität des entorhinalen Cortex ablesen konnte, ob sich der jeweilige Teilnehmer gerade an einen Skorpion oder eine Himbeere erinnerte. Dabei handelt es sich um eine Re-Instanziierung, d. h., die Erinnerung versetzt die Nervenzellen in einen ähnlichen Zustand, wie sie ihn beim Betrachten des Fotos hatten. Vermutlich ist der Hippocampus für diese Re-Instanziierung verantwortlich, wobei die hippocampalen Nervenzellen, die in der Verlängerung aktiv werden, mit ihrem Erregungsmuster dem Gedächtnis möglicherweise mitteilen, wo genau der fehlende Teil der Erinnerung abgelegt ist.

Literatur

Staresina, Bernhard P., Reber, Thomas P., Niediek, Johannes, Boström, Jan, Elger, Christian E. & Mormann, Florian (2019). Recollection in the human hippocampal-entorhinal cell circuitry. Nature Communications, doi:10.1038/s41467-019-09558-3.



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