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Das Jahrzehnt des Gehirns
Der amerikanische Senat hat die neunziger Jahre zur "decade of the brain", zum Jahrzehnt des Gehirns, erklärt. Etwa zur selben Zeit wurde das weltumspannende "human science frontier program" beschlossen, in dem die Förderung der Neurowissenschaften ebenfalls beträchtlichen Raum einnimmt. Die Beweggründe für diese gezielte Intensivierung der Hirnforschung sind ebenso vielfältig wie die möglichen Folgen der erhofften Ergebnisse. Zunächst drängen medizinische Gründe. Die Geistes- und Gemütskrankheiten, so die Schizophrenie und die Depression, entbehren bisher jeglicher kausaler Erklärung und Therapie. Obgleich sich die Hinweise mehren, dass diese Erkrankungen auf fehlerhaften Funktionen des Gehirns beruhen, also strukturelle und biochemische Ursachen haben, die zum Teil sogar genetisch bedingt sind, ist es bisher nicht gelungen, die Störungen einzugrenzen. Bei einer Gruppe anderer Erkrankungen sind Ort und Art der pathologischen Prozesse bekannt, es fehlen jedoch wirksame Therapien. Dies gilt für die multiple Sklerose ebenso wie für eine Vielzahl degenerativer Erkrankungen des Zentralnervensystems. Die Alzheimersche Erkrankung, die wegen der steigenden Lebenserwartung immer bedrohlicher wird, gehört hierzu.
Diesen ungelösten Fragen stehen Erfolge bei Krankheiten gegenüber, die hoffen lassen, daß eine langfristig angelegte Grundlagenforschung schließlich zur Entwicklung kausaler Therapieverfahren führen wird. Wir wissen, daß wesentliche Fortschritte bei der Behandlung von Epilepsien, Schmerzsyndromen, Angstzuständen und der Parkinsonschen Erkrankung auf der Analyse zellulärer und biochemischer Prozesse im Gehirn beruhen. Und selbst die schwierige Lage der Hirnverletzten und Schlaganfallpatienten könnte sich als weniger ausweglos erweisen, als es zunächst scheinen mag. Man entdeckte natürliche Substanzen, die das Wachstum von Nervenzellen kontrollieren. Mit ihnen lassen sich selbst nach Abschloß der Hirnentwicklung regenerative Wachstumsvorgänge stimulieren. Außerdem zeigte sich, daß auch Nervenzellen transplantierbar sind und unter ganz bestimmten Bedingungen die Funktion zerstörter Zellen übernehmen können.
Die Untersuchung der Hirnentwicklung brachte die überraschende und klinisch bedeutsame Erkenntnis, daß die strukturelle Reifung des Gehirns höherer Säugetiere einschließlich des Menschen bei der Geburt noch lange nicht abgeschlossen ist, sondern sich bis in die Pubertät fortsetzt. Während dieser Zeit erfährt die Verschaltung verschiedener Hirnzentren noch eine tiefgreifende Uberformung. Die Grundverschaltung des Gehirns ist zwar genetisch festgelegt, doch werden zunächst Verbindungen im Überschuß angelegt. Während der postnatalen Entwicklung erfolgt dann eine Auswahl der Verbindungen, die den funktionellen Anforderungen am besten entsprechen. Unpassende Verbindungen werden unwiderruflich zerstört.
Aufregend ist, daß das heranwachsende Gehirn die Kriterien für diesen Selektionsvorgang zum Teil aus der Interaktion mit seiner Umwelt gewinnt. Wenn etwa die Augen während der ersten Lebensjahre wegen einer Hornhauttrübung nicht benutzt werden können, werden die für den normalen Sehvorgang in der Hirnrinde erforderlichen Verbindungen nicht optimiert. Die Patienten bleiben blind, selbst wenn im Auge durch Hornhauttransplantation normale optische Bedingungen hergestellt werden. Das Gehirn hat gleichsam versäumt, die Strukturen auszubilden, die für die Interpretation von Signalen aus den Augen erforderlich sind. Ähnliches scheint für alle kognitiven Funktionen zu gelten, so auch für den Spracherwerb. Ein Beispiel dafür ist das Unvermögen des Japaners, den Unterschied zwischen R und L zu hören. Diese Laute kommen in seinem Sprachraum nicht vor. Entsprechend hat das Gehirn die entsprechenden kognitiven Strukturen nicht optimiert. Japanische Kinder, die in anderen Sprachräumen aufwachsen, »lernen« diese Unterschiede natürlich mühelos. Das provoziert die spannende Frage, ob wir nicht alle für bestimmte kognitive Bereiche empfindungslos sind, weil wir während unserer Entwicklung keine einschlägigen Erfahrungen sammeln konnten. Vielleicht ist das einer der Gründe, warum wir zwar alle lesen, schreiben und rechnen können, nicht aber komponieren, malen und tanzen.
Nun hängt natürlich nicht alles von der Umwelt ab. In der genetisch vorgegebenen Grundverschaltung des Gehirns ist bereits erhebliches »Wissen« über die Welt repräsentiert, in welche das werdende Gehirn hineingeboren wird. Dieses Wissen wurde im Laufe der Entstehung der Arten in den Genen gespeichert und drückt sich in den angeborenen Verhaltensmustern aus. Aufgrund dieses Vorwissens ist das junge Gehirn in der Lage, selbst Fragen an die Umwelt zu stellen und die Informationen abzurufen, die es für seine Entwicklung benötigt. Postnatale Hirnentwicklung vollzieht sich also auf der Basis eines Frage-und-Antwort-Spiels, wobei das werdende Gehirn meist die Initiative hat. Von außerordentlicher Brisanz wäre es schließlich, wenn sich herausstellte, daß auch die kognitiven Fähigkeiten, die wir für unser soziales Verhalten benötigen, über einen solchen Dialog entwickelt werden müssen.
Die medizinischen Perspektiven der Hirnforschung sind aber nicht die einzigen Gründe für ein wachsendes gesellschaftliches Interesse an den Neurowissenschaften. So zeigte sich, daß künstliche »intelligente« Systeme, die "Elektronengehirne", bei all jenen Problemen versagen, die von natürlichen Gehirnen mit besonderer Eleganz und Leichtigkeit gelöst werden. Der Grund ist, daß die bisher entwickelten Rechner- und Expertensysteme nach gänzlich anderen Prinzipien organisiert sind als ihre natürlichen Vorbilder. Zwar lassen sich gewisse Analogien zwischen den logischen Funktionen einzelner Nervenzellen und den Schaltelementen in Rechnern herstellen; die Architekturen, in welche diese logischen Elemente jeweils eingebettet sind, unterscheiden sich jedoch radikal. Da sich die Organisationsprinzipien unseres Gehirns offenbar weder durch Selbsterkenntnis noch durch angestrengtes Nachdenken erschließen lassen, richtet sich die Hoffnung auf die Neurowissenschaften.
Eine weitere Attraktion der Hirnforschung liegt darin, daß natürliche Gehirne als ideale Modelle für das Studium von Wechselwirkungen in komplexen, sich selbst organisierenden Systemen erkannt werden. In keiner anderen uns bekannten Struktur sind so viele Einzelelemente zu einem funktionstüchtigen Ganzen verkoppelt. Das Nervensystem ist „lebender Beweis“ dafür, daß komplexe, stark vernetzte Systeme stabile Zustände einnehmen können und zu zielgerichtetem Handeln fähig sind, obgleich sie einer übergeordneten Steuerzentrale entbehren. Die Hoffnung ist nun, daß ein vertieftes Verständnis des Gehirns helfen wird, jene Regeln zu erkennen, die zur Stabilisierung und Selbstorganisation hochkomplexer, dynamischer Systeme beitragen. Diese Regeln sind deshalb von erheblicher Bedeutung, da ähnliche Organisationsprobleme in Öko- und Wirtschaftssystemen, aber auch in sozialen Systemen auftreten.
Während die Erforschung anderer Organe ausschließlich Domäne der Biowissenschaften ist, stellt das Gehirn auch für Psychologen, Linguisten, Psychiater, Neurologen, Verhaltensforscher und Informatiker eine faszinierende Herausforderung dar. Bis vor wenigen Jahren entwickelten sich diese Wissensgebiete jedoch recht autonom.Besonders tief war natürlich die Trennung zwischen den Verhaltenswissenschaften und den biologischen Disziplinen. Insbesondere in Deutschland gab es bis vor einigen Jahren kaum Kontakte zwischen Psychologen und Neurobiologen. Jetzt aber erfolgt Annäherung der verschiedenen Wissensgebiete, wodurch die Hirnforschung in eine besonders erkenntnisträchtige Phase eingetreten ist.
In Einzelfällen kann man jetzt für bestimmte Verhaltensleistungen von Tieren die zugrundeliegenden neuronalen Prozesse über die verschiedenen Ebenen hinweg bis hinunter zu den molekularen Vorgängen fast lückenlos angeben. Ein besonders eindrucksvolles Beispiel ist die Aufklärung von Lernmechanismen bei der Meeresschnecke Aplysia. Faszinierend ist besonders, daß die gleichen molekularen Abläufe auch in der Hirnrinde von Säugetieren gefunden wurden, wo sie ebenfalls mit Lernvorgängen in Verbindung zu stehen scheinen. Ein weiterer Beweis, daß grundlegende und erfolgreiche »Erfindungen« in der Natur über die stammesgeschichtliche Entwicklung der Arten hinweg beibehalten werden.
Auch Teilleistungen komplexer Gehirne konnten auf neuronaler Ebene analysiert werden. Hierzu zählen die Vorverarbeitung von Sinnessignalen, das Erkennen von Mustern, Lern- und Gedächtnisvorgänge und das Entwerfen von Handlungsfolgen. Mit Hilfe leistungsfähiger Rechenanlagen ließen sich zum Beispiel die Neuronengruppen orten, die eine Erinnerung an nur kurz sichtbare Objekte ermöglichen und die sicherstellen, daß eine spätere Greifbewegung zu dem nun unsichtbaren Objekt dennoch zum Ziel führt. Die entsprechenden Zellen werden aktiv, sobald das Objekt erscheint, halten ihre Aktivität aufrecht, auch nachdem es wieder verschwunden ist, und verstummen erst, wenn Minuten später die Bewegung abläuft.
Den Hirnforschern wird es zunehmend möglich, auch für menschliches Verhalten enge Beziehungen zwischen Struktur und Funktion darzustellen. Ganz wesentlich war hierfür die Entwicklung bildgebender Verfahren. Dadurch lassen sich mentale Prozesse wie das Aufrufen von Gedächtnisinhalten, das Vorstellen von Szenen, das stumme Sprechen und das Planen von Handlungen bestimmten Hiruregionen zuordnen. Psychologische Modelle über die Struktur und Repräsentation kognitiver und mentaler Vorgänge können auf diese Weise mit Abläufen im Gehirn in Verbindung gebracht werden. So führt die Analyse von Gedächtnisleistungen zu dem Schluß, daß es verschiedene Arten von Gedächtnis geben müsse: ein prozedurales Gedächtnis, welches das Erlernen und Wiederaufrufen motorischer Fertigkeiten, etwa Fahrradfahren, ermöglicht. Ein räumliches Gedächtnis, ohne das wir uns in einer bekannten Stadt nicht zurechtfinden könnten. Ein episodisches Gedächtnis, das uns erlaubt, eigene Erlebnisse zu erinnern, und schließlich ein deklaratives Gedächtnis, das wir brauchen, um bekannte Objekte benennen zu können.
Neuropsychologische Untersuchungen haben nun tatsächlich gezeigt, daß diese verschiedenen Erinnerungsleistungen aufgrund von Läsionen in unterschiedlichen Hirnregionen einzeln ausfallen können. Ein weiteres Beispiel liefert die Sprachforschung. Linguisten kamen aufgrund sprachenanalytischer Untersuchungen zu dem Schloß, daß es für die Repräsentation von Lexikon und Grammatik, für das Vokabolar und das Regelwerk der Sprache verschiedene funktionell unterscheidbare Module geben müsse. Diese sollten zudem für Erst- und Zweitsprachen unterschiedlich organisiert sein. Neuropsychologen haben dies bestätigt und weitere unerwartete Ergebnisse erzielt. So zeigte sich zum Beispiel, daß Eigennamen an anderen Stellen gespeichert werden als funktionsbezogene Bezeichnungen und hier wiederum Begriffe für Lebewesen anders abgelegt werden als Worte für unbelebte Objekte.
Die Konvergenz vormals getrennter Wissensbereiche findet in zunehmendem Maße auch ihre institutionelle Verankerung in eigenen, interdisziplinär strukturierten Forschungseinrichtungen. In den Vereinigten Staaten gibt es bereits zahlreiche Institute im Bereich der »neuroscience«. In Deutschland, sowohl in den alten wie in den neuen Bundesländern, sind solche Einrichtungen jedoch noch selten. Die Neurowissenschaften werden bei uns vorwiegend von Lehrstühlen in den klassischen Disziplinen der Medizin und Biologie vertreten, gelegentlich auch von biochemisch ausgerichteten Fachbereichen der Chemie. An psychologischen Instituten fehlen sie fast ganz. Dagegen haben sich an vielen physikalischen Instituten neuerdings Arbeitsgruppen konstituiert, die auf dem Teilgebiet »theoretische Neurobiologie« tätig werden. Hier mangelt es jedoch meist an der Verbindung zur Biologie. Entsprechend verschlungen sind oft die Wege, über die Studenten den Zugang zur Hirnforschung finden. Es scheint an der Zeit, darüber nachzudenken, ob wir das fächerobergreifende Unternehmen Hirnforschung nicht durch einen eigenen Studiengang und durch multidisziplinäre Hirnforschungsinstitute besser koordinieren sollten.
Die Tatsache, daß im Bereich der Hirnforschung immer häufiger Brücken geschlagen werden zwischen Beschreibungssystemen, die auf ganz verschiedene Phänomene angewandt werden, wirft erkenntnistheoretische Fragen auf. Die Wissenschaftler setzen voraus, daß sich die Funktionen eines komplexen Systems aus dem Zusammenspiel seiner Einzelkomponenten ergeben, die, jede für sich genommen, weniger komplexe Eigenschaften aufweisen als das Gesamtsystem. Dieser reduktionistische Ansatz ist seit jeher Gegenstand philosophischer Auseinandersetzungen, führt aber im Zusammenhang mit den Neurowissenschaften zu besonders spannenden Fragen. Da er impliziert, daß sich auch psychische und seelische Phänomene Mechanismen zuordnen lassen, die in und zwischen Nervenzellen ablaufen, also an ein materielles Substrat gebunden sind, rührt er an die Grundtesten unseres Selbstverständnisses. Das uralte Leib-Seele-Problem, die Frage nach dem Verhältnis von Geist und Materie, ist mit einem Male nicht mehr nur Gegenstand philosophischer Diskurse, sondern auch ein zentrales Thema der Hirnforschung.
Die neuropsychologischen Befunde und vor allem die entwicklungsbiologischen Erkenntnisse belegen eindrucksvoll, daß mentale Funktionen aufs engste mit der Funktion der Nervennetze verbunden sind. Lässt sich doch bei der Erforschung der Hirnentwicklung Schritt für Schritt nachvollziehen, wie aus der Aggregation einfacher Grundbausteine der Materie zunehmend komplexere Strukturen entstehen und wie der jeweils erreichte Komplexitätsgrad des Systems mit der Komplexität der je erbrachten Leistung zusammenhängt. Die Entwicklung von Gehirnen stellt sich als stetig und im Rahmen der bekannten Naturgesetze erklärbar dar.
Dieser im Alltag des Forschens selten hinterfragten Annahme einer materiellen Gebundenheit mentaler Phänomene wird eine Reihe gewichtiger Argumente entgegengehalten. So führt man an, daß subjektive Empfindungen, sogenannte Qualia, wie die Empfindung von Schmerz oder die Gestimmtheit beim Genuß von Musik, prinzipiell nicht auf Wechselwirkungen zwischen materiellen Komponenten des Gehirns zurückgeführt werden können. Entgegnet wird ferner, daß der reduktionistische Ansatz nicht mit unserer Erfahrung vereinbar sei, über freien Willen zu verfügen und zielgerichtet handeln zu können. Nicht zuletzt wird darauf hingewiesen, daß moralische Kategorien, Wertesysteme und soziale Verantwortung nur aus kulturhistorischen und gesellschaftlichen Bezügen herleitbar und nicht auf die Funktion individueller Gehirne reduzierbar seien.
Wie lässt sich eine Annäherung zwischen diesen scheinbar unversöhnlichen Positionen erreichen? Zunächst muss man sich klarmachen, daß sowohl die Aussagen der Hirnforschung wie die skizzierten philosophischen Positionen nur innerhalb der jeweiligen Beschreibungssysteme Gültigkeit beanspruchen können. In den Geisteswissenschaften wie in den Naturwissenschaften erfolgt alles Erklären, alles Verstehen ausschließlich innerhalb abgegrenzter Bezugssysteme. Als wahr oder zutreffend wird akzeptiert, was innerhalb dieser Wissensgebiete widerspruchsfrei und mit den Phänomenen des jeweiligen Objektbereiches vereinbar ist.
Bei allen Konstrukten und Theorien handelt es sich jedoch immer nur um Beschreibungen von Erfahrungen, die wir als forschende Subjekte machen, also um Produkte der geistesgeschichtlichen Entwicklung. Diese Entwicklung setzte ein, als Hirne damit begannen, ihre Umwelt abzubilden, Begriffe und Symbole für Erfahrungen zu erfinden, sich darüber zu verständigen, sich gegenseitig zu beschreiben. Kurzum, sie fügten der vorgefundenen materiellen Welt eine weitere Ebene hinzu, die aus immateriellen Konstrukten, Beschreibungen und Zitaten besteht, eine Ebene, die zu analysieren sich die geisteswissenschaftlichen Disziplinen vorgenommen haben.
Nun lehrt uns aber die Sinnesphysiologie, daß dem Gehirn durch die Sinnesorgane nur ein sehr eingeschränkter Bereich der umgebenden Welt zugänglich ist. Aus diesem Ausschnitt werden überdies nur jene Merkmale verarbeitet, die zu kennen dem Überleben dienlich ist. Aus diesem bereits stark eingeschränkten Spektrum von Signalen aus der Umwelt synthetisiert das Gehirn dann in einem aktiven Vorgang seine »Erfahrungen«.
Die Wahrnehmungspsychologie liefert eindrucksvolle Beispiele dafür, daß Wahrnehmen ein deutender Vorgang ist, in dem wir unsere Bilder von der Welt konstruieren. Die Regeln, nach denen wir diese Bilder entwerfen, sind naturgemäß im Gehirn verankert und durch dessen funktionelle Architektur vorgegeben. Somit reflektieren sie das in den Genen gespeicherte »Wissen« ebenso wie die Erfahrungen, die während der Individualentwicklung gewonnen wurden.
Akzeptiert man aber, daß unsere Weltbilder Hirnkonstrukte sind, dann erscheint der Konflikt zwischen dem reduktionistischen Ansatz der modernen Hirnforschung und den geisteswissenschaftlichen Positionen lösbar. Die Untergliederung der Welt in die Ebenen der unbelebten Materie, der lebenden Organismen sowie der psychischen und geistigen Prozesse spiegelt dann nur die Koexistenz von Beschreibungssystemen für unterscheidbare Erfahrungen. Aus der Existenz von verschiedenen Beschreibungssystemen folgt jedoch noch nicht, daß sich die in ihnen angesprochenen Phänomene nicht aufeinander beziehen lassen. Es könnte sich zum Beispiel verhalten wie mit den verschiedenen Ansichten eines Gegenstandes. Reduktion oder Erklären würde dann nichts anderes bedeuten als das Herstellen von Bezügen zwischen Phänomenen, die von unterschiedlichen Positionen aus eine unterschiedliche Beschreibung erfahren haben. Dies jedoch ist ein Vorgang, der in den Naturwissenschaften unangefochten und mit großem Erfolg vollzogen wird.
Selbst im Bereich der dinglichen Welt sprechen wir den beobachteten Phänomenen äußerst unterschiedliche Qualitäten zu, weil wir sie als verschieden erleben. So deutet zunächst nichts darauf hin, daß der Druck eines Gases, die Temperatur eines Körpers und das Kräftespiel zwischen zusammenstoßenden Gegenständen aufeinander bezogen werden können. Im BeschreiLungssystem der klassischen Mechanik läft sich der Druck eines Gases dadurch angeben, daß man die Wahrscheinlichkeit und das Moment berechnet, mit dem Gasmoleküle an die Wand des Gefäßes prallen. Andererseits kann der Druck eines Gases aber auch in Abhängigkeit von seiner Temperatur formuliert werden. Beide Beschreibungen sind innerhalb ihrer jeweiligen Bezugssysteme richtig und liefern zutreffende Voraussagen. Nun kann man versuchen, über den in beiden Beschreibungen vorkommenden Begriff des Druckes die Temperatur mit der Bewegung der Moleküle in Beziehung zu setzen. Hierbei wird dann deutlich, dass das Phänomen Temperatur auch als die mittlere kinetische Energie der im Gas enthaltenen Moleküle beschreibbar ist. Es hat ein reduktiver Vorgang stattgefunden, durch den die Äquivalenz von Phänomenen bewiesen werden konnte, die zunächst unabhängig voneinander in unterschiedlichen Beschreibungssystemen definiert wurden.
Nichts anderes ist hiermit gemeint, wenn von Reduktion psychischer Phänomene auf Prozesse in Gehirnen gesprochen wird. Es geht lediglich darum, Phänomene, die in unterschiedlichen Beschreibungssystemen erfasst und definiert wurden, miteinander zu verbinden. Konkret bedeutet dies, daß Beschreibungen für Phänomene, die von den Verhaltens- und Geisteswissenschaften mit Begriffen wie Lernen, Vorstellen, Erinnern oder Empfinden belegt wurden, über Brückentheorien mit Beschreibungen verbunden werden, die die Naturwissenschaften für vergleichbare Phänomene bereithalten. Gelänge dies, käme es im Rahmen dieser intertheoretischen Reduktionen zum ersten Mal zu einem direkten Brückenschlag zwischen Geistes- und Naturwissenschaften.
In Gesprächen über Hirnforschung wird immer wieder die Befürchtung geäußert, sie banalisiere unser Menschenbild, zerstöre metaphysische Dimensionen und degradiere Tier und Mensch zu Maschinen unterschiedlicher Komplexität. Sie erzeuge eine Weltsicht, in der für Freiheit, Intentionalität, Moral und Religion kein Platz mehr sei. Intertheoretische Reduktionen führen aber lediglich zu neuen Beschreibungen, die als Brücken zwischen bereits bestehenden Beschreibungen aufgebaut werden. Sie heben jedoch nicht die in den jeweiligen Systemen dargestellten Inhalte auf. Somit bleibt es uns Menschen belassen, an den erfahrbaren Wirklichkeiten festzuhalten. Jeder Brückenschlag wird dann Begriffe von Materie und Dinglichkeit eher aufwerten, nicht aber unser Menschenbild entwerten. Schließlich sind wir es, die Weltbilder entwerfen und uns unseren Platz darin zuweisen.
Eine weitere, ernst zu nehmende Befürchtung besteht darin, vermehrtes Wissen über Hirnfunktionen könnte Manipulationsmöglichkeiten erschließen, die unsere Fähigkeiten zum verantwortungsvollen Umgang mit Wissen übersteigen. Hier sind, und das gilt für alle Wissensbereiche gleichermaßen, unsere Erziehungssysteme gefordert. Sind sie in der Lage, uns die moralischen Kategorien und Handlungsmaximen an die Hand zu geben, die wir brauchen, um der Zunahme des Machbaren gewachsen zu sein? Es wird immer klarer, daß Verhalten und damit auch Verhaltensstörungen, einschließlich solcher, die von der Gesellschaft als kriminelle Verhaltensweisen klassifiziert werden, wesentlich durch die funktionelle Architektur des Gehirns bestimmt werden. Damit sind sie dem Einfluß der Gene, den frühen Prägungen und verschiedensten Störungen ausgesetzt. Das wird uns in vielen Fällen zu Toleranz und Hilfe verpflichten, wo früher Ausgrenzung und Strafe angewandt wurden. Andererseits können die gleichen Erkenntnisse genutzt werden, um Verantwortung zu leugnen und fatalistische Positionen zu verteidigen.
Da wir aber nun einmal damit angefangen haben, planend und handelnd in jene Abläufe auf unserem Planeten einzugreifen, die uns hervorgebracht haben, können wir nicht umhin, uns weiter mit Wissen über die Bedingungen unserer Existenz zu versorgen. Denn nichts ist vermutlich gefährlicher, als unwissend handeln zu müssen.
Wolf Singer
Gehirn - Mind - Neurolinguistics
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