Das Gehirn für Eierköpfe

Transkript

2 VORWORT Wenn Sie an den Scientific American (deutsch: Spektrum der Wissenschaft) denken, kommt Ihnen wahrscheinlich ein langer, schwer verständlicher Artikel in den Sinn, den Ihnen ein Biooder Chemielehrer mit der Aufforderung in die Hand gedrückt hat, ihn zu lesen. Das Buch, das Sie gerade vor sich haben, sollte diese Gedankenverbindung radikal verändern. Inzwischen publizieren wir auch kürzere, leichter verständliche Artikel, um Sie mental auf Trab zu bringen, sodass Sie eines Tages, wenn Sie es wünschen, in der Lage sein werden, die langen Artikel in Angriff zu nehmen, und sie ebenfalls verständlich finden werden. Eine in dieser Hinsicht wichtige Neuerung beim Scientific American ist unser Podcast «60-Second Science» (Wissenschaft in 60 Sekunden). Dieser tägliche Bericht stellt wirklich einen topmodernen technologischen Durchbruch dar, was das Sammeln und Darstellen von Nachrichten aus der Wissenschaft angeht. Das heißt, all das geschieht mit einer Ausrüstung im Wert von einigen hundert Dollar, das in eine Reisetasche passt. So ist die Magie heutiger Medien dank Internet kann ich eine weltweite Nachrichtenagentur zum Thema Wissenschaft von einem spartanisch ausgestatteten Studio zu Hause leiten. Ein Team regelmäßig beschäftigter Freelancer liefert Ideen, die zumeist auf Artikeln in aktuellen Wissenschaftsjournalen basieren. Anschließend schreiben sie die Geschichten, die ich akzeptiere, und nehmen sie auf. Ich redigiere ihre Sprachdateien und stelle die fertigen Podcasts ins Internet, die Sie anschließend 9

3 auf unserer Website abrufen können frisch aufbereitete Wissenschaft, Ihnen direkt ins Ohr geflötet. Diese schnelle und benutzerfreundliche Art der Wissenschaftsvermittlung war ein Riesenerfolg. Nun bieten wir die Eier kopf-serie «Wissenschaft in 60 Sekunden» in Buchform an, um grundlegende wissenschaftliche Information ebenfalls schnell und professionell an den Leser zu bringen. Das Gehirn für Eierköpfe ist das ultimative Handbuch für dieses ca. 1,5 Kilogramm schwere Netzwerk von Neuronen (und anderem wichtigen Kram), das all Ihre lebenswichtigen Körperfunktionen in Gang hält und Ihnen zudem ermöglicht, die Worte zu lesen und zu verstehen. Hier wird erklärt, wie es Ihrem Gehirn gelingt, all diese erstaunlichen Dinge zu tun, während es gleichzeitig wichtige Informationen wie den Geburtstag Ihres Ehepartners, den Gewinner der 1927er World Series und die PIN- Nummer Ihrer EC-Karte auf Abruf bereithält. (Selbst wenn Sie sich nicht an all das erinnern können, können Sie in diesem Buch zumindest herausfinden, warum das so ist.) Tun Sie Ihrem Gehirn deshalb etwas Gutes lesen Sie Das Gehirn für Eierköpfe und ermöglichen Sie ihm, sich selbst besser kennenzulernen. Steve Mirsky

4 KAPITEL EINS REINE KOPFSACHE: HIRNSTRUKTUREN

5 NERVENZELLEN Basics Nervenzellen oder Neurone sind die Bausteine des Gehirns. All Ihre Wahrnehmungen, Gedanken und Verhaltensreaktionen können auf sie zurückgeführt werden. Grundsätzlich sind Neurone nicht anderes als Zellen. Sie haben einen «Zellkörper», der einen einzelnen Zellkern und andere typische zelluläre «Eingeweide» oder Organellen enthält. Aber im Gegensatz zu den übrigen Körperzellen sind Neurone zur Kommunikation gebaut. Am Zellkörper entspringt ein langer Tentakel (armähnlicher Fortsatz), der als Axon bezeichnet wird. Seine Hauptaufgabe besteht darin, wie ein Telefonkabel Botschaften an andere Neurone weiterzuleiten. Das andere Ende des Neurons weist Verzweigungen wie ein Baum auf ; diese sogenannten Dendriten empfangen Botschaften von den Axonen anderer Nervenzellen. Alle Neurone teilen diese Grundmerkmale, doch ansonsten gibt es eine breite Palette dieser Zelltypen in unserem Körper. Sensorische Neurone nehmen Druck und Temperatur wahr und schicken Signale über solche sensorischen Empfindungen wie auch Schmerz zum Gehirn das elektrochemische Äquivalent von «Jawohl, dieser Becher ist noch immer viel zu heiß, um ihn in die Hand zu nehmen». Auf der anderen Seite übermitteln motorische Neurone oder Motoneurone die Kommandos des Gehirns an die Muskulatur und weisen beispielsweise die Muskeln in Ihrem Arm an, den Becher sofort wieder abzustellen. Und schließlich gibt es noch Interneurone, die zwischen sen- 12

6 sorischen und motorischen Neuronen vermitteln und auch untereinander kommunizieren. Sämtliche Neurone im Gehirn sind Interneurone, und selbst diese variieren in ihrer Form beträchtlich. Manche haben nur ein bis zwei Dendriten, andere Tausende. Grenzen des Wissens Hirnforscher untersuchen gegenwärtig, wie Neurone wachsen. Inzwischen kennt man die Substanzen, die das Längenwachstum von Axonen fördern, und weiß, wie neue Dendriten aus Hirnzellen sprießen. Letztendlich wird diese Forschung nicht nur zeigen, wie sich Neurone im fetalen und im kindlichen Gehirn entwickeln, sondern auch zur Behandlung von Krankheiten wie Alzheimer beitragen, bei denen Neurone geschädigt werden oder absterben. Tatsächlich haben Forscher bereits Substanzen synthetisiert, die die Bildung neuer Hirnzellen fördern. Fakten zum Angeben x Niemand weiß sicher, wie viele Neurone es im menschlichen Gehirn gibt. (Würden Sie sie gern zählen?) Viele Experten schätzen die Anzahl jedoch auf rund 100 Milliarden. Wenn man die Zellmembranen all dieser Neurone ausbreiten würde, könnte man damit vier Fußballplätze bedecken. (Okay, das würde es natürlich schwierig machen, zu spielen.) x Die längsten Axone im menschlichen Körper diejenigen, die sich vom Rückenmark bis in Ihre Zehen erstrecken können 1 1,2 Meter lang sein. Bei Giraffen messen die entsprechenden Axone rund 4,5 Meter. x Die Zellkörper von Nervenzellen sind unvorstellbar klein. Im Mittel passen einige Zehntausend von ihnen auf einen Stecknadelkopf. 13

7 NEURONALE KOMMUNIKATION Basics Sich einzelne Neurone anzuschauen, macht wenig Sinn. Es spielt keine Rolle, was ein einzelnes Neuron tut, sondern wichtig ist, was eine ganze Gruppe von Neuronen als «Team» leistet. Gemeinsam bilden Neurone ausgedehnte Netzwerke, wobei zwischen den Zellen ständig Botschaften ausgetauscht werden. Die Dendriten eines Neurons empfangen einen Strom positiver und negativer Signale, und die Summe dieser Signale bestimmt die Stärke des elektrischen Signals, das das Axon entlangläuft, wie bei einer La-Ola-Welle, die durch ein Fußballstadion läuft. An sich sind Axone keine guten elektrischen Leiter sie leiten Strom deutlich schlechter als ein elektrisches Kabel in Ihrem Haus. Viele Axone sind jedoch in Myelin eingewickelt, eine fetthaltige Hülle, die das Axon elektrisch isoliert und seine Fortleitungsgeschwindigkeit enorm erhöht. Sobald das elektrische Signal die Axonspitze erreicht, setzt diese einen von zahlreichen chemischen Botenstoffen frei, einen sogenannten Neurotransmitter. Neurotransmitter werden in einen schmalen Spalt freigesetzt ; dieser sogenannte synaptische Spalt trennt ein Neuron von seinem Nachbarn. Die Axonspitze befindet sich auf der einen Seite des Spalts, ein Dendrit des Empfängerneurons auf der anderen Seite ; diese Kontaktstelle zwischen zwei Neuronen wird als Synapse bezeichnet. Die Neurotransmittermoleküle binden sich an Rezeptoren auf dem Dendriten des folgenden Neurons, und der Zyklus beginnt von neuem. 14

8 Mittels dieser Kombination aus elektrischer Signalfortleitung längs des Axons und chemischer Signalfortleitung über den synaptischen Spalt übermitteln Neurone einander Botschaften, ohne sich wirklich zu berühren. Grenzen des Wissens Nachdem Sie das Basiskonzept der neuronalen Signalgebung verstanden haben, stellen Sie sich vor, ein künstliches Neuron zwischen zwei biologische Neurone zwischenzuschalten. Genau daran arbeiten Wissenschaftler momentan. Sie haben Mikrochips mit künstlichen Synapsen entwickelt, die bei Aktivierung genau wie Neurone Neurotransmitter freisetzen. Ins Gehirn eingepflanzt, könnten diese künstlichen Synapsen den Dendriten Ihrer Neurone theoretisch Botschaften übermitteln und damit den Job körpereigener Nervenzellen erledigen. Die Möglichkeiten sind atemberaubend. Fakten zum Angeben x Manche Nervenzellen sind nur mit einer einzigen anderen Nervenzelle verbunden, andere mit bis zu hunderttausend weiteren Neuronen. x Die Nervensignale in einigen Organismen können mit einer Geschwindigkeit von mehr als 320 Kilometern pro Stunde weitergeleitet werden. x Der (jedenfalls bei Neurowissenschaftlern) berühmte Fluchtreflex des zehnarmigen Tintenfischs wird von einem Axon kontrolliert, das keinerlei Myelinhülle aufweist. Aber weil das Axon so dick ist ca. ein Millimeter im Durchmesser, was für ein Axon riesig ist, kann das Signal so rasch fortgeleitet werden, dass sich der Tintenfisch blitzschnell aus der Gefahrenzone katapultieren kann. 15

9 GLIAZELLEN Basics Wie alle Celebritys, die etwas auf sich halten, brauchen Neurone ein Gefolge. Im Gehirn bilden die Gliazellen die Entourage. Gliazellen oder kurz Glia (vom griechischen Begriff für Leim) sind der unterschätzte, nun, Klebstoff des Gehirns. Die im 19. Jahrhundert entdeckten Gliazellen bilden das Stützkorsett der Nervenzellen im Gehirn. Viele Jahrzehnte lang wurden Gliazellen durch das definiert, was sie nicht waren: Nervenzellen. Im Gegensatz zu Neuronen generieren Gliazellen keine elektrischen Signale, und daher nahmen Neurowissenschaftler an, sie hätten wenig Einfluss auf die Signalgebung im Gehirn. Aber nur weil sie keine elektrischen Signale (Impulse) übermitteln, darf man nicht den Schluss ziehen, sie spielten keine große Rolle. Wenn die Neurone die Chefs im Gehirn sind, dann sind die Gliazellen ihre rechte Hand, schaffen Nährstoffe und Sauerstoff heran, schützen die Neurone vor Krankheitserregern und sorgen für das richtige Milieu rundum sie kümmern sich um so gut wie alles. Es gibt viele verschiedene Gliatypen, von denen jeder auf einen oder mehrere dieser Jobs spezialisiert ist. Neuere Forschungen sprechen dafür, dass Gliazellen, wie so oft bei Chefsekretärinnen der Fall, nicht genug Anerkennung bekommen. Wie sich herausgestellt hat, erhalten Gliazellen nicht nur Befehle von Neuronen, sondern kommunizieren regelrecht mit ihnen. Wie Untersuchungen gezeigt haben, können Gliazellen die Verbindungen beeinflussen, die Neurone 16

10 eingehen, und darüber mitentscheiden, ob diese Verbindungen gestärkt werden. Demnach könnten die lange übersehenen Gliazellen eine entscheidende und grundlegende Rolle für Lernen und Gedächtnis spielen. Ist das etwa keine Erfolgsgeschichte? Grenzen des Wissens Stammzellen sind wichtig, weil sie sich zu vielen verschiedenen Typen spezialisierter erwachsener (adulter) Zellen entwickeln können. Das macht sie zu einem viel versprechenden Kandidaten für die Reparatur von Schäden im Nervensystem. Nun sieht es so aus, als seien Gliazellen ebenfalls dazu in der Lage. In einer Studie extrahierten Wissenschaftler Glia aus dem menschlichen Gehirn und badeten sie in einem Cocktail aus Proteinen. Als sie die Zellen ins Gehirn von Mäusen einpflanzten, entwickelten sich daraus gesunde adulte Neurone. Fakten zum Angeben x Studien am Gehirn anderer Tiere haben erbracht, dass Arten, die weiter oben auf der evolutionären Leiter stehen, höhere Konzentrationen an Gliazellen besitzen. x Nach Albert Einsteins Tod stellten Wissenschaftler fest, dass sein Gehirn eine normale Anzahl an Zellen aufwies, aber einen ungewöhnlich hohen Anteil an Glia. Vielleicht war er höher entwickelt als wir Übrigen? 17

11 RÜCKENMARK Basics Das Rückenmark ist die einzig wahre Schnellstraße zum Gehirn Signale, die vom Körper ans Gehirn oder vom Gehirn an den Körper geschickt werden, müssen das Rückenmark passieren. Motoneurone übermitteln die Befehle des Gehirns via Rückenmark an die Muskeln, und sensorische Neurone senden Information auf diesem Weg zum Gehirn. Das Rückenmark selbst besteht aus Neuronen und ist von Wirbeln umgeben, den knöchernen Elementen der Wirbelsäule, die das empfindliche Nervengewebe schützen. Wie lebenswichtig das Rückenmark ist, lässt sich am besten anhand der verheerenden Folgen von Rückenmarksverletzungen illustrieren. Wenn das Rückenmark die Auto bahn zum Gehirn ist, dann ist eine Rückenmarksverletzung mit dem Zusammenbruch der einzigen Brücke vergleichbar. Der Signal verkehr in beiden Richtungen wird unterbrochen, und es kommt zu Lähmungen weder kann das Gehirn den Muskeln befehlen, sich zu bewegen, noch erhält es Rückmeldungen von den muskeleigenen Sinnesorganen. Je höher die Rückenmarksverletzung liegt, desto schwerwiegender sind die Auswirkungen. Verletzungen in Brusthöhe führen im Allgemeinen zu einer Lähmung der Beine, solche in Höhe des Halses können eine Lähmung aller vier Extremitäten (Tetraplegie) nach sich ziehen, Schädigungen des Rückenmarks im oberen Halsbereich können sogar grundlegende Funktionen wie die Atmung beeinträchtigen. Der Superman-Darstel- 18

12 ler Christopher Reeve zog sich eine Verletzung ganz oben im Rückenmark zu und konnte nicht mehr selbständig atmen, zumindest zunächst nicht. Bis zuletzt ein Supermann auch im wirklichen Leben gelang es Reeve durch eisernes Training schließlich, so weit zu gelangen, dass er für kurze Zeit ohne sein Beatmungsgerät auskommen konnte. Grenzen des Wissens Lange nahm man an, Patienten mit Rückenmarksverletzungen könnten sich kaum mehr erholen, und riet ihnen lediglich, ihre neuen physischen Grenzen zu akzeptieren. Doch inzwischen ist nachgewiesen, dass diese fatalistische Annahme unbegründet ist viele Patienten können ihre Mobilität wiedererlangen oder zumindest verbessern. In vereinzelten Fällen kann ein anstrengendes Rehabilitationsprogramm, bei dem medizinisches Personal gelähmten Patienten hilft, sich auf einem Laufband zu bewegen, die Gehfähigkeiten dieser Patienten verbessern. Wissenschaftler sind der Ansicht, dass dieses Rehabilitationsprogramm verbliebene Nerven- oder Rückenmarksverbindungen stärken und wichtige neuronale Schaltkreise neu verdrahten könnte. Fakten zum Angeben x Menschen und Giraffen haben dieselbe Anzahl von Halswirbeln: sieben Stück. Bei der Giraffe ist jeder dieser Wirbel fast 30 Zentimeter hoch. x Das menschliche Rückenmark ist rund 43 bis 45 Zentimeter lang deutlich kürzer als unsere Wirbelsäule. 19

13 HIRNSTAMM UND KLEINHIRN Basics Der Hirnstamm gehört nicht zu den glanzvollsten Strukturen des Gehirns, aber er ist eine der wichtigsten. Er sitzt dem Rückenmark obenauf und überwacht eine Reihe von Vitalfunktionen, die nicht unter bewusster Kontrolle stehen: Der Hirnstamm kontrolliert Herzfrequenz und Blutdruck, reguliert die Atmung und steuert die Verdauung. Der Hirnstamm ist auch für das Niveau an Aufmerksamkeit und Bewusstsein verantwortlich. Im Rahmen dieser Aufgabe trägt es zur Filterung der sensorischen Information bei, die ständig auf uns einströmt, und entscheidet, worauf wir uns konzentrieren sollten und was wir problemlos ignorieren können. Die Hirnnerven, die die grundlegenden Bewegungen von Kopf, Gesicht und Hals kontrollieren, gehören ebenfalls zum Hirnstamm. Das Kleinhirn (Cerebellum) liegt an der Basis des Gehirns, direkt hinter dem Hirnstamm. Es sieht tatsächlich wie eine Miniaturversion des Gehirns aus Einfaltungen, Hemisphären, der ganze Kram, daher auch der Name Kleinhirn. Doch während das Großhirn an einer breiten Palette von Funktionen beteiligt ist, ist das Kleinhirn auf Signale aus dem Körper, auf Körperbewegungen und die Lage des Körpers im Raum spezialisiert. Das Cerebellum ist für unseren Gleichgewichtssinn (oder unseren Mangel an Gleichgewicht) verantwortlich, und es ist zudem der Teil des Gehirns, der uns nach ein paar Drinks aufrecht hält (oder auch nicht). Das Cerebellum verarbeitet Signale, 20

14 die übermitteln, was unser Körper gerade tut, und unterstützt mit Hilfe ständig aktiver Rückkopplungsschleifen unsere Bewegungskoordination. Lassen Sie es nicht daheim, wenn Sie aus dem Haus gehen. Grenzen des Wissens Essen, Trinken und Pinkeln (jawohl, Pinkeln) sind so wesentlich, dass der Hirnstamm über einen speziellen Mechanismus verfügt, der dem Körper erlaubt, diese Handlungen durchzuführen, selbst wenn er starke Schmerzen leidet. Einer neuen Studie zufolge kann der Hirnstamm Schmerzen so lange unterdrücken, dass Tiere Verhaltensmuster abschließen können, die überlebenswichtig sind. Forscher fanden dies heraus, als sie Ratten in Käfige mit Böden setzten, die bis über die Schmerzgrenze hinaus erhitzt werden konnten. Normalerweise würden die Ratten ihre Pfoten vom heißen Untergrund wegziehen, doch während sie fraßen, unterdrückte die Aktivität im Hirnstamm den Schmerz so lange, bis die Tiere ihren Hunger gestillt hatten. Fakten zum Angeben x Obgleich die höheren Hirnzentren Emotionen verarbeiten, ist es der Hirnstamm mit seinen Hirnnerven, der Ihnen ermöglicht, die komplexen mimischen Bewegungen durchzuführen, die man zum Lächeln braucht. x Das Kleinhirn macht 10 Prozent vom Gesamtvolumen des Gehirns aus, enthält aber mehr als 50 Prozent aller Hirnneurone. x Alkoholmissbrauch ist ein häufiger Grund für eine Schädigung des Kleinhirns. 21