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Einführung und Historisches

"Die vielleicht letzte wissenschaftliche Grenze - die ultimative Herausforderung - besteht darin, die biologische Basis des Bewusstseins und der geistigen Vorgänge, durch die wir wahrnehmen, handeln, lernen und uns erinnern, zu verstehen."
                                                                                           Eric Kandel

Das menschliche Gehirn stellt sicher eines der komplexesten Systeme in der Natur dar. Es gibt verschiedene Ansätze, dieses System zu beschreiben. Die Übergänge zwischen den einzelnen Fachgebieten und Methoden sind kontinuierlich. Das Gebiet der Hirnforschung ist äußerst interdisziplinär und somit ist es notwendig, auf die jeweiligen Fachgebiete einzugehen und die einzelnen Fakten und Theorien aus verschiedenen Gebieten gegeneinander aufzuwiegen und zu überprüfen.

Historischer Überblick

Die Medizin beschäftigte sich schon sehr lange mit dem Gehirn, um den Menschen Linderung von seinen Qualen zu bringen. So sind uns schon Symptome, Diagnosen und Prognosen über Kopfverletzungen aus dem alten Ägypten überliefert. Im Edwin Smith Surgical Papyrus aus dem 17. Jahrhundert vor Christus erschienen zum ersten Mal die alten ägyptischen Hieroglyphen für das Wort "Gehirn".

Abbildung: Ein Fragment des Edwin Smith Surgical Papyrus

Anaximenes (585-525 v. Chr): Die Seele besteht aus Luft.
Heraklith (550-480 v.Chr.): Die Seele besteht aus Feuer.

Etwas konkreter formulierte Empedokles (490-430 v.Chr.) seine Gedanken: das Herz ist Zentrum des Denkens, Fühlens und Handelns. Eine gegenteilige Vermutung äußerte Alkmaion von Kroton (500 v.Chr.), der das Gehirn als zentrales Denkorgan ansah. So wurden zwei Hypothesen geboren: die Herz- und Hirnhypothese. Aristoteles (384-322 v.Chr.), ein Anhänger der Herzhypothese, vermutete, daß das Gehirn zur Kühlung des Blutes dient. So versuchte Aristoteles einen Zusammenhang zwischen der Körpergröße und dem Gehirngewicht herzustellen. Tatsächlich gibt es diesen Zusammenhang - aber aus anderen Gründen. Wenn ein Organismus komplex genug wird, benötigt er auch ein besseres Informationsverarbeitungssystem. Aber aus der Größe oder dem Gewicht des Gehirns lässt sich nur sehr wenig über die Funktionsfähigkeit beziehungsweise über die Komplexität aussagen. Zum Beispiel haben Frauen ein leicht geringeres Gewicht des Gehirns. Man stellte aber fest, daß die Zahl der Neuronen praktisch gleich sind - nur daß die Neuronen der Frauen eine Spur kleiner und damit auch leichter sind.

Abbildung: Die Relation zwischen Körpergewicht und Hirngewicht.

In Griechenland glaubte man, daß bei epileptischen Anfällen Götter und Dämonen in den Körper einfahren. Deshalb betrachtete man diese Krankheit als heilig, denn nur wenige "Auserwählte" wurden von den Göttern besucht. Auch die Araber verehrten die Betroffenen von geistigen Erkrankungen, denn sie seien in der Gnade Gottes bevorzugt.

Der berühmte Gladiatorenarzt Galen (129-199 v.Chr.) konnte zeigen, daß die Nerven zum Gehirn und nicht zum Herzen führen. Er konnte zeigen, daß ein leichter Druck auf eine bestimmte Regionen des Gehirns dazu führt, daß Bewegungen reversibel unterbrochen werden. Hingegen ein Druck auf das Herz führt zwar zu massiven Schmerz, aber es gibt keinen Einfluss auf willentliches Verhalten. Nur noch in der Literatur und dergleichen ist das Herz, das Zentrum der Emotionen und des Fühlens und Denkens.

Der Philosoph Rene Descartes (1596-1650) warf ein interessantes Problem auf: Der Körper ist materiell und hat eindeutig eine begrenzte räumliche Ausdehnung. Er reagiert reflexiv auf sensorische Reize aufgrund der Aktivität des Gehirns. Der Geist beziehungsweise die Seele wirkt auf den Körper und erzeugt so ein Verhalten. So stellen sich einige Fragen: Gibt es einen Geist, beziehungsweise eine Seele ? Wie interagiert der Leib und die Seele miteinander ?

Descartes meinte der Geist sei unteilbar. Deswegen können auch die Gehirnfunktionen nicht unterteilt werden und die Analyse des Körpers kann nicht die Funktionalität des Geistes erklären.

Abbildung: Reflex für eine Hitzereiz, der einerseits ein Zurückziehen des betroffenen Körperteils bewirkt und auch die Aufmerksamkeit durch die Augen steuert.

Nach heutigen Erkenntnissen ergeben sich neue Aspekte. Unser Gehirn besteht aus zwei Hirnhälften, die größtenteils symmetrisch zueinander sind. Früher war es bei Epilepsiepatienten manchmal notwendig, die beiden Hirnhälften anatomisch voneinander zu trennen. Es zeigte sich, daß sich die beiden Hälften nach der Operation individuell entwickelten. Man kann durchaus von zwei Gehirnen in einem Körper sprechen. Hat der Mensch nun zwei Seelen ? So ist für Descartes die Zirbeldrüse (Epiphyse) der Sitz der Seele, denn die Zirbeldrüse ist der einzige Bereich im Gehirn, der nicht bilateral vorhanden ist. Eine Schädigung der Epiphyse führt aber nicht zu offenkundigen Verhaltensänderungen. Heute vermutet man, daß sie für jahreszeitliche Rhythmen verantwortlich ist. Descartes beschäftigte sich aber auch mit "einfacheren" Problemen. So prägte er den Begriff des Reflexes.

In der aktuellen Forschung beschäftigt man sich mit dem körperlichen Anteil des Erlebens. Über das scheinbar "geistige" ist es schwierig Aussagen zu treffen. Wäre das Geistige etwas immaterielles, wie könnte es dann auf materielles einen Einfluss haben. Manche Forscher setzen den Geist mit dem Gehirn und all den damit verbundenen Aktivitäten gleich.

J.Locke (1632-1704) meinte, daß das Bewusstsein eine leere Tafel (tabula rasa) sei, auf der unsere Wahrnehmungen ihre Spuren hinterlassen. Damit stellen sich einige interessante Fragen. Wie starke sind die Gene beziehungsweise die Umwelt an der Intelligenz und dem Bewusstsein beteiligt. Eine Frage, die bis heute äußerst kontroversiel diskutiert wird. Interessanterweise hat Locke auf die Entwicklung des Menschen insbesonders des Nervensystems angesprochen: der Mensch ist noch nicht voll entwickelt, wenn er auf die Welt kommt, sondern viele seiner Vorlieben, Ekelgefühle und auch die Sprache entstehen durch die Sozialisation.

Die Wissenschafter Leibniz, Pascal und Schickard versuchten eine Mechanisierung des Denkens herbeizuführen. Es ging darum intelligente Handlungen durch ein mechanisches System nachzubilden. Damals wurde das Rechnen mit Zahlen als eine intelligente Handlung angesehen (wer konnte damals schon rechnen ?). So versuchte man des Rechnen mit Zahlen durch Maschinen zu bewerkstelligen. Heute bezeichnet man einen guten Schachspieler als intelligent (zumindest machte man dies solange er nicht von einem Computer geschlagen wurde). Der Versuch eine Rechenmaschine zu bauen führte zu der Einführung des Dualsystems. Wenn zwei Zahlen verknüpft werden sollen, dann müssen zuerst die einzelnen Ziffern verknüpft werden. Betrachten wir die Aufgabe: 15 + 28 = __. Als erstes müssen die Ziffern 5 und 8 zusammengezählt werden und dann die Ziffern 1 und 2, wobei auf den Übertrag nicht vergessen werden darf. Also ist es notwendig für alle Ziffern (1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 0) alle Elementaroperationen (Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division) zu definieren. Dies sind über einige hundert Rechenoperationen. Durch die Einführung des Dualsystems lässt sich der Rechenaufwand drastisch reduzieren. Die Zahlen, mit denen gearbeitet werden muss, werden in das Dualsystem umgewandelt und dort gibt es gibt nur mehr zwei Ziffern (0 und 1) und für die Addition ergeben sich 4 Rechenoperationen:

0 + 0 = 0
0 + 1 = 1
1 + 0 = 1
1 + 1 = 10

Dies führt zu einer drastischen Vereinfachung der Rechnungen. Die ersten Maschinen konnten dann tatsächlich rechnen, wenngleich die Mechanik ziemlich klobig war. Dem Nachbau des Gehirns war man aber nur einem kleinen Schritt näher gekommen. Erst durch die Einführung der Elektronik war es möglich, leistungsfähigere Maschinen zu bauen, mit denen es sogar gelungen ist, einzelne Bereiche des Gehirns zu simulieren.

Abbildung: Eine Rechenmaschine gebaut von Blaise Pascal, Frankreich, um 1650.

Gregor Reisch, Prior der Kartause in Freiburg, vermutete daß die Seele in den 3 Gehirnkammern (Ventrikel) ansässig sei. So soll in der ersten Kammer der Sitz für den Gemeinsinn, die Phantasie und das Imaginationsvermögen sein. Die 2. Kammer ist für das Denken und Urteilen wichtig und die dritte Kammer für das Erinnern. Zwischen der Kammer 1 und der Kammer 2 befindet sich eine Schleuse. Dadurch können die unterschiedlichen "Seelenbereiche" Informationen austauschen.

Beeindruckt durch die Pneumatik, das war die damalige Spitzentechnologie, entstanden die Ballontheorien. Das Gehirn ist nichts anderes als ein großer Blasebalg und eine Flüssigkeit wird über die Neuronen in die Muskeln geblasen. So können Muskeln kontrahieren und erschlaffen. Diese Theorie war auch von Blutkreislauf motiviert, wo Blut durch den ganzen Körper strömt. Erst 1677 konnte Francis Glisson mit einem einfachen Experiment zeigen, daß die Ballontheorie falsch ist. Man braucht nur den Oberarm in Wasser eintauchen und die Veränderung des Wasserspiegels messen, wenn der Muskel erschlafft beziehungsweise angespannt ist. Wenn die Pneumatheorie richtig wäre, dann müsste sich der Wasserspiegel ändern - was er aber nicht tut.

Auch der Philosoph Immanuel Kant (1724-1804) äußerte sich zum Thema der Sensorik: "Wahrnehmung sei kein passiver Empfang von Sinneseindrücken, sondern es handle sich dabei um einen aktiven Prozess, der in spezifischer Weise durch den menschlichen Wahrnehmungsapparat hergestellt und organisiert wird." Damit wird ein wesentlicher Aspekt der menschlichen Organisation der Sensorik charakterisiert. Durch das Aufmerksamkeitssystem werden die einlangenden Informationen gefiltert und gesteuert. Die Steuerung scheint durch wesentliche Bereiche der Formatio Reticularis durchgeführt zu werden.

Während dieser ganzen Zeit wurden Personen mit einer Geisteserkrankung durch fahrende Chirurgen behandelt. Sie entfernten sogenannte "Narrensteine" aus dem Kopf des Betroffenen. Praktisch wurde aber nur die Kopfhaut eingeritzt und mit etwas schauspielerischem Geschick ein Stein hervorgeholt. Geholfen wurde nur dem Chirurgen, für den diese Operationen eine lukrative Einnahmequelle darstellten.

All die bisher genannten Wissenschafter haben sich "nur" mit Teilsaspekten des menschlichen Gehirns beschäftigt. Wichtig ist aber eine umfassende Theorie des menschlichen Gehirns. Diese Theorie wurde von Franz J. Gall (1758-1828) und Johannes C. Spurzheim (1776-1832) in Wien geschaffen. Beide konnten zeigen, daß das Gehirn aus lebenden Zellen besteht und daß manche Zellen des Gehirns in das Rückenmark projizieren. Beide stellten fest, daß Studenten mit gutem Gedächtnis große hervortretende Augen haben. Also - so die neue Idee - müsse sich das Gehirn hinter den Augen besonders gut entwickelt haben und drücke nun auf die Augen. Wenn also manche Gebiete besonders gut entwickelt sind, dann drücken sie auch auf die Schädeloberfläche und sorgen so für Erhöhungen und Vertiefungen des Schädelknochens. Damit war die Phrenologie geboren. Diese damalige Idee führt zu einigen interessanten Schlussfolgerungen. Eine der Wichtigsten war die Lokalisation von Denkleistungen und daß aus geistigen Denkleistungen biologische Korrelate folgen. Durch Vermessung des Schädelknochens glaubte man nun auf bestimmte "geistige" Denkprozesse rückschließen zu können.

Aber es gab einige Probleme mit dieser Theorie. Zum einen wurden nicht eindeutige Begriffe für die unterschiedlichen Denkleistungen verwendet. Glaube, Selbstliebe, Verehrung sind nur sehr schwer messbar und es gibt keine eindeutigen Definitionen dafür. Zum anderen wurde auch nicht überprüft, ob die Schädeloberfläche tatsächlich ein Abdruck der Innenseite sei.
Den meisten Spott mussten die beiden aber durch die Annahme, daß es keinen Geist gäbe, sondern daß alles angeboren sei, hinnehmen. Heute wissen wir, daß sich die Phrenologie als falsch herausgestellt hat. Aber es war die erste in sich konsistente Theorie und die Annahme, daß Denken ein naturwissenschaftlicher Prozess sei und daß es besondere spezifische Gebiete des Gehirns gibt, war revolutionär. Dadurch, daß die gesamte Theorie massive Mängel aufwies und in Verruf geriet, hatten nachfolgenden Wissenschaftler die tatsächlich Lokalisationen im Gehirn (nicht auf der Schädeloberfläche) festgestellt hatten, beträchtliche Probleme.


Interessante Links:

Folgende Links stehen zur Verfügung:

Das Edwin Smith Surgical Papyrus

Alkmaion von Kroton und andere Philosophen

Informationen zur Phrenologie

Die Geschichte der Neuroscience

Das Sigmund Freud Museum


Leider stehen keine Applets zur Verfügung.


Fragen die man nach der Vorlesung beantworten können sollte:

Welche Wissenschaften beschäftigen sich mit dem Gehirn im weitesten Sinn ?

Wie viele Ebenen der Betrachtungsweise des Gehirns gibt es, bzw. sind sinnvoll ?
Welche Gebiete beschäftigen sich mit den einzelnen Ebenen ?

Wann tauchte erstmals der Begriff "Gehirn" erstmals in der Geschichte auf ?

Welche verschiedenen Hypothesen zur Aufgabe des Gehirns kennen sie ?

Welche Vorteile bietet das Binärsystem gegenüber dem Dezimalsystem ?

Wer schuf die erste umfassende Gehirntheorie und was besagt sie ?