Hirnforschung.

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1 Hirnforschung

2 Was ist Hirnforschung? Hirnforschung oder Gehirnforschung beschäftigt sich mit der Untersuchung von Aufbau und Leistungen des Gehirns von höher entwickelten Lebewesen. Die funktionalen Einheiten des Gehirns sind die sogenannten Neuronen Fachlich wird diese Forschung deswegen Neurophysiologie genannt. Die neurophysiologische Forschung des komplexen Gehirns ist ohne Neuroanatomie nicht möglich. Grundlagenfach der gesamten Hirnforschung ist die Neurobiologie Direkte Anwendungsgebiete sind Neurologie, in der die körperlichen, und Neuropsychologie, in der die psychischen Folgen von neuronalen Ausfällen erforscht werden. Für die Bewusstseinsforschung ist die Hirnforschung von zentraler Bedeutung. Veränderte Bewusstseinszustände wie Koma, Narkose, Schlaf, sowie erhöhte Aufmerksamkeits-- und Wachheitszustände sind von Veränderungen der Gehirnaktivität begleitet, die in ihren Grundlagen zunehmend verstanden werden. Diese Beobachtung lässt sich auf alle bislang bekannten Kognitiven Fähigkeiten ausweiten. Die Gehirnforschung untersucht vor allem neuronale Vorgänge bei der Wahrnehmung, beim Denken, beim emotionalen Reagieren sowie bei der Bewegungs- und Verhaltenssteuerung. Über die Art des Zusammenhanges zwischen den biophysikalischen Abläufen im Gehirn und den gleichzeitig auftretenden geistigen (bewussten und unbewussten) Prozessen existieren verschiedene Theorien. Ein Hauptkritikpunkt über den derzeitigen Stand der Hirnforschung, der von vielen Vertretern der Disziplin geteilt wird, ist, dass der Erkenntnisfokus bislang eher auf Lokalisierung (also der Frage nach dem „Wo?“), als auf Implementierung (der Frage nach dem „Wie?“) von Gehirnfunktionen lag.

3 Methoden der Hirnforschung
Durch Beobachtung des Hirnstoffwechsels, z.B. des Sauerstoff- oder Glukoseverbrauchs und durch Ableitung der Gehirnströme in Gestalt des Elektroenzephalogramms (EEG) kann die Hirntätigkeit zum Teil auch anhand der begleitenden Stoffwechselvorgänge sichtbar gemacht werden. Solche funktionellen Untersuchungen des zerebralen Stoffwechsels können zum Beispiel mit der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) oder der funktionellen Kernspin (Magnet)-Resonanz-Tomographie durchgeführt (MRT ) werden.

4 Das Gehirn:

5 Allgemeines zum Gehirn
Die genauen Vorgänge der Informationsweitergabe, -verarbeitung oder -speicherung sind immer noch nicht umfassend geklärt. Das Gehirn des Menschen wiegt etwa 1300 bis 1600 g. Dabei spielt das Körpergewicht eine gewisse Rolle. Allerdings besteht zwischen dem Hirngewicht eines Individuums und seiner Intelligenz kein Zusammenhang. Vereinfachend kann man das Gehirn in Großhirn, Kleinhirn und Hirnstamm unterteilen. Das Großhirn macht etwa 80% der Hirnmasse aus. Die Zuordnung bestimmter Hirnleistungen zu anatomischen Hirnregionen wurde im Tierversuch und durch die Beobachtung von Patienten mit makroskopisch sichtbaren Verletzungen des Gehirns, zum Beispiel nach einem Unfall, recht gut festgestellt. Manche Fähigkeiten des Gehirns zeigen abhängig vom Individuum eine unterschiedliche Seitenlokalisation.

6 Funktionelle Karte des Gehirns

7 Funktionelle "Karte" des Gehirns:
im Stirnhirn die Funktionen von Intelligenz, Sprache (motorisches Sprachzentrum), die Persönlichkeitsmerkmale sowie die Bewegungssteuerung zu finden sind im hinteren Teil des Großhirns, dem Okzipitallappen, befindet sich die Sehrinde im Zwischenhirn wird die Hormonausschüttung gesteuert der Schläfenlappen ist wichtig für das Gedächtnis sowie für Gefühle und Emotionen der Scheitellappen beherbergt die Hörrinde und das Sprachverständnis mit dem Scheitellappen werden abstrakte mathematische Probleme und Musik erfasst im Hirnstamm befinden sich Nervenbahnen, die das Gehirn mit dem Rückenmark verbinden. Weiterhin befindet sich dort das Atemzentrum in der Hirnanhangsdrüse (Hypophyse) werden Hormone oder Vorstufen von Hormonen ausgeschüttet das Kleinhirn hält Bewegungsprogramme bereit und regelt die Abstimmung der Bewegungsabläufe. Da sich die meisten Hirnleistungen einer bestimmten anatomischen Hirnregion zuordnen lassen, kann man aus deren Ausfall bereits auf den möglichen Sitz eines Hirntumors schließen.

8 Neuronen, die Bausteine des Gehirns
Die wichtigsten Zellen sind die Nervenzellen. Im menschlichen Gehirn gibt es davon ungefähr 200 Milliarden. Eine Nervenzelle besteht aus einem Zellkörper (Soma) mit den Nervenzellfortsätzen (Dendriten) und dem Achsenzylinder (Axon). Eine einzige Nervenzelle kann bis zu Fortsätze haben. Am Ende des Achsenzylinders befinden sich die Endplatten. Am Berührungspunkt mit der benachbarten Zelle bilden sich die Synapsen aus. Über diese Synapsen sind die Nervenzellen nicht nur miteinander, sondern in der Peripherie auch mit den Muskelzellen verbunden. Der Informationsaustausch zwischen den Zellen geschieht über die Synapsen mittels chemischer Botenstoffe (Neurotransmitter). Die Nervenzellen werden von den Gliazellen umhüllt. Sie machen etwa 50% des gesamten Hirnvolumens aus.

9 Funktionsweise des Gehirns
Ein wichtiger Bestandteil des Gehirns ist das Neuron. Neuronen kennen prinzipiell zwei Zustände, die durch verschiedene (elektrische) Potentiale,das Ruhe- und das Aktionspotential -- gekennzeichnet sind. Wird ein bestimmter Schwellenwert überschritten, wird das Aktionspotential ausgelöst. Die einzelnen Neuronen sind durch Synapsen verbunden. Die Großhirnrinde des Menschen enthält ca. 10 bis 100 Milliarden Neuronen, wovon jedes Neuron mit durchschnittlich anderen synaptisch verbunden ist. Dies ergibt eine Zahl von etwa 100 bis 1000 Billionen Synapsen. Diese leiten die elektrischen Potentiale auf andere Neuronen weiter, die dann ihrerseits aktiviert werden können. Mehrere eintreffende Signale können sich gegenseitig verstärken oder auch auslöschen. Die Stärke der eintreffenden Signale ist vor allem von der Stärke der Verbindung der beiden Neuronen abhängig. Bei einem Lernvorgang kann die Verbindungsstärke zwischen zwei Neuronen verändert werden. Die Stärke der Synapse wird erhöht, wenn beide durch sie verbundenen Neuronen gleichzeitig aktiv sind. Dies ist also eine lokale Lernregel, die keine zentrale Instanz benötigt (Hebb'sche Lernregel).

10 Geschichte der Hirnforschung

11 Die Geschichte der Hirnforschung
Das Interesse an Aufbau und Funktion des Gehirns lässt sich bis in prähistorische Zeiten zurückverfolgen. Vor ca Jahren begannen Menschen mit ersten operativen Eingriffen in das Zentralnervensystem Antikes Ägypten: „Lehrbuch der Chirurgie“ mit Beschreibung der Gehirnfurchung, Erkennen von Gehirnverletzungen (abweichende Augenstellung, Nachziehen eines Fußes, Sprachverlust) Hippokrates Epilepsie durch Reize auslösbar Claudius Galen: erste neurophysiologische Experimente (Schnitte, Läsionen) Andreas Vesalius: Gehirnanatomie Decartes: Zweiteilung von Körper und Seele Franz Joseph Gall:Phrenologie (Schädelkartierung) Paul Broka lokalisiert 1861 motorisches Sparchzentrum im linken Frontlappen Korbinian Bordmann: Einteilung der Großhirnrinde in 52 Areale Kurt Goldstein: Kritik an der starren topographischen Einteilung des Hirns in Funktionszentren (1934) Hans Berger: 1929 erste Messung elektrischer Hirnaktivität (EEG) eines menschlichen Gehirns Ramon y Cajal: Neuronentheorie Lord Edgar Douglas Adrin und Sir Charles Sherrington: 1932 Nobelpreis für Grundlagen der Sinnesphysiologie Roger Sperry, Torsten N Wiesel und David V Hubel: 1981 Nobelpreis für Einzelzellabbildung in der Sehrinde Erik Kandel, Paul Greengard und Arvid Carlsson: 2000 Nobelpreis "Für ihre Entdeckungen zur Signalübertragung im Nervensystem Das Interesse an Aufbau und Funktion des Gehirns lässt sich bis in prähistorische Zeiten zurückverfolgen. Vor ca Jahren begannen Menschen mit ersten operativen Eingriffen in das Zentralnervensystem, wie an Trepanationen an Schädeln dieser Zeit abzulesen ist. Antikes Ägypten: „Lehrbuch der Chirurgie“ mit Beschreibung der Gehirnfurchung, Erkennen von Gehirnverletzungen (abweichende Augenstellung, Nachziehen eines Fußes, Sprachverlust) Hippokrates: Epilepsie durch Reize auslösbar Claudius Galen: erste neurophysiologische Experimente (Schnitte, Läsionen) Andreas Vesalius: Gehirnanatomie Descartes: Zweiteilung von Körper und Seele Thomas Willis: graue/weiße Substanz Franz Josef Gall: Phrenologie (Schädelkartierung) Paul Broca: lokalisiert 1861 motorisches Sprachzentrum im linken Frontallappen Carl Wernicke ( ): lokalisiert 1874 das sensorische Sprachzentrum im linken Temporallappen Korbinian Brodmann: Einteilung der Großhirnrinde in 52 Areale Kurt Goldstein: Kritik an der starren topographischen Einteilung des Hirns in Funktionszentren (1934) Hans Berger: 1929 erste Messung elektrischer Hirnaktivität (EEG) eines menschlichen Gehirns Ramon y Cajal: Neuronentheorie Lord Edgar Douglas Adrian und Sir Charles Sherrington: 1932 Nobelpreis für Grundlagen der Sinnesphysiologie Roger Sperry, Torsten N. Wiesel und David H. Hubel: 1981 Nobelpreis für Einzelzellableitungen in der Sehrinde Eric Kandel, Paul Greengard und Arvid Carlsson: 2000 Nobelpreis "Für ihre Entdeckungen zur Signalübertragung im Nervensystem"

12 Die moderne Hirnforschung spricht immer häufiger davon, dass wir in unseren Handlungen nicht frei sind: Determiniertheit durch das limbische System z.B. Libet-Experiment

13 Was ist Bewusstsein – Wie entstehen Gefühle?
Antworten von Gerhard Roth

14 Was ist Bewusstsein?

15 Untersuchungen des menschlichen Gehirns ergeben:
für verschiedene Themen sind verschiedene Hirnregionen zuständig; nicht alles ist uns momentan bewusst; bewusst sind uns nur Dinge, die in der Großhirnrinde stattfinden, alles andere ist unbewusst

16 Die Innenleitung des Bewusstseins:
Es gibt nicht das Bewusstsein, sondern viele Ebenen des Bewusstseins, die man unterschiedlich deutet. Es gibt ein Hintergrundbewusstsein (Wahrheit), auf dem sich die anderen aufbauen. Nicht nur die Großhirnrinde allein erstellt Bewusstsein, sondern auch viele Teile, die nicht bewusstseinsfähig sind

17 Außenleitung des Bewusstseins:
Geistige Anstrengung = physiologische Anstrengung ►Das Gehirn ist immer bestrebt, den Energieverbrauch zu minimieren. ►Das Gehirn ist immer bestrebt Routine auszubilden, d.h. das Bewusstsein auszuschalten. Bewusstsein tritt dann auf, wenn das Gehirn mit Dingen (Problemen) konfrontiert wird, für die es nicht schon Rezepte (Lösungen/Programme) hat und die gleichzeitig neu und wichtig sind. ► Die Großhirnrinde bildet neue Reize (Lösungen/Programme), durch Verknüpfung von Synapsen, für neue Probleme. Diese Programme werden dann genutzt, wenn das Problem ein weiteres Mal auftritt.

18 Vom emotionalen und deklarativen Gedächtnis gesteuerte Systeme:
Hippokampus = Organisator des Bewusstseins Wachheit = aktivierendes System (ohne dies  Trägheit, Dösen) Nucleus caeruleus (=blauer Kern) Raphe Kerne (= Gegenspieler des blauen Kerns)

19 Aus der Innen- und Außenleitung wird gefolgert, dass unser Bewusstsein ein Wissens-, Erfahrungs- und Gedächtnisbewusstsein ist.

20 Wie entstehen Gefühle?

21 Das Gefühlsystem ist das limbische System (beinhaltet Hippokampus, Mandelkern,...). Gefühle sind bewusst. Deswegen muss eine Meldung an die Großhirnrinde erfolgen. Auch hier sind wieder verschiedene Teile des Gehirns für verschiedene Gefühle verantwortlich. Der Mandelkern ist beispielsweise für Angst und Furcht zuständig. Bewiesen würde das bei einem Versuch, bei dem man den Mandelkern entfernte und das Versuchstier danach keine Furcht/Angst mehr hatte. Der für hohe kognitive Fähigkeiten zuständige Teil des Gehirns (=Präkortex) ist der, der am meisten mit dem limbischen System durchdrungen ist. Es gibt einen Zusammenhang vom Kognitiven und Emotionalen. ► Thalamus = Vermittler zwischen unbewussten limbischen System und rationalen Dingen ► Das limbische System durchtränkt alles, was wir denken mit Emotionen.

22 Thalamus:

23 Beispiel Ein Mensch sieht eine Schlange.
Diese Information dringt gleichzeitig ins Unterbewusste ein (erhöht den Blutdruck, löst Schweißausbrüche und Muskelkontraktionen aus) und in die Bewusstseinsebene der Großhirnrinde ein. Nach der Reaktion (weglaufen) wird dem Mensch bewusst, dass er Angst gehabt hat.

24 Die Position Manfred Spitzers zur Willensfreiheit
Manfred Spitzer, Philosoph, Psychologe und Neurologe in Ulm, zeichnet in seinem Buch den Menschen als bewertendes, entscheidendes und handelndes Individuum. Aus der Sicht der Hirnforschung lehnt er die Unterscheidung zwischen "wir" und "unser Gehirn" ab, denn das Gehirn macht die Person und damit das Subjekt von Entscheidungen und Handlungen ja erst aus. Er betrachtet das Gehirn ganzheitlich und versucht eine "Versöhnung" zwischen objektiver Determiniertheit und subjektiver Freiheit: "Überspitzt kann man formulieren, dass ein Zahnschmerz - objektiv betrachtet - ebensowenig schmerzhaft ist wie eine freie Entscheidung - ebenfalls objektiv betrachtet - frei ist; dennoch ist beides, das Zahnweh und die freie Entscheidung, für uns ganz gewiss wirklich." Der "Trick" liegt im Perspektivenwechsel zwischen Subjekt und Objekt, ähnlich wie bei Kant "Freiheit ist Einsicht in die Notwendigkeit" oder bei Freud "Wo Es war, soll Ich werden".