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 Le. Doux, 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
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 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 Linkes Sehfeld Rechtes Sehfeld Primärer visueller Kortex
Seitenspezifität der beiden Gehirnhemisphären für bewußtwerdende und nicht bewußte Handlungen Natrium Amytal: ein Narkotikum
„Split-Brain“ Patienten mit durchtrenntem Corpus Callosum
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 You. Tube: 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 Persönlichkeitsveränderungen (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 (C 11, N 13, F 18, O 15) 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 (f. MRT = f. MRI) 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 Sauerstoffzufuhr): PET (Positronen Emissions Tomographie) und funktionelle Kernspintomographie Positronen Emissions Tomographie (PET) funktionelle Kernspintomographie (f. MRT)
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: 18 F-fluorodeoxyglucose Blutfluß: H 215 O Liganden für Rezeptoren: 18 F-DOPA Kandel, Schwartz, Jessel (2000)
Nobelpreis für Medizin, 2003: Erfindung der MRT (=MRI) Tagesspiegel, Okt. 2003
MRI – Scan: Anatomie Kandel, Schwartz, Jessel (2000)
f. MRI – Prinzip: BOLD-f. MRI 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: wahrgenommene 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
Aufmerksamkeit Gazzaniga, Ivry, Mangun: Cognitive Neuroscience
Es gibt mehrere und verschiedene Formen des Bewußtseins, die sich bestimmten Hirnarealen zuordnen lassen AUTORSCHAFTS-B. KÖRPER-B. VERORTUNGS-B. AUFMERKSAMKEITS -B. HANDLUNGSPLANUNGS-B SPRACHLICHES ICH ETHISCHMORALISCHES B. SENSORISCHES ERLEBNIS-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 – 1100 g • 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/ mm 3. 103) 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
Das Gehirn schrumpft im Alter • Ventrikel vergrössert • Verbreiterung der Sulci • Reduziertes Gewicht und Volumen • Krankheiten, Schlaganfall 60 Jahre • Nachlassen von sensorischer Leistungsfähigkeit und Kognition • Altersabhängige Atrophie des Frontallappens 98 Jahre • Alzheimer-assoziierte Atrophie Yankner (2000) Nature
Gedächtnisbeeinträchtigung durch Verlust von Neuronen im Hippocampus Wort-Erinnerung und -Erkennung Kognitive Fähigkeiten nehmen im Alter ab, aber die individuellen Unterschiede sind sehr groß.
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 theologischphilosophische wie auch der alltagspsychologische Dualismus von Geist und Körper/Gehirn. Danach kann Geist prinzipiell nicht naturwissenschaftlich 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 Monismus Realität ►Neurophilosophie Problem des Materialismus: Wenn die makroskopische Realität deterministisch ist, wie können wir Freiheit haben? Verantwortung? Schuld? Kreativität? Dualismus Geist Materie
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 1 A, Silberlaube (Habelschwerdterallee 45, U Dahlem-Dorf), 18: 00 h http: //fhuisken. de
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