Der Dirigent des Lebens#
Das Gehirn steuert alle Prozesse. Es ist so komplex wie das Universum - und ebenso wenig verstanden.#
Mit freundlicher Genehmigung übernommen aus der Wiener Zeitung, 29. September 2018
Von
Eva Stanzl
Alice folgt dem davoneilenden weißen Kaninchen, fällt in ein Loch und landet mitten im Abenteuer. Sie wächst und schrumpft. Ein verrückter Hutmacher feiert mit seinem Freund, dem Hasen, und mehreren Teekannen immerfort Nichtgeburtstag. Spielkarten malen die Rosen rot und eine Grinsekatze lässt ihre Streifen am Nachthimmel zurück. In dieser verwirrenden Wunderwelt muss die kleine Alice sich zurechtfinden, ohne die Regeln zu kennen und ohne den Bezug zu sich selbst zu verlieren. Lewis Carroll hat sich für seine Protagonistin keine leichte Aufgabe ausgedacht: In seinem 1865 erschienenen Kinderbuch "Alice im Wunderland" muss sie sich ständig an eine veränderliche Welt anpassen.
Das aktivste Organ#
"Aus Sicht der Neurowissenschaften geht es uns allen wie Alice - immerzu, ein Leben lang", erläutert Beau Lotto, Professor für Neurowissenschaften am University College London, in seinem Buch "Anders sehen": "Unsere Gehirne müssen tagtäglich merkwürdige neue Informationen und unvorhersehbare Erfahrungen verarbeiten und dann mit einer nützlichen Reaktion aufwarten. Der einzige Unterschied ist, dass wir dazu nicht erst in ein Kaninchenloch fallen müssen. Wir sitzen von Anfang an ganz tief drin."
Ob trockene Kopfarbeit, körperliche Geschicklichkeit oder einfach nur Spaß - das Gehirn ist das aktivste aller Organe. Vom ersten bis zum letzten Atemzug sortiert es Eindrücke, ob wir wollen oder nicht. Am Anfang ist alles neu: die ersten Sinneswahrnehmungen, die ersten Schritte und Worte, das erste Mal Schwimmen, die ersten Lehrbuch-Inhalte. Nach und nach festigen sich die Erfahrungen, wir lernen Sprache, Farben und Charaktere, die Regeln von Arbeit und Gesellschaft, äußere und innere Werte kennen und ordnen sie ein. Irgendwann tragen wir Erinnerungen wie eine bunte Perlenkette oder einen Schatz in uns und am Schluss denken wir über jede Perle nach.
All das vollzieht unser Gehirn scheinbar ohne Mühen, während es gleichzeitig Bewegungen, Organfunktionen, Reflexe und nicht zuletzt den Herzschlag steuert. Es geht nie über, wird nie zu voll, schenkt nur dem Bewusstsein Schlaf und läuft ansonsten so wie das Herz rund um die Uhr. Die Kommandozentrale ist stabil und doch dynamisch, schafft die Basis im Körper und reagiert doch flexibel, kann Kontrolle ausüben und träumen, registriert das Leben in enormem Detail und behält doch den Überblick.
Doch wie vollzieht unser Denkorgan diese vielfältigen Leistungen? Wie findet es angemessene Reaktionen, die richtigen Worte, Schritte und Gesten und wie steuert es Ziele willentlich an?
5,8 Millionen Kilometer. So lang wären alle Nervenbahnen im Gehirn eines erwachsenen Menschen, würde man sie aneinanderreihen. Das entspricht dem 145-fachen Erdumfang. Der im Kopf gelegene Teil des zentralen Nervensystems ist, in Windungen gepackt, von Hirnhäuten umhüllt. Die reine Denkmasse bringt etwa 1,3 Kilo auf die Waage, wobei jene von Frauen um rund zehn Deka leichter ist als jene von Männern.
Für ihre Leistungen benötigen die fleißigen eineinhalb Kilo große Mengen an Sauerstoff und Glukose: Das Gehirn verbraucht ein Fünftel der gesamten Körper-Energie. Daher muss es nicht wundern, wenn nach intellektuell anspruchsvollen Aufgaben - etwa dem Erlernen einer Fremdsprache oder einer heiklen Sitzung im Unternehmen - der Heißhunger ausbricht.
Seele lässt sich nicht zeichnen#
Der Dirigent im Kopf trägt die Verantwortung für das Leben seines Trägers. Doch je tiefer wir in die Details dieses Wunderwerks eintauchen, desto weniger wissen wir. Das Gehirn, sagt die Medizinerin und Hirnforscherin Katrin Amunts vom deutschen Forschungszentrum Jülich, "ist so komplex wie das Universum". Aus diesem Grund ist die Darstellung all seiner Funktionen in etwa so schwierig wie der Versuch, die Seele zu zeichnen. Obwohl ohne die Steuerungszentrale nichts geht, wissen wir ziemlich wenig darüber, wie sie in ihrer Gesamtheit funktioniert.
Schon recht gut kennen wir die anatomischen Strukturen. Außen liegen Großhirn und Kleinhirn weiter innen Mittelhirn, Zwischenhirn, Nachhirn und Brücke, das limbische System, Ventrikel und Hirnstamm. Alle Bereiche arbeiten zusammen. Jedoch werden ihnen auch spezifische Aktivitäten zugeordnet - etwa räumliches Denken, Erinnerungsvermögen oder die Sinneswahrnehmung. Außerdem ist das Gehirn in eine linke und eine rechte Hemisphäre unterteilt. Die linke Hemisphäre steuert die rechte Körperhälfte, die rechte die linke. Über den Balken sind sie verknüpft. Sie können aber auch unabhängig voneinander Informationen verarbeiten, weil sie unterschiedliche Reize wahrnehmen. Konkret kümmert sich die rechte Hälfte um die Zusammenhänge, die linke um die Details. Beim Betrachten eines Gesichts etwa verschafft sich Rechts einen Gesamteindruck der Gesichtszüge, während Links die Augenfarbe, die Länge der Nase und die Form der Oberlippen studiert.
"Natürlich kennen wir viele Funktionen der einzelnen Nerven- und Gliazellen und den genetischen Code", sagt Jürgen Sandkühler, Vorstand des Zentrums für Hirnforschung der Medizin-Universität Wien: "Was aber die rund 86 Milliarden Nervenzellen und die noch zahlreicheren Verbindungen zwischen ihnen, deren Zusammenspiel und Funktionen betrifft, sind wir noch nicht so weit. Wir wissen eigentlich nur, was passiert, wenn einzelne Hirn-Areale ausfallen, und dass fehlende Funktionen diesen Gebieten zuzuordnen sein müssen."
Die Wissenslücken lassen sich mit dem Logistikmanagement einer Stadt vergleichen. Wenn die Müllabfuhr ausfällt, steht der Müll auf der Straße. Dann ist klar, dass die zuständige Magistratsabteilung streikt. Doch die Grundfrage, wie diese Abteilung die Abfallentsorgung organisiert, beantwortet der Erkenntnis, dass gestreikt wird, noch nicht.
Im Fall des Denkorgans fehlen Antworten auf elementare Fragen. Es ist kaum verstanden, wie eine Sinneswahrnehmung letztendlich zustande kommt oder der Befehl, eine Hand oder den Kehlkopf zu bewegen. "Wir verstehen auch nicht, ob es einen freien Willen gibt, wie sich Bewusstsein bildet oder wie Gefühle entstehen", räumt der Neurophysiologe ein.
Verbesserte bildgebende Verfahren regten die USA dazu an, von 1990 bis 2000 die "Dekade des Gehirns" auszurufen. Man wollte dem Denkorgan "bei der Arbeit zusehen" und über diesen Weg seinen Geheimnissen nähertreten. Die Forschungsteams entdeckten Erstaunliches. Sie berichteten über den "Sitz der Angst" oder den "Sitz der Scham" und die faszinierende Fähigkeit, Hintergrundlärm auszublenden. Eine Vogelperspektive auf die Abläufe im Oberstübchen blieb ihnen jedoch verwehrt.
Gehirne lassen sich nicht direkt beobachten. Um dem Verstand beim Lösen von Aufgaben zuzuschauen, müssen Mäuse, Makaken oder menschliche Testpersonen an Geräte angeschlossen und die Hirnströme gemessen werden. Bei bestimmten Aktivitäten leuchtet es irgendwo auf dem Bildschirm bunt. "Dabei machen wir allerdings nicht Beobachtungen der Gehirnarbeit im Gesamten, sondern wir registrieren die Aktivität in einzelnen Regionen", erklärt Sandkühler.
Tulpe, Rose oder Aster?
Stellen wir uns vor, wir würden in einer klaren Nacht die Erde vom All aus betrachten. Helle Regionen ließen auf Städte schließen. Doch die Lichter würden nichts darüber verraten, was die Menschen dort tun und in welcher Gesellschaft sie leben. Dennoch zieht die Erde von oben in Bann. Auf eine ähnliche Art und Weise faszinieren die Erkenntnisse über die Gehirn-Aktivität.
Über Bildgebungsverfahren kamen die Forscher zum Beispiel dem Spracherwerb näher. Im 19. Jahrhundert hatten Paul Broca ein Areal für das Sprechen selbst und Carl Wernicke ein Zentrum für das Sprachverständnis festgemacht. "Es hat sich jedoch herausgestellt, dass das Broca-Areal eher Laute und Zeichen verarbeitet und dass wir für Sprache exaktere Kategorien aufstellen müssen", erläutert Hirnforscherin Katrin Amunts. Zudem sei die Größe der zuständigen Gebiete von Mensch zu Mensch enorm variabel. "Menschen haben unterschiedliche Strategien, etwas abzurufen. Blumen als Tulpe, Rose oder Aster zu benennen, geht nicht nur auf das innere Lexikon, sondern auch auf Vorstellungen von Szenen und Sequenzen zurück", betont Amunts. Am Ende sind die Blumen benannt - doch jeder Mensch macht das etwas anders.
Bekannt ist, dass der Verstand seine Pausen macht. "Im Wachzustand kann das Gehirn nicht aufhören, Gedanken zu erzeugen. Unablässig flechtet der Webstuhl im Kopf seine Hirngespinste", schreibt Raúl Rojas, Professor für Künstliche Intelligenz an der Freien Universität Berlin, in einem Fachartikel. Und dennoch kommt der Kopf hin und wieder in einen Zustand der Stille. "Offenbar sind gekoppelte Gehirnareale für unser geistiges Innenleben zuständig, wenn die Sinneseindrücke unbeachtet bleiben", hebt Rojas hervor. Britische Forscher der Universität Cambridge haben mit funktioneller Magnetresonanz ein "Netzwerk des Nichtstuns" entdeckt. Anders als Alice, die angesichts all der Merkwürdigkeiten um sie herum ständig gefordert ist, ist dieses "Ruhezustandsnetzwerk" im Kopf für das Gegenteil von Konzentration verantwortlich. Es lässt die Gedanken schweifen und tagträumen.
Konkret pendeln die Gedanken hin und her zwischen Sinneseindrücken und dem inneren Monolog. "Wie das Herz das Blut durch den Körper, pumpt das Gehirn unablässig Gedanken durch den Kopf", schreibt Rojas. Die Neuronen überwachen den Input und sind stets bereit, zu feuern. Anders als das Herz, das ohne weiteres Training doppelt so schnell schlagen kann, wird das Gehirn nicht auf Befehl gescheiter. Es steht ständig Habacht. Wenn wir uns bewegen, aktiviert sich der motorische Cortex. Wenn wir ein Bild betrachten, springt der visuelle Cortex auf den Plan. Und wenn wir rasten? Dann summt das Ruhezustandsnetzwerk vor sich hin.
Das Ruhezustandsnetzwerk wird mit Tagträumen, Gedanken über die Vergangenheit, Zukunftsplanung und Kreativität in Verbindung gebracht. Das Team aus Cambridge konnte zeigen, dass es auch auf "Autopilot" schaltet, wenn wir mit einer Tätigkeit einmal vertraut sind. Erst diese Ruhe ermöglicht es, abzuschätzen, was als Nächstes passiert. "Anstatt passiv der Dinge zu harren, versuchen wir stets, zu ahnen, was eintreten könnte", sagt Studienleiter Deniz Vatansever. "Das Ruhezustandsnetzwerk macht es möglich und lässt uns schnelle Entscheidungen treffen, wo wir die Regeln kennen." Wer morgens die übliche Route zur Arbeit fährt, muss nicht viel Zeit und Energie für jede kleine Entscheidung aufwenden, um zeitgerecht anzukommen, sondern kann sich auf seine eigenen Angelegenheiten konzentrieren.
Die Studie untermauert eine Idee von Daniel Kahneman, Nobelpreisträger für Wirtschaft 2002. In seinem Bestseller "Schnelles Denken, langsames Denken" postuliert er die Existenz zweier Systeme, in denen Entscheidungen getroffen werden: ein rational-analytisches, mit dem wir zu kalkulierten, gut begründeten Beschlüssen kommen, und ein schnelles für intuitive Entschlüsse. Das schnelle System könnte im Ruhezustandsnetzwerk beheimatet sein und dient auch dem Überleben. Denn nur so fällt es auf, wenn bei einer Routinetätigkeit aus heiterem Himmel Gefahr im Verzug ist.
Im Dienste der Evolution#
In der Vergangenheit wurde berichtet, der Mensch würde nur zehn Prozent seines Gehirns benutzen und den Rest brach liegen lassen. "Wer aber die Evolution nur ein bisschen verstanden hat, weiß, dass wir es uns nicht leisten können, das Gehirn nur teilweise zu verwenden", betont Michael Pecker vom Neurobiologischen Institut der Ludwig Maximilians Universität in München im "Spektrum der Wissenschaft". Aus Sicht der Evolution würde es keinen Sinn ergeben, ein Organ herumzutragen, das nur teilweise zum Einsatz kommt.
Real nutzt der Mensch sein Gehirn also voll und ganz. Trotzdem macht uns das nicht zu Superheldinnen wie "Lucy" im gleichnamigen Science-Fiction-Film. Lucy kann auf alle Anteile ihres Verstandes zugreifen. Sie denkt telepathisch, kann elektromagnetische Wellen manipulieren und Zeitreisen unternehmen. Im Leben bleiben uns solche Fähigkeiten verwehrt. Zwar erfüllen alle Nervenzellen Funktionen, doch nicht alle davon sind augenscheinlich und nicht alle zu jedem Zeitpunkt aktiv. "Wenn eine Nervenzelle sich entscheidet, eine Information nicht weiterzuleiten, ist das auch ein Informationsgehalt", erklärt Pecka.
Nervenzellen wollen beschäftigt werden. Wenn sie zu wenig zu tun haben, übernehmen sie neue Funktionen - etwa indem sie bei einem Verlust des Augenlichts das Gehör schärfen. Haben sie über lange Zeit nichts zu tun, werden sie abgebaut. "Neugeborene kommen mit mehr Nervenzellen zur Welt als sie später haben, weil sich erst weisen muss, welche sie benötigen", erklärt Sandkühler. Wer nicht gebraucht wird, bildet sich zurück und verschwindet. Wer hingegen trainiert wird, festigt sich.
In diesem Sinn lässt sich auch lebenslange Intelligenz trainieren - mit gesunder Ernährung, von der auch die Hirnzellen profitieren, genug Schlaf und neuen Herausforderungen.
Information#
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1 Frontal- oder Stirnlappen#
Er ist der größte Lappen der Großhirnrinde mit unzähligen Funktionen. Er gilt als Sitz der Persönlichkeit und des Sozialverhaltens. Komplexe Handlungsplanung, Problemlösung und Verhaltenskontrolle, sprachliche und emotionale Ausdrucksfähigkeit, Wahrnehmung, Bewusstsein und auch das Sexualverhalten werden hier gesteuert.2 Limbisches System#
In diesem "emotionalen Gehirn" verknüpfen sich Strukturen von Großhirn, Mittelhirn und Hirnstamm. Die wichtigsten Bestandteile sind Hippocampus, Hypothalamus und Amygdala. Es ist für Triebverhalten, die Ausschüttung von Endorphinen und für intellektuelle Leistungen zuständig. Die Amygdala (Mandelkern) wiederum bewertet den emotionalen Gehalt einer Situation und reagiert auf Gefahr.3 Balken#
Das Corpus Callosum verbindet beide Gehirnhälften. Seine 250 Millionen Nervenfasern dienen dem Informationsaustausch.4 Thalamus#
In diesem größten Teil des Zwischenhirns liegt das "Tor zum Bewusstsein". Hier wird Information von den Sinnesorganen an die Großhirnrinde verarbeitet, werden Synapsen gebildet und Entscheidungen in Bezug auf die Gesamtsituation getroffen.5 Hypothalamus#
Der Hypothalamus steuert vegetative Funktionen wie Temperatur, Blutdruck, Osmolarität, Nahrungs- und Wasseraufnahme, die Circadiane Rhythmik sowie das Schlaf, Sexual- und Fortpflanzungsverhalten. Auch das Bindungshormon Oxytocin wird hier ausgeschüttet, Pubertät und Eisprünge werden ausgelöst.6 Temporal- oder Schläfenlappen#
Auf der Höhe der Ohren ist der Sitz der Gefühle, das Zentrum für Sprachverständnis und Sprachverarbeitung sowie für Musikverständnis. Er enthält Hörrinde und Hörbahn, Kurzzeit-Gedächtnis und erkennt komplexe auditorische und visuelle Reize – etwa von Körperteilen, Gesichtern, Nahrung und Beute.7 Sehnervenkreuzung#
Kreuzungsstelle der Sehbahn, wo Fasern des Sehnervs eines Auges die Seite wech-_seln und in den gegenseitigen Sehstrang ziehen. Die aus den beiden Retinahälften erhaltenen Signale können in der gleichen Hirnregion empfangen und verglichen werden, weil sie dort zusammengeführt werden. Das ermöglicht ein räumlich wahrgenommenes Sehen.8 Brücke#
Die Brücke bietet den Durchgang für alle Bahnen, die die Bereiche des Zentralnervensystems miteinander verbinden, und ist an der Steuerung der Motorik beteiligt.9 Mittelhirn#
Es ist der oberste Abschnitt des Hirnstamms. Seine Regionen liegen um das Aquädukt, ein mit Hirnflüssigkeit gefüllter Kanal. Prominente Strukturen sind das Mittelhirndach und die Mittelhirnhaube, wo etwa optische Reize verarbeitet werden. Wichtige Funktion in der Embryonalentwicklung.10 Verlängertes Mark#
Dieser Bereich des Hirnstamms geht ins Rückenmark über. Die Regulation von Atmung, Blutkreislauf, Saug-, Schluck-, Husten-, Nies- und Würgreflex und Erbrechen zählen zu den lebenswichtigen Aufgaben.11 Parietal- oder Scheitellappen#
Vom kribbelnden Kuss bis zum schmerzvollen Anfassen der Herdplatte: Dieser Bereich der Großhirnrinde ist das Verarbeitungszentrum von angenehmer und unangenehmer sensorischer Information. Das ermöglicht die Handhabung von Objekten und die Orientierung im Raum. Räumliche Wahrnehmung, räumliches Denken und "quasi-räumliche" Prozesse wie Rechnen, Schreiben, Lesen, Farben-, Formen- und Größeneinordnung passieren im Scheitellappen.12 Occipital- oder Hinterhauptlappen#
Der kleinste Lappen ist das Sehzentrum des Gehirns. Er verarbeitet, interpretiert und erkennt visuelle Impulse. Von der Sehrinde laufen Bahnen in andere Rindenareale des Großhirns, wo visuelle Impulse mit Sprache verknüpft und die Augenbewegung koordiniert wird.13 Zirbeldrüse#
Die kegelförmige endokrine Drüse erzeugt das Hormon Melatonin bei Dunkelheit, das den Schlaf-Wach-Rhythmus und andere zeitabhängige Rhythmen des Körpers beeinflusst.14 Kleinhirn#
Der volumensmäßig zweitgrößte Teil des Gehirns hat eine deutlich höhere Zelldichte als das Großhirn. Er spielt eine wichtige Rolle bei automatisierten motorischen Prozessen. Das Kleinhirn erhält aus dem Gleichgewichtsorgan im Ohr Informationen über die Körperlage und steuert Motorik und Koordination, das Erlernen von Bewegungsabläufen, die Feinabstimmung der Augenbewegungen, die Gesichtsmuskulatur beim Sprechen und die Fingerbewegungen beim Schreiben.15 Viertes Hirnventrikel#
Das Ventrikelsystem ist ein System aus Hohlräumen im Gehirn. Die Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit in den Hohlräumen neutralisiert die Schwerkraft, polstert Gehirn und Rückenmark und entsorgt Abfallprodukte.
