Vorschläge für Weihnachtswünsche/Geschenke:

Transkript

1 Zur Erinnerung: - Vorlesung geht weiter für Bioinformatiker am Do (13.12.) im großen Hörsaal der Zoologie, Königin Luisestr 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, Joseph LeDoux, Das Netz der Gefühle. Wie Emotionen entstehen. Carl Hanser Verlag, 1998, Daniel L. Schacter, Wir sind Erinnerung. Gedächtnis und Persönlichkeit rororo Sachbuch

2 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.

3 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

4 Wie untersucht man Kognition?

5 Karten im Gehirn Bewegungen Körpergefühl

6 Das interne Selbstbild im somatosensorischen Kortex Ceci n est pas un homme Homunculus: Die Repräsentation der einzelnen Körperteile entspricht der Anzahl an synaptischen Verbindungen und nicht der relativen Grösse der Areale!

7 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

8 Medialer temporaler Lobus (deklaratives Lernen) Die Rolle des Hippokampus beim deklarativen Lernen Die Geschichte des Patienten HM (Brenda Milner)

9 Hippocampus: LTP

10 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

11 Die unterschiedlichen Rollen der beiden Hirnhemisphären Linkes Sehfeld Rechtes Sehfeld Primärer visueller Kortex

12 Seitenspezifität der beiden Gehirnhemisphären für bewußtwerdende und nicht bewußte Handlungen Natrium Amytal: ein Narkotikum

13 Split-Brain Patienten mit durchtrenntem Corpus Callosum

14 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 YouTube: Suchen nach split brain

15 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

16 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)

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18 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

19 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

20 Wie können wir die Aktivität des Gehirns messen?

21 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 (C11, N13, F18, O15) 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 (fmrt = fmri) Unterschiedliche magnetische Eigenschaften von Desoxihämoglobin und Oxihämoglobin stellen die aktiven Bereiche im Gehirn dar

22 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 (fmrt)

23 Positronen-Emissions-Tomographie (PET) Beta-Zerfall

24 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 2 15 O Liganden für Rezeptoren: 18 F-DOPA Kandel, Schwartz, Jessel (2000)

25 Nobelpreis für Medizin, 2003: Erfindung der MRT (=MRI) Tagesspiegel, Okt. 2003

26 MRI Scan: Anatomie Kandel, Schwartz, Jessel (2000)

27 fmri Prinzip: BOLD-fMRI BOLD = blood oxygen level dependent. deoxy-hb: effizientes Dephasing - schnelle Signalabnahme oxygeniertes Hb: langsameres Dephasing - stärkeres MRI Signal Kandel, Schwartz, Jessel (2000)

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29 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).

30 Sprachverarbeitung

31 Aktivitätsverteilung bei realer und vorgestellter Bewegung (funktionelle Kernspin Tomographie) rot: wahrgenommene Bewegung grün: vorgestellte Bewegung gelb: überlappende Bereiche

32 Das Gehirn in Ruhe Denken?

33 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

34 Gazzaniga, Ivry, Mangun: Cognitive Neuroscience Aufmerksamkeit

35 Es gibt mehrere und verschiedene Formen des Bewußtseins, die sich bestimmten Hirnarealen zuordnen lassen AUTORSCHAFTS-B. KÖRPER-B. VERORTUNGS-B. AUFMERKSAMKEITS -B. HANDLUNGS- PLANUNGS-B SPRACHLICHES ICH ETHISCH- MORALISCHES B. SENSORISCHES ERLEBNIS-B. AUTOBIOGRAPHISCHES ICH Bewusstseinszustände als Funktionen der Großhirnrinde: nach Vortrag Gerhard Roth

36 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

37 Wie verändern sich unsere kognitiven Leistungen?

38 Gehirnentwicklung Gewicht des Gehirns: 20 Wochen g Geburt 400 g 18 Monate 800 g 3 Jahre 1100g Erwachsen g

39 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)

40 Die kognitiven Entwicklung von Kindern verläuft parallel zur Gehirnentwicklung

41 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 ) Lebensjahre

42 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 2003

43 Das Gehirn schrumpft im Alter 60 Jahre 98 Jahre Ventrikel vergrössert Verbreiterung der Sulci Reduziertes Gewicht und Volumen Krankheiten, Schlaganfall Nachlassen von sensorischer Leistungsfähigkeit und Kognition Altersabhängige Atrophie des Frontallappens Alzheimer-assoziierte Atrophie Yankner (2000) Nature

44 Gedächtnisbeeinträchtigung durch Verlust von Neuronen im Hippocampus Kognitive Fähigkeiten nehmen im Alter ab, aber die individuellen Unterschiede sind sehr groß. Wort-Erinnerung und -Erkennung

45 Alzheimersche Krankheit betrifft das gesamte Gehirn Neurobifbrilläre Bündel (tau-protein) Amyloid Plaques (β-amyloid Protein)

46 Degeneration von Neuronen bei Alzheimer

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48 Parkinsonsche Krankheit betrifft ausschliesslich das dopaminerge System

49 Was macht uns zu der Person die wir sind? Wie wird aus einem Haufen Neuronen ein Ich?

50 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.

51 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

52 Monismus / Materialismus Monismus Dualismus Realität Geist Materie Neurophilosophie Problem des Materialismus: Wenn die makroskopische Realität deterministisch ist, wie können wir Freiheit haben? Verantwortung? Schuld? Kreativität?

53 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.

54 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.

55 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

56 Dualismus in den Geisteswissenschaften heute Prof. Dr. Freerk Huisken: Hirnforscher machen mobil - gegen den Verstand 15. Januar 2008 FU-Berlin, Hörsaal 1A, Silberlaube (Habelschwerdterallee 45, U Dahlem-Dorf), 18:00h