Das Gehirn

Das Gehirn

Das menschliche Gehirn ist das komplizierteste Organ, das die Natur je hervorgebracht hat: 100 Milliarden Nervenzellen und ein Vielfaches davon an Kontaktpunkten verleihen ihm F?higkeiten, an die kein Supercomputer bis heute heranreicht. Eine der? wichtigsten Eigenschaften ist seine Lernf?higkeit. Doch wie kann eine Ansammlung von Nervenzellen überhaupt etwas lernen? Und l?sst sich diese F?higkeit gezielt verbessern?

Bis vor wenigen Jahren galt unter Wissenschaftlern als ausgemacht: Das Gehirn eines Erwachsenen ver?ndert sich nicht mehr. Heute wei? man jedoch, dass das Gehirn bis ins hohe Alter laufend umgebaut wird. Manche Neurobiologen vergleichen es sogar mit einem Muskel, der trainiert werden kann. Anbieter sogenannter Gehirnjoggings greifen diese Idee inzwischen auf und bieten übungen an, die die Lern- und Ged?chtnisleistung erh?hen sollen.

Die Vorstellung, dass das Gehirn ein Leben lang lernf?hig bleibt, ist aus wissenschaftlicher Sicht unbestritten. Anders h?tte der Mensch die vielf?ltigen Herausforderungen, denen er im Laufe eines Lebens begegnet, auch gar nicht bew?ltigen k?nnen. So k?nnen wir bis ins hohe Alter eine Fremdsprache und Yoga lernen, uns Gesicht und Stimme eines neuen Arbeitskollegen merken oder den Weg zu einer neuen Pizzeria. Viele Wissenschaftler bezweifeln aber, dass Gehirnjogging-übungen die generelle Leistungsf?higkeit des Gehirns steigern. Sie gehen davon aus, dass sich der Trainingseffekt nur auf die unmittelbar trainierte Aufgabe auswirkt. Andere F?higkeiten würden demzufolge nur wenig oder gar nicht vom Gehirnjogging profitieren.

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Wie Synapsen funken

Video 8. Mai 2012
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Synaptische Plastizit?t

Was passiert überhaupt, wenn unser Gehirn etwas Neues lernt und speichert?

Lernen findet an den Synapsen statt – also den Orten, an denen die elektrischen Signale von einer Nervenzelle zur n?chsten übertragen werden. Neurowissenschaftler haben herausgefunden, dass Synapsen die Effektivit?t der übertragung variieren k?nnen. Man bezeichnet dieses Ph?nomen auch als synaptische Plastizit?t. So kann eine Synapse durch einen Vorgang namens Langzeitpotenzierung (LTP) verst?rkt werden, indem sie mehr Botenstoff ausschüttet oder mehr Botenstoffrezeptoren bildet. Analog kann die Signalübertragung an einer Synapse durch Langzeitdepression (LTD) verringert werden.

Beim Lernen wachsen auf Nervenzellen Fortsätze, an deren Ende sich eine Synapse befindet (links im Original, rechts in der Rekonstruktion). Wächst die Synapse mit einem ausgewogenen Verhältnis aller Komponenten, bleibt sie auch über längere Zeiten stabil.

Die übertragung von Signalen kann aber nicht nur verst?rkt oder abgeschw?cht werden, sie kann auch überhaupt erst erm?glicht oder v?llig gekappt werden. So wissen Neurowissenschaftler heute, dass Synapsen selbst im erwachsenen Gehirn noch komplett neu gebildet oder abgebaut werden k?nnen. An wenigen Stellen wie zum Beispiel im Riechsystem k?nnen sogar zeitlebens neue Nervenzellen gebildet werden. Es ist also nicht übertrieben, wenn man sagt: Unser Gehirn gleicht zeitlebens einer Baustelle.  

St?rkung und Schw?chung, Auf- und Abbau - die St?rke, mit der Signale zwischen Nervenzellen übertragen werden, wird laufend angepasst. Etwas vereinfacht k?nnte man sich also vorstellen, dass die Signalübertragung verst?rkt wird, wenn das Gehirn etwas speichert – und abgeschw?cht wird, wenn es vergisst. Viele Neurowissenschaftler sind heute der Ansicht, dass synaptische Plastizit?t die Grundlage von Lernen und Ged?chtnis ist.

Synapsen übertragen nicht nur elektrische Signale von einer Nervenzelle zur n?chsten, sie k?nnen die Intensit?t des Signals auch verst?rken oder abschw?chen. Diese sogenannte synaptische Plastizit?t ist die Grundlage von Lernen und Ged?chtnis.

Synaptische Plastizit?t - wie das Gehirn lernt

Synapsen übertragen nicht nur elektrische Signale von einer Nervenzelle zur n?chsten, sie k?nnen die Intensit?t des Signals auch verst?rken oder abschw?chen. Diese sogenannte synaptische Plastizit?t ist die Grundlage von Lernen und Ged?chtnis.
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Ohne die Plastizit?t würde dem Gehirn folglich etwas Fundamentales fehlen: seine Lernf?higkeit. Mit dem Lernen verh?lt es sich wie mit dem Sport: Je mehr eine bestimmte F?higkeit gefordert wird, desto effektiver wird sie erledigt. Wer beispielsweise Taxi f?hrt, muss sich gut orientieren und Routen merken k?nnen. Durch die t?gliche Arbeit wird so das Ortsged?chtnis immer besser. Das hinterl?sst auch Spuren im Gehirn, zum Beispiel im Gehirn Londoner Taxifahrer: Forscher haben herausgefunden, dass in ihrem Gehirn der Hippocampus – ein für das Ortsged?chtnis zentrale Region im Gehirn – über die Jahre gr??er wird. Offenbar braucht ein derart trainiertes Orientierungsverm?gen auch mehr Raum! Ob die Taxifahrer auch generell ein besseres Ged?chtnis besitzen, ist noch unbekannt.

Seine Plastizit?t hilft dem Gehirn zudem, Sch?den zumindest teilweise zu reparieren. Sterben beispielsweise bei einem Schlaganfall Nervenzellen ab, k?nnen benachbarte Hirnregionen die Aufgaben des betroffenen Gebiets zum Teil übernehmen. Am Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften haben Forscher herausgefunden, dass das Gehirn so die Sch?den nach einem Schlaganfall zum Teil kompensieren kann. Wissenschaftler erforschen an verschiedenen Max-Planck-Instituten, wie das Gehirn und seine Nervenzellen plastisch bleiben.

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Ein weiteres wichtiges Forschungsfeld ist die Verschaltung innerhalb des Gehirns. Jede der rund 100 Milliarden Nervenzellen des menschlichen Gehirns empf?ngt über B?umchen-artige Forts?tze – sogenannte Dendriten – Signale anderer Zellen, verrechnet diese miteinander und bildet daraus ein eigenes elektrisches Signal, das sie über das fadenf?rmige Axon zur n?chsten Zeile übermittelt.

Aufbau des Gehirns

Die Abbildung zeigt die Gro?hirnrinde eines Mausembryos. Die Zellkerne sind blau gef?rbt und tiefer liegende Nervenzellen sind in rot zu erkennen. Unter dem Einfluss des menschenspezifischen Gens ARHGAP11B haben sich auf der rechten Hirnhemisph?re Faltungen in der Gro?hirnrinde gebildet.

Das menschliche Gehirn l?sst sich nach verschiedenen Kriterien untergliedern. Entwicklungsgeschichtlich beispielsweise besteht es wie das aller Wirbeltiere aus dem End-, Zwischen-, Mittel-, Hinter- und Markhirn, auch als Tel-, Di-, Mes-, Met- und Myelencephalon bezeichnet. Anatomisch fallen besonders die Bereiche ins Auge, die als Gro?-, Zwischen- und Kleinhirn (Cerebellum) bezeichnet werden, sowie der Hirnstamm.

Besonders auff?llig ist die zum Endhirn geh?rende sogenannte Gro?hirnrinde, der sogenannte Kortex. Sie ist im Laufe der Evolution so stark gewachsen, dass sie sie fast das gesamte Gehirn umgibt. Mit ihren Furchen und Windungen gibt der Kortex dem Gehirn das Aussehen einer Walnuss. 

Die Gro?hirnrinde ist Sitz vieler h?herer geistiger F?higkeiten. Einzelne Bereiche haben dabei unterschiedliche Aufgaben. 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 F?higkeit verantwortlich, sondern nur im Zusammenspiel mit anderen. In der Gro?hirnrinde sind deshalb sowohl benachbarte Nervenzellen als auch Zellen in weit voneinander entfernten Regionen miteinander verknüpft (lokale und überregionale Vernetzung).

Faserverbindungen im Gehirn eines vierj?hrigen Kindes, bei dem der Fasciculus Arcuatus (grün) bereits st?rker ausgebildet ist – der entscheidende Entwicklungsschritt um uns in andere hineinversetzen zu k?nnen.

Welche Gehirngebiete miteinander verbunden sind, untersuchen Wissenschaftler mithilfe der sogenannten Magnetresonanztomografie (MRT). Mit dieser Technik k?nnen sie die zu Faserstr?ngen gebündelten Forts?tze von Nervenzellen sichtbar machen, die die Areale der Gro?hirnrinde miteinander verbinden. Auf diese Weise haben Sprachforscher beispielsweise eine für das Sprachverm?gen zentrale Gehirnregion entdeckt: den sogenannten Fasciculus Articuatus. Ohne dieses Nervenfaserbündel k?nnen Kleinkinder keine komplexen S?tze bilden und verstehen. Dies gelingt erst, wenn diese Verbindung genug entwickelt ist. Bei Menschenaffen hingegen sind diese Nervenfasern zeitlebens schwach ausgebildet. Folglich schaffen die Tiere es trotz jahrelangen Trainings nicht, selbst einfachste S?tze zu bilden – und das, obwohl andere erforderliche Hirnareale sowie anatomische Voraussetzungen zum Sprechen durchaus vorhanden sind.  

Mit einer Variante dieser Technik, der sogenannten funktionellen Magnetresonanztomografie, k?nnen Wissenschaftler zwischen aktiven und nicht aktiven Gehirnregionen unterscheiden. Damit haben sie viel über den Aufbau und die Funktionsweise des Gehirns gelernt. So haben Max-Planck-Forscher aus Leipzig herausgefunden, warum bei Menschen, die stottern, ein Ungleichgewicht zwischen der Hirnaktivit?t von linker und rechter Gro?hirnh?lfte auftritt: Innerhalb des überaktiven rechten Netzwerkes haben sie eine Faserbahn entdeckt, die bei den Betroffenen deutlich st?rker ausgebildet ist, als bei Menschen ohne Sprechprobleme. Je st?rker der sogenannte Frontale Aslant Trakt ist, desto st?rker stottert ein Mensch.

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Einen exakten Schaltplan des Gehirns l?sst sich jedoch mit der MRT-Technik nicht erstellen, dafür ist die Genauigkeit der Methode nicht hoch genug. Schlie?lich sitzen bis zu 10.000 Synapsen auf einer Nervenzelle, 100 Billionen sind es insgesamt. Dies zeigt, wie dicht das Kommunikationsnetz im Gehirn ist. In diesem Netz k?nnen einerseits benachbarte Nervenzellen miteinander verknüpft sein, andererseits auch Zellen, die weit voneinander entfernt sind. Dieses Gewirr aus lokalen und überregionalen Verbindungen zu entwirren – auch Konnektom genannt –, haben sich Max-Planck-Forscher zum Ziel gesetzt.

Das Konnektom – Schaltplan des Gehirns

Zehn rekonstruierte Nervenzellen in einem Block mit 950 Neuronen aus der Retina, aufgenommen mit "serial block-face"-Elektronenmikroskopie (rot: Ganglionzellen; grün: Amakrinzellen; blau: Bipolarzellen).

Die Wissenschaftler entwickeln deshalb neue Methoden, mit denen sie das Konnektom entschlüsseln k?nnen. Als Modellf?lle dienen ihnen dafür M?use: Zuletzt haben sie die Verschaltung von Bereichen der Netzhaut des Auges sowie der Gro?hirnrinde aufgekl?rt und herausgefunden, dass Nervenzellen im sogenannten entorhinalen Kortex der Gro?hirnrinde wie ein Transistor organisiert sind: Bevor eine Nervenzelle eine andere Zelle aktivieren kann, kontaktiert sie eine hemmende Zelle und wird so in ihrer eigenen Aktivit?t behindert.   

Anhand solcher Schaltpl?ne wollen Wissenschaftler lernen, wie das Gehirn funktioniert. An Max-Planck-Instituten arbeiten sie bereits heute daran, die Prinzipien der Informationsverarbeitung aufzukl?ren. Derzeit konzentrieren sie sich auf einfacher aufgebaute Gehirne, die weniger Nervenzellen und -fasern besitzen als das Gehirn des Menschen. M?use sind ein solcher Modellfall für Neurowissenschaftler. Sie besitzen als S?ugetiere ein ?hnlich aufgebautes und funktionierendes Gehirn wie der Mensch. Damit k?nnen Forscher von grundlegenden Funktionsweise von Nervenzellen bis hin zur Verschaltung innerhalb der Gro?hirnrinde viele Fragestellungen untersuchen.

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Noch einfacher aufgebaut und leichter zu untersuchen ist das Gehirn von Zebrafischen und ihrer Larven. So besitzt das Gehirn einer Fischlarve nicht nur lediglich 100.000 Nervenzellen und damit eine Million Mal weniger als das des Menschen, es ist auch noch nahezu v?llig transparent. Wissenschaftler k?nnen deshalb ohne operativen Eingriff mit ihren Mikroskopen ins Gehirninnere blicken.

Auch Wirbellose k?nnen ein Modell für Neurowissenschaftler sein. Ihre Nervenzellen sind zwar sehr klein, dadurch kann ihre Aktivit?t nicht so leicht gemessen werden. Dafür lassen sich wegen des vergleichsweise einfacheren Architektur die Prinzipien von Verschaltungen zur Wahrnehmung und Verarbeitung von Umweltreizen analysieren. So k?nnen Forscher anhand des Gehirns von Fruchtfliegen lernen, wie der Geruch von Nahrung die Fortpflanzung beeinflusst. Durch die Analyse des Sehsystems von Schmei?fliegen wollen sie herausfinden, wie die Insekten Bewegungen so unglaublich schnell wahrnehmen k?nnen. Selbst ein so einfach aufgebauter Organismus wie der Fadenwurm C. elegans kann mit seinen exakt 256 Nervenzellen wichtige Erkenntnisse zur Entstehung und Funktionsweise des Nervensystems liefern.

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