Im Experiment lassen sich zwei anscheinend eng miteinander verwobene Funktionen des Gehirns teilweise entflechten
Im Alltagsleben scheinen Aufmerksamkeit und Bewusstsein zusammenzugehören: Wer seine Aufmerksamkeit auf die Schere rechts auf dem Schreibtisch richtet, wird sich ihrer Eigenschaften, wie etwa der roten Griffe, bewusst. Umgekehrt können die roten Griffe auch dazu führen, dass man auf die Schere aufmerksam wird. Jedoch haben Wissenschaftler aus einer Reihe von Verhaltensbeobachtungen in jüngster Zeit geschlossen, dass Aufmerksamkeit und Bewusstsein zwei grundlegend verschiedene Prozesse im Gehirn darstellen, die nicht notwendigerweise miteinander verbunden sind. Dazu haben jetzt Forscher des Max-Planck-Instituts für biologische Kybernetik zusammen mit japanischen Kollegen eine neue Studie in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht. Sie liefern den ersten experimentellen Nachweis, dass die primäre Sehrinde, der Eingangsbereich zur visuellen Informationsverarbeitung in der Großhirnrinde, nur durch Aufmerksamkeit, nicht aber durch das Bewusstsein aktiviert wird. Dieses Ergebnis bekräftigt die Hypothese, dass Nervenzellen unterschiedlich auf Aufmerksamkeit und Bewusstsein reagieren. weiter…
Das vernetzte Gehirn.
Forscher analysieren das Verknüpfungsmuster der Nervenzellen im Gehirn, um dessen Arbeitsweise besser zu verstehen.
Wie das Gehirn unseren Geist hervorbringt ist noch immer ein großes Rätsel. Manche Forscher sehen den Grund dafür in der bisher üblichen separaten Untersuchung einzelner Bereiche und Funktionen, die den Blick auf das große Ganze versperrte. Sie halten es für aussichtsreicher, das Gehirn als riesiges Netzwerk miteinander verknüpfter Nervenzellen zu betrachten, und wollen - wie Spektrum der Wissenschaft in seinem Oktoberheft berichtet - aus dem Muster dieser Verknüpfungen seine Funktionsweise erschließen.
Einer von ihnen ist Dietmar Plenz vom National Institute of Mental Health der USA in Bethesda (Maryland). Er und seine Kollegen züchten Hirngewebestückchen in der Größe von Sesamkörnern in Kulturschalen. Mit 64 Elektroden, die sie hineinstechen, registrieren sie dann das spontane Feuern der Nervenzellen. Was sie dabei aufzeichnen, sind Salven schnell aufeinander folgender elektrischer Entladungen, die man als neuronale Lawinen bezeichnet.
Auf den ersten Blick scheint es so, als handle es sich um ein Zufallsmuster. In diesem Fall müssten jedoch winzige und großräumige Lawinen gleich häufig auftreten. Das ist aber nicht der Fall: Plenz und seine Kollegen beobachten kleine Exemplare viel öfter als große. Zeichnet man die Größenverteilung der Lawinen in einem Diagramm auf, ergibt sich eine glatte, abfallende Kurve. Wissenschaftler kennen diesen Kurvenverlauf aus anderen Zusammenhängen - etwa der Intensitätsverteilung von Erdbeben oder dem Muster der Erkrankungsfälle bei einer Epidemie. Er ist ein Merkmal komplexer Netzwerke, die Verbindungen über kurze und weite Distanzen enthalten. Die konkrete Form der Verteilungskurve erlaubt dabei Rückschlüsse auf das genaue Verknüpfungsmuster.
Plenz und seine Kollegen testeten eine Reihe verschieden konfigurierter Modellnetze im Computer, um herauszufinden, welche davon eine ähnliche Verteilung neuronaler Lawinen erzeugte ihre Hirngewebestücke. Die beste Übereinstimmung ergab eine Architektur mit 60 Neuronengruppen, deren Mitglieder alle direkten Kontakt zueinander hatten. Jeder solche “Cluster” war im Durchschnitt mit zehn weiteren verknüpft. Doch dieser Wert schwankte stark: Einige wenige Cluster waren mit vielen anderen verbunden, die meisten aber nur mit sehr wenigen. Wissenschaftler bezeichnen das als “Kleine-Welt-Netzwerk”. Seine Architektur hat zur Folge, dass eine Erregungswelle zwar überwiegend auf den Ursprungscluster beschränkt bleibt, aber über wenige Zwischenstationen auf jeden beliebigen anderen überschwappen kann.
Inzwischen verfolgen Neurowissenschaftler das Ziel, die geschätzten 100 Billionen Verknüpfungen zwischen allen 100 Milliarden Neuronen im Gehirn zu kartieren. Dazu haben die National Institutes of Health 2010 das mit 30 Millionen Dollar dotierte “Human Connectome Project” ins Leben gerufen. An ihm arbeitet auch Olaf Sporns von der Indiana University in Bloomington (USA) mit. Gemeinsam mit Patric Hagmann und dessen Neuroimaging-Gruppe an der Universität Lausanne (Schweiz) hat er Aufnahmen des menschlichen Gehirns mit einer speziellen Methode angefertigt, welche die Nervenfasern sichtbar macht, die verschiedene Regionen der Hirnrinde miteinander verbinden. Die beiden Wissenschaftler wählten annähernd 1000 Regionen aus und kartierten sämtliche Faserstränge zwischen ihnen. Das Ergebnis ähnelte dem Kleine-Welt-Netzwerk, das Plenz in den kleinen Gewebestückchen entdeckt hatte.
Selbst wenn das Konnektom-Projekt erfolgreich sein sollte, bleibt allerdings fraglich, ob die Resultate wirklich klar machen, wie das menschliche Gehirn funktioniert. Wie schwierig die Aufgabe ist, lehrt die Erfahrung mit dem einfachsten im Detail bekannten Nervensystem: dem des Fadenwurms. Es besteht aus genau 302 Nervenzellen, deren Verknüpfungsmuster schon seit 20 Jahren vollständig bekannt ist. Trotzdem weiß immer noch niemand genau, wie dieses simple Netzwerk die Körperfunktionen und das Verhalten des Wurms steuert. (Quelle: Spektrum der Wissenschaft, Oktober 2011)
Die Gesetze der Quantenmechanik beherrschen nicht nur die Welt der Atome und Elementarteilchen, sondern liegen in größerem Maßstab auch der Natur zu Grunde. Vielleicht machen sich sogar Pflanzen bei der Fotosynthese oder Zugvögel bei der Orientierung typische Quanteneffekte zu Nutze.
Die Quantenmechanik gilt allgemein als Theorie für mikroskopisch kleine Gegenstände - Moleküle, Atome, sub-atomare Teilchen. Doch viele Physiker glauben heute, diese Theorie treffe auf alles zu, ob groß oder klein. In den letzten Jahren haben mehrere Experimente Quantenphänomene auch in makroskopischen Systemen beobachtet, beispielsweise in Salzkristallen.
Vor allem die so genannte Verschränkung, ein typischer Quanteneffekt, kann auch in großen Systemen auftreten - vielleicht sogar in lebenden Organismen. Kandidaten für makroskopische Verschränkungen sind die Fotosynthese der Pflanzen und die Magnetfeldwahrnehmung von Vögeln. Das berichtet der serbo-britische Quantenphysiker Vlatko Vedral von der Oxford University in der Septemberausgabe von Spektrum der Wissenschaft.
Für die Physiklehrbücher ist die Sache klar: Die Quantenmechanik beschreibt die Gesetze des -Mikrokosmos. Sie liefert die Theorie für Teilchen, Atome und Moleküle - während für Billardkugeln, Menschen und Planeten die klassische Physik gelten soll. Irgendwo zwischen Molekülen und Billardkugeln liegt damit eine Grenze, an der das seltsame Verhalten der Quantenobjekte in die vertraute Alltagsphysik übergeht. Doch wo liegt diese Grenze?
Diese Aufteilung der Welt ist womöglich allzu simpel. Heute glauben nur wenige Physiker, dass die klassische Physik den gleichen Rang wie die Quantenmechanik beanspruchen darf; sie ist nur eine nützliche Näherung für eine Welt, die in allen Größenordnungen Quanteneigenschaften aufweist. Dass Quanteneffekte in der Makrowelt schwieriger zu erkennen sind, hat nichts mit Größe zu tun, sondern mit der Art und Weise, wie Quantensysteme wechselwirken. In den letzten Jahren haben Physiker mehrfach experimentell belegt, dass auch in makroskopischen Größenordnungen Quantenverhalten auftreten kann. weiter…
Mitte der 1990er Jahre haben die Forscher Stanislas Dehaene und Jean-Pierre Changeux einen theoretischen und experimentellen Ansatz zum Verständnis der biologischen Prozesse des Zugangs zum menschlichen Bewusstsein entwickelt. Ihre auf dem Gebiet der Neurowissenschaften bahnbrechenden Arbeiten ermöglichten es ihnen, die neuronale Aktivität der bewussten Informationsverarbeitung objektiv zu messen.
Versuchsmodell zur Bewusstseinsbildung.
Zur Messung der neuronalen Aktivität bei der Bewusstseinsbildung haben die Forscher ein Versuchsmodell entwickelt, das auf einer einfachen Idee basiert: Der Vergleich der Hirnaktivität bei der bewussten und der unbewussten Informationsverarbeitung. Einem Patienten wurden während einer schnellen Abfolge von Bildern geschriebene Wörter gezeigt. Durch die Variation der Bedingungen der Bilder-Präsentation ist die Versuchsperson in der Lage, oder auch nicht, das geschriebene Wort wiederzugeben. Konnte sie sich erinnern, so ist dies auf eine bewusste Verarbeitung zurückzuführen. Konnte sie es nicht, wurde das Wort nicht bewusst wahrgenommen. Die Forscher konnten aufzeigen, dass das Wort dennoch vom Gehirn verarbeitet wurde, wenn auch nur in unterschwelliger bzw. unbewusster Form. Bei jeder neuen Versuchsanordnung wurde die neuronale Aktivität in unterschiedlichen Hirnregionen des Patienten mit Hilfe verschiedener Verfahren gemessen. So war es möglich, die neuronalen Aktivitäten bei der bewussten und der unbewussten Verarbeitung des gleichen Reizes objektiv zu vergleichen. Durch die Fortsetzung dieser Arbeiten mit neuen Methoden zur Erfassung der Gehirnaktivität war es möglich, die Abfolge der Abläufe im Gehirn während der Bewusstseinsbildung zu erfassen. Die ersten Hirnareale, die sowohl bei der bewussten als auch bei der unbewussten Informationsverarbeitung aktiviert werden, sind der visuelle Kortex und insbesondere die Areale, die bei der Erkennung geschriebener Wörter beansprucht werden. Bei der bewussten Verarbeitung (200 - 400 Millisekunden nach der Präsentation des Wortes) wird ein großes Hirnareal - darunter der präfrontale Kortex - von einer enormen elektrischen Welle überflutet. Nach Angaben der Forscher synchronisiert sich dieses Areal während der Bewusstseinsbildung durch Neuronen, die über lange Axone eng miteinander verbunden sind.
Zugang zum Bewusstsein.
Laut Stanislas Dehaene und Jean-Pierre Changeux bietet dieser letzte Schritt den Zugang zum Bewusstsein. Sie sind davon überzeugt, dass diese Anregung des präfrontalen Netzwerks und die Synchronisierung der Neuronen in diesen Arealen nur ausgelöst werden können, wenn ein Mindestmaß an Aktivität in den vorangegangenen Schritten erreicht wurde. Bewusstsein wäre demzufolge die Bereitstellung von Informationen in einem “neuronalen Arbeitsbereich”, der es dem Signal ermöglicht, in das Langzeitgedächtnis überzugehen.
Diese Theorien von Jean-Pierre Changeux und Stanislas Dehaene ermöglichen die Interpretation verschiedener klinischer Zustände, bei denen der Zugang zum Bewusstsein verändert oder verhindert wurde, wie zum Beispiel bei einer Vollnarkose, durch Koma oder psychiatrische Erkrankungen wie Schizophrenie. (Quelle: Pressemitteilung der CEA - 31/05/2010 via idw)
Was im Gedächtnis hängenbleibt, ist maßgeblich davon abhängig, auf welche Aspekte eines Ereignisses wir uns konzentrieren. Magdeburger Neurowissenschaftler konnten nun zwei Netzwerke im Gehirn identifizieren, die beim Lernen qualitativ unterschiedliche Merkmale einer Information abspeichern.
Ein Streit auf der Straße kann unsere Aufmerksamkeit auf verschiedene Aspekte der Szene lenken: Konzentriert man sich auf das, was dort geschrien wird, kann man sich später vermutlich an das Thema des Streit erinnern, vielleicht aber nicht an die Kleidung der Streitenden. Konzentriert man sich dagegen sehr auf das Aussehen, kann man später wohl eher Details über die Farbe der Kleidung als über den Inhalt des Streits wiedergeben. Erfolgreiches Erinnern hängt also immer auch davon ab, welcher Teil eines Gedächtnisinhaltes (z. B. oberflächliche oder inhaltliche Merkmale) aktuell von Bedeutung ist.
In der Studie an der Universitätsklinik für Neurologie wurde die Hirnaktivität von Probanden mittels funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) gemessen, während diese sich lange Wortlisten einprägten. Diese Lernphase wurde gefolgt von einem zweistufigen „Gedächtnistest“. Dabei blitzten sukzessive Wörter für nur extrem kurze Zeit (33-66 msec) auf dem Bildschirm auf, und die Probanden sollten zunächst versuchen, diese Wörter zu identifizieren. Danach sollte zudem angegeben werden, ob es sich bei dem eben gezeigten Wort um ein zuvor gelerntes oder um ein neues Wort handelt. Zuvor gelernte Wörter konnten wesentlich besser identifiziert werden als neue Wörter. Diesen Effekt bezeichnet man als implizites (unbewusstes) Gedächtnis, weil er unabhängig davon auftritt, ob sich die Probanden bewusst daran erinnern konnten, das entsprechende Wort zuvor gelernt zu haben (explizites oder bewusstes Gedächtnis). weiter…
Video: Einführungsveranstaltung zur Ringvorlesung “Die Welt des Komplexen: Emergenz, Evolution und Kausalität” am 23.10.2007
FRANKFURT. Komplexität zieht sich als Leitmotiv durch nahezu alle heutigen Naturwissenschaften und gewinnt zunehmend an Bedeutung. Am Anfang der wissenschaftlichen Revolution der Neuzeit stand das Bestreben, das Naturgeschehen durch wenige und möglichst einfache Gesetzmäßigkeiten erfassen und verstehen zu können.
Dieses Programm im Sinne des Reduktionismus war von spektakulären Erfolgen gekrönt und hat die Welt entscheidend verändert. Die Suche nach fundamentalen Bausteinen und Gesetzmäßigkeiten hat auch heute nichts von ihrer Bedeutung verloren. Dennoch ist nicht zu übersehen, dass die real existierenden Objekte der Naturbeschreibung in der Regel alles andere als einfach sind. Nahezu überall stößt man auf komplexe Systeme, die sich aus miteinander wechselwirkenden Subeinheiten zusammensetzen und bei denen das Ganze mehr ist, als die Summe seiner Teile. Das Verständnis derartiger komplexer Systeme, charakterisiert durch Begriffe wie Strukturbildung, Selbstorganisation und Emergenz neuer Eigenschaften, gehört zu den zentralen Herausforderungen an die modernen Wissenschaften.
Die Biologie steht vor der Herausforderung, die Funktion und die Organisationsprinzipien der aus Evolutionsprozessen hervorgegangenen komplexen Systeme im lebenden Organismus aufzuklären. Dies gilt für die Funktion einzelner Biomoleküle oder Molekülkomplexe und für molekulare Netzwerke und Regelkreise innerhalb der Zelle (metabolische und Proteom-Genom-Netzwerke), für das Zusammenspiel von Zellen in Organen oder für das Immunsystem.
In den Neurowissenschaften steht das wohl komplexeste in der Natur existierende System im Zentrum der Untersuchungen, das Gehirn. Die Analyse des Aufbaus und der Funktionsprinzipien der riesigen, eng verflochtenen Netze von Neuronen im Gehirn, die letztlich für die kognitiven, mentalen und psychischen Prozesse bei Mensch und Tier verantwortlich sind, macht rapide Forschritte, wenn auch der Weg zu einem detaillierten Verständnis noch sehr weit ist.
In der Physik, die als erste der Naturwissenschaften den Weg zu einem quantitativen und theoretisch-mathematisch fundierten Verständnis beschritten hat, standen zunächst einfache, gut analysierbare Teilsysteme im Vordergrund. Spätestens mit der Entwicklung der nichtlinearen Dynamik und der Chaostheorie im 20. Jahrhundert wurde jedoch auch hier die Rolle der Komplexität klar. Das gilt für fast alle Vielteilchensysteme, ja selbst das Vakuum weist im Rahmen der Quantentheorie Züge großer Komplexität auf.
Die Rolle der Komplexität in der Chemie folgt schon aus ihrer Verankerung in der Physik, da chemische Moleküle Paradebeispiele für Vielteilchensysteme darstellen. Struktur, Funktion und Dynamik großer Makromoleküle sind im Grenzbereich zwischen Chemie, Physik und Biologie angesiedelte Fragestellungen. Von den supramolekularen chemischen Strukturen, die die Grundlage vieler Prozesse in der lebenden Zelle bilden, gibt es einen nahtlosen Übergang zum aktuellen Gebiet der atomaren Cluster und Nanostrukturen mit großem technischem Anwendungspotenzial. Quelle: idw
Mehr zum Thema: Emergenz: Strukturen der Selbstorganisation in Natur und Technik
Video: How Do Your Superstitions Get Started? (Wie dein Aberglaube anfängt).
In der Antike wohnte Zeus, der mächtigste Gott der Griechen, auf dem Olymp. Heutige Neurowissenschaftler haben dagegen einen obersten Lenker im Hippocampus des menschlichen Gehirns aufgespürt. Haben sie die Wurzeln des Glaubens gefunden?
Ins Grübeln kamen die Forscher schon vor Jahrzehnten, als der US-amerikanische Psychologe Burrhus F. Skinner seine Untersuchungen zur Entstehung des Aberglaubens Ende der 1940er Jahre durchführte und veröffentlichte. Laut der Fachzeitschrift „Monitor on Psychology” ist Skinner der bedeutendste Psychologe des 20. Jahrhunderts.
Die Psychologie versteht unter Aberglauben keineswegs eine von den Dogmen der Kirche abweichende Glaubensform. Vielmehr gilt ein irrationales Regelwissen, das sich nicht objektiv bestätigen lässt, als Aberglaube. Irrationale Verhaltensformen zählen ebenfalls dazu. Zum Aberglauben gehört, dass Menschen an einem Freitag, den 13. nicht aus dem Haus gehen wollen, damit ihnen kein Unglück passiert oder dass sie glauben, ein persönlicher Talisman sei ursächlich für ihr Glück.
Aberglaube und Glaube hängen eng zusammen. Unter Glauben im nichtreligiösen Sinn versteht man, dass ein Sachverhalt hypothetisch für wahr gehalten wird. Das lässt im Gegensatz zum Aberglauben die Möglichkeit des Irrtums zu, ganz nach dem Motto: »Es könnte auch anders sein«. Glauben im religiösen Sinn lässt dagegen nicht zu, dass es auch anders sein könnte. Insofern gleichen religiös motivierter Glaube und die daraus folgenden Verhaltensformen dem unbestätigten Regelwissen, das in den nächsten Abschnitten näher beleuchtet wird. weiter…
BBC Exklusiv Das Geheimnis des Lebens - GENETIK 1/5
Unser flexibles Erbe
Die Gene des Menschen sind höchst flexibel, denn viele Umweltfaktoren beeinflussen, ob sie überhaupt abgelesen werden oder nicht. Für Psyche und Verhalten ebenso wichtig ist die Frage, welche Erbinformation vom Vater und welche von der Mutter stammt. Läuft hier etwas schief, können seelische Krankheiten entstehen.
Gene oder Umwelt – was prägt den Menschen stärker? Keines von beiden, sagen Forscher! Denn die vermeintlichen Kontrahenten arbeiten in Wirklichkeit Hand in Hand. Wie, das untersucht die “Epigenetik”, deren wichtigste Erkenntnisse die November-Ausgabe des Magazins “Gehirn&Geist” (11/2009) vorstellt.
Wie kanadische Forscher herausfanden, entscheiden frühkindliche Erfahrungen mit darüber, ob bestimmte Stressgene abgelesen werden oder nicht: Bei Suizidopfern, die als Kinder sexuell oder körperlich missbraucht worden waren, war ein Erbfaktor blockiert, der normalerweise die Stressresistenz fördert. An der DNA saßen so genannte Methylgruppen, die das Ablesen des Gens unterbanden. Auch eineiige Zwillinge, die bekanntlich genetisch identisch sind, offenbaren mit zunehmendem Lebensalter unterschiedliche Methylierungsmuster. Die unterschiedlichen Lebenserfahrungen brennen sich quasi in ihre DNA. Dies erklärt, warum ein Zwilling an einer psychischen Krankheit wie Schizophrenie leiden kann, ohne dass sein Geschwister ebenfalls betroffen sein muss.
Eine wichtige Rolle spielt auch, von welchem Elternteil das jeweilige Erbgut stammt. Denn von manchen Genen werden die väterlichen, von anderen die mütterlichen Versionen bereits im Embryo stillgelegt. Diese “genomische Prägung” scheint nach neusten Forschungsergebnissen größeren Einfluss auf die psychische Entwicklung zu haben, als bislang vermutet. So wird die Reifung bestimmter Hirnregionen eher durch mütterliche, andere Areale dagegen durch väterliche Gene gesteuert.
Inzwischen kennen Epigenetiker etliche Krankheiten, die durch Prägungsfehler ausgelöst werden. Wenn etwa ein bestimmter Abschnitt des von der Mutter geerbten Chromosoms 15 fehlt, zeigt das Kind Entwicklungsdefizite, die als Angelman-Syndrom bekannt sind. Ist dagegen das väterliche Chromosom betroffenen, löst dies das Prader-Willi-Syndrom mit geistiger Behinderung und Stoffwechselstörungen aus. Auch bei Autismus, Schizophrenie, Depression und sogar Alzheimer-Demenz könnte die genomische Prägung maßgebend sein. Quelle: Gehirn&Geist, November 2009
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