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Zur Erinnerung: - Vorlesung geht weiter für Bioinformatiker am Do (13.12.) im großen Hörsaal der Zoologie, Königin Luisestr. 1-3. Rechter Eingang (Hofeinfahrt.

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1 Zur Erinnerung: - Vorlesung geht weiter für Bioinformatiker am Do (13.12.) im großen Hörsaal der Zoologie, Königin Luisestr Rechter Eingang (Hofeinfahrt nicht Haupteingang!) Beschilderung folgen Vorschläge für Weihnachtswünsche/Geschenke: -Gehrard Roth, Fühlen, Denken, Handeln – Wie das Gehirn unser Verhalten steuert. Suhrkamp Verlag, 2001, Joseph LeDoux, Das Netz der Gefühle. Wie Emotionen entstehen. Carl Hanser Verlag, 1998, Daniel L. Schacter, Wir sind Erinnerung. Gedächtnis und Persönlichkeit rororo Sachbuch

2 Was ist Kognition? Kognition ist ein Prozeß, bzw. eine Fähigkeit, interne neuronale (mentale) Repräsentationen der Umwelt zu bilden, zu speichern und abzurufen. Kognitive Neurowissenschaft beschäftigt sich mit den neuronalen Korrelaten von Kognition. Kognition ist die interne Konstruktion eines Weltbildes aus Sinneseindrücken. René François Ghislain Magritte (1929)

3 Kognitive Leistungen des menschlichen Gehirns Wahrnehmen, Handeln Lernen, Gedächtnis bilden Planen, Erwarten Regeln extrahieren, Abstraktion Sprachliche Kommunikation Denken, Vorstellen, Erinnern Kontrolle von Emotionen, Affekten, Bedürfniszuständen Ich Wahrnehmung, Identifikation mit dem eigenen Körper Realitätscharakter von Erlebtem, Unterscheidung von Realität und Vorstellung Bewußtsein

4 Wie untersucht man Kognition?

5 Körpergefühl Karten im Gehirn Bewegungen

6 Das interne Selbstbild im somatosensorischen Kortex Homunculus: Die Repräsentation der einzelnen Körperteile entspricht der Anzahl an synaptischen Verbindungen und nicht der relativen Grösse der Areale! Ceci nest pas un homme

7 Kognitive Leistungen des menschlichen Gehirns Wahrnehmen, Handeln Lernen, Gedächtnis bilden Planen, Erwarten Regeln extrahieren, Abstraktion Sprachliche Kommunikation Denken, Vorstellen, Erinnern Kontrolle von Emotionen, Affekten, Bedürfniszuständen Ich Wahrnehmung, Identifikation mit dem eigenen Körper Realitätscharakter von Erlebtem, Unterscheidung von Realität und Vorstellung Bewußtsein

8 Medialer temporaler Lobus (deklaratives Lernen) Die Rolle des Hippokampus beim deklarativen Lernen Die Geschichte des Patienten HM (Brenda Milner)

9 Hippocampus: LTP

10 Kognitive Leistungen des menschlichen Gehirns Wahrnehmen, Handeln Lernen, Gedächtnis bilden Planen, Erwarten Regeln extrahieren, Abstraktion Sprachliche Kommunikation Denken, Vorstellen, Erinnern Kontrolle von Emotionen, Affekten, Bedürfniszuständen Ich Wahrnehmung, Identifikation mit dem eigenen Körper Realitätscharakter von Erlebtem, Unterscheidung von Realität und Vorstellung Bewußtsein

11 Rechtes Sehfeld Linkes Sehfeld Kortex Primärer visueller Die unterschiedlichen Rollen der beiden Hirnhemisphären

12 Seitenspezifität der beiden Gehirnhemisphären für bewußtwerdende und nicht bewußte Handlungen Natrium Amytal: ein Narkotikum

13 Split-Brain Patienten mit durchtrenntem Corpus Callosum

14 Die Asymmetrie der Gehirnhemisphären Meist linke Hemisphäre –Sprachzentren Verständnis von Sprache Produktion von Sprache –Bewußtsein von deklarativem Wissen (Wissen von Fakten, Orten, Begebenheiten) Meist rechte Hemisphäre –Erkennen ohne Bewußtsein –Emotionale Aspekte von Sprache und Musik –Raumvorstellung YouTube: Suchen nach split brain

15 Kognitive Leistungen des menschlichen Gehirns Wahrnehmen, Handeln Lernen, Gedächtnis bilden Planen, Erwarten Regeln extrahieren, Abstraktion Sprachliche Kommunikation Denken, Vorstellen, Erinnern Kontrolle von Emotionen, Affekten, Bedürfniszuständen Ich Wahrnehmung, Identifikation mit dem eigenen Körper Realitätscharakter von Erlebtem, Unterscheidung von Realität und Vorstellung Bewußtsein

16 Präfrontaler Kortex und Selbstbeherrschung Der Fall Phineas Gage 1848 – ein 6 kg Eisenstab drang unter dem linken Auge in das Gehirn und trat an der Schädeldecke wieder aus. Gage überlebte, jedoch mit schweren Persönlich- keitsveränderungen (aggressiv, neigte zu Stimmungsschwankungen, fehlende Impulskontrolle)

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18 Neuromodulatorische Systeme Noradrenerges System/Noradrenalin/Locus coeruleus: Aktivierung, Erregung, unspezifische Aufmerksamkeit Serotonerges System/Serotonin/Raphe-Kerne: Dämpfung, Beruhigung, Wohlbefinden Dopaminerges System/Dopamin/VTA und Nucleus accumbens: Antreibend, belohnend, Neuigkeit Cholinerges System/Acetylcholin/basales Vorderhirn: Gezielte Aufmerksamkeit, Gedächtnissteuerung

19 Kognitive Leistungen des menschlichen Gehirns Wahrnehmen, Handeln Lernen, Gedächtnis bilden Planen, Erwarten Regeln extrahieren, Abstraktion Sprachliche Kommunikation Denken, Vorstellen, Erinnern Kontrolle von Emotionen, Affekten, Bedürfniszuständen Ich Wahrnehmung, Identifikation mit dem eigenen Körper Realitätscharakter von Erlebtem, Unterscheidung von Realität und Vorstellung Bewußtsein

20 Wie können wir die Aktivität des Gehirns messen?

21 Nichtinvasive Methoden Elektroenzephalogramm (EEG) Summenableitung der elektrischen Oberflächenaktivität Computertomographie (CT) Schichtweise Abtastung durch dünnes, flaches Röntgenstrahlbündel Magneto-Enzephalographie (MEG) Messung der megnetischen Felder elektrisch aktiver Neurone mit einem superconducting quantum interference device (SQUID-Biomagnetometer). Positronen-Emissionstomographie (PET) Isotopen (C11, N13, F18, O15) senden Positronen aus, die bei Verschmelzung mit Elektronen Gammastrahlung erzeugen, die gemessen wird. Die Menge des Blutflusses wird gemessen, und damit die aktiven Gehirnbereiche. Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT) Homogenes sehr starkes Magnetfeld richtet Spin von Protonen aus, Radiowellen stören (wobbling) – Signal funktionelle MRT (fMRT = fMRI) Unterschiedliche magnetische Eigenschaften von Desoxihämoglobin und Oxihämoglobin stellen die aktiven Bereiche im Gehirn dar

22 funktionelle Kernspintomographie (fMRT) Nicht invasive Methoden der Messung der Gehirnaktivität (über Sauerstoff- zufuhr): PET (Positronen Emissions Tomographie) und funktionelle Kernspintomographie Positronen Emissions Tomographie (PET) Wie kann man die Gehirnarbeit messen?

23 Positronen-Emissions-Tomographie (PET) Beta-Zerfall

24 PET - Prinzip Kandel, Schwartz, Jessel (2000) Injektion eines radioaktiven Kontrastmittels in die Blutbahn Kontrastmittel erreicht das Hirn Messung lokalen Blutflusses oder regionaler Metabolismus Substanzen, die injiziert werden: Glukose: 18 F-fluorodeoxyglucose Blutfluß: H 2 15 O Liganden für Rezeptoren: 18 F-DOPA

25 Tagesspiegel, Okt Nobelpreis für Medizin, 2003: Erfindung der MRT (=MRI)

26 MRI – Scan: Anatomie Kandel, Schwartz, Jessel (2000)

27 fMRI – Prinzip: BOLD-fMRI Kandel, Schwartz, Jessel (2000) BOLD = blood oxygen level dependent. deoxy-Hb: effizientes Dephasing - schnelle Signalabnahme oxygeniertes Hb: langsameres Dephasing - stärkeres MRI Signal

28 magnetoencephalography - MEG - neural activity - magnetic field - detected by a "biomagnetometer".

29 magnetoencephalography - MEG Ali R. Rezai, Alon Mogilner, Neurosurgery, NYU Medical Center The biomagnetometer is housed in a shielded room weighing over 8,000 kg. The recording dewar contains magnetic detection coils which are bathed in liquid helium to superconducting temperatures of -269°C.

30 magnetoencephalography - MEG Ali R. Rezai, Alon Mogilner, Neurosurgery, NYU Medical Center The magnetic field data detected by the SQUID. The magnetic fields emanating from brain activity induce a current in these coils, which in turn produce a magnetic field in a special device called a superconducting quantum interference device (SQUID).

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32 Funktionelle Bildgebung Es müssen immer zwei Messungen gemacht werden: Testsituation/Kontrolle. Die Bilder werden dann von einander abgezogen. Da die Signale sehr klein sind, muss dies viele Male wiederholt werden (Mittelwert).

33 Sprachverarbeitung

34 Aktivitätsverteilung bei realer und vorgestellter Bewegung (funktionelle Kernspin Tomographie) rot: wahr- genommene Bewegung grün: vorgestellte Bewegung gelb: überlappende Bereiche

35 Das Gehirn in Ruhe Denken?

36 Kognitive Leistungen des menschlichen Gehirns Wahrnehmen, Handeln Lernen, Gedächtnis bilden Planen, Erwarten Regeln extrahieren, Abstraktion Sprachliche Kommunikation Denken, Vorstellen, Erinnern Kontrolle von Emotionen, Affekten, Bedürfniszuständen Ich Wahrnehmung, Identifikation mit dem eigenen Körper Realitätscharakter von Erlebtem, Unterscheidung von Realität und Vorstellung Bewußtsein

37 Aufmerksamkeit Gazzaniga, Ivry, Mangun: Cognitive Neuroscience

38 SENSORISCHES ERLEBNIS-B. AUTORSCHAFTS-B. HANDLUNGS- PLANUNGS-B SPRACHLICHES ICH AUTOBIOGRAPHISCHES ICH ETHISCH- MORALISCHES B. KÖRPER-B. VERORTUNGS-B. AUFMERKSAMKEITS -B. Es gibt mehrere und verschiedene Formen des Bewußtseins, die sich bestimmten Hirnarealen zuordnen lassen Bewusstseinszustände als Funktionen der Großhirnrinde: nach Vortrag Gerhard Roth

39 Kognitive Leistungen des menschlichen Gehirns Wahrnehmen, Handeln Lernen, Gedächtnis bilden Planen, Erwarten Regeln extrahieren, Abstraktion Sprachliche Kommunikation Denken, Vorstellen, Erinnern Kontrolle von Emotionen, Affekte, Bedürfniszustände Ich Wahrnehmung, Identifikation mit dem eigenen Körper Realitätscharakter von Erlebtem, Unterscheidung von Realität und Vorstellung Bewußtsein

40 Wie verändern sich unsere kognitiven Leistungen?

41 Gehirnentwicklung Gewicht des Gehirns: 20 Wochen g Geburt – 400 g 18 Monate – 800 g 3 Jahre – 1100g Erwachsen g

42 Hirnentwicklung Limbisches System ab 6. Woche der Embryonalentwicklung Hippokampus ab 22. Woche der Embryonalentwicklung, (Verknüpfung mit den Kortexarealen später) Assoziativer Kortex nach der Geburt bis zum Erwachsenenalter (nach Spektrum der Wissenschaft)

43 Die kognitiven Entwicklung von Kindern verläuft parallel zur Gehirnentwicklung

44 Die Dichte der Synapsen im frontalen Kortex nimmt in den ersten fünf bis acht Lebensjahren zu und dann langsam ab. Dichte von Synapsen im mediofrontalen Gyrus des Menschen (Synapsen/ mm ) Lebensjahre

45 Axon Elimination an der NME Walsh and Lichtman 2003 Nicht nur durch Lernen sondern auch im Laufe der Ontogenese werden Synapsen ständig auf- und wieder abgebaut: Unterschied Lernen – Entwicklung?

46 Das Gehirn schrumpft im Alter Ventrikel vergrössert Verbreiterung der Sulci Reduziertes Gewicht und Volumen Krankheiten, Schlaganfall Nachlassen von sensorischer Leistungsfähigkeit und Kognition Altersabhängige Atrophie des Frontallappens Alzheimer-assoziierte Atrophie 60 Jahre 98 Jahre Yankner (2000) Nature

47 Wort-Erinnerung und -Erkennung Gedächtnisbeeinträchtigung durch Verlust von Neuronen im Hippocampus Kognitive Fähigkeiten nehmen im Alter ab, aber die individuellen Unterschiede sind sehr groß.

48 Alzheimersche Krankheit betrifft das gesamte Gehirn Neurobifbrilläre Bündel (tau-Protein) Amyloid Plaques ( -amyloid Protein)

49 Degeneration von Neuronen bei Alzheimer

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51 Parkinsonsche Krankheit betrifft ausschliesslich das dopaminerge System

52 Was macht uns zu der Person die wir sind? Wie wird aus einem Haufen Neuronen ein Ich?

53 Ausgangspunkt Geistige, von Bewusstsein begleitete Zustände werden von uns als wesensmäßig verschieden von materiellen Zuständen (Dingen) der äußeren Welt empfunden. Hieraus resultiert der theologisch- philosophische wie auch der alltagspsychologische Dualismus von Geist und Körper/Gehirn. Danach kann Geist prinzipiell nicht naturwissen- schaftlich erklärt werden.

54 Dualismus damals und heute Descartes (1641) 1977 Problem des Dualismus: Verändert sich das Gehirn, verändert sich auch der Geist. Lösung (keine Erklärung): GeistMaterie Dualismus

55 Monismus / Materialismus Neurophilosophie Problem des Materialismus: Wenn die makroskopische Realität deterministisch ist, wie können wir Freiheit haben? Verantwortung? Schuld? Kreativität? RealitätGeistMaterie MonismusDualismus

56 Aufgrund seiner besonderen Verknüpfungsstrukturen erzeugt das Gehirn unterschiedliche Ebenen von Binnenbeschreibungen, die sich aufeinander beziehen und dadurch als eigen-ständig empfinden. Dies erzeugt die Sphäre des rein Geistigen. Diese kann – muss aber nicht – völlig eigene Gesetze haben. Johannes Müller Vortrag Gerhard Roth, 02 Lösungen (Erklärung, noch hypothetisch): Emergenz des Psychischen aus dem Neuronalen Nichtlineare Prozesse im Gehirn verstärken kontrolliert und flexibel Systemrauschen und generieren so variable Verhaltensweisen, Problemlösungen, Assoziationen, usw.: So kann das Gehirn Freiheit, Spontaneität, Kreativität erzeugen und daraus erwächst natürlich auch Verantwortung.

57 Zwar verstehen Neurowissenschaftler noch nicht wie Bewußtsein, Ich Erfahrung, Sprache im menschlichen Gehirn entsteht, es gibt aber keinen Grund anzunehmen, daß andere als physikalische und chemische Gesetze auch den höchsten kognitiven Leistungen des menschlichen Gehirns zugrunde liegen. Neurophilosophie und Leib-Seele Problem (mind-matter problem)

58 Die Hirnforschung kann erklären, unter welchen neuronalen Bedingungen im Gehirn Geist und Bewusstsein entstehen. Geist findet im Rahmen bekannter Naturgesetze statt, er transzendiert diese nicht. Die Hirnforschung kann auch plausibel machen, wie es im Gehirn zu psychischen Zuständen kommt, die nur sich selbst erleben, ebenso wie psychosoziale Phänomene. Die Hirnforschung muss nicht erklären, was Geist und Bewusstsein wesensmäßig sind. Ein Wesen der Dinge gibt es nicht. Johannes Müller Vortrag Gerhard Roth, 02

59 Prof. Dr. Freerk Huisken: Hirnforscher machen mobil - gegen den Verstand 15. Januar 2008 FU-Berlin, Hörsaal 1A, Silberlaube (Habelschwerdterallee 45, U Dahlem-Dorf), 18:00h Dualismus in den Geisteswissenschaften heute


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