Viel zu entdecken
Seit tausenden von Jahren beschäftigt es uns Menschen, was in unserem Gehirn vorgeht. Immer neue Aspekte haben Forscher seitdem entdeckt: Zu Anatomie, Krankheiten, Drogen, unserer Liebe zum Geld – und auch den großen Fragen der Menschheit.
Scientific support: Hubert R. Dinse
Published: 29.09.2015
Difficulty: intermediate
- Schon den antiken Philosophen gab das Gehirn Rätsel auf. Manche ihrer Erkenntnisse sind noch heute gültig, aber der Weg dahin ging über Tier- und sogar Menschenversuche und war bisweilen sehr blutig. Andere Fragen sind bis heute offen.
- Die Anatomie des Gehirns ist inzwischen gut beschrieben. Mikroskopie und Färbemethoden machten auch feinere Unterteilungen möglich.
- Auch die Gehirn-Physiologie haben Forscher in den Grundzügen verstanden. Information wird innerhalb der Nervenzellen elektrisch weitergeleitet; an den Kontaktstellen zwischen zwei Zellen kommen chemische Botenstoffe ins Spiel.
- Drogen greifen meist an diesen Kontaktstellen, den Synapsen, an.
- Das Auslesen der durchschnittlichen elektrischen Aktivität großer Hirnbereiche nutzen heutige Gehirn-Computer-Schnittstellen.
- Der aktuelle Kenntnisstand der Hirnforschung bietet Antwortansätze auf manche Fragen, die früher eher der Philosophie zugerechnet wurden.
- Neuroskeptiker weisen aber immer wieder auf die Grenzen der neurowissenschaftlichen Erkenntnisfähigkeit hin. Die Forschung geht weiter.
Neuron
Neuron/-/neuron
Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.
Gut 3500 Jahre alt ist die bröckelige Schriftrolle, die sechsmal die altägyptischen Hieroglyphen für „Gehirn“ enthält. Der Papyrus Edwin Smith – benannt nach seinem Entdecker, einem Antikenhändler – ist die älteste erhaltene schriftliche Erwähnung dieses Organs. Wie es funktioniert, das haben spätestens die Philosophen der Antike angefangen zu untersuchen.
All diese Furchen: Ganz klar, das Gehirn muss ein ausgeklügeltes Kühlsystem sein für den Sitz unserer Seele im Herzen. So dachte noch Aristoteles (Interner Link: Artistoteles – Das Gehirn als Kühlsystem). Doch auch zu seiner Zeit gab es schon Anatomen, die unterscheiden konnten, welche Nerven Sinneseindrücke transportieren und welche die Muskeln steuern. Der Weg zu dieser Erkenntnis war eine blutige Angelegenheit: Herophil und Erasistratos gewannen ihre Einsichten vermutlich an lebenden Menschen Herophil und Erasistratos — Entdecker der Nerven. Und Galen zerschnitt im zweiten Jahrhundert nach Christus Tiergehirne scheibchenweise von hinten, bis deren Besitzer starben. Krude und mit heutigen Tierschutzrichtlinien unvereinbar – aber ein Anhaltspunkt dafür, wo die lebenswichtigen Teile des Denkorgans sitzen. Und noch lange danach beruhten viele Erkenntnisse über die Funktion einzelner Gehirnabschnitte auf Untersuchungen dessen, was passiert, wenn sie ausfallen.
Durch Beobachtung zur Anatomie des Gehirns
Eine grobe anatomische Einteilung des Gehirns kann man ohne technische Hilfsmittel von außen treffen: An die Großhirnrinde, runzlig wie eine Walnuss, denken wir beim Begriff „Hirn“ als erstes, nimmt sie bei uns Menschen doch auch den größten Teil unterhalb des Schädels ein. Davon unterscheidet sich das Kleinhirn allein schon durch die kleinteiligere Faltung. Dazwischen versteckt sich das Zwischenhirn mit Zirbeldrüse, Hirnanhangdrüse und all seinen verschiedenen Funktionen. Und auch der Hirnstamm am Übergang zum Rückenmark liegt unter all den Falten verborgen. Er steuert zahlreiche unbewusste, aber überlebensnotwendige Vorgänge im Körper Anatomie.
Woher man das weiß? Weil Patienten das große Zittern bekommen, wenn bestimmte Teile des Hirnstamms geschädigt sind, sie nicht mehr richtig atmen können oder einen Teil ihres Körpers nicht spüren. Entzündung, Schlaganfall, Gehirnerschütterung – es gibt genug traurige Anlässe, die quasi natürliche Testobjekte für Hirnforscher schaffen Aus der Balance.
Und erst die Kriege: Die ersten Erkenntnisse über die Funktion des Kleinhirns verdanken wir der Beobachtung, dass Soldaten mit Verletzungen in diesem Bereich des Gehirns Probleme mit der Bewegung hatten. Je bizarrer der Unfall, desto länger bleibt er im kollektiven Gedächtnis. Der Eisenbahnarbeiter Phineas Gage etwa erwarb 1848 ewigen Ruhm, als ihm eine Eisenstange in die linke Wange flog und am Schädeldach wieder hindurch brach. Gage überlebte, große Teile seines Frontallappens nicht. Und auch seine Persönlichkeit hatte sich dramatisch verändert – noch heute gilt der Präfrontalcortex als besonders wichtig für Persönlichkeit und Charakter.
Zu Gages Zeit konnten Ärzte den Ort der Verletzung nur anhand der Furchen in der Hirnoberfläche grob einordnen. Daraus ergibt sich auch die Unterteilung in Stirnlappen, Schläfenlappen, Scheitellappen und Hinterhauptslappen. Abgesehen davon aber gibt sich der Cortex gleichförmig grau und langweilig.
Cerebellum
Kleinhirn/Cerebellum/cerebellum
Das Cerebellum (Kleinhirn) ist ein wichtiger Teil des Gehirns, an der Hinterseite des Hirnstamms und unterhalb des Okzipitallappens gelegen. Es besteht aus zwei Kleinhirnhemisphären, die vom Kleinhirncortex (Kleinhirnrinde) bedeckt werden und spielt unter anderem eine wichtige Rolle bei automatisierten motorischen Prozessen.
Diencephalon
Zwischenhirn/Diencephalon/diencephalon
Zum Diencephalon (Zwischenhirn) gehören unter anderem der Thalamus und der Hypothalamus. Gemeinsam mit dem Großhirn bildet es das Vorderhirn. Im Diencephalon finden sich Zentren für Sensorik, Emotion und zur Steuerung lebenswichtiger Funktionen wie Hunger und Durst.
Hirnstamm
Hirnstamm/Truncus cerebri/brainstem
Der „Stamm“ des Gehirns, an dem alle anderen Gehirnstrukturen sozusagen „aufgehängt“ sind. Er umfasst – von unten nach oben – die Medulla oblongata, die Pons und das Mesencephalon. Nach unten geht er in das Rückenmark über.
Rückenmark
Rückenmark/Medulla spinalis/spinal cord
Das Rückenmark ist der Teil des zentralen Nervensystems, das in der Wirbelsäule liegt. Es verfügt sowohl über die weiße Substanz der Nervenfasern, als auch über die graue Substanz der Zellkerne. Einfache Reflexe wie der Kniesehnenreflex werden bereits hier verarbeitet, da sensorische und motorische Neuronen direkt verschaltet sind. Das Rückenmark wird in Zervikal-, Thorakal-, Lumbal und Sakralmark unterteilt.
Cerebellum
Kleinhirn/Cerebellum/cerebellum
Das Cerebellum (Kleinhirn) ist ein wichtiger Teil des Gehirns, an der Hinterseite des Hirnstamms und unterhalb des Okzipitallappens gelegen. Es besteht aus zwei Kleinhirnhemisphären, die vom Kleinhirncortex (Kleinhirnrinde) bedeckt werden und spielt unter anderem eine wichtige Rolle bei automatisierten motorischen Prozessen.
Gedächtnis
Gedächtnis/-/memory
Gedächtnis ist ein Oberbegriff für alle Arten von Informationsspeicherung im Organismus. Dazu gehören neben dem reinen Behalten auch die Aufnahme der Information, deren Ordnung und der Abruf.
Frontallappen
Frontallappen/Lobus frontalis/frontal lobe
Der frontale Cortex ist der größte der vier Lappen der Großhirnrinde und entsprechend umfassend sind seine Funktionen. Der vordere Bereich, der so genannte präfrontale Cortex, ist für komplexe Handlungsplanung (so genannte Exekutivfunktionen) verantwortlich, die auch unsere Persönlichkeit prägt. Seine Entwicklung (Myelinisierung) braucht bis zu 30 Jahren und ist selbst dann noch nicht ganz abgeschlossen. Weitere wichtige Bestandteile des frontalen Cortex sind das Broca-Areal, welches unser sprachliches Ausdrucksvermögen steuert, sowie der primäre Motorcortex, der Bewegungsimpulse in den gesamten Körper aussendet.
Parietallappen
Parietallappen/Lobus parietalis/parietal lobe
Wird auch Scheitellappen genannt und ist einer der vier großen Lappen der Großhirnrinde. Er liegt hinter dem Frontal– und oberhalb des Occipitallappens. In seinem vorderen Bereich finden somatosensorische Prozesse statt, im hinteren werden sensorische Informationen integriert, wodurch eine Handhabung von Objekten und die Orientierung im Raum ermöglicht werden.
Okzipitallappen
Okzipitallappen/Lobus occipitalis/occipital lobe
Einer der vier großen Lappen der Großhirnrinde. Der Okzipital– oder Hinterhauptslappen liegt über dem Kleinhirn. Nach vorne grenzt er an den Scheitel– sowie an den Schläfenlappen an. Der Sulcus calcarinus unterteilt den Okzipitallappen in eine obere und eine untere Hälfte, den Cuneus und den Gyrus lingualis. Funktional findet in diesem Bereich des Gehirns die zentrale Verarbeitung visueller Informationen statt — sowohl die primäre als auch die sekundäre Sehrinde haben ihren Sitz im Okzipitallappen.
Cortex
Großhirnrinde/Cortex cerebri/cerebral cortex
Der Cortex cerebri, kurz Cortex genannt, bezeichnet die äußerste Schicht des Großhirns. Sie ist 2,5 mm bis 5 mm dick und reich an Nervenzellen. Die Großhirnrinde ist stark gefaltet, vergleichbar einem Taschentuch in einem Becher. So entstehen zahlreiche Windungen (Gyri), Spalten (Fissurae) und Furchen (Sulci). Ausgefaltet beträgt die Oberfläche des Cortex ca 1.800 cm2.
Das Gehirn in Farbe
Erst mit der Erfindung künstlicher Farbstoffe zeigten sich unter dem Mikroskop die Nervenzellen. Anhand ihrer Anordnung unterteilte Korbinian Brodmann 1909 den Cortex in 43 Bereiche, die er Areale nannte. Viele dieser Brodmann-Areale sind tatsächlich auf unterschiedliche Funktionen spezialisiert, so dass seine Areal-Einteilung bis heute verwendet wird. Und als Camillo Golgi 1873 eine Methode entdeckte, einzelne Nervenzellen mit all ihren Ausläufern sichtbar zu machen, rückten immer mehr auch diese Nervenzellen selbst in den Fokus der Forschung Auf der Spur der Zellkommunikation. Die Glia-Zellen erschienen zunächst weniger wichtig, obwohl sie im Gehirn ähnlich häufig sind und viele wichtige Funktionen erfüllen Gliazellen – Unterschätzter Klebstoff.
Wie Nervenzellen miteinander kommunizieren, ist das Fachgebiet der Physiologen. Und die hatten zu Golgis Zeiten auch schon das ein oder andere erforscht. Offensichtlich spielte Elektrizität eine Rolle: Wenn auf einen Reiz hin genügend elektrische Ladungsträger in die Zelle strömen, entsteht ein so genanntes Aktionspotenzial, das die Information rasch entlang der Längsachse der Nervenzelle zur nächsten trägt. Aber an den Kontaktstellen zwischen den Zellen, den Synapsen, setzen die meisten von ihnen chemische Botenstoffe frei, so genannte Neurotransmitter, die von Rezeptoren auf der gegenüberliegenden Zelle erkannt werden. Selbst nach mehreren Nobelpreisen für die Erforschung der Synapsen sind wir aber noch weit davon entfernt, dieses System vollständig zu verstehen Köpfe und Ideen.
Neuron
Neuron/-/neuron
Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.
Cortex
Großhirnrinde/Cortex cerebri/cerebral cortex
Der Cortex cerebri, kurz Cortex genannt, bezeichnet die äußerste Schicht des Großhirns. Sie ist 2,5 mm bis 5 mm dick und reich an Nervenzellen. Die Großhirnrinde ist stark gefaltet, vergleichbar einem Taschentuch in einem Becher. So entstehen zahlreiche Windungen (Gyri), Spalten (Fissurae) und Furchen (Sulci). Ausgefaltet beträgt die Oberfläche des Cortex ca 1.800 cm2.
Neuron
Neuron/-/neuron
Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.
Rezeptor
Rezeptor/-/receptor
Signalempfänger in der Zellmembran. Chemisch gesehen ein Protein, das dafür verantwortlich ist, dass eine Zelle ein externes Signal mit einer bestimmten Reaktion beantwortet. Das externe Signal kann beispielsweise ein chemischer Botenstoff (Transmitter) sein, den eine aktivierte Nervenzelle in den synaptischen Spalt entlässt. Ein Rezeptor in der Membran der nachgeschalteten Zelle erkennt das Signal und sorgt dafür, dass diese Zelle ebenfalls aktiviert wird. Rezeptoren sind sowohl spezifisch für die Signalsubstanzen, auf die sie reagieren, als auch in Bezug auf die Antwortprozesse, die sie auslösen.
Synapse
Synapse/-/synapse
Eine Synapse ist eine Verbindung zwischen zwei Neuronen und dient deren Kommunikation. Sie besteht aus einem präsynaptischen Bereich – dem Endknöpfchen des Senderneurons – und einem postsynaptischen Bereich – dem Bereich des Empfängerneurons mit seinen Rezeptoren. Dazwischen liegt der sogenannte synaptische Spalt.
Drogen verändern die Zellkommunikation
Das hindert uns nicht, daran herumzuspielen. Die meisten Drogen – und dazu zählen auch Nikotin und Koffein – wirken an Synapsen, zum Beispiel im so genannten Belohnungssystem des Gehirns. Sie nehmen die Rolle eines Neurotransmitters ein und aktivieren dessen Rezeptoren. Oder sie sorgen dafür, dass ein Botenstoff vermehrt ausgeschüttet wird oder er länger in der Synapse wirken kann. Je nachdem, welche Nervenzellen genau betroffen sind, sieht und hört der Drogenkonsument dann etwa Dinge, die nicht da sind, oder fühlt eine unbegründete Euphorie Göttergabe und Teufelszeug.
Deutlich weiter vom Ort des Geschehens entfernt setzen bisher Computer-Hirn-Schnittstellen an. Der Versuch, Computerprogramme oder Prothesen nur mit Gedankenkraft zu steuern, beruht bisher meist darauf, an der Kopfoberfläche Spannungsschwankungen zu messen, die auf der Aktivität aller darunter liegenden Nervenzellen beruhen. Feiner können diese Daten Chips auslesen, die direkt ins Gehirn implantiert werden. Aber selbst diese haben bisher Rollstühle noch nicht überflüssig gemacht Mensch-Maschine-Kommunikation – so geht’s.
Mesolimbisches System
Mesolimbisches System/-/mesolimbic pathway
Ein System aus Neuronen, die Dopamin als Botenstoff verwenden und das entscheidend an der Entstehung positiver Gefühle beteiligt ist. Die Zellkörper liegen im unteren Tegmentums und ziehen unter anderem in die Amygdala, den Hippocampus und – besonders wichtig – den Nucleus accumbens, wo sie ihre Endköpfchen haben.
Rezeptor
Rezeptor/-/receptor
Signalempfänger in der Zellmembran. Chemisch gesehen ein Protein, das dafür verantwortlich ist, dass eine Zelle ein externes Signal mit einer bestimmten Reaktion beantwortet. Das externe Signal kann beispielsweise ein chemischer Botenstoff (Transmitter) sein, den eine aktivierte Nervenzelle in den synaptischen Spalt entlässt. Ein Rezeptor in der Membran der nachgeschalteten Zelle erkennt das Signal und sorgt dafür, dass diese Zelle ebenfalls aktiviert wird. Rezeptoren sind sowohl spezifisch für die Signalsubstanzen, auf die sie reagieren, als auch in Bezug auf die Antwortprozesse, die sie auslösen.
Synapse
Synapse/-/synapse
Eine Synapse ist eine Verbindung zwischen zwei Neuronen und dient deren Kommunikation. Sie besteht aus einem präsynaptischen Bereich – dem Endknöpfchen des Senderneurons – und einem postsynaptischen Bereich – dem Bereich des Empfängerneurons mit seinen Rezeptoren. Dazwischen liegt der sogenannte synaptische Spalt.
Neuron
Neuron/-/neuron
Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.
Große Fragen
Währenddessen nutzen Wissenschaftler das vorhandene Wissen über das Gehirn als Grundlage, die Fragen nach dem Leben, dem Universum und dem ganzen Rest anzugehen, um mal mit Douglas Adams zu sprechen Große Fragen:
Dabei sind auch die kleinen Fragen schon spannend genug: Warum kaufen wir diese und nicht jene Limonade? Schon wieder ist das Gehirn schuld. Die Neuroökonomie untersucht Bilder von Gehirnen, die gerade entscheiden müssen, wie sie ihre Ressourcen einsetzen. Sie zeigt zum Beispiel, wie wenig sich Menschen im Alltag wie ein Homo oeconomicus verhalten: Nicht allein kalte Logik bestimmt, was wir kaufen, mit wem wir teilen, oder wie uns Geld motiviert, sondern jede Menge Gefühle Geld und Gehirn — eine irrationale Liaison.
Neuroökonomie
Neuroökonomie/-/neuroeconomics
Bezeichnung für ein Forschungsfeld an der Schnittstelle zwischen Neurowissenschaften, Wirtschaftswissenschaften und Psychoogie. Übergeordnetes Ziel der Neuroökonomie ist zu verstehen, wie Menschen ökonomische Entscheidungen treffen. Dazu untersuchen Neuroökonomen, was in der Entscheidungsfindung im Gehirn passiert. Zu diesem Zweck greifen sie häufig auf Versuchsanordnungen aus der Spieltheorie zurück, bei denen es meist um den Gewinn oder Verlust von Geld geht. Die Gehirne ihrer Probanden untersuchen sie vor allem mit bildgebenden Vefahren. Die Neuroökonomie ist ein sehr junger Forschungszweig, der auf großes gesellschaftliches Interesse stößt.
Homo oeconomicus
Homo oeconomicus/homo oeconomicus/homo economicus bzw. economic human
Ein Begriff aus der Wirtschaftswissenschaft für das Bild, dass der Mensch stets nach der Maxime handelt, seinen eigenen Nutzen zu optimieren. Das Motiv ist jedoch nicht in erster Linie egoistisch, sondern vielmehr rational zu sehen. Dieses Menschenbild steht im Gegensatz zu dem des Homo reciprocans, welches von einem Menschen ausgeht, für den kooperatives Handeln an erster Stelle steht.
… und große Kritik
Angesichts so hoher Erklärungsansprüche seitens der Neurowissenschaften gibt es natürlich auch Kritik. Die so genannten Neuroskeptiker hinterfragen, was die Neurowissenschaften wirklich beantworten können. Ist zum Beispiel über die Lust schon alles gesagt, wenn Forscher feststellen, dass sie mit hohen Dopamin– und Endorphin-Konzentrationen in bestimmten Hirnregionen einhergeht?
Vor allem die trügerisch einfachen bunten Bilder aus dem fMRT-Hirnscanner sind den Kritikern ein Dorn im Auge. Viele Rechenschritte und Entscheidungen über Verarbeitungsprozesse liegen auf dem Weg zu so einem Bild, betonen sie immer wieder – und warnen vor überzogenen Interpretationen. Zu Recht, sollte man meinen, wenn mit den gleichen Methoden sogar tote Lachse Hirnaktivität zeigen. Angesichts solcher Befunde misstrauen die Skeptiker auch den Großprojekten, die innerhalb weniger Jahre das menschliche Gehirn möglichst detailgetreu nachbilden wollen (Human Brain Project) oder eine Landkarte all seiner Aktivitäten zu erstellen hoffen (BRAIN Initiative). Größenwahn, sagen sie Neuroskeptizismus: Im Zweifel gegen den Angeklagten.
Offenbar ist das Gehirn deutlich komplizierter, als führende Neurowissenschaftler noch 2004 gedacht haben, als sie in einem Manifest im Magazin Gehirn & Geist die Zukunft der Hirnforschung skizzierten. Das sagt selbst Nobelpreisträger und Gedächtnisforscher Eric Kandel im Interview: „Die Wissenschaft vom Gehirn ist [erst] am Anfang.“ Dann bleibt wohl umso mehr noch für uns zu entdecken.
Auge
Augapfel/Bulbus oculi/eye bulb
Das Auge ist das Sinnesorgan zur Wahrnehmung von Lichtreizen – von elektromagnetischer Strahlung eines bestimmten Frequenzbereiches. Das für den Menschen sichtbare Licht liegt im Bereich zwischen 380 und 780 Nanometer.
zum Weiterlesen:
- Principles of Neural Science, 5. Ausgabe, hg. von Eric R. Kandel, James H. Schwartz, Thomas M. Jessell, Steven A. Siegelbaum und A. J. Hudspeth, New York (2012)
- Das Manifest – Was wissen und können Hirnforscher heute? Bei: Spektrum.de [Stand: 29.09.2015]
- Hirnaktivität beim toten Lachs – Konferenzposter (englisch) des Gewinners des Ig-Nobelpreises 2012 [Stand: 29.09.2015]
