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Das Gehirn - 2.Version - Referat
Es ist schon unglaublich, dass ein ca. 1400 bis 1600 ccm großes und ca. 1,4bis 1,6 kg schweres, aus relativ weichen, grauen und weißen Substanzen bestehendes Organ, das Gefäß darstellt, in dem all das untergebracht ist, was uns materiell und immateriell als Menschen ausmacht. Dieses unscheinbare, vielgefurchte Etwas soll also der Sitz unserer Persönlichkeit, unseres Erlebens, Lachens, Weinens, unserer Gefühle wie z.B. Freude und Trauer sein?
"Das soll also Ich sein"?!
Früher glaubten viele Menschen das Herz sei der Sitz von Verstand und Gefühl, heute wissen wir es besser. Das Gehirn ist unser menschliches Zentrum. Neben dem Kosmos selbst, ist es so ziemlich das Komplexeste, was die Natur je geschaffen hat. Nun tritt der Mensch an mit seiner Wissenschaft sich im tiefsten Innern selbst zu erforschen und vielleicht über sich selbst "sich selbst" zu erkennen, eines der größten Abenteuer, das man sich vorstellen kann. Tauchen sie mit uns hinab in die Tiefen ihrer eigenen Existenz und stoßen sie an die Grenzen, die ihr Geist ihnen zeigt.
Mit großem Respekt vor dem Gehirn versuchen wir in konzentrierter Form, dass in den folgenden Kapiteln zu beschreiben und zu erklären, was die Wissenschaft über uns bis heute herausgefunden hat. Kommen sie mit uns auf eine Reise der großen Herausforderungen. Wir setzen dabei voraus, dass sie genügend Neugier und Phantasie besitzen, unsere zusammengetragenen Fakten,Trends, Wiedersprüche und Gegensätze so zu deuten, dass sie sich selbst besser verstehen und erkennen lernen.
Die Beschreibung des Gehirns und seiner Funktionen erfolgt in neun Abschnitten:
3.1 Grundaufbau
3.2 Neuronen und ihre Funktion als Netzwerkelemente
3.3 Funktionsbereiche des Großhirns
3.4 Kommunikationsebenen und Schnittstellen des Großhirns
3.5 Blutkreislauf, Stoffwechsel und Hormone
3.6 Kognitive Fähigkeiten
3.7 Was ist Bewußtsein?
3.8 Unterscheiden sich die Gehirne von Männern und Frauen?
3.9 Das Gehirn - die Basis der menschlichen Existenz
3.1 Grundaufbau
Das Gehirn schwimmt zum Schutz gegen äußere Einflüsse in der sogenannten Hirnflüssigkeit. Im Gehirn sind ebenfalls durch Flüssigkeit gefüllte Hohlräume ( Ventrikel ) zu finden mit ca 130 ml Volumen. Sie nehmen u.a. Abfallstoffe des Gehirnes auf. Ausserdem umschließen das Gehirn 3 Lagen von Schutzhäuten, die auch das Rückenmark des Zentralnervensystems umhüllen. Das Gehirn selbst beinhaltet beim Menschen etwa 10 hoch 10 Nervenzellen ( Neuronen ) , die ihrerseits jede für sich Verbindungen zu etwa 8 bis 10 tausend weiteren Neuronen besitzt. Dies ergibt eine unvorstellbar hohe Anzahl an Verbindungsmöglichkeiten der Neuronen untereinander. Erstaunlich ist jedoch das das Gehirn zum Betrieb seiner Funktionen nur die ausserordentlich geringe Energie von ca. 15 bis 20 Watt benötigt. Dies ist die Leistung einer kleinen Glühbirne.
Die nachfolgenden Skizzen zeigen eine Gesamtansicht des menschliche Gehirns sowie eine Schnittansicht in Verbindung mit der Darstellung der wichtigsten Teilbereiche:
Gesamtansicht des Gehirns
Schnittansicht des Gehirns
Schaffen wir uns zunächst einen Überblick über die verschieden Teilbereiche des Gehirns und ihre wichtigsten Funktionen. Hierzu gehen wir vom durch den Rückenmarkskanal der Halswirbelsäule laufenden Zentralnervensystem aus. Auf diesem Weg gelangen wir in das sogenannte Stammhirn. Es handelt sich um den ältesten Teilbereich des Gehirns, den wir stammesgeschichtlich mit vielen Säugetieren teilen. Von hier aus werden Blutkreislauf und Atmung gesteuert.
Ein sich über das Stammhirn erstreckender Netzwerksbereich ist zusätzlich für die Schlaf- und Wachphasen sowie die Aufmerksamkeitsteuerung zuständig. Hier am Stammhirn beginnen die meisten der 12 Hirnnervenpaare wie z.B. Sehnerv, Riechnerv, Gesichtsnerv, Hör- und Gleichgewichtsnerv, Drillingsnerv mit Augennerv, Augenbewegungs- und Rollnerv, seitlicher Augenabziehernerv, Ober- und Unterkiefernerv, Zungen- und Schlundnerv, Zungenmuskelnerv, Eingeweidenerv und Beinnerv.
Im verlängerten Mark (Schnittstelle zwischen Hirnstamm und Rückenmark) liegen auch die Nerven des sogenannten Pyramidenstrangs. Hier werden lebenswichtige Abläufe wie Atmung, Stoffwechsel und Herzschlag zusammen mit den Reflexen wie. z.B. Schlucken, Husten, Tränenfluß, Erbrechen etc. gesteuert.
Das Kleinhirn besteht genau wie das Großhirn aus zwei Teilbereichen und ist das Zentrum der Körpermotorik. Dazu ist es einerseits mit dem Großhirn über die Brücke (Pons) verbunden, um von dort mit Steuerimpulsen für bewusste gesteuerte Bewegungen versorgt zu werden. Weiterhin geht vom Kleinhirn die Koordination der übergeordneten körperlichen Bewegungsabläufe aus. Außerdem ist es direkt mit den Signalen aus dem Gleichgewichtsorgan des Innenohres verbunden, sodass unter anderem auch die Orientierung im umgebenden Raum möglich wird.
Der Thalamus (auch Sehhügel genannt) ist die Sammelstelle für die Sinneswahrnehmung (außer der Geruchsinformation) und stellt somit die Schnittstelle zur Großhirnrinde dar. Er nimmt daher auch die Funktion der Öffnung zum Bewußtsein wahr.
Der Hypothalamus beeinhaltet die Steuerung der autonomen Nervensysteme z.B. vegetatives Nervensystem. Die autonomen Nervensysteme sorgen dabei für lebenswichtige Funktionen wie Energiehaushalt, Wasserhaushalt und Wärmeregulation des Menschen.
Eine wichtiger hormonaler Steuerungsapparat des Gehirnes wird durch die mit dem Hypothalamus verbundene Hypophyse (Hirnanhangdrüse) gebildet. In ihr werden gesteuert vom Hypothalamus Neurohormone (Inhibitoren- und Release-Hormone) ausgeschüttet. Es werden hier aber auch Hormone des Folikelsprungs und Wachstumshormone erzeugt. Ferner werden durch die Hypophyse weitere Steuerungsaufgaben wie z.B. die der Protheinsynthese und des Fettstoffwechsels wahrgenommen sowie die Hodenkanälchen, Schildrüse, Nebennierenrinde, Milchdrüsen, Uterus und Nierentubulus angesteuert.
Das Großhirn des Menschen besteht aus zwei nahezu symetrischen Teilen (linke und rechte Hirnhälfte), die an der Basis über den Balken miteinander verbunden sind. Der Balken liegt dabei unterhalb der Trennfurche der beiden Hirnhälften. Größe und Leistungsfähigkeit dieses menschlichen Zentralorgans sind in seiner Komplexität und integrierten Funktionsweise und in ihrem Informationspeichervermögen kaum zu übertreffen. Es umhüllt mit seiner aus den grauen Nervenzellen und den darunter befindlichen weißen Nervenfasern bestehenden Substanz die übrigen Hirnbereiche. Im Laufe der Evolution des Menschen wurde immer mehr dieser Hirnsubstanz benötigt, sodass die Oberfläche des Großhirns sich in immer mehr Windungen mit Falten und Furchen aufteilte. Die Großhirnrinde selber ist aus sechs Schichten aufgebaut, die alle Nervenzellen der unterschiedlichsten Form enthalten.
In der Großhirnrinde selber sind verschiedene Bereiche mit unterschiedlichen Funktionen zu lokalisieren. So sind die persönlichkeitsorientierten Gebiete auf die Stirnlappen konzentriert. Zwischen den Scheitellappen und den Stirnlappen sind Gebiete für motorische Funktionen der unterschiedlichen Körperabschnitte lokalisierbar sowie die Funktion der Fühlsinneseindrücke. Der sogenannte Hinterhauptslappen enthält die Zentren der Sehfunktion, während der Schläfenlappen für das Hören zuständig ist.
Sitz der Funktionsbereiche
Zum Großhirn ist noch das limbische System mit seinem Mandelkern hinzu zu zählen. Es bildet die Zentrale für alle gefühlsbedingten Regungen, Bewertungen und Verhaltensweisen (Beispiel Sexualverhalten) des Menschen in bezug auf seine direkte Umgebung. Mit dem limbischen System in Verbindung steht auch der Hippocampus. Hier ist das Geruchszentrum des Gehirns angesiedelt. Das Großhirn selber ist der Sitz kognitiver Fähigkeiten, wie z.B. von Bewußtsein, Gedächtnis, Wille, Intelligenz und Lernfunktion. Es stellt die menschliche Persönlichkeit als Einheit mit all ihren Facetten und Eigenschaften dar.
3.2 Neuronen und ihre Funktion als Netzwerkelemente
Um uns der Funktion unseres Gehins wenigstens modellhaft im Verständnis anzunähern, müssen wir uns mit der Funktionsweise seiner kleinsten Bausteine, der Nervenzellen (Neuronen) auseinandersetzen. Der Entdecker der Neuronenfunktion im Gehirn war O.F.K. Deiters im Jahre 1865. Er lieferte als erster eine funktionale Aufteilung des Neurons, die bis heute ihre Gültigkeit nicht verloren hat.
Die folgende Skizze gibt einen Überblick über den Aufbau und die Funktionen der Neuronen (Hirnzellen).
Aufbau und Funktion eines Neurons
Das Neuron besteht aus vier funktionalen Grundelementen:
Die Soma (Zellkörper) bildet das Zentrum des Neurons, das aus dem Zellkörper mit dem Zellkern und seinen Organellen besteht. Sie dient als zentraler Schaltkreis für die Verarbeitung angelieferter Reize in Form von Zellerregungen. Wobei zwischen Innen- und Aussenseite des Neurons ein elektrisches Differenzpotential von -70 bis -90 mV im Ruhezustand herrscht. Dies beruht auf einem Gemisch aus elektrisch geladenen Teilchen (Ionen) der Elemente Natrium (+) , Kalium (+), Calcium (++) und Chlor (-). Erfährt das Neuron ein Reiz-Signal, so kann es aus dem Ruhezustand verschiedene Erregungszustände annehmen. Da die Zellmebran zunächst isolierende Eigenschaften besitzt , kann kein Potentialausgleich zwischen dem Innern und Äußeren des Neurons erfolgen.
Um die Isolation der Zellmembran gezielt zu durchdringen, werden zwei Transportwege geschaffen. Zum einen wird ein sogenannter passiver Weg (ohne Energie-Einsatz) über Ionenkanäle hergestellt, zum anderen wird über Ionenpumpen ein aktiver Weg (mit Energie-Einsatz) geschaltet. Die Ionenkänale können dabei chemisch mittels Hormonen oder Botenstoffen (Neurotransmitter) geöffnet werden, oder elektrisch nach Höhe der Konzentrationsunterschiede der Ionen zwischen innen und aussen. Drei Ergebnis-Zustände sind erreichbar, a. geschlossen aber aktivierbar, b. geöffnet, c. geschlossen und nicht aktivierbar.
Der aktive Transportweg über Ionenpumpen hat die Aufgabe Ionen entgegen dem Konzentrationsgefälle zu transportieren. Damit wird der ständige Abbau des Konzentrationsunterschiedes durch die passiven Ionenkanäle kompensiert. Daher rührt auch der Energieverbrauch der Ionenpumpen. Basis für die Funktion der Ionenpumpe sind chemische Stoffe, die unter Energieaufnahme Ionen durch die Zellmembran transportieren. Sie können dies nur für bestimmte Ionen selektiv durchführen, oder sie transportieren die Ionen nach einer zeitlich verlaufenden Sättigungskurve mit Transportmaximum, oder die einzelnen Transportvorgänge können mittels chemischer Stoffe blockiert werden.
Dendriten sind mehrfach verzweigbare kurze Fortsätze an der Zelloberfläche. Sie sind in der Lage einen elektrischen Reiz an das Neuron weiter zugeben (Empfängerfunktion). Das Neuron seinerseits kann darauf mit einem Potentialanstieg reagieren, dessen Höhe von der Signalstärke der Reizung abhängig ist. Im Falle, daß die Reizung so stark wird, daß ein bestimmter Schwellwert erreicht wird, depolarisiert sich das Neuron kurzzeitig (die Nervenzelle "feuert") um dann, nach einer Erholungszeit in die vorherige Polarisation zurück zu kehren. Es gelang den Nobelpreisträgern Hodgin und Huxley dieses Verhalten der Neuronen nachzuweisen und in mathematische Gleichungen umzusetzen, so dass erstmals ein physikalisches Modell einer Nervenzelle nachgebildet werden konnte.
Axone können sich über ihren relativ langen Verlauf baumartig verzweigen. Die umgebende sogenannte Myelinscheide dient als Isolation gegenüber dem umgebenden Gewebe. Axome besitzen weiterhin Einschnürringe, die den Anfang und das Ende einer das Axom umhüllenden Zelle markieren. Axome sind die Sendeleitung der Neuronen, sie leiten das Signal der Nervenzelle durch Ankopplung über sogenannte Synapsen an die Zellwände anderer Neuronen weiter.
Synapsen sind die Koppelstellen zwischen Axonen und den Zellwänden der Neuronen. Sie besitzen einen 50 nanometer breiten Spalt. Hier werden chemische Botenstoffe (Neurotransmitter) spannnungsabhängig emittiert und an der postsynaptischen Zellmembran angekoppelt. Somit wird das vom Axon kommende Signal an das Neuron weiter gegeben.
Es gibt unterschiedliche Typen und Ausbildungen von Neuronen im Gehirn und im Nervensystem. In Zusammenhang mit Erläuterung des Großhirnes interessieren uns jedoch hauptsächlich die Pyramidenzellen.
Beispiel einer Pyramidenzelle
Sie stellen 85% der in der Großhirnrinde vorhandenen Zellen dar. Der Rest ergibt sich aus Sternzellen.
Beispiel für Sternzellen
Die Großhirnrinde ist eine an Nervenzellen reiche äußere 2 bis 5mm dicke Schicht des Großhirns. Sie ist je nach Region nur 2-5 mm dick und besteht aus grauer Substanz und dem darunter befindlichen Marklager, als weißer Substanz. Sie gliedert sich, wie in der nachfolgen Grafik dargestellt in sechs übereinander angeordneten Schichten.
Schnitt durch die Großhirnrinde
3.3 Funktionsbereiche des Großhirns
Das Großhirn (Cortex) lässt sich grob in vier Lappen einteilen, die durch tiefere Spalten voneinander getrennt sind:
Der Frontallappen kontrolliert übergeordnet Bewegungen sowie kognitive Prozesse um situationsgerecht handeln zu können.
Der Parietallappen ist beteiligt an somotosensorischen Funktionen (Wahrnehmung von Druck, Vibrationen, Temperatur etc.) , an visuellen Steuerungen von Bewegungen und an der Aufnahme von Reizen unterschiedlichster Art aus dem umgebenden Raum. Ferner werden hier Prozesse wie Rechnen, Lesen und räumliches Denken abgewickelt.
In den Temporallappen oder Schläfenlappen liegt der primäre auditorische Cortex, zuständig für das Hörvermögen. Wobei auch das räumliche Hören hier stattfindet. Ebenso befindet sich in diesem Lappen ein für das Sprachverständnis wichtiges sensorisches Sprachzentrum, das noch mit anderen für Sprache zuständigen Hirnbereichen zusammenarbeitet. Im unteren Bereich ist das visuelle Kurzzeitarbeitsgedächtnis untergebracht. Es behält die einlaufenden Informationen für kurze Zeit und entscheidet, ob unter Hinzunahme des Hippocampus eine Langzeitabspeicherung notwendig ist. Ebenso sind die Temporallappen als assoziative Bereiche an der Erkennung von Gesichtern, Körperteilen etc. beteiligt. Im rechten Temporallappen wird auch der Hauptsitz des kreativen Problemlösungsvermögens angesiedelt (Geistesblitzregion).
In den Occipitallappen oder Hinterhauptslappen ist sowohl das primäre als auch das sekundäre Sehzentrum untergebracht. Das primäre Sehzentrum besteht aus 6 übereinander angeordneten Neuronenschichten. Wobei kreuzweise die jeweils andere Gesichtshälfte mit ihrem Sehsinn im gegenüberliegenden Occipitallappen repräsentiert ist. Die Informationen gelangen mittels einer Sehbahn aus der Netzhaut dorthin. Übereinanderliegende Zellverbände verarbeiten dann die ankommenden Signale zu Bildmustern und zu einem Gesamteindruck. Anschließend werden diese Informationen in einem sekundären Sehzentrum weiterverarbeitet, das ein Assoziationszentrum darstellt. Dort werden die Eindrücke der Sehrinde bereits bekannten Eindrücken gegenübergestellt und verglichen und an andere übergeordnete Assoziationszentren weitergeleitet.
3.4 Kommunikationsebenen und Schnittstellen des Großhirn
Die flächige Ausbildung der Cortex-Schichtung in Netzwerkform dient in erster Linie zunächst einmal der Abbildung flächig auftretender Reize, wie z.B. der Reizsignale aus der Netzhaut des Auges, oder der Signale aus den Sinneszellen der Haut (Temperatur, Druck etc.) Durch die unglaublich hohe Vernetzung der Neuronen untereinander entsteht ein sehr dichtes Netzwerk einer Art parallel arbeitender "Zellenrechner", das die präzise Abbildung der Sinneseindrücke unterstützt.
Die Großhirnrinde hat hier drei unterschiedliche Bereiche, die sie von anderen Hirnteilen unterscheidet.
A. In allen Richtungen der Cortexfläche sind gleiche Verbindungen anzutreffen.
B. Die Großhirnrinde ist hauptsächlich intern mit sich selbst verbunden.
C. Der Cortex besitzt zu seiner Datenverarbeitung eine sehr hohe Zellenanzahl, die auschließlich der internen Datenverarbeitung dienen, da sie nicht mit dem Cortex-Ein- oder Ausgang in Verbindung stehen.
Im Cortex sind dabei eigentlich nur die bereits vorher erwähnten Pyramidenzellen und die Sternzellen vorhanden. Wobei die Pyramidenzellen (unten breit und oben spitz) mit vielen Dornen besetzte Dendriten aufweisen. Geradlienig verläuft jedoch über einen längeren Bereich ihr Axon und verzweigt sich dann erst. Der zweite Zelltyp, die Sternzellen haben ihrerseits kaum Dornen und einen kürzeren vielverzweigten Axonbaum der nur kurze Distanzen überbrückt.
Pyramidenzellen tragen nur Synapsen an Ihren Axonen die auf andere erregend sind. Die Sternzellen haben hemmende Synapsen, die sich mit anderen Neuronen verbinden und Zellkörper und Dendriten haben jedoch sowohl erregende, als auch hemmende Synapsen mit denen sie Signale von anderen Neuronen aufnehmen können. Berechnungen zeigen, daß der menschliche Cortex nahezu 100 Billionen (10 hoch 14) Synapsen enthalten kann.
Weiterhin ergibt sich aus diesen Berechnungen, daß jedes corticale Neuron für 8000 Synapsen vorgeschaltet und für ebensoviele nachgeschaltet ist und somit auf Axonen und Dendriten 16000 Synapsen sitzen. Da die Synapsen für die Signalübertragung des Gehirns von wesentlicher Bedeutung sind, zeigt die nachfolgende Abbildung ein funktionales Schnittbild durch eine excitatorische (erregende) Synapse.
Es gibt verschiedene Typen von Synapsen. Uns interessiert jedoch zunächst die im Cortex am meisten verbreitete excitatorische (erregende) Synapse.
Excitatorische Synapse
Die Synapsen bestehen aus einer prä- und postsynaptischen Zelle. Sie sind getrennt durch einen bis zu 50nm breiten Spalt. Kommt nun ein Aktionspotential am Axonende an, öffnen sich die Natriumkanäle. Eine Depolarisierung tritt ein, dabei öffnen sich spannungsgesteuerte Calcium-Ionenkanäle (Ca++) deren Ionen auf die Vesikel mit Neurotransmittermolekülen (Acetylcholin) treffen. Die Vesikel verbinden sich am synaptischen Spalt mit der Axonmembran (Exozytose). Die Transmittermoleküle treten in den Spalt ein und diffundieren zur postsynaptischen Membran und öffnen die dortigen Natriumkanäle.
Nun dringen Natiumionen direkt in die Zelle ein und Depolarisieren die Membran. um einige milli Volt (mV). Um den internen Schwellwert zu überschreiten bedarf es jedoch mehrfacher gleichzeitiger Depolarisationen um eine vollständige Depolarisation der Membran zu erreichen. Die Wirkung eines Neurotransmitters dauert ca. 0,5 bis 1 milli Sekunde. Anschließend wird der Neurotransmitter durch das Enzym Acetylcholinesterase in seiner Wirkung neutralisiert. Das Enzym wird dann wieder in der präsynaptischen Zelle umgebaut zu Acetylcholin.
Andere Typen von Neurotransmittern können jedoch ein Öffnen der Kalium- und Chloridkanäle bewirken. Hierbei strömen KaliumIonen (K+) aus der postsynaptischen Zelle. Dies führt jedoch zu einer Hyperpolarisierung, welche eine inhibitorische Funktion bewirkt. Damit ist sowohl die weiterleitende, als auch die hemmende Funktion der Synapsen im Wechselspiel des Neuronen Netzwerkes erklärt.
Innerhalb des Neuronennetzwerkes des Cortex sind die meisten Axone und Dendrite länger als der Abstand benachbarter Neuronen. Was kann nun hieraus gefolgert werden?
Die große Anzahl auf Dornen sitzender Synapsen lässt vermuten, dass sie zu einem sehr großen Gedächtnisspeicher gehören, in dem alle Signale wie in einem riesigen Mischer möglichst weit verbreitet werden.
Dadurch stehen sehr viele Neuronen miteinander in Verbindung um sich mit anderen Zellgruppen im Netzwerk des Cortex stärker zusammen zu schalten. Die im Cortex auf diesem Wege vorhandene Mehrfachrückkopplung auf die Neuronen ergibt einen enormen Verstärkungseffekt und stellt die Grundlage für assoziatives Lernen auf Synapsenebene dar. Jene Neuronen, die oft aktiviert werden, heben sich in Gruppen deutlich von ihrer Umgebung ab und bilden Zuständigkeiten für Dinge und Ereignisse aus der Aussenwelt.
Wobei wiederum dieses sogenannte Lernen mittels Zusammenkopplung von Neuronengruppen durch die Überzahl erregender Synapsen im Cortex gestützt wird. Die Minderheit der hemmenden Synapsen nimmt jedoch die äußerst wichtige Funktion der Vermitlung negativer Sinneseindrücke wahr.
Dies wollen wir an einem einfachen Beispiel verdeutlichen. Ein Betrachter sieht in einem ansonsten leeren Raum in der Mitte einen runden Tisch auf dem ein Becher steht. Das Bild wird im Großhirn als runder Tisch bestimmter Größe, Form und Farbe zusamen mit dem daraufstehenden Becher bestimmter Größe, Form und Farbe wie vorher beschrieben über die erregenden Synapsen mehrfach verstärkt in bestimmten Neuronengruppen abgespeichert.
Nun verlässt der Betrachter für kurze Zeit den Raum, in dieser Zeit wird der Becher vom Tisch entfernt. Beim Wiedereintreten in den Raum sieht der Betrachter wiederum den gleichen Tisch, aber ohne Becher. Der Vergleich des jetzigen Bildes mit dem vorher abgespeicherten Bild lässt ihn den Tisch dieser Größe Form und Farbe wiedererkennen. Der Tisch wird also verstärkt als erkannt über die erregenden Synapsen und ihre mit ihnen gekoppelten Neuronengruppen abgespeichert. Es fehlt jedoch der Bildteil des Bechers bestimmter Größe, Form und Farbe. Das fehlende Becherbild wird nun über die hemmenden Synapsen in den Neuronengruppen verarbeitet. Der Becher wird als fehlend abgespeichert.
Dies Beispiel kann jedoch nur als stark vereinfacht gelten, für Vorgänge, die in Wirklichkeit wesentlich komplexer ablaufen. Wie wir aus den vorangehgenden Ausführungen sehen können kann man den Cortex wohl kaum als exakt programmierten Computer ansehen. In Wirklichkeit ist er ein äußerst aktives Netzwerk von zunächst diffus erscheinenden Zellen und ihren Verbindungen untereinander. In den verschieden Abschnitten sind zwar gleiche Grundverschaltungen vorgegeben. Diese variieren aber von Abschnitt zu Abschnitt erkennbar an bestimmten Formen der Dendriten und axonalen Verzweigungen.
Dies wird deutlich bei der Interaktion des Gehirns mit der Umwelt des Menschen. Zunächst wird also die Verknüpfung gleichzeitig aktiver Neuronen zu Gruppen mittels Stärkung oder Schwächung der variablen Synapsen wirksam, anschließend wird dann im Rahmen des riesigen sozusagen selbstverkabelten Assoziativspeichers (Gedächtnis) die Abspeicherung vorgenommen.
3.5 Blutkreislauf, Stoffwechsel und Hormone
Um seinem Funktionsumfang aufrecht zu erhalten wird das Gehirn über einen eigenen Teil des Blutkreislauf mit Glukose und Sauerstoff versorgt. Über den Blutkreislauf werden ferner Kohlendioxyd und Stoffwechselprodukte abgeführt. Das Gehirn benötigt weiterhin ca. ein Fünftel des Gesamtsauerstoffbedarfs des Menschen. Der direkte arterielle Blutzufluss zum Gehirn wird durch vier Schlagadern sichergestellt.
Auf jeder Halseite liegt je eine Ader, während vorne die innere Halsschlagader sowie hinten die Wirbelarterie zum Gehirn führen. Die Ableitung des venösen Blutes erfolgt über besondere venöse Hirnblutleiter. Der Blutfluss im Gehirn liegt bei etwa 45 ml pro Minute und pro 100g Hirnmasse. Dabei kann sogar ein Abfall der Durchblutungsrate auf die Hälfte durch höhere Sauerstoffverwertung ausgeglichen werden. Sinkt jedoch die Durchblutungsrate auf unter 15mg pro Minute, dann kommt es zu irreparablen Hirnschäden mit großen Ausfällen und bei unter 10ml pro Minute sterben die Zellen innerhalb von 10 bis 20 Minuten ab.
Der arterielle Hauptzufluss gelangt über die rechte und linke innere Halsschlagader zum Gehirn. Die daraus abzweigende mittlere Hirnarterie des vorderen Kreislaufs versorgt die seitlichen Teile des Großhirns, während die ebenfalls abzweigende vordere Hirnarterie die der Mitte zugwandten Großhirnteile versorgt. Teile des Temporallappens und des Occipitallappens werden vom hinteren Kreislauf also aus der rechten und linken Wirbelarterie gespeist. Die feineren Blutgefäße des Gehirns, Kapillare genannt, bilden durch den speziellen Aufbau (da sie mit Endothelzellen ausgekleidet sind), eine undurchlässige Blut-Hirn-Schranke. Dies stellt den Schutz des Gehirns vor im Blut kreisenden schädlichen Substanzen dar.
Die venösen Blutabflüsse im Gehirn bestehen aus kleinen Venolen und Venen, die sich aus oberflächlich und in der Tiefe verlaufenden Gruppen aufteilen. Sie münden anschließend in inneren Drosselvenen, die zum Herzen führen.
Die biochemischen Stoffwechselvorgänge im Gehirn beeinflussen den gesamten Organismus des Menschen. Wobei jedes Hormon, jeder Transmitter und jede Aminosäure seine bestimmte Funktion in einem komplex miteinander verknüpften System hat. Viele der biochemischen Stoffe, die unser Körper braucht, werden von ihm selbst hergestellt. Sie werden aus Grundstoffen, die wir mit unserer Nahrung zuführen, in unserem körpereigenem biochemischen Labor z.B. aus Aminosäuren und Eiweißen produziert.
Der eigentliche Energielieferant für die Hirnzellen ist aber die Glukose, die direkt aus dem Blutzuckerspiegel bezogen wird. Sinkt der Blutzuckerspiegel zu stark ab, quellen die Nerven auf, es kommt zu Störungen an den Zellmembranen mit daraus resultierenden nervösen Symptomen. Es gibt jedoch noch eine körpereigene Reserve von ca. 300 bis 400g in Leber, Blut und Muskeln, die sich jedoch vorallem bei hoher Belastung in wenigen Stunden aufbraucht. Die Stresshormone Adrenalin, Cortisol und Glukagen versuchen dann die letzten Glukosereserven aus der Leber freizusetzen.
Daher ist es wichtig rechtzeitig u.a. auch kohlehydratreiche Nahrung aufzunehmen, aus der ein stetiger Glukosenachschub gewonnen werden kann. Grundlage für ein optmales Arbeiten des Gehirnes (was Wohlbefinden und positive Stimmung bedeutet) sind ca. 22 Aminosäuren, von denen die drei wichtigsten das Phenylalanin, das Methionin und das Tyrosin sind. Aus dem Phenylalanin ensteht erst das Tyrosin und im Rahmen eines weitergehenden Stoffwechselprozesses das Dopamin.
Das Dopamin hat eine wichtige Stellung im Hirnstoffwechsel, stellt es doch die Grundlage für das sogenannte Belohnungssystem des Gehirns dar. Es wurde entdeckt, dass das Belohnungssystem des Menschen sich aus den drei Hirnarealen "Nucleus Accumbens" (als Teil des für Emotionen zuständigen limbischen Systems), dem ventralen tegmentalen Areal des Mittelhirns (Mittelhirnhaube) und der präfrontalen Region der Großhirnrinde zusammensetzt. Das System enthält Neuronen die den Botenstoff Dopamin zur Signalübertragung benutzen und den Menschen veranlassen ständig nach Glücksgefühlen zu streben.
Das körpereigene Dopaminsystem wird unterstützt mit weiteren Botenstoffen, den Opioiden (auch Endorphine genannt) und Cannabinoiden, diese docken an die speziellen Opiatrezeptoren des Belohnungssystems an. Externe Suchtstoffe wie Alkohol, Kokain, Heroin etc. setzen im Belohnungssystem derart viel Dopamin und Serotonin frei, dass es zu rauschartigen Glückszuständen kommen kann, mit allen Folgen einer chronischen Sucht. Daher vermitteln auch opioidhaltige Schmerzmittel durch Andocken an die Opiatrezeptoren Wohlgefühl und damit verbundene Schmerzlinderung und allerdings ebenfalls Sucht.
Lebenswichtig für den Menschen und sein Gehirn ist der Schlaf. Die sogenannten Raphekerne im Gehirn warten oftmals schon am Nachmittag auf das Tryptophan, ein Grundstoff für die Synthetisierung von Serotonin. Aus dem Serotonin stellt die Zirbeldrüse dann das Schlafhormon Melantonin her. Mit dem Eintritt der Dämmerung wird die Produktion von Wach- und Aufmerksamkeitshormonen gedrosselt und die Zirbeldrüse flutet das Blut mit Melatonin und Müdigkeit mit Schlafbedürfnis kommt auf.
Ein weiteres hormonales Regelsystem beruht darauf, den Körper unter Stress zu setzen, um auf Gefahrensituationen zu reagieren und den Körper unter diesem Druck auf schnelle Hochleistung zu bringen. Der Hypothalamus stellt dann sehr schnell die Hormone Corticotropin und Adrenalin bereit. Adrenalin hebt den Blutzuckerspiegel und den Blutdruck und somit die Leistungsbereitschaft des Körpers (z.B. Muskelsystem). Corticotropin und Adrenalin gelangen aber auch sofort in den Hypophysenvorderlappen, der seinerseits durch Ausschüttung des adrenocorticotropen Hormons die Nebennierenrinde veranlasst Cortisol abzugeben. Cortisol ermöglicht seinerseits die Wirkung von Adrenalin und Noradrenalin in den Blutgefäßen. Es verringert aber auch gleichzeitig die Gedächtnisleistung und die Produktion von Antikörpern im Immunsystem. Dauerstress macht daher krank.
Die hier aufgeführten Beispiele stellen nur einen kleinen Ausschnitt aus der Vielfalt und Komplexität der im Gehirn und Körper des Menschen wirksamen Hormone und Botenstoffe dar. Sie zeigen aber auch auf, wie wichtig es für Gehirn und Körper ist, durch ausgewogene, gesunde, mineralstoff- und vitaminreiche Ernährung und ausreichende Bewegung sowie geistiger Aktivität den Stoffwechsel von Körper und Gehirn in Balance zu halten.
3.6 Kognitive Fähigkeiten
Das Gehirn des Menschen gekoppelt mit seinen Sinnen verfügt über vielfältige kognitive Fähigkeiten. Hierzu zählen:
Wahrnehmung
Als bewußte Aufnahme von Informationen aus der Umgebung wie z.B. visuelle Wahrnehmung mittels Sehsinn, auditive Wahrnehmung mittels Gehör und haptische Wahrnehmung mittels Tastsinn, aber auch olfaktorische Wahrnehmung mittels Geruchssinn, gustatorische Wahrnehmung mittels Geschmackssinn und vestibuläre Wahrnehmung über den Gleichgewichtssinn.
Aufmerksamkeit
Als bewußte Zuwendung und Fokussierung auf Objekte des Wahrnehmungsbereiches und/ oder damit verbundenen oder nicht verbundenen Gedanken und Gefühle.
Wille
Entscheidung für oder gegen etwas auch in Äbhängigkeit von Vorstellungen, Wünschen und Begehrlichkeiten. Willentlich gefasste Entschlüsse müssen freiwillig und ohne fremden Einfluß geschehen.
Problemlösung
Als Tätigkeit des intelligenten, menschlichen Wesens bestehende Probleme mittels bewußt gesteuerter Denkprozesse einer Lösung zu zu führen.
Sprache
Als Grundlage der sozialen und emotionalen Kommunikation des Menschen. Nach Edward Sapir (1921) ist: "Sprache eine weitgehend dem Menschen vorbehaltene nicht im Instinkt verwurzelte Methode zur Übermittlung von Gedanken, Gefühlen und Wünschen mittels eines Systems von frei geschaffenen Symbolen". Man unterscheidet in Lautsprache, Gebärdensprache, Schriftsprache, Zeichen- und Bildsprache, aber auch als Programmiersprache zur Kommunikation zwischen Mensch und Automaten wird sie wirksam.
Gedächtnis
Als Fähigkeit des Gehirns, die von den Sinnen kommenden Informationen sowie eigene Gedanken gezielt zu ordnen, abzuspeichern und jederzeit nach belieben abzurufen, wobei das Gedächtnis Grundlage aller Lernprozesse ist.
3.7 Was ist Bewußtsein?
In den vorangegangenen Kapiteln war es überwiegend möglich auf einigermassen fundierter Basis wissenschaftliche Erkenntnisse, wie auch immer gesichert, zusammen zu stellen. Bei der Frage "Was ist Bewusstsein?" wird es in bezug auf gesicherte wissenschaftliche Erkenntnis kritisch. Es liegen meistens nur modellhafte Erklärungsversuche vor. Diese sind zum Teil je nach Forschungsrichtung wiedersprüchlich. Dennoch soll der Versuch unternommen werden, die wichtigsten Ergebnisse zum Thema Bewußtsein zusammen zutragen.
Zunächst leuchtet ein, zu sagen, daß Bewußtsein nicht Schlaf oder Bewußtlosigkeit einschließt. Ein Mensch der nicht schläft oder bewußtlos ist, hat also Bewußtsein. Diesen Zustand begrifflich zu definieren ist Streitpunkt der Geisteswissenschaften und der Naturwissenschaften. Dennoch ist es nachvollziehbar zu sagen:
A. Bewußtsein ist ein Wachzustand in dem alle kognitiven Fähigkeiten des Gehirns und der Sinne aktiv sind.
B. Bewußtsein ist nicht statisch sondern ändert sich im Rahmen der Zeitachse.
C. Bewußtsein hat Erlebniseigenschaften. Man erlebt z.B. Freude, Trauer, Schmerzen etc.
D. Bewußtsein schließt Gedanken- und Ideen- Prozesse ein.
E. Bewußtsein bedeutet auch die Erkenntnis über seine Existenz mit ihrem Anfang und ihrem Ende zu besitzen. Es schließt somit die Kenntnis einer eigenen individuellen Existenz als Person (ICH) ein.
Bis heute gibt es jedoch keine nachweisbare Verbindung zwischen der Bewußtseinsebene und den neuronalen Prozessen des Gehirns. Man kann zwar z.B. klären, wie ein Schmerz entsteht und zum Gehirn weitergeleitet wird. Warum aber das Feuern dafür zugeordneter Neuronengruppen ein Schmerzerlebnis mit allen daraus entstehenden Folgen auslöst, ist nicht erklärbar. Man spricht in diesem Zusammenhang auch vom Rätsel des Bewußtseins.
Interessant ist auch die Fragestellung, ob Bewußtsein als Summe aller physischen Prozesse im Gehirn entstehen kann, dann wären mentale Eigenschaften auch rein mechanistisch darstellbar. Man könnte dann daraus folgern, dass dann Objekte mit denen ihnen zugehörigen physischen Eigenschaften ( z.B. Neuronen und Synapsen) sich im Zusammenspiel so verhalten müßten, dass daraus mentales Bewußtsein ensteht. Hierzu kann die Hirnforschung aber bisher keine plausible Erklärung geben. Somit gibt es zumindest bisher keine Brücke, die einen Zusammenhang zwischen der Neuronenebene und dem Bewußtsein aufzeigt.
Ein ähnliches nicht lösbares Problem ist die wichtige Frage, ob etwas, was wir gerade erleben, wahr ist oder falsch. Für den mit diesem Erleben verbundenen neuronalen Prozess gibt es kein wahr oder falsch. Der Prozess läuft im Gehirn einfach ab.
Wir sehen also wie ausserordentlich schwierig es ist, Bewußtsein zu deuten und einen Zusammenhang mit der neuronalen Ebene zu finden.
Hier setzt die psychologische Forschung an, indem sie beschreibt, welche Reize in welchem Zusammenhang bestimmte Bewußtseinzustände hervorrufen. Eine hervorgehobene Rolle spielt dabei auch die Frage der Unterscheidung zwischen bewußten und unbewußten Zuständen, da viele Reize zwar vom Gehirn wahrgenommen werden, aber nicht unbedingt in das Bewußtsein vordringen und somit erlebbar werden.
Man daher davon ausgehen, dass die neuronalen Netze des Gehirns ständig mit Aufgaben beschäftigt sind, die wir bewusst nicht wahrnehmen. Daraus folgt, dass eine ständige Bereitschaft des Gehirns existiert (auch im tiefen Schlaf) in die Aufmerksamkeits- und Bewußtseinsebene zurück zukehren. Es muß nur ein genügend großer Reiz auftreten und schon konzentriert sich die Aufmerksamkeit auf den damit verbundenen Vorgang. Der Vorgang selbst wird sodann untersucht und durch Hinzunahme weiterer Hirnareale ( z.B. durch die Einschaltung des limbischen Systems für den Gefühlsbereich) bewertet und gewichtet.
Ist er wichtig genug, beachtet zu werden, wird die Bewußtseinsebene eingeschaltet mit der Möglichkeit zu beobachten und wenn nötig durch Planung und Ausführung entsprechender Maßnahmen auf den Vorgang zu reagieren. Neueste Erkenntnisse durch Forschungen an der Universität Princeton in USA zeigen durch Versuche am sogenannten prämotorischen Cortex von Affen, dass sie ständig die gesamte sichtbare Umgebung im Auge haben und davon eine Art "Landkarte" anfertigen in dem jedes erkannte Objekt seinen genauen Platz hat. Tritt nun ein neues Objekt in das Sehfeld der Affen, wissen sie, wo dieses jeweils in der zugrundeliegende Karte einzuordnen ist. Aufgrund dieses inneren Navigationssystems, das auch beim Menschen ähnlich funktioniert, hat alles was bekannt und erkannt ist seinen genauen Platz.
Tritt nun ein neuer Gegenstand in das Sehfeld der Affen, sind die Neuronen damit eine Zeit lang beschäftigt (sie feuern ihre Signale ab) diesen Gegenstand einzuordnen und abzuspeichern. Dieser Vorgang läuft auch dann erstmal weiter, wenn z.B. das Licht abgeschaltet ist und nichts mehr zu sehen ist. Erst wenn das Licht dann wieder eingeschaltet ist und der Gegenstand ist nicht mehr vorhanden, arbeiten die Neuronengruppen nicht mehr.
Es sind also spezielle Neuronengruppen dafür zuständig, die Vielzahl des Kartenmaterials gemäß den einströmenden Reizen und Informationen durch ständige Aktivität zu aktualisieren. Man kann sich dies im Gesamtablauf etwa wie folgt vorstellen:
a) Der Hirnstamm sorgt für eine gewisse Grunderregung der Neuronen.
b) Daran anschließend steuert unser motorisches Hirnzentrum unsere Neuorientierung im Raum. Die Sinne werden ausgerichtet, um neue Eindrücke aufzunehmen.
c) Das limbische System schaltet sich ein um etwas aufzuspüren, das sich für uns lohnt, beachtet zu werden (vielleicht steckt ja z.B. ein Erfolgserlebnis mit einem Belohnungsgefühl dahinter).
d) Die Großhirnrinde (hier der Stirnlappen) plant und reagiert auf die neuen Eindrücke und den daraus entstandenen Vorgang oder Erlebnisablauf.
Dabei ist zu berücksichtigen, daß auch in uns entstehende Gedanken nach dem gleichen Ablaufmuster vom Gehirn behandelt werden (quasi, wie fiktive Sinneseindrücke aus dem Inneren heraus).
Es wurde weiterhin festgestellt, dass auch die unbewußt empfangenen Reize Einfluß auf das gesamte Verhalten haben. Ein Beispiel in diesem Zusammenhang ist die Sehstörung der Rindenblindheit, wobei eine Person nichts bewußt sieht, obwohl visuelle Informationen im Gehirn verarbeitet werden.
Die Psychoanalyse beschäftigt sich als Teilgebiet der Psychologie mit der Erforschung von bewußten und unbewußten Prozessen und zeigt auf, dass unterhalb des Bewußtseins noch eine komplexe Ebene unbewußter Strukturen vorhanden sein muß. Hier kommt es in letzter Zeit zu mehr Zusammenarbeit zwischen Hirnforschern und Psychologen.
3.8 Unterscheiden sich die Gehirne von Männern und Frauen?
Diese Frage ist immer wieder Gegenstand öffentlichen Interesses und wird ständig aktuell in den Medien diskutiert. Zumal auch unter den verschiedenen wissenschaftliche Forschungsrichtungen hierüber keineswegs Einigkeit herrscht. Zum einen wird der Mensch von seinen Genen und Hormonen bestimmt, zum anderen wird er ständig insbesondere aber in der Kindheit von seiner Umwelt geprägt.
Der große Unterschied im Gehirn bei Mann und Frau?
Daher ist es zunächst einmal zu hinterfragen, wer oder was bestimmt zunächst überhaupt die geschlechtliche Entwicklung des Menschen? Hier kann uns vielleicht die Genforschung weiterhelfen, denn sie hat endeckt, dass es einen genetischen Hauptschalter bei Säugetieren ( also auch beim Menschen ) gibt (ein Gen, mit der Bezeichnung Sry), der sich auf dem männlichen Y-Chromosom befindet. Dieser veranlasst die Produktion von größeren Mengen Testosteron, dem männlichen Geschlechtshormon. Man folgert daraus, dass sich z.B. dann im gesamten Körper eines Fötus inklusive der Hirnentwicklung unter dem Einfluss von Testosteron alles in Richtung männliches Geschlecht entwickelt.
Wenn dem so wäre, so folgern die hormonorientierten Forscher, müssten sich daher auch direkte Unterschiede in Aufbau und Funktion zwischen männlichem und weiblichen Gehirnen finden lassen.
Dies wird jedoch von der direkten Geschlechterforschung sehr kritisch gesehen. Wobei hier in ihrem Sinne zwischen Geschlecht im soziokulturellen und biologischen Verständnis und der rein biologisch, materiell bestimmten Sexualität unterschieden werden sollte.
Unabhängig davon schauen wir uns einmal an, wie die Hirnforscher mit Hilfe der Computertomografie (CT), der Magnetresonanztomomografie (MRT) und der Positronenemissionstomografie (PET) sowie der Elektroenzophalografie (EEG) Aktivierungsmuster und Bilder der verschiedenen Hirnareale bei bestimmten vorgegebenen Problemstellungen messen. Hierbei haben sich folgende größere Unterschiedsbereiche manifestiert:
Die Sprachfähigkeiten der Frauen scheinen im Durchschnitt zu besseren Ergebnissen zu führen als bei Männern. Wobei Frauen beide Hirnhälften einsetzen, während Männer die linke Hirnhälfte bevorzugen.
Bei der Orientierung im Raum scheinen wiederum die Männer den Frauen überlegen , wobei bei den Männern die rechte Hirnhälfte bevorzugt genutzt wird.
Wenn das Gehirn der Frauen symetrischer unter Nutzung beider Hirnhälften arbeitet, folgert man, dass der Corpus Callosum (Verbindungs-Balken), der beide Hirnhälften verbindet, bei Frauen größer ausfallen müsste.
Diese Ergebnisse können jedoch höchsten als erste grobe Trends angesehen werden. Da auch Untersuchungen mit gegenteiligen Ergebnissen vorliegen, besteht hier noch erheblicher Forschungsbedarf und vieles wird zur Zeit nur durch Hypothesen hinterlegt.
Eindeutig ist jedoch, dass das männliche Gehirn im Durchschnitt um ca. 10% größer ist als das der Frauen, was keinesfalls zu falschen Schlußfolgerungen in bezug auf Gedächtnis, Intelligenz etc. führen darf.
Ferner wird häufig bei den von Forschern durchgeführten Untersuchungen an Probantengruppen und den daraus entstandenen Ergebnissen der Faktor Lebensalter des Menschen ausser acht gelassen. Das Gehirn ist so plastisch über die gesamte Lebenszeit eines Menschen angelegt, dass die Morphologie (Umfang,Form und Gestalt) eines individuellen Gehirns tiefgreifenden Änderungen unterliegt.
Es wird also noch erheblichen Forschungsaufwand und somit noch längere Zeit benötigen, um hier zu eindeutigen wissenschaftlich fundierten Kenntnissen zu gelangen.
3.9 Das Gehirn - die Basis menschlicher Existenz
Die nachfolgende Grafik zeigt zusammenfassend auf, was den Menschen als Individuum auszeichnet und somit in der Summe von allen anderen Lebewesen auf dem Planeten Erde abhebt. Im Zentrum steht das Gehirn als großer, flexibler, hochkomplexer Speicher, der alles aufnimmt, verarbeitet und im Körper und Geist des Menschen umsetzt.
Was macht den Menschen aus?
Dennoch muß man einsehen, dass zwar eine ganze Menge an Daten und Informationen von der Wissenschaft zusammengetragen wurde, aber bisher keine nachweisbare Verbindung zwischen materiellem "Gefäß Gehirn" und seinem Inhalt " menschlicher Geist " gefunden wurde.
Hirnforscher können feststellen, wie das einzelne Neuron als Träger der Information innerhalb seines Netzwerkes arbeitet und sich mit anderen zu kommunizierenden Gruppen in bestimmten Hirnarealen zusammenschließt, wenn der Mensch das Gefühl von Freude oder Trauer empfindet. Dies sagt nichts darüber aus, was Freude oder Trauer in der Realität für den einzelnen Menschen wirklich bedeuten. Denn auch beim Empfinden körperlichen Schmerzes oder Wohlbefinden feuern bestimmte Neuronengruppen mit ihren Synapsen in zugehörigen Hirnregionenauf auf gleicher elektrischer und biochemischer Basis.
Oftmals sind die Gehirne von Menschen durch ihre Plastizität so flexibel, dass gleiche Vorgänge, die vorher eindeutig einer Hirnregion zugewiesen werden konnten, nunmehr z.B. durch Umlernen von anderen Neuronengruppen in anderen Hirnarealen übernommen werden. Deren Neuronen arbeiten nach dem gleichen Prinzipien und der Mensch fühlt das Ereignis wie z.B. Schmerz genauso wie vorher. Das gleiche elektrische Signal eines Neurons und die gleiche chemische Reaktion einer Synapse kann Freude aber auch Trauer oder Schmerz übertragen und abspeichern.
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