Funktion des Gehirns

Das Gehirn als Basis des Gedächtnisses

Quelle: http://www.spiegel.de/wissenschaft/
natur/0,1518,589544,00.html (08-12-04)

Die moderne Hirnforschung geht zwar nach wie vor davon aus, daß bestimmte Hirnregionen bestimmte Funktionen hätten, jedoch nehmen die Forscher auch an, daß das Gehirn netzwerkartig arbeitet und die verschiedenen Gehirnteile konzertiert zusammenwirken. Es mache daher wenig Sinn - wie früher üblich - auf einer Kopfbüste verschiedene Schädelabschnitte aufzumalen und mit bestimmten Aufgaben oder Gedächtnissystemen zu bezeichnen. Siehe dazu auch die Untersuchungen Vingerhoets zur Lateralisation

Siehe auch

Inhaltsabhängige
Gedächtnisformen

Speicherabhängige
Gedächtnisformen

Alle geistigen Funktionen beruhen auf chemischen und elektrophysikalischen Vorgängen in verschiedenen, klar voneinander abgrenzbaren Bereichen des Gehirns und sind als Folge der Auseinandersetzung des Menschen mit seiner Umwelt evolutionär entstanden. Die gegenüber den Primaten besonders herausragenden Leistungen des Menschen bezüglich des räumlichen Sehens und Vorstellungsvermögens, des Lernens und des Gedächtnisses sowie des sprachlichen Ausdrucksvermögens und der Begriffsbildung haben sich im Verlaufe der letzten 4 Millionen Jahre entwickelt und sind an archäologischen Funden nachweisbar. Insbesondere das Gedächtnis als Grundlage aller höheren geistigen Aktivitäten beruht auf einer chemischen Verfestigung bestimmter evolutionär angelegter Hirnstrukturen und Nervenschaltungen, die durch häufigen Gebrauch bis zu einem Grade stabilisiert werden können, daß die Gedächtnisinhalte für das ganze Leben erhalten bleiben.

Ob wohl sich Menschen bekanntlich genetisch nicht sehr von Primaten unterscheiden und auch dessen Gehirn dem menschlichen ähnelt, werden nach Meinung Stanislas Dehaenedies die Unterschiede allerdings in ihren Auswirkungen dramatisch unterschätzt. Zwar besteht zwischen der Gesamtanlage des menschlichen Gehirns und der z.B. des Makaken bedeutende Ähnlichkeiten - so haben die für Sensorik und Motorik zuständige primäre Hirnrinde den gleichen Aufbau und sogar in höheren Hirnregionen lassen sich Homologien auffinden, doch allein bei den primären Sehregionen zeigt sich schon im Oberflächenareal eine zweifache Abweichung zwischen Mensch und Makak, und in höheren Bereichen des Parietal- und des Frontallappens ist es das 20 bis 50fache. So haben Studien gezeigt, dass Menschen einen wesentlich größeren willentlichen Einfluss auf die Bildverarbeitung haben als Affen.

Viele Experten vermuten sogar, dass die dramatischen Veränderungen in manchen Teilen des Kortex auf zusätzliche Gehirnregionen hinauslaufen. Im eher mikroskopischen Bereich gibt es mit den Spindelzellen einen Neuronentypus, der sich nur im anterioren cingulären Kortex des Menschen und großer Affen, aber nicht bei anderen Primaten findet. Diese Spindelzellen knüpfen Verbindungen über die ganze Hirnrinde hinweg und tragen auf diese Weise zu der besonders ausgedehnten Konnektivität des menschlichen Gehirns bei. Solche Abweichungen der Fläche und Verschaltung mögen vielfach rein quantitativer Art sein, haben aber die Hirnfunktion im qualitativen Sinne revolutioniert. Diese höhere Konnektivität des menschlichen Gehirns ermöglicht eine besonders flexible Kommunikation zwischen weit auseinander liegenden Hirnregionen. Menschen können durch sie auf die Informationen innerhalb jedes Prozessors auf der Hirnrinde zugreifen und sie über Leitungsbahnen fast allen anderen zur Verfügung stellen kann. Das menschliche Gehirn ist daher viel weniger auf äußere Signale angewiesen, als es die Gehirne anderer Primaten sind, denn seine Tätigkeit hört nie auf, von Region zu Region weiterzuwirken, und derart erzeugt es spontan einen hochstrukturierten Gedankenstrom, den Menschen auf die Außenwelt projizieren. Der Mensch ist daher auch einzigartig in seiner Fähigkeit, seine Funktionsweisen durch Erfindung neuer Kulturtechniken wie Schreiben, Rechnen oder Wissenschaft auszudehnen. Möglicherweise trägt auch die Erziehung stark dazu bei, die Kluft zwischen dem menschlichen Gehirn und dem der Primaten zu vertiefen.

Biologie und Psychologie billigen auch den höheren Tieren ein Bewusstsein zu, das zunächst nichts weiter ist als die Integration verschiedener sensorischer Nervenimpulse zu einer Ganzheit, von der aus das Verhalten zur Bewältigung von Aufgaben effektiver gesteuert werden kann. Das tritt zweifellos auch bei Vögeln und Säugetieren auf. Die Emergenz von Bewußtsein ist also mit ziemlicher Sicherheit ein Produkt der natürlichen Selektion in der Evolution. Experimentelle Untersuchungen zeigen, daß bei Tieren wie bei Menschen eine motorische Muskelreaktion gleichermaßen von der Großhirnrinde ausgeht, die über einen Impuls an das Kleinhirn die Muskelbewegung auslöst. Auch das Selbstbewußtsein des Menschen ist eine weitere emergente Entwicklung, die sich aus einem immer komplexeren Bewusstsein ergibt.

Das menschliche Selbst ist nach Gilbert Ryle sicher kein "Gespenst in der Maschine" und kein immaterielles Püppchen in einer materiellen Köperpuppe. Das Selbst oder das Ich - welches Wort man dafür wählt, tut nichts zur Sache - ist jene rätselhafte Instanz, auf die wir uns fortwährend beziehen, indem wir sagen: „Ich habe einen Körper. Ich habe Erlebnisse und Absichten. Ich bin in der Lage, etwas zu tun oder nicht zu tun.“ Am unmittelbarsten beziehen wir uns auf uns selbst, wenn wir sagen: „Ich bin ich.“ Schon Descartes argumentierte: "Ich existiere, weil ich mir dessen bewusst bin, dass ich es bin, der denkt, zweifelt, irrt." Wenn aber Descartes irrte, als er dachte, sein Ich sei eine ortlose Seelensubstanz, dann lautet sein wesentlicher Punkt: "Indem ich denke, ich sei eine Substanz, irre ich mich vielleicht; aber ich kann mich nicht darin irren, dass ich es bin, der sich dessen bewusst ist, dass er denkt. Ich denke, also bin ich.“

Während Struktur und anatomischer Aufbau der beiden Hälften des Gehirns anscheinend keinerlei Unterschiede aufweisen, entwickelt sich nur bei den Hominiden eine ausgeprägte funktionale Asymmetrie. In der linken Hälfte des Gehirns entwickeln sich die sprachlichen, arithmetischen und begrifflichen Funktionen, in der rechten das räumliche Vorstellungsvermögen und das Musikverständnis. Die unterschiedlichen Funktionen der beiden Hälften sind in den phylogenetisch am spätesten ausgebildeten Regionen der Hirnrinde konzentriert und bilden sich ontogenetisch erst im Kindesalter aus. Deshalb gibt es auch die seitenumgekehrte Asymmetrie und bei Hirnschäden im Kindesalter kann die andere Hirnhälfte die Funktionen der geschädigten Seite übernehmen. Auch die im frühen Kindesalter noch offene und spätere Festlegung ausgeprägter Fähigkeiten und Neigungen verweist auf diese Tatsachen. Durch die funktionale Asymmetrie konnte die Potenz der Hirnrinde des Menschen gegenüber dem Schimpansen auf das 5,4-fache gesteigert werden bei einem Anwachsen des Volumens auf das nur 3,2-fache. Inwiefern das Selbstbewußtsein auf beide Gehirnhälften verteilt ist, konnte noch nicht eindeutig geklärt werden, weil der rechten, untergeordneten Hälfte die sprachliche und begriffliche Ausdrucksfähigkeit fehlen, emotionale Reaktionen wegen der tieferen Verbindungen beider Gehirnhälften über das ungeteilte limbische System bisher aber nicht hinreichend getrennt werden konnten. Man nimmt jedoch an, daß das Selbstbewußtsein in der dominanten linken Hälfte seinen Sitz hat.

In der Neurologie konnte man anhand von selektiv ausgefallenen Ichstörungen feststellen, dass es rund zehn klassifizierbare Ichs in unterschiedlichen Teilen des Gehirns gibt. Die komplizierten Netzwerke im Gehirn sind elementar mit diesen Ichs verbunden, wobei diese Ichs in der Entwicklung von Kleinkind zum Jugendlichen bis zum ethischen Ich, das mit 12-16 Jahren entsteht, heranwachsen.

In bezug auf die Gehirnentwicklung wichtig ist auch die Tatsache, daß die Axone der Neuronen von Stützzellen, den Schwann-Zellen, ummantelt sind. Zusammen bilden Axon und Neuron die Nervenfaser und bei bestimmten Nervenfasern bilden die Schwann-Zellen eine dicke Isolierschicht aus Myelin, die Mark- oder Myelinscheide. Diese sorgt dafür, daß Impulse sehr rasch weitergeleitet werden können. Die Markscheide ist nur bei Nervenfasern vorhanden, bei denen eine rasche Signalübertragung notwendig ist - sie heißen deshalb auch markhaltige Nervenfasern. Auch im Gehirn gibt es markhaltige Nervenfasern - das Myelin, das sie umgibt, wirkt beim Betrachten weiß. Die Bereiche, in denen markhaltige Nervenfasern verlaufen, werden deshalb als weiße Substanz bezeichnet. Nebeneinander liegende Nervenzellkörper wirken dagegen grau (graue Substanz). Erst im Laufe der Entwicklung werden die Nervenstränge im Gehirn des Menschen mit Myelin verpackt. Kleinkinder bewegen sich tapsig, weil die Zellen in ihrem Hirn, die Arme und Beine steuern, noch nicht von dieser Isolationsschicht umgeben sind. Daß die Nervenfasern sich erst so spät in ihre Myelinhüllen wickeln, ist sinnvoll, denn isoliert werden nur jene Verbindungen, die das Hirn regelmäßig nutzt. So "zementiert" das Myelin gelernte und bewährte Verhaltensweisen - ein Vorgang, der bis etwa zum zwanzigsten Lebensjahr dauert und auch in späteren Lebensphasen wieder einsetzt. Gerade während der Pubertät tritt der Mensch in eine entscheidende Phase des Lernens ein. Während sich ein Kleinkind Basisfertigkeiten wie Laufen oder Sprechen aneignen muß, steht für ältere Kinder und Jugendliche der Umgang mit anderen Menschen und den eigenen Gefühlen im Mittelpunkt. Die vorangehende stürmische Wachstumsphase im Stirnhirn liefert sozusagen die Notizblöcke, auf denen die neuen Erfahrungen und Erkenntnisse festgehalten werden können. Bei Patienten mit Multipler Sklerose, die allmählich die Kontrolle über ihre Gliedmaßen verlieren, löst sich die Myelinhülle der Nervenfasern auf.

Das Gehirn ist während der Entwicklung äußerst formbar, wobei zu diesem Zeitpunkt Stimulationen von Außen wie Bilder und Geräusche notwendig sind, damit die verschiedenen Gehirnsysteme sich überhaupt normal entwickeln. Babys und Kleinkinder zwischen ein und drei Jahren benötigen z.B. regelmäßige visuelle Stimuli, damit sich in ihrem Sehapparat die korrekten Nervenbahnen bilden. Wird ein Auge während dieser Phase durch eine Krankheit behindert, etwa durch Amblyopie, kann die Sehkraft permanenten Schaden nehmen. Dabei ergibt sich eine kritischen Phase für einen dauerhaften Schaden, der sich nicht mehr von selbst korrigieren lässt. Neuere Forschungen zeigen, dass hemmender Moleküle, die das Nervensystem selber produziert, um das grenzenlose Neuronenwachstum zu stoppen, einer späteren neuronalen Plastizität bei Erwachsenen entgegenstehen.

Nach Untersuchungen von Arne My (Hamburg) führen chronische Kopfschmerzen, die über Jahre andauern, in der Regel zu nachweisbaren Veränderungen im Gehirn. Patienten mit chronischen Kopfschmerzen weisen in bestimmten Hirnarealen etwas weniger graue Substanz als gesunde Vergleichspersonen auf.

Aufgaben des Gehirns

Das Gehirn hat primär die Aufgabe, die Funktionen und das Verhalten so zu steuern, daß der Organismus sich an seine Umwelt anpaßt und in dieser seine Überlebenschancen erhöht. Hierzu dienen folgende Aktivitäten:

• Fast jeder Körperteil sendet über die peripheren Nerven Signale zum Gehirn, die in den somatosensiblen Rindenfeldern und Kernen empfangen werden. Nervenzellen übertragen ihre Informationen als eine Folge neuronaler Impulse, doch die Art und Weise, wie sie Informationen in diesen Signalen verschlüsseln und wie diese von den nachgeschalteten Zellen verarbeitet werden, ist unterschiedlich. Einige Zellen nutzen die Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit, andere Zellen nutzen einen zeitlichen Code, bei dem es auf das exakte Timing ankommt, also darauf, ob eine Zelle einen Impuls Millisekunden vor oder nach einer anderen Zelle sendet. Diesen zeitlichen Code nutzen vor allem Zellen der Großhirnrinde, die viele Signale von anderen, vorgeschalteten Zellsystemen erhalten. Nur dadurch können sie mit hoher zeitlicher Präzision auf Eingangssignale reagieren.
• Durch Körperaktivität werden chemische Stoffe erzeugt, die das Gehirn über den Blutkreislauf erreichen und die Funktionsweise des Gehirns direkt oder durch Aktivierung bestimmter Gehirnregionen beeinflussen.
• Das Gehirn wirkt über das autonome und das willkürliche Nervensystem auf alle Teile des Körpers ein. Die Signale für das autonome Nervensystem entstehen in den evolutionär älteren Regionen (Amygdala, Gyrus cinguli, Hypothalamus und Gehirnstamm), die für das willkürliche System in den motorischen Rindenfeldern und Kernen unterschiedlichen evolutionären Alters.
• Befehle zur Herstellung von chemischen Substanzen und ihre Ausschüttung in den Blutkreislauf (Hormone, Transmitter und Modulatoren) Empfang von Reizen aus den Sinnesorganen für Sehen, Hören, Tasten, Schmecken und Riechen in den entsprechenden frühen sensorischen Rindenfeldern.
  

[Quelle: http://psych.hanover.edu/Krantz/neurotut.html]

Die verschiedenen Ein- und Ausgabefelder des Gehirns sind nicht direkt, sondern nur über verschiedene andere Gehirnregionen mit unterschiedlichen Funktionen miteinander verbunden. Dabei gibt es kein Zentrum, in dem etwa alle unterschiedlichen Eingaben zusammenlaufen. Jedes Sinnessystems verfügt über eigene lokale Apparate für Aufmerksamkeit und Arbeitsgedächtnis, mit denen ein globales Aufmerksamkeitszentrum zeitlich nacheinander koordiniert zusammenarbeitet.

Es gelangt nicht jede Information bis zur Hirnrinde und damit zum Bewusstsein, denn peripher liegende Nervengeflechte (Plexus) und vor allem Zentren im Hirnstamm dienen einer unbewussten Vorverarbeitung von Signalen. So übernehmen etwa Reflexbögen Aufgaben, die mit höchster Geschwindigkeit und ohne bewusste Verarbeitung und verzögernde Einflussnahme ablaufen müssen. Beim Menschen dient das autonome Nervensystem der Koordination vegetativer Funktionen wie Atmung, Kreislauf, Nahrungsaufnahme, -verdauung und -abgabe, Flüssigkeitsaufnahme und -ausscheidung, sowie der Fortpflanzung. Die Regulation dieser Prozesse würde diejenigen Strukturen des Gehirns, die mit der bewussten Wahrnehmung beschäftigt sind, vollständig überfordern und damit blockieren. Daher hat dieses Ausblenden eine wichtige Funktion für die menschliche Aufmerksamkeit.

Wahrnehmungsbilder werden von den Sinnesorganen topographisch organisiert auf die frühen Rindenfelder projiziert, von wo aus sie komprimiert als dispositionelle Repräsentation in speziellen Konvergenzzonen durch Lernvorgänge ins Gehirn eingespeichert werden. Von dort aus werden sie bei Denkvorgängen auf die gleichen Rindenfelder rückprojiziert und als Erinnerungsbilder wahrgenommen, die jedoch nicht die gleiche Detailtreue der ursprünglichen Wahrnehmungsbilder besitzen, sondern infolge der Komprimierung Informationsverluste zeigen, aber das uns während der Wahrnehmung Wesentliche noch enthalten. Diese Erinnerungsbilder sind flüchtig, müssen aber für den Zeitraum eines Denkvorganges (bis zu einigen Sekunden) aufrechterhalten werden. Gespeichert werden also nicht topographisch organisierte Bilder, sondern nur die Mittel, um diese Bilder später wieder rekonstruieren zu können. Der dabei verwendete Code ist noch unbekannt.

Als solche dispositionellen Repräsentationen wird unser gesamtes Wissen abgelegt. Das angeborene Wissen ist dabei im Hypothalamus, im Hirnstamm und im limbischen System eingespeichert, während das durch Lernen erworbene Wissen in höheren Rindenfeldern und subkortikalen Kernen abgelegt wird. Bei Denkvorgängen aktivieren wir diese dispositionellen Repräsentationen zu Vorstellungsbildern, operieren mit ihnen und legen sie verändert wieder ab. Diese visuellen, akustischen oder symbolischen Bilder oder Bewegungen müssen dabei nicht unbedingt ins Bewußtsein treten, dispositionelle Repräsentationen von ihnen können aber nur in den Assoziationsfeldern gespeichert werden, wenn sie vorher topographisch in den frühen sensorischen oder motorischen Rindenfeldern dargestellt wurden.

Die optische Wahrnehmung funktioniert etwa so, dass Lichtreize durch die Augen aufgenommen und durch Nervenzellen an das Gehirn weitergeleitet werden, wobei die Sprache der Neuronen ja keine fertigen Bilder enthält, sondern nur einfache elektrische Signale. Ein Prinzip der menschlichen Wahrnehmung ist nämlich, dass das Gehirn die Welt immer so zeigt, wie wir sie vermuten, denn wir erinnern uns stets daran, wie die Dinge immer ausgesehen haben und rekonstruieren so das, was wir dann "für wahr nehmen". Sehen wir etwa einen Tisch, so nehmen wir nicht jeden einzelnen Punkt von ihm wahr wie eine Digitalkamera, denn das wäre viel zu aufwendig und zeitintensiv. Wir scannen vielmehr grob einige Merkmale und Umrisslinien, die das Gehirn dann mit den im Gedächtnis gespeicherten Objekten vergleicht, und da wir schon oft einen Tisch gesehen haben, fällt es dem Gehirn nicht schwer, aus ganz rudimentären Informationen ein komplettes Bild des Tisches aufzubauen. Die Nervenzellen im Gehirn werten selektiv alle Informationen aus der Umwelt aus und konstruieren so ein scheinbar vollständiges Abbild der Welt. Dabei vergleicht das Gehirn die eingehenden Signale mit bereits gespeicherten Mustern. Es muss dabei aber auf einen bestimmten Erfahrungsschatz zurückgreifen, um bestimmte Gegenstände aufgrund von wenigen Merkmalen als solche zu erkennen. Die meisten Wahrnehmungstäuschungen entstehen übrigens nicht in den Sinnesorganen, sondern direkt im Zentralnervensystem, wo die Hypothesen aufgestellt werden, worum es sich bei dem wahrgenommenen Objekt handeln könnte. Kein noch so leistungsfähiges Gehirn kann alle Eindrücke aus der Umgebung verarbeiten, denn es käme zu einer Systemüberlastung, sodass es eine der großen Stärken des Gehirns darstellt, aus möglichst wenigen Informationen ein möglichst zutreffendes Bild der Wirklichkeit zu schaffen. Es wählt aus den unzähligen Sinneseindrücken, die ständig übermittelt werden, die wichtigsten Schlüsseleindrücke aus. Optischen Täuschungen führen immer wieder vor Augen, wie ungenau unsere Wahrnehmung ist, wobei Kinder weniger anfällig für Illusionen sind, denn sie schauen genauer hin, da ihr Gehirn noch kein so großes Repertoire an Vergleichsmöglichkeiten besitzt.

Phantomschmerz

Quelle:
http://www.idw-online.de/pages/de/news274740 (08-08-27)
http://science.orf.at/science/news/150851 (08-07-07)

Patienten, denen Gliedmaßen amputiert wurden, leiden häufig am sogenannten Phantomschmerz. Das Gehirn "glaubt" diese Illusion und reagiert darauf durch eine Aktivierung jener Zellen, die für die Koordination der verlorenen Gliedmaße zuständig sind. Diese treten bei 60 bis 80 Prozent aller Amputationen, doch verringert sich die Häufigkeit des Auftretens sowie die Intensität bei einem Großteil der Betroffenen im Laufe der Zeit ohne spezifische Intervention. Der Mechanismus, der der Entstehung von Phantomschmerzen zugrunde liegt, ist nicht vollständig geklärt. Beim Phantomschmerz liegen die Ursachen ziemlich sicher nicht ausschließlich in den der amputierten Extremität topographisch zugeordneten Gehirnfeldern, vielmehr vermutet man, dass es erhebliche Umstrukturierungsprozesse in jenen Teilen des Gehirns gibt, die vor der Amputation mit der Verarbeitung von Informationen aus der nun fehlenden Extremität beschäftigt waren. Diese Umstrukturierungsprozesse sind möglicherweise fehladaptiv, d.h., sie gehen sozusagen ins Leere. Eine mögliche Folge ist daher der Phantomschmerz. Um diese Fehlentwicklung wenigstens teilweise rückgängig zu machen, nutzt eine Jenaer Forschergruppe herkömmliche Prothesen, bei denen Druckinformationen aus den künstlichen Fingern dem Gehirn gemeldet werden.

Prinzip Arbeitsteilung: Erinnerungen sind überall

Für das Gehirn ist das Aufrufen einer Erinnerung eine Art Zeitreise, , denn schon bevor ein Gedanke an eine spezielle Begebenheit ins Bewusstsein gelangt, werden die gleichen Gehirnareale aktiviert wie zu der Zeit, als dieses erinnerte Ereignis stattfand. Dabei folgt das Gehirn einer recht ausgeklügelten Strategie, denn zunächst ruft es lediglich Erinnerungen an allgemeine Informationen aus dem Umfeld des Ereignisses ab, die dann Erinnerungen an immer mehr Details aufrufen, bis das gesamte Aktivitätsmuster wiederhergestellt ist - wobei das Gehirn hier durchaus Fehler machen kann bzw. Lücken auffüllt.

Erinnerungen sind also immer durch Netzwerke vieler Nervenzellen festgehalten. Ein weiteres Funktionsprinzip des Gedächtnisses: Arbeitsteilung.

Beispiel: Die Erinnerung an einen Bleistift. Die Informationen über die Farbe, Form und Funktion des Stifts sind an jeweils verschiedenen Orten im Gehirn gespeichert. Sie scheinen den Gehirnregionen zugeordnet zu sein, die auch für die Wahrnehmung der entsprechenden Eigenschaft zuständig sind. So wird die Farbe des Stifts an einem anderen Ort verarbeitet als zum Beispiel die zylindrische Form. Das Gedächtnis funktioniert wie ein Orchester: Die Geigen sind für die Farbe des Stifts zuständig, die Querflöten für die Form, die Pauke für die Funktion. Alle zusammen lassen in Sekundenbruchteilen das Bild des Stifts vor dem geistigen Auge entstehen.

Die Frage ist, woher das Gehirn weiß, daß die verschiedenen Informationen zu ein und demselben Objekt gehören. Einen Dirigenten, der mit seinem Taktstock alles im Griff hat, gibt es nämlich nicht im Gehirn. Die Vermutung der Forscher: Entscheidend ist der Takt, in dem die Nervenzellen feuern. Alle Nervenzellen, die mit der Erinnerung an den Bleistift beschäftigt sind, feuern beispielsweise fünfzigmal in der Sekunde. Andere Zellen, die sich an ein Blatt Papier erinnern, entladen sich nur dreißigmal. So wäre sichergestellt, daß weit auseinanderliegende Informationsdetails zu einem Gesamtbild zusammengefaßt werden können.

Alte und junge Erinerungen

Christine Smith & Larry Squire (University of California) stellte Probanden 160 Fragen zu Nachrichten aus den vergangenen 30 Jahren und maßen dabei deren Hirnaktivität. Bei den Fragen nach jüngeren Ereignissen war besonders der Hippocampus, der Sinneseindrücke zusammenführt und verarbeitet, aktiv, doch je weiter die Ereignisse zurücklagen, desto weniger aktivierten sie den Hippocampus. Bei Ereignissen vor mehr als zwölf Jahren spielte diese Gehirnregion keine Rolle mehr, sonder es kamen Bereiche in der Hirnrinde ins Spiel und wurden immer aktiver, je älter die Erinnerungen an die Ereignisse waren. Dabei war es völlig unerheblich, wie detailliert die Probanden sich an die Geschehnisse erinnern konnten oder ob sie diese mit einem Ereignis auch persönliche Erinnerungen verbanden. Diese Regionen der Hirnrinde sind vermutlich der endgültige Speicherplatz für Langzeiterinnerungen.

Auch das Immunsystem des Körpers verfügt über Gedächtniszellen, die den Kontakt mit einem Krankheitserreger in Erinnerung behalten und dafür sorgen, dass das Immunsystem bei einem wiederkehrenden Kontakt mit dem selben Erreger schnell und effizient eine Abwehrreaktion auslösen können. Vermutlich sorgt dieses immunologische Gedächtnis auch dafür, dass Impfungen über Jahre schützend wirken. Nach Untersuchungen von Basler Immunologen beginnen sich bei einer Infektion bestimmte Komponenten des Immunsystems in zwei Arten zu differenzieren: Einerseits beteiligten sie sich als kurzlebige Effektorzellen an der eigentlichen Abwehrreaktion und anderseits entstehen langlebige Gedächtniszellen, die die spezifische Immunreaktion abspeichern. Eine wichtige Rolle in diesem Prozess spielt der T-Zell-Rezeptor, der sich auf der Oberfläche von T-Zellen befindet.
Quelle: Science 2009

Eines der zentralen Rätsel der Neurowissenschaften ist der Versuch einer Antwort auf die Frage, wie es das Gehirn schafft, das Bündel jener Informationen, die über die verschiedenen Sinnesorgane einströmen, wieder zu einem erlebten Ganzen zusammen zu setzen und etwa ganzheitliche szenische Wahrnehmungen und Vorstellungen zu erzeugen. Um die Orientierung in der Umwelt zu gewährleisten, muss das Gehirn (hinreichend) verlässliche Informationen aus der Welt extrahieren und diese in Verhalten umsetzen. In der Regel sind es fünf Eigenschaften von Umweltreizen, die für das Gehirn von Bedeutung sind.

• die Modalität eines Reizes (Sehen, Schmecken, Hören etc.)
• die Qualität (beim Sehen z.B. Farbe, Helligkeit etc.)
• die Intensität (Lautstärke)
• die Zeitstruktur des Reizes und
• dessen Ort.

Die Codierung der Intensität wird durch Entladungsmuster einzelner Nervenzellen (Depolarisationen) zustande gebracht. Je intensiver ein Reiz, desto höher die Entladungsfrequenz der betroffenen Nervenzellen. Bei der Codierung von Sinnes-Modalität und -Qualität gilt das "Prinzip des Verarbeitungsortes": Der Ort, an dem eine bestimmte Erregung verarbeitet wird, bestimmt dessen subjektives Empfinden. Das Gehirn interpretiert dasjenige als "Sehen", was jene Areale der Hirnrinde erregt, die für die visuelle Informationsverarbeitung zuständig sind. Dementsprechend wird das als "Hören" interpretiert, was die auditorischen Hirnrindenareale erregt usw. Das wurde bereits im 19. Jahrhundert von Hermann von Helmholtz postuliert. Siehe dazu auch: Donald Olding Hebbs Hypothese zum "Bindungsproblem der Neurowissenschaften": Wie "weiß" das Gehirn, dass gewisse repräsentierte Eigenschaften zu ein und dem selben Objekt gehören, d.h., wie werden Form, Farbe, Geruch usw., die ja in verschiedenen Hirnarealen bearbeitet werden, zusammengeführt? Die jüngste Hypothese lautet: Die Bindung von Neuronen-Verbänden wird dadurch erreicht, dass diese einfach gleichzeitig aktiv sind. Mit anderen Worten, ihre Erregungsmuster sollten synchron ablaufen. Solche Synchronisationen in den Gehirnen von Katzen und Affen konnten bereits nachgewiesen werden.

Diese Integration von einzelnen Nervenimpulsen zu kohärenten Ganzheiten, das Binding, ist ein Überbegriff für die Bündelung von Sinnesdaten aus den einzelnen rezeptiven Feldern, aber auch für die Integration verschiedener Sinnesmodalitäten zu einheitlichen Wahrnehmungseindrücken. So gibt es eine Vielzahl von Merkmalen, die für die visuelle Wahrnehmung von Bedeutung sind (Farbe, Form, Oberflächenstruktur, Entfernung, räumliche Orientierung und Bewegungsrichtung). Für diese Einzelmerkmale gibt es jeweilige rezeptive Felder. So hat man beim Affen 30, bei der Katze 20 verschiedene rezeptive Felder für den Sehsinn gefunden. Ein entscheidender Schritt für das Erkennen ist die Festlegung, welche Merkmale zu einem Objekt, zu einer Figur gehören. Die erfassten Merkmale müssen dann zu einem Objekt gebunden werden, weil ungebundene Merkmale nicht in das Arbeitsgedächtnis eingehen können. Dieser Prozess der Segmentierung in zusammengehörige Objektbereiche ist z.B. die Voraussetzung für eine Figur-Hintergrund-Unterscheidung (ein Beispiel ist das bekannte Bild des am Boden schnüffelnden Dalmatiners von gleichfarbigen Hintergrund).

Die Behauptung von manchen ExpertInnen, dass Gehirnforscher schätzten, dass der Durchschnittsmensch nur etwa 10 Prozent der Gesamtkapazität seines Gehirns nutzt, ist Unsinn, denn es gibt keinen ernstzunehmenden Neurowissenschaftler, der das in dieser Form behauptet.

Die 7 Kriterien, nach denen solch eine Gestaltbildung im Gehirn erfolgt, wurden bereits in den 20er und 30er Jahren von der Gestaltpsychologie (vor allem von Köhler) entdeckt: Kontinuität, Nähe, Ähnlichkeit, "Gemeinsames Schicksal", Geschlossenheit, "Gute Fortsetzung" und Symmetrie. Allerdings hängt die Segmentierung auch von der Aufmerksamkeit des Beobachters und dessen Vorwissen über die Situation ab.

Wolf Singer und Engel (Max-Planck-Institut für Hirnforschung) versuchen seit geraumer Zeit die physiologischen Korrelate der Gestaltbildung zu finden, was sich lange Zeit als schwierig erwies, da die frühere Hypothese der Bindungsneuronen (Merkmale konvergieren auf ein einzelnes Neuron) nur auf eine Repräsentation elementarer Merkmale beschränkt blieb. Man fand zwar im Sehkortex einzelne Neurone für Hell/Dunkel-Unterschiede, Farbe, Bewegungsrichtung, relativen Abstand von Objekten aber kein "Großmutterneuron", ein Bindungsneuron für komplexe Objekte wie eine ganze Großmutter. Wie unökonomisch solch ein Mechanismus wäre, wird schnell klar, wenn man bedenkt, wie viele verschiedene Objekte, dann je ein Bindungsneuron benötigen würden. Es war offensichtlich, dass man für komplexe Merkmale einen zweiten Mechanismus finden muss. Die Idee, wie dieser Mechanismus funktionieren könnte, stammt von Milner (1974) und vom Neuroinformatiker Christoph von der Malsburg (1981): Neuronen können durch eine Synchronisation ihrer Impulse zu zeitlich kodierten Assemblies (nach Hebb 1949) zusammengeschlossen werden. Diese stellen dann ein Objekt dar. Die zeitliche Korrelation sollte die Genauigkeit von wenigen Tausendstel Sekunden aufweisen. Ein zusammengehöriges Objekt sollte sich durch einen exakt gleichen Takt der Neurone nachweisen lassen. Umgekehrt sollten dann Neurone, die nicht im selben Takt feuern, unterschiedliche Objekte bilden und damit die Segmentierung und Figur-Hintergrund-Unterscheidung ermöglichen. Diese Hypothese konnte im Wesentlichen bestätigt werden, wobei darüber hinaus nicht nur zeitliche Synchronisationen zwischen rezeptiven Feldern desselben Areals bestehen, sondern auch zwischen zu Zentren für die visuelle Wahrnehmung in der okzipitalen Sehrinde und zwischen der linken und rechten Hemisphäre im Bereich des Sehkortex. Inzwischen sind solche Korrelationen in und zwischen vielen kortikalen und subkortikalen Arealen bestätigt worden. Weiterhin zeigte es sich, dass diese zeitlichen Korrelationen durch veränderte Reize beeinflussbar sind und dass die Synchronisationen nur dann in starker Form auftreten, wenn die Neurone auf das selbe Objekt antworten. Bei verschiedenen Objekten wird die zeitliche Koppelung schwächer oder verschwindet ganz (nach Held o.J.).

Korrelation der neuronalen Aktivität durch Feuerrate und Timing

Im Gehirn ist die Aktivität der Milliarden von Neuronen “korreliert”, denn nur so kann das Gehirn so erstaunliche Leistungen vollbringen, wie Musik hören oder einen Text lesen. Jedes Neuron im Cortex erhält Informationen von etwa 30000 anderen Neuronen und sendet als Antwort darauf einzelne neuronale Impulse. Die vielfältigen elektrischen Eingangssignale, die ein Neuron erhält, führen zu Fluktuationen in der Spannung über ihrer Membran und sobald die Membranspannung einen bestimmten Schwellenwert erreicht, sendet das Neuron selbst ein Signal aus. Bisher wurden zwei Theorien entwickelt, wie das Gehirn Informationen in der elektrischen Aktivität neuronaler Signale kodiert, einerseits über die Feuerrate, andererseits über das exakte Timing eines neuronalen Impulses relativ zu anderen Signalen.

Fred Wolf et al. (Bernstein Zentrum für Computational Neuroscience und Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation) konnte in Untersuchungen zeigen, wie und unter welchen Bedingungen diese Korrelation zustande kommt, und zwar erfolgt die neuronale Umwandlung von Eingangs- in Ausgangssignale nach einer relativ einfachen mathematischen Formel, wobei die Umsetzung von Spannungen in digitale Signale ähnlich wie bei Mikroprozessoren funktioniert. Die Korrelation der Antwortsignale zweier Neuronen hängt nicht nur davon ab, wie ähnlich sie sich sind, sondern auch davon, wie aktiv die Zellen sind. Senden die Neurone in schneller Folge viele Signale (hohe Feuerrate), sind auch die Antwortsignale stärker korreliert. Dies gilt aber nur, wenn die Neurone lediglich einen Bruchteil ihrer Eingangssignale teilen. Die Regeln ändern sich drastisch, wenn die Neurone weitgehend von gemeinsamen Eingangssignalen angeregt werden und sie entsprechend ähnliche Antwortsignale produzieren. In diesem Fall spielt die Feuerrate keine Rolle. So sind verschiedene Neurone in der Sehrinde auf bestimmte Aspekte der Bildverarbeitung spezialisiert: Sie reagieren auf Farbe, Helligkeit, Orientierung oder Bewegungsrichtung. Vieles deutet darauf hin, dass Zellen, die den gleichen Gegenstand kodieren, ihre Signale synchronisieren, so dass zusammengehörige Information gemeinsam weitergegeben wird.

Diese Aussagen aus ihrem mathematischen Modell konnten direkt experimentell bestätigt werden, indem man Zellen mit im Computer nachgebildeten Gehirnströmen angeregt und ihre jeweiligen Antwortsignale gemessen hat. Offensichtlich hängen die beiden genannten Konzepte der neuronalen Kodierung eng miteinander zusammen.

Literatur

Ohne Autor (2010). Nervenzellen achten auf ihre Nachbarn. Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation.
WWW: http://www.mpg.de/bilderBerichteDokumente/dokumentation/pressemitteilungen/
2010/pressemitteilung201002011/index.html (10-02-07)
Tchumatchenko, Tatjana, Malyshev, Aleksey, Geisel, Theo, Volgushev Maxim & Wolf, Fred (2010). Correlations and Synchrony in Threshold Neuron Models. Physical Review Letters, Vol. 104, No.5 (5. Februar 2010).

Bunzeck, Nico, Doeller, Christian F., Fuentemilla, Lluis, Dolan, Raymond J. & Düzel, Emrah (2009). Reward Motivation Accelerates the Onset of Neural Novelty Signals in Humans to 85 Millisecond. Current Biology, Volume 19, Issue 15, 1294-1300.

Aus evolutionsbiologischer Sicht ist es besonders wichtig, über effiziente Mechanismen zu verfügen, die es uns ermöglichen, zwischen alter und neuer Information zu unterscheiden. In der Tat kann der Mensch nicht nur mühelos zwischen alter und neuer Information unterscheiden, sondern unser Gehirn erledigt dies auch besonders schnell: so genannte neuronale Neuheitssignale lassen sich nach bereits 200ms elektrophysiologisch messen. Eine bislang unbeantwortete Frage war, warum Gehirne nichtmenschlicher Primaten bereits nach ca. 70-80 ms zwischen alter und neuer Information unterscheiden.

In Studien (Bunzeck, Doeller, Fuentemilla, Dolan, & Düzel, 2009) wurde nun gezeigt, dass das menschliche Gehirn den Unterschied zwischen neuer und alter Information bereits nach 85ms signalisiert. Eine derart schnelle Hirnantwort zu neuen Stimuli wird durch Belohnungsmotivation beschleunigt. Der Einfluss von Motivation auf neuronale Neuheitssignale hängt möglicherweise mit dem Hirnbotenstoff Dopamin zusammen. Diese Befunde zeigen, dass Hirnprozesse mit sehr unterschiedlichen Geschwindigkeiten ablaufen können und dass eine ausgeprägte Beschleunigung des Gehirns möglich ist.

Eine Störung solcher motivationaler Beschleunigungsmechanismen könnte zum Beispiel im Alter oder bei einer Reihe von Hirnerkrankungen zu einer kognitiven Verlangsamung führen.

Gehirn verhindert Dunkelheit beim Blinzeln

Quelle:
http://www.alphagalileo.org/ (05-11-13)

Jeder Mensch blinzelt etwa 10- bis 15-mal in der Minute für jeweils eine Zehntelsekunde. Allerdings nehmen wir dabei keine Dunkelheit wahr. Im Gegensatz zu einer kurzzeitigen Verdunklung der Umgebung stört das Blinzeln auch nicht die Wahrnehmung und geschieht unbemerkt.

Davina Bristow (Institute of Neurology University College London) verschloss Probanden die Augen mit lichtdichten Schutzbrillen und setzte einen hellen Lichtleiter in die Mundhöhle, dessen Licht durch die Gaumendecke hindurch die Netzhaut auch beim Blinzeln von innen konstant beleuchtete. Mit Hilfe der funktionellen Magnetresonanztomographie wurde überprüft, welche Gehirnregionen dabei aktiv waren. Beim Blinzeln wurden die Bereiche der visuellen Wahrnehmung bereits kurz vor dem Schließen der Lider ausgeblendet, sodass das Gehirn im Moment des Blinzelns keinen visuellen Input bekommt. Es werden also bestimmte Verbindungen im Gehirn, die auf visuelle Eingabe reagieren, werden kurz vor dem Schließen der Augenlider unterbrochen. Dieser Mechanismus bewahrt das Gehirn somit vor dem kurzzeitigen Blackout und verhindert gezielt die Wahrnehmung der vorübergehenden Dunkelheit.

Signalverzögerung

Signale müssen innerhalb von Systemen Entfernungen überwinden, so auch bei biologischen Systemen wie unserem Nervensystem. In Millisekundenbereich tauschen sich Ionen aus, laden und entladen sich Spannungen, die heute exakt messbar sind. In unserem Bewusstsein gibt es einen Verspätungseffekt zwischen 20 und 500 Millisekunden, denn Reize benötigen Zeit, bis sie von den peripheren Sensoren über die Nervenbahnen ins Gehirn gelangen. Da die Reize für das Gehirn aber nicht mit einem Zeitstempel versehen sind, es aber dennoch wichtig ist, zur richtigen Zeit zu reagieren, täuscht das Gehirn das Bewusstein, damit wir den Reiz nicht zu dem späteren Zeitpunkt erleben, an dem das Gehirn ihn registriert, sondern es wird für unser Bewusstsein die Verzögerung weggerechnet, sodass wir den Schmerz unmittelbar mit dem Stimulus spüren.

Eine ähnlich verschleierte Verzögerung zwischen einem neuronalen Ereignis und dem Bewusstsein gibt es auch bei Handlungsentschlüssen. In diesem Fall "betrügt" uns das Gehirn jedoch auf andere Weise. Wenn wir einen bewussten Entschluss treffen, etwas machen zu wollen, z.B. etwas zu sagen oder einen Knopf zu drücken, tritt "objektiv betrachtet" das Bewusstsein des Entschlusses, diese Handlung auszuführen, etwa 350 Millisekunden nach dem Zeitpunkt ein, an dem das entsprechende Bereitschaftspotential von einem äußeren Beobachter registriert werden kann. Einmal also wird das Erlebnis zurückdatiert, das andere Mal haben wir den Eindruck, dass wir mit unserem bewussten Willen eine Handlung starten, während die entsprechende Gehirnaktivität schon früher eingesetzt hat.

Diese Verzögerungen hängen aber nicht nur von der Langsamkeit unseres neuronalen Systems ab, das beispielsweise Punkte, wenn sie in einem zeitlichen Abstand von unter 30 Millisekunden aufleuchten, als gleichzeitig, ab einem Abstand von 60 Millisekunden als (Schein)Bewegung und oberhalb von 200 Millisekunden als nacheinander aufleuchtend interpretiert.

Max Wertheimer (1880-1943), der Begründer der experimentellen Gestaltpsychologie, beobachtete in einem klassischen Expereiment über das Sehen von Bewegungen 1912, dass zwei Reize, die in schneller Folge hintereinander dargeboten werden, als Bewegung erscheinen (Scheinbewegung=Phi-Phänomen). Ist das Zeitintervall zu kurz, wird eine Simultaneität der Reize erlebt, ist es zu lang, entsteht der Eindruck der Sukzessivität. Wertheimer bezeichnet das Phi-Phänomen nicht als Wahrnehmungstäuschung, da es nicht verschwindet, wenn die Probanden aufgeklärt wurden. Diese Langsamkeit ist auch Bedingung dafür, dass wir in Filmen Bewegung und nicht eine Aufeinanderfolge von einzelnen Bildern sehen.

Die Bewusstseinstäuschungen über die zeitliche Folge wurden von Benjamin Libet (siehe unten) in den 70er Jahren entdeckt und in späteren Experimenten bestätigt. So meint er beispielsweise, dass angesichts der Verzögerung des bewussten Willens die Funktion des Bewussteins wahrscheinlich nicht darin liege, Handlungsketten zu initiieren, sondern willensbestimmte Ereignisse zu selektieren, was auch heißt, dass sich Handlungspotentiale, die vor dem Erleben des bewussten Willens einsetzen, durch eine Art Veto-Aktion abgebrochen werden können.

Eagleman, D. M. & Sejnowski, T. J. (2001). Motion Integration and Postdiction in Visual Awareness. Science, 28, 5460

Wissenschaftler des Salk Institute for Biological Studies haben ähnliche Experimente wie Libet durchgeführt und erneut festgestellt, dass wir mindestens 80 Millisekunden mit unserem Bewusstsein zurückliegen: Wir leben gewissermaßen in der Vergangenheit, weil das menschliche Gehirn bewusste Wahrnehmung bzw. Gegenwart als eine Art der Nachbearbeitung herstellt. Die Ergebnisse ihres Experiments deuten sie so, dass sie einer üblichen Interpretation der visuellen Wahrnehmung widerspricht, nämlich dass das Gehirn etwa in der Wahrnehmung einer Bewegung künftige Ereignisse vorausprojiziert und vorwegnimmt, wodurch es zu bestimmten Wahrnehmungseffekten kommt.

Schon seit langem ist bekannt, dass es unter bestimmten Bedingungen zu einer charakteristischen Verzögerung bei der Deutung des Wahrgenommenen kommt, wenn Versuchspersonen einen sich bewegenden Kreis beobachten und plötzlich in der Mitte ein Lichtpunkt aufblitzt. Auch wenn sich der aufblitzende Lichtpunkt physikalisch in der Mitte des Rings befindet, wird er so wahrgenommen, als würde er hinter dem Ring zurückbleiben. Normalerweise interpretiert man dieses Ergebnis so, dass das Gehirn von der Kontinuität der Bewegung des Rings ausgeht und daher seine künftige Position vorwegnimmt, während es das plötzlich aufleuchtende Licht gewissermaßen "richtig" lokalisiert. Eagleman meint, dass es durchaus einleuchtend wäre, wenn das Gehirn Dinge, die sich bewegen, richtig lokalisieren will, vorausberechnet, um die Verzögerung auszugleichen, die entsteht, bis das Licht von der Retina in das Gehirn gelangt und dort verarbeitet wird.

Um diese These zu überprüfen, führten die Wissenschaftler einige einfache Experimente durch, bei denen der Ring, in dem der Lichtpunkt aufblitzt, sich nicht kontinuierlich weiter bewegte, sondern beim Aufblitzen gestoppt wurde oder seine Richtung umkehrte: "Wenn die prädiktive Hypothese richtig ist," so Eaglemen, "dann würde man in jedem Fall dasselbe Ereignis erwarten, d.h. der aufblitzenden Lichtpunkt sollte dem Ring hinterher folgen, weil das Gehirn annimmt, dass der Ring seine Bewegungsrichtung beibehält." Das Experimente führte jedoch zu anderen Ergebnissen: die Lokalisierung des Lichtpunkts hängt davon ab, wohin sich der Ring nach dem Aufblitzen bewegt. Wird der Ring gestoppt, so erscheint der Lichtpunkt im Zentrum, wird die Bewegung des Rings umgekehrt, so folgt er in der entsprechenden Richtung hintennach. Dasselbe Ergebnis tritt auch dann auf, wenn der Lichtpunkt in der Mitte des stillstehenden Ringes aufblitzt und dieser erst danach in Bewegung versetzt wird. "Das ist ein verrücktes Ergebnis", meint Eagleman. Es bedeutet, dass das Gehirn Informationen über die Zukunft eines Ereignisses sammelt, bevor es sich entschließt, wie es das, was es zur Zeit des Ereignisses gesehen hat, deuten soll."

In dem Experiment wird die Wahrnehmung in einem Zeitfenster von durchschnittlich bis zu 80 Millisekunden überarbeitet, d.h. der Ring muss erst 80 Millisekunden nach dem Aufblitzen bewegt werden, um den Effekt zu erzeugen, dass der Lichtpunkt in der jeweiligen Bewegungsrichtung nachhängt. Die verarbeitete Wahrnehmung löscht gewissermaßen die Zeitspanne und kombiniert ein späteres Ereignis mit einem früheren Eindruck. Wenn Eagleman sagt, dass eigentlich das, was "man zu einem gegebenen Zeitpunkt zu sehen glaubt, durch die Zukunft beeinflusst" sei, so ist das mit Berücksichtung der von Libet festgestellten Verzögerung wohl nicht ganz richtig. Die Rückdatierung ermöglicht offenbar in einem bestimmten Zeitfenster eine Korrektur des Gesehenen durch die unmittelbar darauf folgenden Ereignisse, die nur physikalisch zukünftig sind, vom Gehirn aber dank der notwendigen Verzögerung bei der Signalübertragung in die erlebte Gegenwart hineingerechnet werden können.

Da das Bewusstein nicht alle von den Sensoren einströmenden Daten registrieren kann, sondern sozusagen ein bereinigtes Bild aufgrund der geringen Kapazität des verfügbaren Arbeitsspeichers erstellt, sind gegenüber der These der Projektion solche Korrekturen innerhalb des Zeitfensters und der Rückdatierung äußerst sinnvoll, um nicht völlig falsch zu reagieren, wenn es auf die Geschwindigkeit der Reaktion ankommt. Von den vielen Millionen Bits, die in jeder Sekunden von den Sinnesorganen an unser Gehirn gesendet werden, werden vermutlich nur zwischen 15 und 40 Bit pro Sekunde verarbeitet.

In der Badischen Zeitung fand sich ein Bericht von Joachim Rogosch:

Wie die Psyche das Gehirn baut

Gehirnentwicklung von den Genen vernachlässigt

Quelle:
OÖNachrichten vom 19.07.2003

Hüther, Gerald (2002).
Bedienungsanleitung für ein menschliches Gehirn. Vandenhoeck & Ruprecht.

Das menschliche Genom ist seit kurzem entschlüsselt: 30.000 Gene, nicht viel mehr als ein Wurm, braucht die befruchtete Eizelle, damit aus ihr ein Mensch wird. Doch ausgerechnet bei der Entstehung unseres wichtigsten Organs, des Gehirns, spielen die Gene nur eine untergeordnete Rolle. Wenn es um das Gehirn geht, sind Gene "nur das Basismaterial, statten das Gehirn mit einer Lizenz zum Lernen aus", erklärte Gerald Hüther (Universität Göttingen), doch wie weit dieses Angebot tatsächlich ausgeschöpft wird, hängt davon ab, wie intensiv die Gehirnzellen gefördert werden.
Amazonas-Indianer können 120 Grüntöne auseinanderhalten und mit ebenso vielen Namen belegen und verlieren diese Gabe nach zwei Generationen, wenn sie in die Stadt umziehen. Das Gehirn der folgenden Generationen wird offensichtlich über Erfahrungen strukturiert, denn wenn sich der Erfahrungsraum ändert, wird auch diese potentielle Kapazität des Gehirns nicht mehr genutzt.
Im Mutterleib versetzt das genetische Programm eine Nervenzelle des Fetus zwar in die Lage, sich zu teilen und ein Netzwerk auszubilden. Wie groß es ist und wie dicht es verschaltet wird, bestimmt jedoch die Umgebung, also etwa Signalstoffe oder Nährstoffe. Das Milieu in der Gebärmutter kann das Ungeborene sogar zum "Experten" machen: So finden alle Neugeborenen die mütterlichen Brustwarzen, weil sie dieselben Duftstoffe absondern, die sich im Fruchtwasser befinden. Das Neugeborene sucht also den vertrauten Geruch wieder. "Wenn die Mutter in der Schwangerschaft viel Knoblauch zu sich genommen hat, lässt sich das Neugeborene durch den Geruch von Knoblauch beruhigen", so Hüther. Das genetische Programm der sich vernetzenden Nervenzellen gibt also nur den Handlungsspielraum vor. Wie sie aber tatsächlich wachsen und sich differenzieren, bestimmen Impulse aus der Umwelt mit.
Viele Studien haben gezeigt, dass die Bedingungen im Mutterleib und in der frühen Kindheit das Verhalten im Erwachsenenalter prägen. Da ist es nicht verwunderlich, dass Schwangere und Mütter, die innerlich ruhig und ausgeglichen sind, dadurch das Gefühl des Urvertrauens beim Baby stimulieren und eine sichere Mutter-Kind-Bindung ermöglichen. Stress, mangelnde frühe Bindung, aber auch Psychopharmaka und Fehlernährung in der Schwangerschaft stören die Reifung der Nervennetzwerke. Unruhe oder Schwierigkeiten im Umgang mit Belastungen begleiten das Neugeborene dann oft sein ganzes Leben.
Was den Menschen ausmacht, ist das Stirnhirn, der frontale Cortex. "Hier befindet sich die Ich-Funktion, hier entspringen unsere Motivationen, Haltungen und die Impulskontrolle", erklärte Hüther. Er verglich diese Hirnregion mit einem ständig wachsenden "Baum", dessen Wachstum von den Erfahrungen gesteuert wird, die jeder Einzelne in seinen mitmenschlichen Beziehungen sammelt. Unser Gehirn, so Hüther, sei ursprünglich ein "Sozialorgan". Seine Aufgabe sei die Erhaltung der körperlichen Prozesse, und die gelingt immer besser, "wenn das zentrale Organ über Voraussicht verfügt". Das habe den Menschen denkfähig werden lassen.
Den entscheidenden Trick, mit dem die Evolution letztlich den Durchbruch zum "Homo sapiens" schaffte, sieht Hüther deshalb in der Partnerwahl: "Die Frauen bevorzugten Männer, die eine hohe Bindungsfähigkeit zum Nachwuchs entwickelt hatten." Und die ihren Kindern damit jene "offenen Programme" weiter vererbten, die unsere psychosoziale Kompetenz ausmachen.