Arbeitsteilung des Gehirns: 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 Erinnerungen

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.

Erinnerungen werden also hauptsächlich in der Hirnrinde gespeichert, wobei der Hippocampus und der unmittelbar angrenzende entorhinale Cortex an der Gedächtnisbildung beteiligt sind, denn hier fließen Informationen zusammen und werden verarbeitet. Maas et al. (2014) konnten nun innerhalb des Hippocampus und des entorhinalen Cortex die Gedächtnisbildung bestimmten neuronalen Schichten zuordnen, wobei sich beobachten ließ, welche neuronale Schicht jeweils aktiv war, was Rückschlüsse darauf gewährte, ob Information in den Hippocampus hineinfloss oder aus dem Hippocampus heraus in die Hirnrinde gelangte. Durch eine Feststellung dieser Richtungsinformation konnte man zeigen, wo sich im Gehirn der Eingang zum Gedächtnis befindet. Für die Studie untersuchte man die Gehirne von Probanden, die sich für einen Gedächtnistest zur Verfügung gestellt hatten. Mit Hilfe der Ultra-Hochfeld-Magnetresonanz-Tomographie bei 7 Tesla konnte die Aktivität einzelner Hirnregionen mit bislang unerreichter Genauigkeit erfasst werden.

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.

Neueste Forschungen zeigen, dass das Immunsystem imstande ist, im Schlaf zu lernen und ein Gedächtnis für Krankheitserreger zu entwickeln. Offensichtlich nutzt das Immunsystem den Schlaf, um ein solches Immungedächtnis zu formen. Wenn das Immunsystem mit einem Erreger konfrontiert ist, es also zu einer Erstinfektion gekommen ist, stürzen sich Makrophagen und andere Abwehrzellen auf die Erreger, fressen sie auf und präsentieren Bruchstücke ihrer Mahlzeit den Lymphozyten. Die Lymphozyten teilen sich dann und bilden im Rahmen dieser Teilungsprozesse neben Zellen, die spezifische Antikörper gegen den Erreger herausbilden, darunter auch Gedächtniszellen, die sich an den Erreger erinnern. Wenn der Erreger also wieder in den Körper eintritt, reagieren diese Gedächtniszellen sehr schnell und können seine Ausbreitung frühzeitig verhindern. Nach einer Erstinfektion speichert das Immunsystem Wissen über den Erreger, damit es ihn bei einer erneuten Infektion noch schneller und effizienter bekämpfen kann. Eine Reihe von Indizien sprechen dafür, dass der Tiefschlaf für diese Art der Gedächtnisbildung im Immunsystem fundamental wichtig ist. Das konnte in einem Experiment bestätigt werden, in dem Versuchspersonen, die nach einer Impfung geschlafen hatten und dabei sehr viel Zeit im Tiefschlaf verbrachten, noch ein Jahr später erheblich mehr Antikörper im Blut hatten als die Mitglieder einer Kontrollgruppe, die nach der Impfung die ganze Nacht über wach geblieben waren.

Siehe dazu auch T-Zellen als Botengänger zwischen Darm und Gehirn.

Literatur
Interview mit Jan Born, Schlafforscher der Uni Tübingen.
WWW: http://www.swp.de/ulm/nachrichten/wissen/ mensch/Lernen-im-Schlaf;art1185449,1975802 (13-05-01)

Science 2009

Maass, A., Schütze, H., Speck, O., Yonelinas, A., Tempelmann, ., Heinze, H.-J., Berron, D., Cardenas-Blanco, A., Brodersen, K. H., Enno, S. & Düzel, E. (2014). Laminar activity in the hippocampus and entorhinal cortex related to novelty and episodic encoding. Nature Communications, doi:10.1038/ncomms6547.

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).

Das Gehirn wendet übrigens bei komplexen Tätigkeiten wie dem menschlichen Seele zahlreiche Tricks an, um optische Informationen schnell und mit wenig Aufwand zu verarbeiten, denn so reagieren etwa bestimmte Neuronen des Großhirns speziell auf Kanten, so dass Umrisse von Objekten schnell identifiziert werden können. Das funktioniert sogar auch dann, wenn Objekte einander teilweise verdecken, denn es gibt eine Vielzahl von spezialisierten Zellen, unter anderem solche, die auf rundliche Merkmale reagieren. Bornschein et al. (2013) haben nun herausgefunden, dass sich das Verhalten solcher Gehirnzellen dann in neuronalen Modellen sehr gut beschreiben lässt, wenn man die Überdeckungen zwischen den Objekten berücksichtigt.

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 Ansicht, dass lediglich zehn Prozent der Gehirnzellen wirklich gebraucht werden und der Rest angeblich als stille Reserve vor sich hinschlummert, zählt zu jenen Mythen aus der Welt der Wissenschaft, die einfach nicht aussterben. Wie es zu dieser Fehleinschätzung kommen konnte, lässt sich nicht belegen, aber vermutlich waren es Psychologen zu Beginn des 20. Jahrhunderts, die die Theorie verbreiteten, dass nur ein geringer Prozentsatz unseres geistigen Potenzials genutzt wird, woraus falsche Rückschlüsse auf die Gehirnaktivität gezogen wurden. Wissenschaftliche Veröffentlichungen zu diesem Thema hatte es jedoch nie gegeben, wobei allerdings auch moderne bildgebende Verfahren scheinbar diesen Eindruck vermitteln. denn Aufnahmen aus dem funktionellen Magnetresonanztomografen zeigen bei einer beobachteten Tätigkeit immer nur kleine Hirnareale, die aktiv sind. Jedoch ist diese Interpretation falsch, denn tatsächlich ist immer das gesamte Gehirn aktiv, wobei die dargestellten Bereiche lediglich zu dem gemessenen Zeitpunkt besonders aktiv sind. Vermutlich gibt es eine Vielzahl von Motivationstrainern, Ratgeberautoren und Psycho-Coaches, denen dieser Mythos in die Hände spielt.
Übrigens gibt Douglas Adams in "Der Elektrische Mönch" die passende Erklärung: "Sie hatte einmal gehört, dass der Mensch vermutlich nur etwa ein Zehntel seines Gehirns benutze und dass niemand ganz genau wisse, wozu die anderen neun Zehntel da seien, aber sie hatte natürlich nie eine Andeutung darüber gehört, dass sie zur Aufbewahrung von Pinguinen benutzt würden." ;-)

 

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.).

Gehirn spart Energie durch Modulbildung

In einer Studie an Musikern und Nichtmusikern wurde herausgefunden, dass das menschliche Gehirn sich Rechenleistung spart, indem es schwierige Bewegungen so speichert, dass sie bei Bedarf schnell und ziemlich mühelos wieder abgerufen werden können. Bei ihren Untersuchungen betrachtete man die Fingerbewegungen von Geigern und Pianisten und zeichnete auf, wie diese nach oft jahrelangem Training bestimmte Griffe auf ihren Instrumenten ausführten und untersuchte die daraus entstandenen Regelhaftigkeiten der Bewegungsmuster. Anschließend löste man mittels der transkraniellen Magnetstimulation (starke Magnetfelder) die Fingerbewegungen durch Reizung der Gehirnrinde direkt aus. Dabei wiesen die in völlig entspanntem Zustand ausgelösten Fingerbewegungen Merkmale auf, die direkt mit den langjährig trainierten Fingerbewegungen verbunden waren. Offensichtlich sind die entsprechenden Fähigkeiten im Gehirn modular als eine Art von Speicherbausteinen abgelegt, sodass es den Musikern möglich ist, die speziellen Bewegungen mit größerer Leichtigkeit, Präzision und Geschmeidigkeit auszuführen. Solche Speicherbausteine des Gehirns verändern sich bei besonders schwierigen Leistungen allerdings nur allmählich und nach sehr langem Training, wobei Musiker bekanntlich viele Jahre täglich stundenlang üben.
Dieses Arbeitsprinzip der Gehirns gilt vermutlich nicht nur für die Bewegungen bei Musikern, sondern ist auch für andere Menschen und andere motorische Fähigkeiten gültig, etwa beim Schreibmaschinschreiben oder am Fließband. Das Gehirn spart durch die Speicherung von immer wiederkehrenden Abläufen in Bausteinen wertvolle Zeit und Energie und verhindert damit, dass es nicht jedes Mal neu mit der Analyse einer Situation beginnen muss. Auch perzeptuelle Vorgänge wie die visuelle Wahrnehmung werden vermutlich durch solche Speicherprozesse im Gehirn vereinfacht.
Quelle: http://www.zv.uni-leipzig.de/service/presse/pressemeldungen.html?
ifab_modus=detail&ifab_id=3915 (10-10-27)

Die digitale Sprache des Gehirns

Bekanntlich besteht die universelle Sprache des Gehirns aus elektrischen Impulsen, den Spikes, wobei jede einzelne der Millionen Nervenzellen im menschlichen Gehirn zu jedem Zeitpunkt entweder einen Spike aussenden oder ruhig bleiben kann. Das Gehirn repräsentiert also Informationen über die Welt ganz ähnlich wie ein Computer in einem binären Code, null oder eins, Spike oder nicht Spike. Neurowissenschaftler können die Aktivität von Dutzenden von Neuronen gleichzeitig messen, doch ist bis heute nicht geklärt, welche Eigenschaften die binären Muster haben, die sich aus der Spike-Aktivität der Nervenzellen ergeben. Man versucht seit langem mit statistischen Methoden die Signalmuster des Gehirns zu modellieren, um zu verstehen, wie Sinneswahrnehmungen auf der Ebene der Nerven kodiert werden. Zur Anwendung kommt unter anderem das Ising-Modell aus der Physik, das beschreibt, wie eine große Zahl ferromagnetischer Teilchen ein kollektives Verhalten entwickelt, das letztlich den Magnetismus eines Materials ausmacht. In Studien hat sich nun gezeigt, dass das Ising-Modell in einigen Fällen erstaunlich präzise Beschreibungen der Aktivitäten in einer Nervenpopulation liefern kann, allerdings versagte das Modell in einigen Fällen auf charakteristische Weise. Eine Forschergruppe um Jakob Macke (Macke et al., 2011) hat in Experimenten gezeigt, dass es offenbar gemeinsame Eingangssignale gibt, die bei allen Neuronen ankommen, die aber im Experiment womöglich nicht direkt beobachtet wurden, also dass etwa die Neuronen des visuellen Systems wichtige Signale auch von anderen Neuronen außerhalb des gerade beobachteten Systems bekommen und so die Gültigkeit des Ising-Modells stören.

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.

Resonanz verbindet weit entfernte Gehirnareale

Es ist ein komplexer Prozess, wie Nervenzellen im Gehirn über weite Distanzen miteinander kommuniziere , denn so, wie Netzwerke von Nervenzellen verschaltet sind und einzelne Zellen auf Impulse reagieren, ist eine Übertragung auf eine größere Entfernung eigentlich unmöglich, vor allem deshalb, weil starke Verbindungen zwischen weit entfernten Hirnarealen bisher nicht zu finden sind.

Nach neuesten Forschungen mit Computersimulationen (Hahn et al., 2014) fand man nun eine Bestätigung für einen schon lang vermuteten globalen Mechanismus im Gehirn, der Hirnareale in miteinander verbundene Schwingungen versetzt. Man entdeckte, dass Resonanz der Schlüssel zur Langstreckenkommunikation in Netzwerken sein könnte, die wie das Gehirn über relativ wenige und schwache Verbindungen verfügen. Nicht alle Nervenzellen regen andere an, aktiv zu werden; manche wirken auch hemmend. Das Zusammenspiel von Erregung und Hemmung kann die Aktivität in einem Netzwerk um einen bestimmten Wert schwingen lassen. Netzwerke haben für gewöhnlich eine Frequenz, bei der die Schwingungen besonders stark sind, so wie auch eine gespannte Geigensaite eine bevorzugte Frequenz besitzt. Schwingt die Aktivität mit dieser Frequenz, breiten sich Pulse viel weiter aus. Man geht heute davon aus, dass in bestimmten Fällen die Resonanzverstärkung bei schwingenden Signalen die einzige Möglichkeit für eine Kommunikation über weite Strecken sein könnte, wobei das Gehirn durch die Fähigkeit eines Netzwerks, seine bevorzugte Frequenz zu verändern, Informationen zu verschiedenen Zeiten auf unterschiedliche Weise verarbeiten kann.

Entscheidet der kritische Zustand der neuronalen Netzwerke über die selektive Wahrnehmung?

Raschelnde Blätter, leichter Regen am Fenster, eine leise tickende Uhr, dumpfe Geräusche, knapp oberhalb der Hörschwelle werden in einem Augenblick einmal wahrgenommen, im nächsten nicht mehr, auch wenn man sich selbst oder sich die Töne nicht verändert haben. So haben Studien gezeigt, dass man einen eintreffenden Reiz, etwa ein Ton, ein Bild oder eine Berührung, jeweils anders verarbeitet, selbst wenn der Reiz genau derselbe ist. Das liegt daran, dass wie sehr ein Stimulus die zuständigen Hirnregionen aktiviert, vom momentanen Zustand der Netzwerke abhängt, zu denen diese Regionen gehören. Unklar ist jedoch, was diesen ständig schwankenden Zustand der Netzwerke beeinflusst und ob dieser zufällig entsteht oder einem Rhythmus folgt. Stephani et al. (2020) haben nun herausgefunden, wie diese Verarbeitung funktioniert, wobei eine entscheidende Rolle dabei ein kritischer Zustand spielt. Untersucht hat man diese Zusammenhänge anhand tausender kleiner aufeinanderfolgender elektrischer Ströme, die man an den Unterarm der Teilnehmer anlegte, um den Hauptnerv im Arm anzuregen. Diese Stimulationen führten wiederum 20 Millisekunden später im somatosensorischen Cortex zu einer ersten Reaktion, wobei man anhand der EEG-Muster sehen kann, wie leicht jeder einzelne Stimulus das Gehirn erregt. Das Gehirn reagiert nämlich umso stärker auf einen Reiz, je stärker die Netzwerke in dem Moment angeregt werden können, in dem die Reiz-Information in den Cortex, eintritt. Je nach Zustand sind die Nervenzellen im primären somatosensorischen Cortex leichter oder schwerer erregbar, wobei die Erregbarkeit darüber entscheidet, wie der Reiz weiter verarbeitet wird, d. h., sie beeinflusst bereits am Eingang zur Großhirnrinde darüber, wie das Gehirn mit einem Reiz umgeht und nicht erst auf höheren, nachgeschalteten Ebenen.

Es gibt immer eine gewisse Aktivität zwischen den Neuronen eines Netzwerks, auch wenn scheinbar keine äußeren Einflüsse auf dieses wirken, d. h., das System ist also nie vollkommen inaktiv. Vielmehr erhalten sie ständig Informationen, etwa aus dem Körperinneren, denn sie wachen über den Herzschlag, die Verdauung oder die Atmung, über die Position im Raum und intern erzeugte Gedanken. Die Neuronen sind selbst dann aktiv, wenn sie von jeglichem Input isoliert sind, sodass diese internen Prozesse ständig die Erregbarkeit bzw. Bereitschaft verschiedener Hirnnetzwerke beeinflussen. Deren Dynamik bestimmt letzlich die Erregbarkeit des Systems und damit auch die Reaktion auf einen Reiz. Dabei ist es aber nicht dem Zufall überlassen, wie stark der Cortex erregbar ist, denn der Wechsel zwischen geringerer und stärkerer Reizbarkeit folgt einem bestimmten zeitlichen Muster, wobei der jeweils aktuelle Zustand vom vorherigen abhängt und wiederum den nachfolgenden beeinflusst. Man spricht hier von einer langfristigen zeitlichen Abhängigkeit oder einer langanhaltenden Autokorrelation. Dass der Cortex so in seiner Erregbarkeit variiert, deutet darauf hin, dass sich seine Netzwerke nahe an einem sogenannten kritischen Zustand befinden, d. h., sie schwanken stets in einem empfindlichen Gleichgewicht zwischen Erregung und Hemmung. Möglicherweise ist dieser kritische Zustand entscheidend für die Gehirnfunktion, denn durch ihn können möglichst viele Informationen übertragen und verarbeitet werden, sodass dieses Gleichgewicht auch darüber entscheiden könnte, wie das Gehirn Sinneseinflüsse verarbeitet. Es dient vermutlich als Anpassungsmechanismus, um mit der Vielfalt von Informationen zurechtzukommen, die ständig aus der Umwelt eintreffen, d. h., ein einziger Reiz sollte weder das gesamte System auf einmal erregen noch zu schnell wieder verschwinden.

Unklar ist jedoch noch, was das für die subjektive Wahrnehmung bedeutet, denn hier werden wohl auch andere Prozesse eine Rolle spielen, etwa die Aufmerksamkeit. Lenkt man diese auf etwas anderes, kann der eintreffende, weniger beachtete Reiz zwar trotzdem eine erste, starke Hirnreaktion hervorrufen, doch höhere nachgelagerte Prozesse im Großhirn könnten dann verhindern, dass dieser bewusst wahrgenommen wird.

Aufgabenteilung der Gehirnhälften

Floegel et al. (2020) haben die Aufgabenteilung der beiden Gehirnhälften beim Sprechen untersucht, wobei Probanden sprechen mussten, während ihre Hirnaktivität mittels funktioneller Magnetresonanztomographie aufgezeichnet wurde. Bekanntlich benötigen Menschen, wenn sie sprechen, beide Gehirnhälften, wobei jede einen Teil der komplexen Aufgabe übernimmt, Laute zu formen, die Stimme zu modulieren und das Gesprochene zu überprüfen. Dabei zeigte sich, dass nicht nur die rechte Gehirnhälfte analysiert, wie gesprochen wird, sondern auch die linke dazu einen Beitrag leistet.

Bisher nahm man an, dass das gesprochene Wort in der linken Gehirnhälfte entsteht und von der rechten Gehirnhälfte analysiert wird, was etwa bedeuten würde, wenn man Englisch lernt und das „th“ übt, dass die linke Gehirnhälfte das Zusammenspiel von Zunge und Zähnen motorisch steuert, während die rechte überprüft, ob der produzierte Laut auch wirklich so klingt, wie man ihn formen wollte. In dieser Studie wurde nun gezeigt, dass während die linke Hirnhälfte bei der Sprachkontrolle zeitliche Aspekte wie Übergänge zwischen Sprachlauten kontrolliert, die rechte Gehirnhälfte für das Klangspektrum zuständig ist. Wenn man zum Beispiel „mother“ sagt, kontrolliert die linke Hirnhälfte bevorzugt die dynamischen Übergänge zwischen „th“ und den Vokalen, während die rechte Hirnhälfte bevorzugt den Klang der Laute selbst überprüft.

Eine mögliche Erklärung für diese Form der Arbeitsteilung zwischen den beiden Hirnhälften wäre, dass die linke Hirnhälfte generell schnelle Abläufe, wie die Übergänge zwischen Sprachlauten, besser analysiert als die rechte. Die rechte Hirnhälfte könnte besser langsamere Abläufe kontrollieren, die zur Analyse des Klangspektrums benötigt werden. Dass dies in der Tat so ist, erschließt sich aus einer vorangegangenen Studie zur Handmotorik von Pflug et al. (2019). In dieser Untersuchung wollte man klären, warum Menschen die rechte Hand für schnelle Abläufe und die linke Hand für langsame Abläufe bevorzugen, was etwa beim Brotschneiden der Fall ist, wenn die rechte Hand mit dem Messer sägt und die linke das Brot hält. In diesem Experiment ließ man rechtshändige Probanden mit beiden Händen im Rhythmus eines Metronoms klopfen, wobei sie in einer Variante jeden Schlag klopfen, in der anderen nur jeden vierten klopfen sollten. Wie sich zeigte, war die rechte Hand bei der schnellen Schlagfolge präziser und die linke Gehirnhälfte, die die rechte Körperseite kontrolliert, zeigte eine erhöhte Aktivität. Umgekehrt stimmte das Klopfen der linken Hand besser mit dem langsamen Rhythmus überein und die rechte Gehirnhälfte zeigte eine höhere Aktivität.

Insgesamt zeigte sich, dass komplexes Verhalten wie Handmotorik und Sprechen von beiden Gehirnhälften kontrolliert wird, wobei die linke Hirnhälfte bevorzugt die schnellen kontrolliert, während die rechte parallel dazu eher die langsamen Abläufe steuert.

 

Literatur

Bornschein, J., Henniges, M. & Lücke, J. (2013). Are V1 simple cells optimized for visual occlusions? A comparative study. PLoS Computational Biology 9(6): e1003062. doi:10.1371/journal.pcbi.1003062

Floegel, M., Fuchs, S. & Kell, C. A. (2020). Differential contributions of the two cerebral hemispheres to temporal and spectral speech feedback control. Nature Communications, doi:10.1038/s41467-020-16743-2.
Hahn, G., Bujan, A.F., Frégnac, Y., Aertsen, A. & Kumar, A. (2014). Communication through resonance in spiking neuronal networks. PLoS Comp. Biol. Doi:10.1371/journal.pcbi.1003811

S. Loomba, J. Straehle, V. Gangadharan, N. Heike, A. Khalifa, A. Motta, N. Ju, M. Sievers, J. Gempt, H.S. Meyer & M. Helmstaedter (2022). Connectomic comparison of mouse and human cortex. Science, doi:10.1126/science.abo0924.

Macke, Jakob, Opper, Manfred & Bethge, Matthias (2011). Common Input Explains Higher-Order Correlations and Entropy in a Simple Model of Neural Population Activity. Physical Review Letters, 20/106, 20. Mai 2011, DOI 10.1103/PhysRevLett.106.208102.

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)

Pflug, A., Gompf, F., Muthuraman, M., Groppa, S. & Kell, C. A. (2019). Differential contributions of the two human cerebral hemispheres to action timing. eLife, doi:10.7554/eLife.48404.

Sakalar, Ece, Klausberger, Thomas & Lasztóczi, Bálint (2022). Neurogliaform cells dynamically decouple neuronal synchrony between brain areas. Science, 377, doi:10.1126/science.abo3355.

Steel, Adam, Silson, Edward H., Garcia, Brenda D. & Robertson, Caroline E. (2024). A retinotopic code structures the interaction between perception and memory systems. Nature Neuroscience, doi:10.1038/s41593-023-01512-3. (Stangl, 2024).

Stangl, W. (2022, 25. Juni). Hemmende Netzwerke im Gehirn zur Verlängerung des Arbeitsgedächtnisses. Stangl notiert …
https://notiert.stangl-taller.at/gehirnforschung/hemmende-netzwerke-im-gehirn-zur-verlaengerung-des-arbeitsgedaechtnisses/

Stangl, W. (2022, 30. Juli). Neurogliaformzellen regulieren die Informationsübertragung im Gehirn. Psychologie-News.
https://psychologie-news.stangl.eu/4275/neurogliaformzellen-regulieren-die-informationsuebertragung-im-gehirn

Stangl, W. (2024, 3. Jänner). Wahrnehmung und Gedächtnis sind gegensätzliche Prozesse im Gehirn. Psychologie-News.
https://psychologie-news.stangl.eu/4850/wahrnehmung-und-gedaechtnis-sind-gegensaetzliche-prozesse-im-gehirn.

Stephani, T., Waterstraat, G., Haufe, S., Curio, G., Villringer, A. & Nikulin, V. V. (2020). Temporal signatures of criticality in human cortical excitability as probed by early somatosensory responses. Journal of Neuroscience, doi:10.1523/JNEUROSCI.0241-20.2020.

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).

https://www.mpg.de/18841835/0622-hirn-beruhigen-um-zu-denken-151365-x (22-06-25)

Quellen und Literatur

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