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Zu diesem Thema einen adäquaten Artikel zu verfassen ist mitunter schwierig, da die Forschung schlicht noch nicht final erklären konnte, wie Lernprozesse ablaufen. Es gibt jedoch bei vielen Lernprozessen schon fundierte Annahmen, welche in diesem Artikel vorgestellt werden. Zu Beginn möchte ich zudem erläutern, weshalb die Erforschung des Gehirns mit all seinen Funktionen so schwierig ist. Für die Forschung müsste man das Gehirn und sein Gewebe eigentlich nicht als ein Organ anschauen, denn das Gehirn hat als zentrales Steuersystem viele verschiedene Anteile, die unterschiedliche Funktionen übernehmen. Das Problem dabei ist jedoch, dass fast jede Hirnfunktion mit Verschaltungskreisen und Rückkoppelungsschlaufen einhergeht und sich somit eine Hirnfunktion gar nicht einem spezifischen Ort zuschreiben lässt. So dient zum Beispiel das Kleinhirn unter anderem der Bewegungsplanung und der motorische Anteil der Hirnrinde der darauffolgenden Bewegungsausführung. Nun sind bereits zwei Gehirnanteile involviert; das sind aber bei Weitem noch nicht alle Hirnareale, die für eine Bewegung aktiviert werden. Für das weitere Verständnis, wieso Forschung am Gehirn so schwierig ist, hilft möglicherweise ein Vergleich mit der Leber. Die Leber zu erforschen war/ist deshalb so viel einfacher, weil das gesamte Gewebe der Leber gleich aufgebaut ist und die gleichen Funktionen übernimmt. Es gibt in der Leber also keine funktionellen und auch keine strukturellen Subunterteilungen, was man vom Gehirn nicht behaupten kann.
Im Folgenden werden beim Lernen involvierten Strukturen und Prozesse vorgestellt. Der Hirnbereich, der zentral ist für Lernprozesse, ist der Hippocampus. Dieser Bereich heisst so, weil seine Form an ein Seepferdchen erinnert und Hippocampus der lateinische Begriff dafür ist. Der Hippocampus ist Teil des Temporallappens (siehe dazu den Artikel „Aufbau des Gehirns“) und kommt beidseitig vor. Wenn das Gehirn eine neue Erfahrung macht, werden jeweils spezifische, über ihre Fortsätze verknüpfte Neuronen aktiviert, um die korrekte (Re-)Aktion auszuführen. Als Beispiel soll hier das erstmalige Greifen eines Stiftes im Säuglingsalter dienen. Wenn am nächsten Tag erneut der Stift gegriffen werden soll, gibt es bei ebendiesen Neuronen eine Art Gedächtnisspur und es werden die gleichen oder zumindest teilweise überlappende Neuronen aktiviert. Der Hippocampus merkt sich also gewissermassen, welche Neuronen für eine spezifische Bewegung gebraucht werden. Diese Gedächtnisspur, die man fachsprachlich Engramm nennt, ist vor allem beim erstmaligen Erlernen von Dingen wichtig und später vor allem für das Langzeitgedächtnis. Der Hippocampus ist also entscheidend für das Kodieren von Gedächtnisinhalt.
Die Langzeitspeicherung findet jedoch nicht im Hippocampus statt, sondern man nimmt an, dass die Informationen in andere Hirnareale transferiert werden. Der Hippocampus hat dadurch auch die Fähigkeit, als Filterstation zu dienen. Er kann mitentscheiden, was an einem anderen Ort langzeitgespeichert und was vergessen wird. Diese Prozesse führen auch zu strukturellen Änderungen im Hippocampus. Personen, die überdurchschnittlich viel Neues lernen haben einen makroskopisch sichtbar grösseren Hippocampus. Der Hippocampus ist also gewissermassen trainierbar wie ein Muskel. Eigentlich haben die Neuronen aber keine Regenerationsfähigkeit (siehe Artikel „Aufbau des Gehirns“), das heisst, dass sie sich nicht teilen können. Wachstum geht aber einher mit Zellteilungen und der Hippocampus ist die einzige (!) Region im Gehirn, die während des gesamten Lebens neue Neuronen erhält. Das deckt sich auch mit der obigen Theorie des Engramms, da das Gehirn somit für neue Lernprozesse „frische“ Neuronen verwenden kann. Zudem sind diese regenerationsfähigen Neuronen des Hippocampus ein in der Forschung stark verfolgter Ansatz, krankhafte Nervenzelluntergänge zu kompensieren. Das ist jedoch sehr schwierig, da die Neuronen innerhalb der verschiedenen Hirnregionen nicht gleich aufgebaut sind und nicht gleich funktionieren.
Um Lernprozesse zu verstehen, muss man auch das Gedächtnis molekular nachvollziehen können. Das menschliche Gedächtnis lässt sich unterteilen in ein Kurzzeit- und ein Langzeitgedächtnis. Je nach Literatur und Forschungsgebiet wird eine noch kürzere Form, die sogenannte Gedächtnis-Spur definiert. Die Gedächtnis-Spur beinhaltet Elemente, die nur im Minutenbereich erinnert bleiben. Das Kurzzeitgedächtis bleibt für einige Stunden bestehen und das Langzeitgedächtnis für Tage oder sogar für immer. Der oben vorgestellte Hippocampus ist vor allem wichtig für das Langzeitgedächtnis. Das Langzeitgedächtnis wird darüber hinaus in ein explizites und ein implizites Langzeitgedächtnis unterteilt, wovon vor allem das Explizite durch den Hippocampus gebildet wird. Das weiss man daher, dass man die Aktivität des Hippocampus bei Langzeiterinnerungen verfolgen konnte.
Was man jedoch bis zum heutigen Tag nicht weiss, ist die Art der Abspeicherung, die durch den Hippocampus initiiert wird. Die gängigste Vorstellung ist eine Langzeitpotenzierung. Das bedeutet, dass es eine langzeitige Kommunikationsänderung zwischen zwei bei der Erinnerungsbildung beteiligten Neuronen gibt. Ein einmaliges Ereignis (das im Langzeitgedächtnis abgespeichert werden soll) löst im ersten Neuron einen sogenannten Tetanus aus. Das ist eine kurz anhaltende maximale Feuerrate. Dieses neue elektrische Signal wird vom zweiten Neuron wahrgenommen, und diese neue erhöhte Kommunikation zwischen zwei Neuronen bedingt die langzeitige Erinnerung an dieses Ereignis. Somit kann eine nur kurz anhaltende starke Stimulation einer Nervenzelle zur langzeitigen Potenzierung von Nervenzell-Verbindungen führen. Dieser Artikel soll aufzeigen, dass Hirnforschung höchst aktuell ist und noch heute ein riesiges Potential hat. Und falls Sie durch diesem Artikel etwas gelernt haben, dann mit Sicherheit, dass noch niemand final und vor allem molekular beschreiben kann, wie Sie das getan haben.
Unser Auge ist das wichtigste Sinnesorgan, da es ungefähr 70% aller Sinneseindrücke verarbeitet. Es muss aus Lichtstrahlen ein elektrisches Signal kreieren und daraus ein korrektes Bild erstellen. Das Auge besteht aus sehr vielen kleinen Strukturen, die funktionell integriert und voneinander abhängig sind. Grob kann man den dioptrischen Apparat von unterstützenden Strukturen unterscheiden. Der dioptrische Apparat besteht aus der Hornhaut, der Linse und dem Glaskörper. Alle Anteile des dioptrischen Apparats müssen absolut durchsichtig sein, da dort das Licht das Auge durchdringt.
Das Licht wird auf der Retina (Netzhaut) verarbeitet, welche aus zehn (!) Schichten besteht. Die Netzhaut hat nebst ihrer Vielschichtigkeit noch weitere aussergewöhnliche Eigenschaften. Es gibt zwei wichtige Punkte auf der Retina. Der erste ist der blinde Fleck; der Ort, an dem der Nervus opticus beginnt. Dort kann kein Licht verarbeitet werden. Von dort führen Nervenfasern weg, welche im Sehnerv (Nervus opticus) zusammenkommen. Der Sehnerv läuft zum Gehirn und bildet das optische Chiasma. Im optischen Chiasma kreuzt ein Teil der Fasern. Der zweite wichtige Punkt ist der Ort des schärfsten Sehens, die Fovea centralis. Das ist ein ganz kleiner Bereich auf der Retina, der in der Nähe der Sehachse liegt. Dort sind die Zapfen sehr stark konzentriert und dies ermöglicht ein farbiges Bild mit scharfer Auflösung. Daher orientieren wir unsere Augen permanent so, dass der Strahlengang des Lichts auf die Fovea centralis fällt.
Weiter oben wurde der dioptrische Apparat aufgegriffen. Das sind alle Anteile des Auges, die das Licht brechen. Daher müssen sie absolut durchsichtig sein, damit sie den Strahlengang nicht verfälschen. Der Glaskörper bildet den grössten Anteil des Auges, da er den gesamten Raum zwischen Linse und Retina ausfüllt. Weil er komplett durchsichtig sein muss, besteht er zu 99% aus Wasser. Zudem erzeugt der Glaskörper einen intraokulären Druck, also ein Druck im Auge. Dieser Druck ist nötig, um die Retina optimal aufzuspannen und an die ihr angrenzende hintere Schicht zu drücken. Damit das Licht, das durch den Glaskörper auf die Retina gelangt, optimal verarbeitet werden kann, darf es nicht gestört werden. Gefässe wären hierbei ein massiver Störfaktor und würden die Lichtstrahlen verfälschen. Daher gibt es das faszinierende Phänomen, dass die Gefässe der Retina um die Fovea angeordnet sind, sich jedoch nicht vor die Fovea und somit in den Hauptstrahlengang begeben.
Der Prozess der Verarbeitung von Lichtwellen ist die Phototransduktion. Dabei treffen Lichtstrahlen mit Lichtgeschwindigkeit auf die Netzhaut. Auf der Netzhaut gibt es Stäbchen, welche das Schwarz-Weiss-Sehen ermöglichen, und Zapfen, welche dem Farbsehen dienen. Die kleinste Einheit der Lichtstrahlen sind die sogenannten Photonen. Sie treffen auf die Zapfen und werden verarbeitet. Vereinfacht funktioniert der Prozess folgendermassen: Die Photonen werden von den Zapfen oder Stäbchen (Photorezeptoren), welche spezialisierte Neuronen sind, aufgenommen und weiterverarbeitet. Hier geschieht also der Übertritt von einem Lichtsignal in ein elektrisches Signal, da fortan Neuronen die Information weiterleiten.
Die Information der Zapfen und Stäbchen wird in der Retina auf ein zweites Neuron umgeschaltet und dann auf ein Drittes. Daher kommt die Vielschichtigkeit der Retina. Nebst den drei Neuronenschichten gibt es noch verschiedene unterstüzende Schichten. Beispielsweise ist die äusserste Schicht das Pigmentepithel. Es nimmt Photonen auf, die weder von Zapfen noch Stäbchen verarbeitet werden. Das Pigmentepithel dient als Schutz, damit die Photonen nicht in tieferen Schichten eindringen. Es heisst so, weil diese Epithelzellen viel Melanin enthalten, die die Photonen aufnehmen können und so pigmentiert, also dunkel angefärbt, sind. Die Fasern des dritten Neurons verlaufen dann im Sehnerv (Nervus opticus) zum optischen Chiasma, wo die Verarbeitung weitergeht. Wichtig für das Verständnis ist die inverse Anordnung der Neuronen in der Retina. Intuitiv könnte man annehmen, dass die Photorezeptoren bei der Retina ganz innen liegen und dem Licht so nahe wie möglich sein wollen und somit dem Glaskörper zugewandt sind. Dem ist jedoch nicht so! Das erste Neuron, also die Photorezeptoren, ist dasjenige Neuron, das vom Glaskörper maximal entfernt ist und somit der nächst-äusseren Schicht zugewandt ist. Das dritte Neuron hingegen ist dem Glaskörper am nächsten. Die ersten beiden Neuronen vermitteln ihre Information über chemische Synapsen und nicht direkt elektrisch. Erst das dritte Neuron, das mit seinen Axonen den Optischen Nerv bildet, generiert Aktionspotentiale.
Das Gehirn ist unsere zentrale Schaltstelle im Körper und liegt innerhalb des Schädels. Der Schädel besteht aus mehreren Knochen. Die Schädelknochen sind miteinander vernäht und bilden an ihren Grenzen sogenannte Suturen (Vernähungen). Innen an den Schädelknochen beginnen die Hirnhäute, welche fachsprachlich Meningen genannt werden. Es gibt drei Meningen, welche drei direkt übereinanderliegende Schichten bilden. Die äusserste Schicht, welche unmittelbar der Innenseite der Schädelknochen anliegt ist die Dura mater (lat. dura = hart). Der bindegewebige Anteil der Dura mater ist funktionell die Knochenhaut des inneren Schädels. Die mittlere Schicht bildet die Dura arachnoidea. Arachnoidea bedeutet Spinne, und diese Schicht heisst so, weil das Gewebe spinnennetzähnliche Fasern bildet. Zudem macht die Dura arachnoidea viele Fortsätze zur innersten Schicht, welche ebenfalls spinnennetzähnlich erscheinen. Die innerste Schicht ist die Pia mater (lat. pia = weich). Zwischen der Dura arachnoidea und der Pia mater ist ein grosser Teil des Liquors lokalisiert. Der Liquor ist die Flüssigkeit, welche das Gehirn umgibt. Das Gehirn schwimmt also gewissermassen im Liquor. Eine erwachsene Person hat ungefähr 150 Milliliter Liquor.Die Funktionen des Liquors sind vielfältig. Er dient einerseits dem Stoffwechsel von Neuronen des Gehirns und des Rückenmarks. Andererseits ist der Liquor auch ein mechanischer Schutz.
Das Gehirn lässt sich in verschiedene Abschnitte unterteilen. Die wichtigsten Abschnitte sind Grosshirn, Kleinhirn und Hirnstamm. Das Grosshirn bildet den grössten Teil des Gehirns. Es lässt sich in zwei Hemisphären (Hälften) aufteilen. Diese Hälften entstehen durch eine Einsenkung der Dura mater. Jede Hälfte des Grosshirns kann man in vier Lappen unterteilen. Wenn man also das gesamte Grosshirn betrachtet, kommt jeder Lappen zwei Mal vor. Von vorne nach hinten gibt es den Frontallapen, den Parietallappen (im Bild Scheitellappen), den Temporallappen und den Okzipitallappen (im Bild Hinterhauptlappen). Diese Namen sind kompliziert, kommen aber nicht von ungefähr. Oben wurde erwähnt, dass der Schädel aus mehreren Knochen besteht. Die Namensgebung der Lappen erfolgt grob nach der Lokalisierung zum jeweiligen Schädelknochen. Der Frontallappen liegt also grob im Bereich des Os (lat. Knochen) frontale. Folglich bilden das Os frontale, das Os parietale (paarig), das Os temporale (paarig) und das Os okzipitale den Schädel.
Im Frontallappen liegen die Zentren für willkürliche Bewegungen. Aber auch das motorische Sprachzentrum und das Zentrum für die Augenmuskulatur sind in diesem Lappen lokalisiert. Der Parietallappen (auch Scheitellapen) ist gewissermassen die Körperfühlsphäre. Informationen, die zum Gehirn gelangen, werden also häufig über den Parietallappen verarbeitet. Das Hörzentrum liegt im Temporallappen und die Sehrinde liegt innerhalb des Okzipitallappens. Diese Abbildung bildet eine Übersicht über alle Lappen und die jeweiligen Funktionen. Auch das Kleinhirn ist abgebildet. Das Kleinhirn fungiert als höchste Kontrollinstanz von allen Bewegungen. Es koordiniert somit die Motorik unseres Körpers und ist beispielsweise auch für die Gleichgewichtsregelung zuständig. Das Kleinhirn liegt weit hinten und hat eine anatomische Nähe zum Os okzipitale.
Als letzter Hauptanteil des Gehirns wird nun noch der Hirnstamm genauer betrachtet. Der Hirnstamm besteht aus dem Mittelhirn, der Brücke (fachsprachlich Pons) und der Medulla oblongata. Die Medulla oblongata ist hier am wichtigsten und etwas vereinfacht gesagt die Fortsetzung des Rückenmarks in den Gehirnbereich. Sie ist Ursprung von gewissen Hirnnerven. Die Medulla oblongata ist funktionell wichtig bei Regulationszentren für die Atmung und den Kreislauf. Sie dient auch der Emotionsverarbeitung.
Wenn man den Aufbau des Gehirns histologisch (Histologie = Gewebslehre) anschaut, sind vor allem zwei Zelltypen wichtig. Zum einen natürlich die Nervenzellen, die Neuronen. Zum anderen sind auch die Stützzellen, fachsprachlich sogenannte Gliazellen, sehr wichtig. Schätzungsweise gibt es im menschlichen Gehirn 100 Milliarden Neuronen. Jedes dieser Neuronen bildet viele Verknüpfungen. Ein Neuron macht schätzungsweise 1000 Verknüpfungen. Die Neuronen sind sehr langlebig und haben eine schlechte bis keine Regenerationsfähigkeit. Daher sind die Gliazellen wichtig. Sie dienen dem mechanischen Schutz der Neuronen und hindern das Immunsystem daran, im Gehirn eine starke Aktivität auszuüben (siehe Artikel zur Blut-Hirn-Schranke).