Zur Erinnerung: - Vorlesung geht weiter für Bioinformatiker am Do (13.12.) im großen Hörsaal der Zoologie, Königin Luisestr. 1-3. 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, € 29.80 Joseph LeDoux, Das Netz der Gefühle. Wie Emotionen entstehen. Carl Hanser Verlag, 1998, € 11.50 Daniel L. Schacter, Wir sind Erinnerung. Gedächtnis und Persönlichkeit rororo Sachbuch 1999. € 14.90

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)

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

Wie untersucht man Kognition?

Karten im Gehirn Bewegungen Körpergefühl CortexStimul, Vorlesung menschl. Gehirn Gazzaniga, Ivry, Mangun: Cognitive Neuroscience, P. 75, Fig. 3.9

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! Homonculus, a sensory map of your body. The homunculus looks rather strange because the representation of each area is related to the number of sensory neuronal connections, not the physical size of the area. Ceci n‘est pas un homme

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

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

Hippocampus: LTP

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

Die unterschiedlichen Rollen der beiden Hirnhemisphären Rechtes Sehfeld Linkes Sehfeld Sehfelder, Vorlesung Sehen, Gazzaniga, Ivry, Mangun: Cognitive Neuroscience, P. 125, Fig. 4.4 Primärer visueller Kortex

beiden Gehirnhemisphären für bewußtwerdende und nicht bewußte Seitenspezifität der beiden Gehirnhemisphären für bewußtwerdende und nicht bewußte Handlungen Natrium Amytal: ein Narkotikum Lateralität1, Vorlesung menschl. Gehirn Gazzaniga, Ivry, Mangun: Cognitive Neuroscience, P. 325, Fig. 9.2

„Split-Brain“ Patienten mit durchtrenntem Corpus Callosum Lateralität2, Vorlesung menschl. Gehirn Gazzaniga, Ivry, Mangun: Cognitive Neuroscience, P. 331, Fig. 9.9

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“

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

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)

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

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

Wie können wir die Aktivität des Gehirns messen?

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

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

Positronen-Emissions-Tomographie (PET) Beta-Zerfall

PET - Prinzip Injektion eines radioaktiven Kontrastmittels in die Blutbahn Kontrastmittel erreicht das Hirn Messung lokalen Blutflusses oder regionaler Metabolismus Substanzen, die injiziert werden: Glukose: 18F-fluorodeoxyglucose Blutfluß: H215O Liganden für Rezeptoren: 18F-DOPA Kandel, Schwartz, Jessel (2000)

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

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

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

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

magnetoencephalography - MEG 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. Ali R. Rezai, Alon Mogilner, Neurosurgery, NYU Medical Center

magnetoencephalography - MEG 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). The magnetic field data detected by the SQUID. Ali R. Rezai, Alon Mogilner, Neurosurgery, NYU Medical Center

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).

Sprachverarbeitung

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

Das Gehirn in Ruhe Denken?

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

Gazzaniga, Ivry, Mangun: Cognitive Neuroscience Aufmerksamkeit Aufmerksamkeit, Vorlesung menschl. Gehirn Gazzaniga, Ivry, Mangun: Cognitive Neuroscience, P. 460, Fig. 11.28 Gazzaniga, Ivry, Mangun: Cognitive Neuroscience

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

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

Wie verändern sich unsere kognitiven Leistungen?

Gehirnentwicklung Gewicht des Gehirns: 20 Wochen - 100 g Geburt – 400 g 18 Monate – 800 g 3 Jahre – 1100g Erwachsen - 1300-1400 g

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)

Die kognitiven Entwicklung von Kindern verläuft parallel zur Gehirnentwicklung

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/ mm3 . 103) FIGURE 3 Variations in the human prefrontal cortex during development: Density of synapses in layer III of the medial frontal gyrus (black circles) and resting glucose uptake (LCMRglc) in the frontal cortex (blue circles). Arrows point to the approximate periods of emergence of various prefrontal cortex functions. NB, newborn. Adapted with permission from Huttenlocker (1990) and Chugani et al. (1993). Lebensjahre

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

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 Our brains shrink as we age: brains of normal 60 and 98 98 Jahre Yankner (2000) Nature

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

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

Degeneration von Neuronen bei Alzheimer

Parkinsonsche Krankheit betrifft ausschliesslich das dopaminerge System

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

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.

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

Monismus / Materialismus Dualismus Realität Geist Materie ►Neurophilosophie Problem des Materialismus: Wenn die makroskopische Realität deterministisch ist, wie können wir Freiheit haben? Verantwortung? Schuld? Kreativität?

Lösungen (Erklärung, noch hypothetisch): Emergenz des Psychischen aus dem Neuronalen 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 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.

Neurophilosophie und Leib-Seele Problem (mind-matter problem) 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.

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

Dualismus in den Geisteswissenschaften heute 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 http://fhuisken.de