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Aufgaben des Gehirns

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

Neuron impuls elektrisch


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

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

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

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

Die Wahrnehmung unserer Umgebung hängt zwar von den Informationen ab, die über verschiedene Sinnesorgane gewonnen werden, doch um die Wahrnehmung zu verbessern und um ein einheitliches und zuverlässiges Bild unserer sinnlichen Umgebung zu erhalten, muss das Gehirn die Informationen, die von den verschiedenen Sinnen kommen, vereinheitlichen. Neue Ergebnisse der Gehirnforschung zeigen nun, dass jene Regionen im Gehirn, die lediglich dazu dienen, einen einzigen Sinn zu prozessieren, viel seltener sind als bisher angenommen wurde. Stattdessen beschäftigt sich ein Großteil des Gehirns damit, Informationen über die Sinne hinweg zusammenzubringen und die einheitliche Wahrnehmung eines Objekts zu schaffen. Signale von mehreren Sinnesorganen, die ihren Ursprung im gleichen Ereignis haben, stehen für das Gehirn in Korrelation zueinander, woraus Menschen schließen, dass etwa die Seh- und Höreindrücke von ein und demselben Ereignis in der Welt zusammengehören. Dabei bildet die Ähnlichkeit der zeitlichen Strukturen der Sinnessignale für das Gehirn eine Grundlage bei der Entscheidung, ob die Signale verschiedener Sinne eine gemeinsame Ursache haben. Damit das Gehirn die Informationen mehrerer Sinne zusammenführen kann, nutzt das menschliche Gehirn die Korrelation zwischen den zeitlichen Veränderungen der Signale, um herauszufiltern, welche Signale zusammengehören und welche unabhängig voneinander verarbeitet werden müssen.

Es gibt zwei Hypothesen bezüglich der Integration der Wahrnehmung: gemäß der ersten Hypothese tritt diese Integration als einer der letzten Schritte auf, nämlich erst nachdem jedes sensorische System seine Informationen gründlich prozessiert hat, nach einer zweiten Hypothese zufolge kommt es schon in sehr frühen Stadien der sensorischen Prozessierung zur Integration, um die Prozessierung eines jeden Sinnes übereinstimmend mit der Prozessierung der anderen Sinne zu lenken. Forschungen zeigen, dass etwa die Integration von Aktivitäten, die mit Berührungen und Geräuschen in Zusammenhang stehen, schon in niederen Arealen des auditiven Prozesses auftritt, d.h., die Vereinheitlichung von sensorischen Informationen geht bereits im sekundären auditiven Kortex vor sich, also zu einem sehr frühen Zeitpunkt der sensorischen Prozessierung und innerhalb von Arealen, die klassischerweise als rein unisensorisch gelten (vgl. Kayser et al. 2005).

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

Die enorme "Rechenleistung" des menschlichen Gehirns kann man sich sehr gut im Zusammenhang mit den Augenbewegungen veranschaulichen, bei denen ein Mensch jenen Teil des Geschehens, der sich im Zentrum des Blickfeldes befindet, besonders gut erkennen kann, weil dort das Sehen am schärfsten ist. Dabei bekommt das Gehirn eine nie endende Folge von kleinen scharfen Ausschnitten der Welt zu sehen, aus denen es ein Bild des großen Ganzen zusammensetzt. Doch Menschen bemerken normalerweise diesen Rechenaufwand des Gehirns nicht, sondern sie haben den Eindruck, stets die ganze Szene vor ihren Augen zu haben. Diese visuelle Stabilität beruht auf einem raffinierten Trick des Gehirns, denn es kann Augenbewegungen schon kurz bevor sie anfangen voraussehen, weil es von einem anderen Gehirnareal, das die Augenbewegung plant, bereits vorab darüber informiert wird. Mit dieser Vorabinformation kann sich das Gehirnareal auf die Veränderung des Bildausschnitts vorbereiten und alle Bildinformationen an der richtigen Stelle in der Welt verorten (vgl. Ziesche & Hamker, 2011). Das ist ein weiterer Beweis dafür, dass die menschliche Wahrnehmung ein passives Aufnehmen von Außenreizen darstellt, sondern vielmehr ein aktiver Prozess ist, der im Kopf ein Bild der Umgebung hat, das es prospektiv auf Abweichungen hin untersucht.

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

Das für lebenswichtige Funktionen erforderliche Wissen und der Grundaufbau des Gehirn ist durch Gene festgelegt. Die weiter detaillierte Struktur des Gehirns und das erlernte Wissen entsteht während der Ontogenese durch den Gebrauch des Gehirn in der jeweils spezifischen Umwelt, wobei jedoch die evolutionär älteren Gehirnstrukturen weiterhin auf die Gestaltung und Arbeitsweise der höheren Strukturen Einfluß nehmen. Lebenswichtige Prozesse, wie Atmung, Ernährung, Kampf- und Fluchtverhalten bei der Verteidigung gegen Feinde werden durch angeborene Triebe und Instinkte geregelt, die in den unbewußten Regionen des Gehirns gespeichert sind. In komplizierteren und wechselhaften Umwelten reicht das jedoch nicht aus. Inwieweit Umweltsituationen nützlich oder schädlich für das Überleben des Organismus sind, muß dann genauer analysiert werden und in den verschiedenen Situationen jeweils zweckmäßige Verhaltensweisen sind zu lernen und für spätere ähnliche Situationen aufzubewahren. Dies leisten in erster Linie die höheren Regionen des Gehirns, wobei viele Auswirkungen unterschiedlicher Verhaltensweisen durch Körperempfindungen als gut oder schlecht erfahren und entsprechend bewertet werden. In die Entscheidungsfindung zwischen alternativen Verhaltensweisen ist deshalb als letzte Instanz immer der angeborene und unbewußte Teil der Gehirnfunktionen eingeschaltet. (Entscheidung aus dem Bauch). Die angelernten Verhaltensweisen haben immer eine soziale Komponente und betreffen das Verhalten in einer Sozialgemeinschaft, deshalb sind diese Eigenschaften auch nicht allein durch das Individuum, sondern immer auch durch die Umwelt bestimmt, selbst wenn nützliche Traditionen für das Verhaltens des Individuums eine entscheidende Rolle spielen. Das ist auch Ursache dafür, das Sozialverhalten entsteht, welches nicht allein egoistisch, sondern vielfach altruistisch orientiert ist.

 

Literatur:
Kayser, C., Petkov, C. I., Augath, M. & Logothetis, N. K. (2005). Integration of touch and sound in auditory cortex. Neuron, 48, 373–384.
Ziesche, Arnold & Hamker, Fred H. (2011). A Computational Model for the Influence of Corollary Discharge and Proprioception on the Peri-saccadic Mislocalization of Briefly Presented Stimuli in Complete Darkness. The Journal of Neuroscience, 31(48), 17392-17405.

Biologischer Computer
Wissenschaftler des Weizman Institute of Science haben aus biologischen Molekülen einen winzigen Computer geschaffen, einen so genannten programmierbaren Zustandsautomaten mit zwei Zustaenden und zwei Symbolen. Dieser biologische Nanocomputer ist so klein, daß bei Raumtemperatur eine Billion dieser Computer in einem Tropfen einer wässrigen Lösung von einem Zehntelmillimeter Größe parallel arbeiten. Gemeinsam führen sie eine Milliarde Operationen in der Sekunde mit einer Genauigkeit von mehr als 99,8 Prozent durch und verbrauchen dafür weniger als ein Milliardstel eines Watts. In Zukunft sollen derartige Computer innerhalb des menschlichen Koerpers ür umfangreiche biologische und pharmazeutische Anwendungen eingesetzt werden.

Input, Output und Software der Nanocomputer bestehen aus DNA-Molekuelen. Als Hardware dienen zwei natürlich vorkommende Enzyme, die die DNA manipulieren. Werden sie in einer Lösung zusammengemischt, arbeiten die Software- und Hardware-Moleküle in gemeinsam fuer die Schaffung des Output-Moleküls am Input-Molekül. So entsteht ein einfacher Rechner, der Zustandsautomat. Dieser Nanocomputer kann durch die Auswahl verschiedener Software-Moleküle fuer die Ausfuehrung einfacher Aufgaben programmiert werden. Der leitende Wissenschaftler erklärte, daß lebende Zellen unglaubliche molekulare Maschinen beinhalteten, die informationsverschlüsselnde Molekuele wie DNA und RNA grundsätzlich ähnlich wie bei Berechnungen manipulierten.

http://www.weizmann.ac.il

gehirn Cortex-Schnitt

Cortex-Schnitt
Quelle: http://linux1.pae.asn-graz.ac.at/linux2/tutor-bu/images/CORTEX1.JPG

Unterscheidung zwischen alter und neuer Information

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

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

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

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

Bidirektionale Aktivitäten in den Neuronen

Bisher nahm man an, dass der Informationsfluss in Nervenzellen vorwiegend nach dem Einbahnstraßen-Prinzip in einer Richtung erfolgt, wobei vom Zellkörper ausgehend eine Signale über die Axon-Leitbahn zur nächsten Nervenzelle gesendet werden, wo sie von den Dendriten empfangen werden. In einer aktuellen Studie konnten Dugladze et al. (2012) jedoch zeigen, dass Signale nicht nur im Nervenzellkörper entstehen, sondern auch in den Axonen, wobei eine Filterzelle die Signalweiterleitung reguliert. Das geschieht vor allem dann, wenn Aktivitäten in den Nervenzellen zeitlich hoch synchron ablaufen, wie also etwa im Zustand erhöhter Aufmerksamkeit der Fall ist. Diese axonal erzeugten Signale werden zum einen vom Ort ihrer Entstehung zu anderen Nervenzellen geleitet, aber gleichzeitig werden Signale in Richtung Zellkörper gelenkt. Zwar besteht durch diese rückläufigen Signale die Gefahr einer übermäßigen Erregung der Zelle, doch erreic t das rückläufige Signal den Zellkörper im Normalzustand nicht, da axon-axonischen Zellen die Signalleitung regulieren. Durch die Filterfunktion lassen diese Zellen die aus dem Zellkörper kommenden Signale passieren, unterdrücken aber zugleich die zusätzlich im Axon entstandenen rückläufigen Signale, sodass eine übermäßige Aktivierung des Zellkörpers unterbunden wird.

Literatur
Dugladze, T., Schmitz, D., Whittington, M.A. Vida, I. & Glovel, T. (2012). Segregation of axonal and somatic activity during fast network oscillations. Science 336, 6087.

Gehirnhälften unterschiedlich motivierbar?

Ein eher skurriles Ergebnis bezüglich der menschlichen Motivation erbrachte eine Untersuchung von Matthias Pessiglione et al. (Institut du Cerveau et de la Moelle épinière in Paris), die untersuchten, ob sich jede Hälfte des Gehirns einzeln motivieren lässt. Bei diesem Experiment sollten sich 33 Teilnehmer auf ein Kreuz in der Mitte eines Computerbildschirms konzentrieren, wobei anschließend eine Ein-Cent- oder eine Ein-Euro-Münze 17 Millisekunden . also unter der bewussten Wahrnehmungsschwelle - lang in der rechten oder in der linken Hälfte des Gesichtsfelds gezeigt wurde, wobei die Probanden entweder mit der rechten oder mit der linken Hand einen Hebel drücken mussten, um die gerade gezeigte Münze zu gewinnen. Obwohl die Probanden nicht angeben konnten, welche Münze sie gerade gesehen hatten, reagierten sie auf die Ein-Euro-Münze stärker, wenn diese auf der Seite präsentiert wurde, auf der sie den Hebel drücken sollten. Offensichtlich können Menschen mit einer Körperseite und daher mit einer Hälfte des Gehirns motivierter sein als mit der anderen. So werden die Informationen des rechten Sehfelds und der rechten Hand beide in der linken Gehirnhälfte verarbeitet. Die unbewussten Belohnungsreize in den neuronalen Schaltkreisen werden also auf der einen Seite des Gehirns verarbeitet und gelangen gar nicht in die andere Hirnhälfte.

Quelle: http://www.focus.de/gesundheit/ratgeber/gehirn/news/gehirn-hirnhaelften-sind-unterschiedlich-motiviert_aid_525413.html (10-07-01)

Quellen und Literatur

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