3.3 Zentralnervensystem des Menschen

3.3.2.2 Bau und Funktion des menschlichen Gehirns II

 

Das Großhirn besteht aus zwei stark gefurchten Halbkugeln (Hemisphären), die durch einen tiefen Einschnitt voneinander getrennt sind. Die Verbindung zwischen den beiden Hemisphären wird durch einen dicken Nervenstrang, dem sog. Balken hergestellt. Der oberflächliche Teil des Großhirns ist die Großhirnrinde (Cortex cerebri, Pallium), die etwa 3 mm dick ist und ca.14 Milliarden Zellkörper der Nervenzellen und 50 x 109 Gliazellen enthält. Sie weist in ihrem Feinbau sechs verschiedene Schichten auf, die sich durch die Form der in ihnen enthaltenen Nervenzellen unterscheiden. Insgesamt bezeichnet man diese Schichten als graue Substanz.

Nach innen schließt sich die Nervenfaserzone (Großhirnmark) als weiße Substanz an, die von den Fortsätzen der Nervenzellen gebildet wird. Die Oberfläche der Großhirnrinde ist stark gefaltet und in Windungen (Gyri) gelegt, die durch Furchen (Sulci) voneinander getrennt werden (siehe Abb. 158).

Damit ergibt sich eine Oberfläche von ca. 1,5 m2. Als Zellen findet man Neuronen (Pyramidenzellen (Purkinje-), siehe Abb. 159) und Gliazellen mit einer Konzentration von ca. 100 000 Zellen/mm2.

Gliazellen unterstützen und ernähren die Neuronen. Man findet 3 Typen, darunter die Astrozyten (unten). Die Zellen im Gehirn bilden zum Teil bis zu 10 000 Synapsen. Damit stellt das Gehirn ein gigantisches neuronales Netzwerk dar, weit komplexer als jeder derzeitige Computer. (siehe unten ein neuronales Netzwerk im Kleinhirn)

Morphologisch lassen sich im Großhirn vier Gebiete unterscheiden: Stirnlappen, Scheitellappen, Hinterhauptslappen und die seitlichen Schläfenlappen. Funktionell lassen sich in bestimmten Rindenfeldern bestimmte Leistungen lokalisieren.

Im Großhirn sind alle Bereiche des Körpers in entsprechenden Bereichen repräsentiert, d.h. es führen alle sensorischen Fasern nach der Verschaltung im Thalamus in einen speziellen Bereich.

Wie schon erwähnt, ist das Großhirn in einzelne Lappen unterteilt. Der Stirnlappen steht in enger Beziehung zur Persönlichkeitsstrukur. Im Parietallappen enden die sensorischen Fasern. Der Temporallappen erledigt Aufgaben des Gehörs und der Okzipitallappen beinhaltet das visuelle Assoziationszentrum.

Willentliche Bewegung

So existiert im hintersten Abschnitt des Frontallappens das motorische Zentrum (primäre motorische Cortex), von dem zu allen Muskeln die motorischen Fasern verlaufen.
Daneben befindet sich im vordersten Abschnitt des Okzipitallappens das sensorische Zentrum, in das von allen Sinnesorganen die sensorischen Fasern münden. (siehe links)

In der beschriebenen Art besteht im Großhirn für jedes Körperteil eine Steuerung und ein "Gedächtnis". Dabei repräsentiert die rechte Gehirnhälfte die linke Körperseite und umgekehrt.

Unten ist für einen sensorische Faser der Weg durch das Rückenmark und die verschiedenen Gehirnbereiche bis in das sensorische Großhirnzentrum dargestellt. Die Nervenbahn besteht aus 2 Neuronen.
 

 

Abb. 158

Großhirnrinde


 

 

 

 

Abb. 159

neuronales Netzwerk im Gehirn

Abb. 160

Pyramidenzellen


 

Abb. 161

Astrozyt


 

Abb. 162

Großhirnbereiche

 

 

 

 

 

 

Abb. 163

Nervenbahnen im Rückenmark
motorische Felder

 

 

 

Abb. 164

Nervenbahnen im Rückenmark

 

 

Übergeordnete Fähigkeiten

Neben den Lappen gibt es noch verschiedene andere Bereiche, die für spezielle Fähigkeiten zuständig sind:

 

Der primäre motorische Bereich, der für freiwillige Bewegung und der sensorische Bereich, der für die Empfindung von Schmerz, Temperatur, Position und Bewegung zuständig ist, wurde schon oben erwähnt. Auch über die Sehrinde, das Sehzentrum wurde schon gesprochen. Daneben gibt es noch den Brocaschen Bereich, das Zentrum für Sprache und Artikulation und das Hörzentrum mit dem Wernickeschen Bereichfür das Verständnis gesprochener Sprache.

Fähigkeiten wie lautes Lesen oder Rechnen auf dem Papier usw. entstehen durch Zusammenarbeit dieser speziellen Bereiche. Die Zentren sind über die beiden Gehirnhälften unterschiedlich verteilt.

Der Mensch zeichnet sich im Vergleich zum Tier durch besondere geistige Fähigkeiten wie rationales oder emotionales Handeln, einsichtiges Verhalten, abstraktes Denken und Lernfähigkeit aus.Diese Fähigkeiten werden wiederum durch die Zusammenarbeit verschiedener Gehirnteile ermöglicht, die man als limbisches System bezeichnet. Zu dieser Funktionseinheit gehören Teile des Großhirns, Mittel- und Zwischenhirns:

  • der Hippocampus,
  • Amygdala,
  • Mandelkern,
  • Gyrus singuli,
  • Hypothalamus,
  • Teile des vorderen Thalamus,
  • Septum,
  • der Schläfenlappen
  • und einige weitere Hirnzentren.

In diesem System arbeiten verschiedene Neurotransmitter wie Glutamat, Acetylcholin, Dopamine, GABA, und Serotonin.

Auch findet man viele Neuromodulatoren und Hormone wie die Substanz P, Opiate, Östrogen, und Androgene (= männliche Sexualhormone).

Das limbische System ist die Zentralstelle des endokrinen, vegetativen und psychischen Regulationssystems. Es verarbeitet Reize aus dem Körperinneren und von außen. Das limbische System steuert das emotionale Verhalten und ist das Zentrum für Gefühle. Außerdem ist es mit anderen Zentren am Gedächtnis beteiligt.

Störungen des limbischen Systems führen zu Störungen der emotionalen Verhaltensweisen und beim Tier zu Störungen des artspezifischen Verhaltens. Bei Epilepsien und Psychosen lassen sich häufig Störungen des limbischen Systems nachweisen, wobei deutliche Verhaltensänderungen (z.B. Wutanfälle, Angstgefühle, Geruchshalluzinationen usw. auftreten. Begleitet werden diese von vegetativen Reaktionen wie z.B. Änderungen des Blutdrucks. Schäden im Hippocampus sorgen für Gedächtnisdefekte.

Faßt man obige Erkenntnisse zusammen, kann man funktionell, bezogen auf die speziellen Fähigkeiten des menschlichen Gehirns und das Verhalten des Menschen 3 Gehirnteile ausmachen:

Das Zwischenhirn (Limbisches Sytem) für Emotionen,

das Rationale Gehirn (Cortex) für intellektuelle Tätigkeiten

das Primitive Gehirn (Hirnstamm) für Selbsterhaltung und Aggression.

Gedächtnis und Lernen

Biologische Strukturen des Gedächtnis

Wie gelangt nun eine Information von außen in unser Gedächtnis? Die moderne Biologie arbeitet hier mit dem Modell eines stufenweisen Abspeicherns (Verschlüsselns, Codierens):

  1. Eine Information in Form eines sinnlich wahrnehmbaren Reizes erreicht uns. Der Reiz kann ein visueller (sichtbarer), auditiver (hörbarer), haptischer (den Tastsinn ansprechender), olfaktorischer (geruchlicher) oder gustatorischer (geschmacklicher) Reiz sein. Die eintreffende Informationsmenge ist von der Art des Reizes abhängig: Olfaktorische Reize können etwa 20 Bit pro Sekunde enthalten, visuelle hingegen ca. 10 Millionen Bit. (1 Bit = binary digit ist die kleinste Informationseinheit, 8 Bit = 1 Byte)

  2. Der wahrnehmbare Reiz trifft auf eine Sinneszelle, die ihn in Form eines elektrischen Impulses an eine Nervenzelle und ihre Nervenfaserendung, die Synapse weitergibt (Ultrakurzzeitgedächtnis, sensorisches Register; jedes sensorische System hat sein eigenes Gedächtnis).

  3. Der elektrische Impuls beginnt nun zwischen den Synapsen verschiedener Nervenzellen zu kreisen. (Kurzzeitgedächtnis) Er kreist in bestimmten, sich wiederholenden Bahnen im Netzwerk der Nervenzellen und hinterläßt dabei charakteristische molekulare Spuren, die sich chemisch im Gehirn einprägen. Die zunächst noch nicht fest zusammengeschalteten Nervenbahnen festigen sich dabei; es entstehen solide Verbindungen, die "Engramme". Sie bilden unser Langzeitgedächtnis.

Vom Vorhandensein dieser Engramme hängt alles ab, denn beim Vorgang des Sich-Erinnerns wird unser Bewußtsein später auf sie zugreifen. Wenn es dort, wo es entsprechende Informationen vermutet, nichts oder etwas anderes vorfindet, kommt es zu Störungen.

In Abb. 169 ist ein stark vereinfachtes Modell des Gedächtnisses zu sehen. Die Information kommt zunächst über ein sensorisches Register (= Ultrakurzzeitgedächtnis ns) in einen Kurzzeitspeicher, in dem sie kurz eine Weile bereitgehalten wird. Das Kurzzeitgedächtnis behält die Informationen mehrere Minuten, bis zu maximal einigen Tagen. Die Kapazität beträgt ca. 7 Sinneseinheiten oder Objekte also z. B. maximal 7 Zahlen in Folge.

Die nachfolgende Dauerspeicherung erfordert eine erhebliche Umformung. Die Information wird nicht mit all ihren vielfältigen Details gespeichert, sondern nur die wesentlichen Inhalte werden in das Langzeitgedächtnis überführt. Die Umformung des Gedächtnisinhaltes zieht unweigerlich einen Verlust an Information nach sich und benötigt auch einen erheblichen Aufwand an Zeit und Energie.

Während die Inhalte des Kurzzeitgedächtnisses als Aktivierungen von Neuronen gespeichert werden (also als Hirnaktivität) sind die Inhalte des Langzeitgedächtnisses in Form von Verbindungen zwischen Neuronen gespeichert (also als Hirnstruktur). Das Langzeitgedächtnis hat eine unbegrenzte Speicherdauer und eine fast unbegrenzte Kapazität.

Die Vorgänge auf zellulärer und molekularer Basis wurden u.a. durch Eric Kandel (Nobelpreis 2000) an der Meeresschnecke Aplysia aufgeklärt und inzwischen bei anderen Organismen bestätigt.

Im Modellorganismus Aplysia findet Lernen in der Synapse zwischen sensorischem und motorischem Neuron statt. Jedsmal, wenn das sensorische Neuron stimuliert wird fürt eine erhöhte Freisetzung von Neurotransmittern zu einer stärkeren Muskelaktivierung. Der Lernprozess geschieht über ein Phosphorylierung zunächst in der Synapse als Kurzzeitspeicherung und später über Genaktivierung asl Langzeitspeicherung eines Gedächtnisproteins. Dabei vergrößert sich die Synapse und verändert länger andauernd ihre Funktion. Damit sind Synapsen Bausteine des Gedächtnisses. Die genauen Vorgänge sind in Abb. 170 dargestellt.

Was passiert nun, wenn wir uns erinnern, zum Beispiel an das Gesicht unserer Großmutter? Die derzeitige Lehrmeinung:

Ein spezielles Gesicht entspricht im Gehirn einer ganz bestimmten Kombination vieler Nervenzellen, die gemeinsam feuern. Durch die gemeinsame elektrische Aktivität entsteht ein Muster im Gehirn, das die Großmutter repräsentiert. So gibt es für alle Objekte, Zahlen, Gesichter Sachverhalte ein spezielles Muster von Nervenzellen, die gemeinsam aktiv sind.

Aspekte des Lernens

Lernen, d.h. Überführen und Abspeichern von Informationen ins Langzeitgedächtnis, geschieht nicht allein durch bloßes Wiederholen (wie bei manuellen Tätigkeiten), sondern indem wir den Lernstoff in Beziehung zu bereits Bekanntem setzen. Verstreute Einzelheiten werden dabei mit anderen Einzelheiten zu qualitativ höherstehenden neuen Einheiten gepackt:

viele einzelne Informationen eine neue Information

Bäume + Sträucher + Moose + ...

Wald

Arme + Beine + Rumpf + Kopf

Körper

Räder + Karosserie + Elektrik + Motor + ...

Auto

Informationstechnisch gesehen ist daher die entstehende Summe kleiner als die Addition ihrer Elemente. Gewonnen wird diese höherwertige Information durch geistige Anstrengung, nämlich durch:

Selektion Auswahl

Komparation

Vergleich

Koordination

Verbinden, Abstimmen

Integration

Miteinbeziehung

Reduktion

Zurückführung, Abbau

Abstraktion

Gedankliche Verallgemeinerung, Erhebung zum Begriff

Hierarchiebildung

Aufbau eines Ordnungs- und Beziehungssystems

Hierzu muß der Lernstoff in ein schon vorhandenes Netz von Informationen hineinfallen, mit dem er zu einer neuen, kompakteren Information verbunden werden kann.

Die Menschen unterscheiden sich bezüglich der Lerntypen, zB. der visuelle Typ muß ein Bild vor sich haben oder dem abstrakt-verbal denkenden Typ genügt dagegen die mathematische Beziehung eines Sachverhaltes..

Die meisten Menschen nutzen die beiden Hälften ihres Gehirns zu unterschiedlichen Typen geistiger Aktivität: Während die linke Seite eher für die "akademischen" Tätigkeiten eingesetzt wird, setzen wir die rechte Hälfte eher für die oder "gefühlsbetonten" Vorgänge des Erfassens und Erfahrens ein.

Es zeigt sich aber, daß, wenn beide Bereiche des Gehirns gezielt trainiert werden, sich Lernstoff umso stärker einprägt, da er nun sowohl vom Verstand als auch vom Gefühl her verankert ist.

 

 

 

 

Abb. 165

assoziative Bereiche des Gehirns

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 166

Sprechen eines gehörten Wortes

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 167

Limbisches System

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 168

Zusammenarbeit des Limbischen Systems mit anderen Gehirnbereichen

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 169

Gedächtnis und Lernen

Eric Kandel 2000,
Nobelpreis 2000 für Medizin

 

 

 

 

 

Abb. 170

Gedächtnis und Lernen
an der Synapse

 

Ein stimulierendes Interneuron bildet eine axo-axonische Synapse. Dort wird Serotonin (5HT=1) freigesetzt, was an den Rezeptor des sensorischen Neurons binde und die cAMP-Konzentration erhöht, wodurch die cAMP-abhängige Proteinkinase (PKA) aktiviert wird. Während des KURZZEITLERNENS werden K+ Kanäle phosphoryliert (5S), was eine längere Depolarisierung zur Folge hat und einen stärkeren Ca2+-Einstrom durch die spanuungsgesteuertenCa2+ Kanäle bewirkt. (6S) Als Folge wird mehr Neurotransmitter freigesetzt (7S).

Durch dauernde Stimulierung erfolgt LANGZEITLERNEN. Dabei wird die katalytische Unterheinheit der PKA in den Kern trenasportiert, was die Genaktivierung des von Genen durch CREB-Proteine bewirkt (cAMP response element–binding =(CREB). Dadurch werden Gedächtnisproteine gebildet. (6L). CRE, cAMP response element; Ap, Aplysia.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 171

Funktionen der Gehirnhälften

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Die Arbeitsteilung des Gehirns wird in der aktuellen HERA-Theorie (Hemispheric Encoding and Retrieval Asymmetry) vertreten. Danach werden nach Zeit und Raum benennbare Erinnerungen in der linken Hälfte des Großhirns eingeprägt. Das Abrufen der Erinnerungen geschieht dagegen in der rechten Hälfte.

Solche Erkenntnisse gewinnen die Forscher mit moderner Technik: Mittels der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) können sie dem Gehirn quasi bei der Arbeit zuschauen, ohne es zu verletzen. Dabei wird der Versuchsperson ein radioaktives Kontrastmittel gespritzt, das sich im Gehirn ansammelt - und zwar überall dort, wo es gerade besonders aktiv ist. Die radioaktiven Signale registriert ein spezielles Empfangsgerät und wandelt sie in Bilder um. Zur Überprüfung der HERA-Theorie konfrontiert man eine Versuchsperson mit Gedächtnisverlust (Amnesie) während einer PET-Untersuchung mit Fakten aus dessen Vorleben. Wie erwartet zeigten sich keine Signale auf der rechten Seite, da diese Erinnerungen nicht mehr zugänglich waren.

Anders bei nicht-geschädigten Versuchspersonen: Befragt man sie nach intensiven Erlebnissen aus ihrer Kindheit und ruft diese Erinnerungen in einer PET-Untersuchung zurück, dann zeigen sich deutliche Signale auf der rechten Seite des Großhirns. Persönliche Erinnerungen werden anscheinend in der rechten Gehirnhälfte gespeichert.

Abschließend wollen wir uns mit den Methoden beschäftigen, wie die Wissenschaft Informationen über Bau und Funktion des Gehirns erhält.

 

 

 

Abb. 172

Gehirnuntersuchung mit PET

 

Weiterführende Quellen:

Digital atlas

http://www9.biostr.washington.edu/da.html

Gehirnatlas

http://www.med.harvard.edu/AANLIB/home.html

Aufbau des Gehirns

http://www.songweaver.com/brain/

Gedächtnis und Lernen

http://www-pluto.informatik.uni-oldenburg.de/~gymwhs/fach/pae/lernen/lern-02.htm
http://paedpsych.jk.uni-linz.ac.at/INTERNET/ARBEITSBLAETTERORD/
LERNTECHNIKORD/Gedaechtnis.html
http://nobelprize.org/medicine/laureates/2000/illpres/kandel.html

limbisches System

http://normandy.sandhills.cc.nc.us/psy150/frmlimbc.html