Kapitel 1 - Vergangenheit, Gegenwart, Zukunft der NW

Erforschung der Struktur/Aufbaus und Funktion des NS beim Menschen

= altes philosophisches Problem (subjektiv vs. objektiv)

Sind Geist und Materie miteinander verbunden? Wenn ja, wie?

Dualismus: Körper & Geist = grundsätzlich verschieden

Monismus: Körper & Geist = 2 verschiedene Betrachrungsweisen, um dasselbe zu beschreiben (hängen also zusammen)

monistische Sichtweise

—> Psychologie ohne NW würde wsl wichtige Info-quellen über mentale Prozesse vernachlässigen

= Fachgesellschaft für NW

= größter Verband mit aktiven Neurowissenschaftlern (ca. 38.000)

—> interdisziplinäre Herangehensweise bei Erforschung des NS und Verstehen des Gehirns

• zeigten tödliche Kopfverletzungen (Löcher, Eindruckstellen)

• Vermutung: absichtlich/systematisch zugefügt als heilende Behandlung von Kopfschmerzen und Geisteskrankheiten (—> Trepanation)

• zeigten Anzeichen von Heilung nach OP ==> kein Ritual nach Tod, sondern an Lebenden durchgeführt

= prähistorische Gehirnchirurgie/Schädelöffnungen als Heilmethode

• Alte Aufzeichnungen/Schriften über Symptome von Hirnschäden gefunden

• Herz = Sitz der Seele und Erinnerungsspeicher (nicht Gehirn) —> wurde bis Hippokrates nicht in Frage gestellt

z.B. nach Tod wurden Eingeweise (Lunge, Magen, Leber, Herz) mumifiziert, Gehirn wurde durch Nase entsorgt und weggeworfen

eindeutiger Zusammenhang zwischen Struktur (Aussehen) und Funktion —> Unterschiede im Aussehen deuten auf Unterschiede in Funktion hin

Kopf: Umgebung wahrnehmen (Augen, Ohren, Nase, Mund …)

==> Schlussfolgerung:

Gehirn = Organ der Sinneswahrnehmung

“Vater der modernen Medizin”

• hinterfragte Rolle des Herzens für Bewusstsein

Gehirn = Organ der Sinneswahrnehmung und Sitz des Verstandes/der Intelligenz

Herz = Sitz des Verstandes und enthält heißblütige Emotion

Gehirn = Ventilator/Kühlsystem für Blut —> kühlt das Blut ab, das durch Herz überhitzt wird

==> dadurch rationale Veranlagung der Menschen erklärt

• wichtigster römischer Mediziner

• übernahm Hippokrates Vorstellung vom Gehirn

• verarztete Gladiatoren —> beobachtete schädliche Auswirkungen von Rückenmarks- und Gehirnverletzungen

• sezierte Tiere (v.a. Schafe) —> stellte Zusammenhang zwischen Struktur und Funktion des Gehirns fest

  
  

Hirn hat Bedeutung für Wahrnehmung und Motorik:

—> stimmt tatsächlich! (zwar falsche Begründung, aber richtige Schlussfolgerung)

Entdeckte, dass Gehirn hohl ist:

Ventrikel (Hohlräume) mit Flüssigkeit gefüllt

—> Dynamik steuert Körper (Motorik) und Wahrnehmung

—> Idee: Bewegung der Flüssigkeit (FK) über hohle Nervenbahnen (NB)

1) man empfängt Sinneswahrnehmung

2) FK verschiebt sich entweder aus Ventrikel durch NB heraus oder hinein

3) das “pumpt” Menschen auf

4) dadurch Bewegung ausgelöst (Aufwölben der Muskeln beim Zusammenziehen)

Körper funktioniert anhand des Gleichgewichts von 4 lebenswichtigen Flüssigkeiten (humores):

—> Vorherrschaft eines Saftes führt zu Dominanz des Temperaments

• setzte sich viel mit Anatomie auseinander

• analysierte Hirnstrukturen detailreich

• zeichnete v.a. Ventrikel

-       dualistische Philosophie: Geist-Gehirn-Problem

Idee des hydraulischen Systems von Galen hat sich gehalten —> Gehirn besitzt maschinenartige Funktion

• Entwicklung von Mikroskopen —> genauer mit Hirnsubstanz beschäftigt

• Flüssigkeitsidee abgelöst

• Nervenfasern als neues Steuerungszentrum

Gehirngewebe besteht aus 2 Teilen (beobachtet durch Querschnitt des Hirns):

• Graue Substanz (außen)

• Weiße Substanz (innen) —> mit Körpernerven verbunden und enthält Fasern, die Infos zur grauen Substanz hin- und wegtransportieren

Grundlegende anatomische Unterteilung des NS:

• ZNS (Gehirn & Rückenmark)

• PNS (Nervenzellen & -netzwerke außerhalb des ZNS)

Oberfläche des Gehirns:

• 3 Hauptteile: Groß-, Kleinhirn, Hirnstamm

• Gyri (Windungen)

• Sulci (Furchen)

—> Beobachtung: jeder Mensch hat gyri und sulci sowie dasselbe Muster

—> verschiedene Windungen sind verschiedenen Funktionen zuzuordnen

• Frontallappen (Stirnlappen)

• Temporallappen (Schläfenlappen)

• Parietallappen (Scheitellappen)

• Okzipitallappen (Hinterhauptslappen)

  
  

trennt Frontal- von Temporallappen

trennt Frontal- von Parietallappen

• Verletzungen des Gehirns führen zu Beeinträchtigungen der Sinneswahrnehmung, Denken, Bewegung und zum Tod

• Gehirn kommuniziert mit Körper über Nerven

• Gehirn hat verschiedene Teile mit wsl unterschiedlichen Funktionen

• Gehirn funktioniert wie Maschine und folgt Naturgesetzen

• Hirn kann Elektrizität selbst erzeugen  

• Nerven als “Kabel”, die elektrische Signale aus dem Gehirn übertragen

• wenn Nerven elektrisch erregt —> Muskeln zum Zucken angeregt

• Kommunikation in beide Richtungen (beim Durchtrennen eines Nervs geht sowohl Wahrnehmung als auch Bewegung an der Stelle verloren)

• jeder Nerv besteht also aus vielen dünnen Nervenfasern, die Informationen in unterschiedliche Richtungen versenden können (uni- vs. bidirektional)

   

• Nerven teilen sich kurz vor ihrer Anbindung an Rückenmark in zwei Stränge (Spinalnerven) auf:

  
  

  1) ventrale Wurzel (enthält nur motorische Fasern) —> Vorderseite

  2) dorsale Wurzel (enthält nur sensorische Fasern) —> Hinterseite

Schnitt durch Spinalnerv —> Verlust der Empfindung und Bewegungsfähigkeit

Schnitt durch ventrale Wurzel —> Muskellähmung

• 31 Nervenpaare gehen von Rückenmark ab und versorgen Haut und Muskeln

postuliert:

• Ursprung der motorischen Fasern im Kleinhirn

• Zielgebiet der sensorischen Fasern im Großhirn

• —> Hypothese durch experimentelle Ablation testbar

  
  

   

= Verfahren, bei dem man Teile des Gehirns (bei Tieren) systematisch entfernt oder zerstört, um ihre Funktion zu bestimmen und auf sensorische/motorische Defizite bzw. Veränderungen zu achten

—> wichtige Methode zur Testung von Hypothesen

Wandte experimentelle Ablation oft bei Tieren (v.a. Vögel) an

—> konnte zeigen, dass:

• Kleinhirn tatsächlich für Steuerung der Bewegung wichtig

• Großhirn für Sinneswahrnehmung & Empfindung wichtig

Bestimmte Hirnteile für Persönlichkeitseigenschaften zuständig —> umso ausgeprägter die Eigenschaft, desto größer der Hirnbereich

• Hirn drückt Schädelknochen vor und verändert so Schädelform

• Verwölbungen an Schädeloberfläche entspricht Windungen an Gehirnoberfläche

• Messung von Schädelumfängen verschiedener Menschen —> Versuch Zusammenhang zwischen Schädelform mit Eigenschaften zu finden

= Neigungen zu bestimmten Persönlichkeitsmerkmalen könnten mit den Maßen/Struktur/Größe des Kopfes in Verbindung stehen

—> erste Idee von Funktionen in best. Hirnarealen

(er sah Großhirn als Ganzes, das man nicht teilen konnte)

1) Schädelform entspricht nicht Form des Gehirns

2) Beweis durch experimentelle Ablation: bestimmte Bereiche sind nicht auf Großhirn beschränkt

3) alle Bereiche des Großhirns gleich an Funktionen beteiligt (hat sich später als falsch herausgestellt)

Untersuchte Läsionen des Hirns

Untersuchte Patient, der nach Gehirnverletzung Sprachfähigkeit verlor (verstand Sprache, konnte allerdings nicht sprechen) —> sezierte Hirn nach dessen Tod

• hatte Loch im Temporallappen (zwischen Frontal und Temporal) und verlor dadurch Hirnsubstanz

• entdeckte mehrere Personen mit Sprachproduktionsstörungen (hatten alle Läsionen in dem Bereich)

Fazit:  

linker Stirnlappen spezifisch für Erzeugung der Sprache zuständig („Broca-Areal“)

Tierversuche (v.a. Hunde):

• geringe elektrische Ströme an freigelegten Hirnoberfläche bei Hunden abgegeben

• löste bestimmte motorischen Bewegungen aus

wiederholte die Stimulation mit Affen und zeigte später, dass das Entfernen einer Region des Großhirns zu einer Lähmung der Muskeln führen kann

experimentelle Ablation:

• Okzipitallappen des Großhirns ist für das Sehvermögen erforderlich

Idee: Entwicklung von Arten aus gemeinsamen Vorfahren —> Unterschiede zwischen Arten durch natürliche Selektion/Auslese

• physische Merkmale der Nachkommen unterscheiden sich manchmal von denen der Eltern

• wenn (abweichendes) Merkmal Überlebensvorteil hat, dann reproduzieren Nachkommen dieses mehr

• betrifft nicht nur Aussehen, sondern auch Verhalten

Viele Säugetiere zeigen bei Angst dieselben Reaktionen —> Ähnlichkeit des Reaktionsmusters aufgrund Abstammung von gemeinsamen Vorfahren

Verhalten = Ausdruck der Aktivität des NS

==> Gehirnmechanismen der Angstreaktion bei vielen Arten übereinstimmend

• Vorstellung, dass verschiedene NS gleiche Vorfahren haben 

• Verhaltensmerkmale auch stark an Umgebung angepasst

• Heutzutage viele Tiermodelle zum Untersuchen gewisser Vorgänge

  z.B. Tintenfische (Weiterleitung elektrischer Impulse in Nervenzellen) oder Ratten (Erforschung der Auswirkungen psychoaktiver Substanzen wie Kokain auf das NS)

—> Durch Vergleich feststellbar, welche Teile des Gehirns auf bestimmte Verhaltensfunktionen spezialisiert sind (Makkaken besitzen hochentwickeltes Sehvermögen; Ratten, die die meiste Zeit im Dunkeln sind, hoch entwickelten Tastsinn)

Gewebe von Tieren konnten durch technische Fortschritte der Mikroskopie in hoher Auflösung untersucht werden

alle Gewebe bestehen aus mikroskopischen Einheiten („Zellen“)

• Neuron hat zahlreiche dünne Fortsätze (Neuriten)

• Neuronen kommunizieren mithilfe von elektrischen/chemischen Signalen

• Neuronen sind voneinander getrennt (post- und präsynaptischer Spalt!), aber sind in Kontakt

• 1900: Nervenzelle als grundlegende funktionelle Einheit für die Gehirnfunktion anerkannt

komplexes Gehirn unterteilt in Fragmente, um es besser verstehen zu können

1) Mollekulare NW

2) Zelluläre NW

3) Systemische NW

4) Verhaltensorientierte NW

5) Kognitive NW

—> von oben nach unten = von detailliert zu oberflächlich

Gehirn besitzt viele verschiedene Moleküle mit unterschiedlichen Funktionen (NT, Enzyme …)

Wie wirken Moleküle zusammen, um Neuron seine Eigenschaften zu verleihen? (Arten von Neuronen, Einfluss, Interaktion …)

Gruppen von Neuronen bilden komplexe Schaltkreise, die eine gemeinsame Funktion ausführen, wie z.B. den Sehvorgang —> Systeme (z.B. visuelle/motorische Systeme)

Wie verarbeiten verschiedene neuronale Schaltkreise die Infos von Sinneswahrnehmungen?

Wie bilden sie Eindrücke der Außenwelt ab?

Wie treffen sie Entscheidungen bzw. führen sie Bewegungen aus?

Wie wirken neuronale Systeme zusammen?

Wie bringen sie Verhalten hervor?

Gibt es verschiedene Systeme für unterschiedliche Formen des Gedächtnisses?

Wo im Gehirn wirken bewusstseinsverän- dernde Wirkstoffe?

Welche Systeme sind für geschlechtsspezifische Verhaltensweisen verantwortlich?

Woher im Gehirn kommen Träume?

Fokus = Neuronale Mechanismen verstehen, die für die geistigen Aktivitäten des Menschen verantwortlich sind (z.B. Ich-Bewusstsein, geistige Vorstellungskraft, Sprache)

Wie bringt die Aktivität des Gehirns Geist und Bewusstsein hervor?

1) Klinische Forschung

2) Experimentelle Forschung

3) Theoretische NW

Tradition von Broca:

• aus Verhaltensänderungen aufgrund von Hirnschäden zieht man Rückschlüsse auf die Funktionen der unterschiedlichen Bereiche des Gehirns

• Ermittlung von Risiken und Nutzen von neuen Behandlungsmethoden

Neurologie (Diagnose & Behandlung von NS-Krankheiten)

Psychiatrie (Diagnose & Behandlung von psychischen Krankheiten & Persönlichkeitsstörungen)

Neurochirurgie (OP an ZNS)

Neuropathologie (Erkennen von krankheitsbedingten Veränderungen im Nervengewebe)

interdisziplinär!, alle denkbaren Methoden

Beispiele:

• Entwicklungsneurowissenschaftler (untersucht Entwicklung und Reifung des Gehirns)

• Neuroanatom (untersucht Struktur des NS)

• Neurophysiologe (misst elektrische Aktivität des NS)

• Physiopsychologe (untersucht biologischen Grundlagen des Verhaltens)

• …

= junge Disziplin

• Ziel: Experimente auf wichtige Fragen zu lenken und die mathematischen Prinzipien der Organisation des ZNS zu etablieren

• mithilfe von mathematischen und computergestützen Methodes versucht, Gehirn auf allen Ebenen zu verstehen

1) Beobachtung

2) Reproduzierbarkeit

3) Interpretation

4) Verifizierung

• in experimentellen Settings (Hypothese soll überprüft werden z.B. Bells Durchtrennung von Nerven)

• durch genaue Beobachtung der Umwelt, Introspektion oder klinischen Fällen (z.B. Broca)

• Beobachtung muss mit unterschiedlichen Versuchsobjekten reproduziert werden (im Experiment oder im klinischen Setting)

• es müssen immer ähnliche Ergebnisse vorzufinden sein

• es geht darum auszuschließen, dass es sich um einen Zufall handelt

• abhängig vom Kenntnisstand zum Zeitpunkt der Beobachtung sowie von den Vorstellungen und Hintergrundannahmen

  —> daher häufig falsch

• Können teilweise erst sehr lange nach der Beobachtung richtig (neu-)interpretiert werden

= Beobachtung so robust, sodass von jedem kompetenten Wissenschaftler reproduzierbar, wenn dieser den Protokollen genau folgt

• erfolgreiche Verifizierung = Beobachtung als Tatsache anerkannt

• wenn Verifizierung nicht möglich, liegt das oftmals an geänderten Bedingungen (z.B. Temperatur)

• Heute mehr als die Hälfte der neurowissenschaftlichen Versuchstiere speziell gezüchtete Nagetiere (v.a. Mäuse und Ratten)

• Überwachung auf verschiedene Arten: Tierschutz, strenge Standards, Prüfung durch Ethikkomission, Grundrechte von Tieren

  
  

  • Nutzen nur bei Experimenten, die einen Fortschritt in unseren Kenntnissen über NS versprechen

  • Stress und Schmerzen der Versuchstiere werden minimiert (Betäubungs- und Schmerzmittel)

  • Alle möglichen Alternativen werden in Betracht gezogen

  • Tiere besitzen die gleichen gesetzlichen und moralischen Rechte wie der Mensch = nicht dasselbe wie Tierschutz

  • NW: es wäre unethisch nicht alle Ressourcen zu nutzen, um menschliches Leid zu verhindern

= unheilbare, fortschreitende und tödliche Erkrankung des Gehirns

• Degeneration spezifischer Neuronentypen im Gehirn

• neue Infos können nicht gemerkt und alte nicht mehr erinnert werden

• Demenz, Verwirrungszustand, Kennzeichen einer Erkrankung des Gehirns (keine Alterserscheinung!)

• 50% aller Menschen über 85 J. betroffen

• unheilbar

• fortschreitend

—> entsteht in der frühen Kindheit

gekennzeichnet durch:

• Einschränkung in Kommunikation und sozialer Interaktion

• eingeschränkte und wiederholte Verhaltensmuster

= Motorische Störung wegen frühkindlicher Schädigung des Großhirns

= Krankheit des Gemüts und des Denkens

= schwere psychische Störung

• Schlafstörungen, Appetitverlust, überwältigende Gefühle der Niedergeschlagenheit, Minderwertigkeits- und Schuldgefühle

• 33 Mio. Amerikaner betroffen

• Hauptursache für Suizide (31.000/Jahr)

Periodische Störungen der elektrischen Aktivität des Gehirns

• Krampfanfälle, Bewusstlosigkeit, sensorische Störungen

= beeinträchtigt Impuls- bzw. Reizweiterleitung an Nervenzellen

• fortschreitend

• Schwäche, Koordinationsverlust, Sprechstörungen in Schüben

wie Alzheimer gekennzeichnet durch Degeneration spezifischer Neuronentypen im Gehirn

• fortschreitend

• Schwierigkeiten bei der Willkürmotorik

• Störung der Willkürmotorik

= Krankheit des Gemüts und des Denkens (wie Depression)

= Schwere psychotische Erkrankung/Persönlichkeitsstörung

• Wahnvorstellungen, Halluzinationen, bizarre Verhaltensweisen

• häufig in Pubertät oder jungem Erwachsenenalter

• kann das ganze Leben andauern

• 2 Mio. Amerikaner betroffen

= traumatische Schädigung des Rückenmarks

• Verlust von Empfindung und Bewegungsfähigkeit

= Unterbrechung der Blutversorgung des Gehirns

• Verlust von Gehirnfunktionen

• oft dauerhafter sensorischer, motorischer oder kognitiver Defizit

• 3. Haupttodesursache in USA

auch neurologisches Problem, das hohe Kosten verursacht

• fast jede Familie in USA betroffen