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Die Kybernetik ist eine übergreifende Wissenschaftsdisziplin, die sich mit der formalen mathematischen Beschreibung und modellartigen Erklärung von dynamischen Systemen beschäftigt. Sie wurde von Norbert Wiener gegründet. Als besonderes Kennzeichen dieser Disziplin gilt das Prinzip der selbsttätigen Regelung und Steuerung durch Übertragung und Verarbeitung sowie Rückübertragung von Informationen in wenigstens einem Rückkopplungssystem. Norbert Wiener ging von Analogien zwischen organischen und technischen Systemen aus. So eignet sich die Kybernetik hervorragend zur mathematischen Modellierung von Gehirnprozessen und den damit verbundenen Verhaltensprozessen. Nicht die materiellen Eigenschaften stehen im Vordergrund, sondern die Möglichkeit des Verhaltens. Die Eigenschaften des Systems stehen im Vordergrund.

Um das menschliche Gehirn und das damit verbundene Denken, Wahrnehmen und Lernen naturwissenschaftlich beschreiben zu können, bedarf es einer mathematisch-physikalischen Formulierung basierend auf medizinischen, physikalischen, biologischen und chemischen Grundlagen, um psychologische und psychiatrische Modelle zu überprüfen, zu ergänzen oder auch neu zu entwickeln.

Wie man sieht gibt es verschiedene Möglichkeiten das Gehirn zu erforschen. Im ersten Teil dieses Skriptums beschäftigen wir uns mit den mikroskopischen lokalen Effekten. Es wird erläutert was ein Neuron ist, wie es funktioniert, wie man es nachbauen kann und so weiter. Diese Phänomene sind die Basis für das weitere Verstehen des Gehirns. Nur wenn man diesen Bereich wirklich verstanden hat, dann ist man in der Lage die makroskopischen globalen Phänomene zu verstehen. Alle makroskopischen Effekte können in der Regel direkt an Patienten beobachtet werden. Meist sind mehrere Subsysteme des Gehirns beteiligt, die das Betrachten noch verkomplizieren. Eine Trennung in diese beiden Bereiche ist natürlich willkürlich und die Übergänge sind fließend.


Sichtweisen und Methoden

Wie kommt die Physik dazu sich mit dem Gehirn zu beschäftigen ? Nun, zum einen ist die Physik eine der elementarsten Naturwissenschaften, die schon in vielen anderen Arbeitsbereichen interessante Themenbeiträge liefern konnte (Erwin Schrödinger; Was ist Leben ?). Zum anderen ist das klassisch physikalische Gebiet der komplexen dynamischen Systeme (Chaos- und Systemtheorie) geradezu prädestiniert, Phänomene der Selbstorganisation des Gehirns zu beschreiben. Leider gibt es noch keine konsistente physikalische Theorie, die das Gehirn, Bewusstsein, Lernen und so weiter beschreibt. In das Gebiet der Neurowissenschaft fließen Ergebnisse aus den verschiedensten Wissenschaftsdisziplinen. Natürlich ist es notwendig, die jeweiligen Fachsprachen zu sprechen, um das arbeiten mit unterschiedlicher Literatur zu erleichtern. Dieses Skriptum sollte helfen, ein fundiertes Wissen aus den verschiedensten Bereichen aufzubauen. Dort wo es möglich ist, werden auch die jeweiligen physikalischen Modelle, beziehungsweise die Grenzen verdeutlicht.

Die Physik konnte sehr viele interessante Gedanken zur Gehirnforschung beitragen. Der Physiker Gottfried Wilhelm Leibniz wollte Denken und Wissen überhaupt auf das Rechnen zurückführen, um dann alle wissenschaftlichen Probleme letztlich durch Rechenmaschinen lösen zu können. John von Neumann hat später auf die Analogie zwischen den binären Computern und der Signalübertragung im Nervensystem hingewiesen. Aufgrund der raschen Computerentwicklung in den letzten Jahrzehnten entstand ein neues Teilgebiet der Physik: die computative Physik. Es wurden neue numerische Verfahren entwickelt und dadurch neue physikalische Phänomene (Chaos, neuronale Netzwerke, seltsame Attraktoren und so weiter) entdeckt beziehungsweise neue Lösungen gefunden. Viele dieser Experimente unterliegen dem Selbstorganisationsprinzip, wie etwa Bénard-Zellen oder Spingläser. Durch verschiedenste physikalische Methoden ist es möglich, Erklärungen zu liefern und Vorhersagen zu treffen. Nachdem Christoph von der Malsburg eine Theorie zur Informationsverarbeitung im Gehirn aufgestellt hat, die dem Selbstorganisationsprinzip zugrunde liegt, hat es viele interessante Ansätze gegeben, um diese Theorie zu beweisen beziehungsweise zu widerlegen. Erst 1984 ist es Wolf Singer gelungen, dieses Prinzip in medizinischen Studien zu beweisen. Durch verschiedenste Ansätze der physikalischen Beschreibungsweise versucht man dieses Modell zu verbessern, um mehr Erkenntnisse über das menschliche Verhalten zu gewinnen. Ein Ansatz besteht darin, einzelne Neuronen als "integrate-and-fire"-Oszillatoren zu betrachten. Durch eine sinnvolle Kopplung zwischen diesen Oszillatoren ist es möglich, viele Phänomene aus dem Bereich der Neurowissenschaft physikalisch zu beschreiben. Interessanterweise können die Ergebnisse der Neurophysik auch in anderen Gebieten, wie der Festkörperphysik oder Hydrodynamik, angewendet werden.

Die heutige Neurowissenschaft entwickelte sich aus der klassischen Medizin und der Psychologie. Es ist wichtig zu wissen, welches Gebiet für welche Probleme, bzw. Lösungen verantwortlich ist. So ist einem Mediziner die Wirkung einer Behandlung wichtiger, als die exakte mathematische Formel, die die Erkrankung beschreibt. Heute sind folgende Wissenschaften mit folgenden Problemen beschäftigt: Die Biologie beschäftigt sich unter anderem mit den einzelnen Zellen, deren Aufbau und der Evolution unterschiedlicher Strukturen des menschlichen Gehirns. Der Bereich der Informatik ist wichtig um verschiedenen Modelle auszutesten. Durch die Informatik sollte die Software "intelligenter" werden. Die Mathematiker stellen Verfahren zur Berechnung komplexer Probleme zur Verfügung. Ohne das Wirken von Henry Poincaré wäre es nicht möglich gewesen, die Selbstorganisation im Gehirn zu beschreiben.

Die Medizin versucht organische Schäden zu heilen. Bei unmittelbaren Problemen, die spontan entstehen und eine nachweislich organische Ursache haben, können sie durch verschiedene Therapien helfen. Die Neurologie im speziellen beschäftigt sich unter anderem mit den chemischen Vorgängen im menschlichen Gehirn. Die beiden französischen Psychiater Jean Delay und Pierre Deniker deckten die antischizophrene Eigenschaft von Chlorpromazin auf, Julius Axelrod entdeckte, auf welchem Weg die meisten Botenstoffe im Gehirn inaktiviert werden. Heute versucht eine Vielzahl von Biochemikern, die chemischen Vorgänge im Gehirn zu verstehen und neue Medikamente zu entwickeln. Damit wird es zum Beispiel möglich, sinnvolle Therapien gegen die Abhängigkeit von Suchtmittel durchzuführen. Die Biochemiker beschäftigen sich aber auch immer mehr mit den biochemischen und genetischen Vorgängen in den Neuronen. Dies führte zu äußerst interessanten Erkenntnissen auf dem Gebiet des zellulären Lernens.

Natürlich werden die Mediziner kräftig von den Pharmazeuten unterstützt. Die Pharmazie stellt verschiedenen Medikamente bereit. Eine wesentliche Frage beschäftigt sich vor allem damit, wie bringt man das Medikament durch die Blut-Hirn Schranke. Sie verhindert auf wirksame Weise, daß gefährliche Stoffe den Neuronen zu Nahe kommen. Diese Schranke wird von den Gliazellen gebildet, die die einzelnen Neuronen umhüllen. Die Psychologie versucht bei persönlichen Problemen des Lebens mit der Theorie des menschlichen Verhaltens zu helfen. Viele Verhaltensweisen sind stark strukturiert und unterliegen einer eigenen Dynamik. Leider sind die Regeln des menschlichen Verhaltens noch nicht naturwissenschaftlich herleitbar.


Durch die Technik im Allgemeinen entstehen bessere Computer die leistungsfähigere Programme erlauben. Aber auch der Zusammenhang zwischen Technik und Biologie wird immer wichtiger. So seien hier die Neuroprothesen erwähnt, die teilweise schon ganz excelente Leistungen erbringen (Cochlea-Implantat). Die Physik, wie schon oben beschrieben versucht komplexe dynamische Systeme zu erklären und zu berechnen. Und gibt es ein komplexeres und dynamischeres System als das menschliche Gehirn ?
Natürlich können die einzelnen Gebiete nicht wirklich voneinander getrennt werden. Jedes Gebiet profitiert von den Ergebnissen anderer.

Die Neurowissenschaften können aber nicht nur in verschiedene Teilbereiche untergliedert werden. Es existieren verschiedene Ebenen der Betrachtung:

Abbildung: Hierarchien im Nervensystem, die jeweiligen Bauelemente mit den Größenordnungen und die Verknüpfung des Zentralnervensystems mit anderen Systemen des Körpers.

Die Pharmazeuten beschäftigen sich mit den Molekülen, die Biologen beschäftigen sich mit den Synapsen und für den Mediziner ist es wichtig, wie die Moleküle auf die Synapsen einen Einfluss nehmen. Dadurch, daß die Synapsen die elektrischen Eigenschaften der Membran des Neurons verändern, kommt es zu einer veränderten Reizweiterleitung. Diese Reizweiterleitung lässt sich sehr gut durch die Diffusionsgleichung (Hodgkin-Huxley) beschreiben. Wenn mehrere Neuronen - durch Synapsen verbunden sind - dann spricht man von einer Gruppe. Diese Gruppe (rund 1000-10.000 Neuronen) ist schon in der Lage einfache Probleme zu lösen.

Auf dieser Ebene ist das Phänomen der Synchronisation von wesentlicher Bedeutung. Wenn mehrere Gruppen von Neuronen benachbart sind, spricht man von einer Karte. Eine Karte analysiert Muster einer Sinnes- oder Assoziationsmodalität. Diese Karten sind für die Sinnes-Physiologie und Psychologie von zentraler Bedeutung. Sie entstehen in sensiblen Phasen der Entwicklung von den Individuen. Wenn mehrere Karten (Neuronen auf der Großhirnrinde) mit Kernen (modulierende Strukturen im Inneren des Gehirns) sich mit einer Aufgabe beschäftigen, so spricht man von einem System. Das motorische System umfasst verschiedene Strukturen: primär motorischer, prämotorischer und supplemäntär motorischer Cortex, die Basalganglien, Teile des Thalamus, und die Substantia nigra - ein modulierender Kern. Alle Systeme gehören dem Zentralnervensystem (ZNS) an. Man sollte aber nicht vergessen, daß auch das Rückenmark zum Zentralnervensystem gehört. Ein Nerv des Zentralnervensystems, der durchtrennt wurde, wächst nicht mehr zusammen. Für Nerven des peripheren Nervensystems (PNS) gilt dies nicht. Im Bereich des peripheren Nervensystem findet in der Regel auch keine Reizverarbeitung statt. Das Nervensystem dient dazu, rasch Signale aus der Umwelt und dem Körper zu verarbeiten und in geeigneter Weise zu reagieren. Ein anderes informationsverarbeitendes System ist das Hormonsystem. Die Verarbeitungsgeschwindigkeit ist etwas langsamer und die Zielorientierung nicht so präzise. Aber einzelne Hormone, die als Reaktion auf äußere Einflüsse ausgeschüttet werden, wirken wiederum auf das Gehirn zurück. So können Synapsen durch einzelne Hormone absterben - und der Kreis schließt sich wieder.


Abbildung: Eine menschliche aufgeschnittene Gehirnhälfte. Man kann sehr schön den Unterschied zwischen der Gehirnrinde und den Kernen erkennen.

Meist sprechen Laien beim Gehirn nur von der Großhirnrinde. Aber die Großhirnrinde ist nur ein Teil. Unter der Rinde im Zentrum des Schädels befinden sich viele kleine anatomische Strukturen. Diese Strukturen werden als Kerne bezeichnet. Sie steuern den Informationsfluss, während die Rinde die Information verarbeitet und speichert.

 

 


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Fragen die man nach der Vorlesung beantworten können sollte:

Welche funktionelle Bereiche gibt es im Zentralnervensystem ?

Welche Arbeitsgebiete beschäftigen sich mit welchen Bereichen in der Neurowissenschaft?