Gehirnfunktionen
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Fakultät für Informatik – Humanoids and Intelligence Systems Lab – Institut für Anthropomatik Mittwochs von 12:15-13:45 Gehirnfunktionen Denken, Lernen, Intelligenz & Kognition Uwe Spetzger Neurochirurgische Klinik, Klinikum Karlsruhe Fakultät für Informatik – Humanoids and Intelligence Systems Lab – Institut für Anthropomatik Mittwochs von 12:15-13:45 / Sommersemester 2011 Vorlesungswebseite: http://his.anthropomatik.kit.edu/28_661.php Die Folien sind passwortgeschützt, der Zugang lautet: Benutzer: gehirn2011 Passwort: zns2011 Uwe Spetzger Neurochirurgische Klinik, Klinikum Karlsruhe Sinne und Sinneswahrnehmung Sehen – Auge – Visuelle Wahrnehmung Fühlen – Haut – Sensorik (Sensibilität) Hören – Ohr – Akustische Wahrnehmung Riechen – Nase – Olfaktorische W. Schmecken – Zunge – Gustatorische W. Denken & Lernen Denken ist eine psychologische Grundfunktion und bedeutet geistige Modelle bilden oder zueinander in Beziehung setzen. Denken ist die Sprache des Geistes. In der Bildungssprache und im Alltag bedeutet Denken eine Vielzahl von psychologischen Funktionen: Vorstellung, Phantasie, Bewusstseinsinhalte vergegenwärtigen oder reflektieren, erinnern, urteilen, schließen, empfinden, fühlen, wahrnehmen, werten, konstruieren, etc. Die Fähigkeit Informationen assoziativ zu klassifizieren, sie damit vergleichend zu analysieren, und daraus Schlussfolgerungen zu ziehen, die ihrerseits wieder auf ihre Richtigkeit vergleichend analysiert werden. Lernen bedeutet der Erwerb von geistigen, körperlichen, sozialen Kenntnissen, Fähigkeiten und Fertigkeiten. Die Fähigkeit zu lernen ist für Mensch und Tier eine Grundvoraussetzung dafür, sich den Gegebenheiten des Lebens und der Umwelt anpassen zu können, darin sinnvoll zu agieren und sie gegebenenfalls im eigenen Interesse zu verändern. So ist für den Menschen die Fähigkeit zu lernen auch eine Voraussetzung für Bildung, also ein reflektiertes Verhältnis zu sich, zu den anderen Lebewesen und zur Umwelt. Intelligenz Die Neuropsychologie beschäftigt sich unter anderem auch mit den neuronalen Grundlagen der Intelligenz bzw. der Verarbeitung von Informationen bzw. Signalen beim Menschen. Für die Intelligenz besonders relevant sind die Vorgänge im Großhirn, wogegen das Kleinhirn und phylogenetisch ältere Bereiche (z. B. das Stammhirn) in der Forschung zu neuronalen Grundlagen der Intelligenz weniger Beachtung finden. Dies heißt jedoch nicht, dass Intelligenz in bestimmten Bereichen lokalisiert werden kann, eine gewisse dezentrale Organisation von Informationsverarbeitungsprozessen ist dennoch wahrscheinlich. In der Informatik beschäftigt man sich mit dem Thema im Rahmen der Forschung zur Künstlichen Intelligenz (KI). Sie bezeichnet die Nachbildung menschlicher Intelligenz innerhalb der Informatik. Die KI findet Einsatz in der ingenieurwissenschaftlichen oder medizinischen Technik. Mögliche Anwendungsszenarien sind: Optimierungsprobleme (Schienenverkehr), Umgang mit natürlicher Sprache (automatisches Sprachverstehen, automatisches Übersetzen, Suchmaschinen im Internet), Umgang mit natürlichen Signalen (Bildverstehen und Mustererkennung) in der Radiologie. Intelligenz ...ist die geistige Leistungsfähigkeit, d. h. vereinfacht ausgedrückt, die Fähigkeit, Probleme und Aufgaben effektiv und schnell zu lösen sowie sich in ungewohnten Situationen zurecht zu finden. Einige Wissenschaftler gehen von einem einzigen, bereichsübergreifenden Intelligenzfaktor, dem "Generalfaktor g" aus, andere Forscher wiederum befürworten eine ganze Palette voneinander relativ unabhängiger Intelligenzen wie verbales Verständnis, räumliches Vorstellungsvermögen, Gedächtnis und Zahlenverständnis. Der amerikanische Psychologe Howard Gardner spricht von “multiplen Intelligenzen". Analysen nach dem Tod zeigen, dass gebildete und intelligente Personen mit mehr Synapsen sterben als weniger gebildete und weniger intelligente Menschen. Man weiß nicht, ob Personen mit mehr Synapsen eine höhere Bildung suchen oder Bildung das Wachstum von Synapsen anregt. Erbe oder Umwelt? Es besteht heute Konsens, dass sowohl Vererbung als auch Umwelteinflüsse bei der Intelligenzentwicklung eine Rolle spielen. Uneinigkeit herrscht allerdings in welchem Umfang die einzelnen Faktoren relevant sind. Einem Review von 2010 zufolge reichen die Schätzungen über den genetischen Anteil der Varianz von Intelligenz von 30 - 80%. Intelligenz Frauen und Männer erreichen jedoch im Durchschnitt bei Intelligenztests die gleichen Mittelwerte. Dies ist dadurch zu erklären, dass dieses Ergebnis von den Testkonstrukteuren erwünscht ist. Aufgaben, von denen man weiß, dass eines der beiden Geschlechter besser abschneiden würde, werden von vorneherein nicht zur Konstruktion von Intelligenztests herangezogen. Die Varianz in den IQ-Werten ist jedoch bei Männern größer als bei Frauen. Es gibt sowohl mehr hochbegabte, als auch mehr schwach begabte Männer, während Frauen sich eher im durchschnittlichen Bereich der IQ-Werte finden. Der Intelligenzquotient (IQ) ist ein Maß zur Bewertung des allgemeinen intellektuellen Leistungsvermögens eines Menschen. Er wird mit einem Intelligenztest ermittelt und vergleicht die Intelligenz eines Menschen mit dem, anhand einer Normstichprobe, geschätzten Durchschnitt der Gesamtbevölkerung im vergleichbaren Alter. Dieser Durchschnittswert wird als 100 definiert. Für die Abweichung der IQ-Werte einzelner Testpersonen vom Mittelwert wird eine Normalverteilung angenommen, wobei der Standardabweichung der Zahlenwert 15 IQ-Punkte zugeordnet wird. Intelligenz und Medikamente Mittlerweile ist es möglich Teilfaktoren der Intelligenz gesunder Erwachsener pharmakologisch zu verbessern. So steigert der Wirkstoff Methylphenidat die Kapazität des räumlichen Arbeitsgedächtnisses und die Fähigkeit zum Planen, sofern es sich um unbekannte Aufgaben handelt. Methylphenidat ist ein stimulierendes Medikament. Es gehört zu den Amphetaminähnlichen Substanzen, die derzeit hauptsächlich bei der Aufmerksamkeitsdefizit/Hyperaktivitätsstörung (ADHS) eingesetzt werden. Daneben findet Methylphenidat Anwendung bei der Narkolepsie und zur Steigerung der Wirksamkeit von Antidepressiva bei therapieresistenten Depressionen. Methylphenidat wurde erstmals 1944 von Leandro Panizzon, einem Angestellten der schweizerischen Firma Ciba synthetisiert. Zu der damaligen Zeit war es nicht unüblich, Selbstversuche mit neu entwickelten Substanzen durchzuführen – so probierten auch Leandro Panizzon und seine Ehefrau Marguerite („Rita“) Methylphenidat aus. Besonders beeindruckt war Marguerite davon, dass sich ihre Leistung im Tennisspiel unter Einnahme dieses Medikaments steigerte. Von ihrem Spitznamen Rita leitet sich der bekannte Handelsname für Methylphenidat ab. Ritalin wurde 1954 auf dem deutschsprachigen Markt eingeführt, bis 1971 rezeptfrei, danach BTM-pflichtig. Intelligenz und Medikamente Modafinil dagegen erhöht die Leistung bei der Mustererkennung und beim räumlichen Planen und verbessert das Kurzzeitgedächtnis für Zahlen. Modafinil ist ein Medikament zur Behandlung der Narkolepsie. Die Substanz gehört zur Gruppe der “Psychostimulanzien”. Modafinil wird aufgrund seiner wachhaltenden und konzentrationsfördernden Wirkung zunehmend als „Brainbooster“ missbraucht. Ähnlich wie Methylphenidat wird es vor Klausuren oder der Arbeit konsumiert, um die kognitive Leistungsfähigkeit zu verbessern. Im Sport gilt Modafinil als verbotene Dopingsubstanz. Weitere Mediamente sind Physostigmin (Acetylcholinesterase-Hemmer) verbessert das Arbeitsgedächtnis bei der Gesichtserkennung. Acetylcholinesterase ist ein Enzym welches den Neurotransmitter Acetylcholin (ACh) in Essigsäure und Cholin hydrolysiert. Die Acetylcholinesterase wird auch durch das Insektizid Parathion (E 605) oder z. B. die chemischen Kampfstoffe Sarin und Tabun gehemmt. Das Enzym (Acetylcholinesterase) wird so unwirksam und ACh verbleibt in höherer Konzentration im synaptischen Spalt. Die Erhöhung des Parasympathikotonus kann zu Krämpfen des Magen-Darm-Traktes und zum Tod durch Atemlähmung führen. Intelligenz und Medikamente Das Hormon Erythropoetin, von dem angenommen wird, dass es die Neuroplastizität erhöht, vergrößert eine Woche nach einer einmaligen Injektion die Wortflüssigkeit. Schließlich steigert auch der sich noch in der Zulassungsphase befindliche Nikotinagonist GTS-21 die Leistungsfähigkeit des Arbeitsgedächtnisses. Neuropsychopharmacology (2003) 28, 542–551. Safety, Pharmacokinetics, and Effects on Cognitive Function of Multiple Doses of GTS-21 in Healthy, Male Volunteers This study was designed to determine the safety, tolerability, pharmacokinetics and effects on cognitive function of GTS-21 in healthy, male volunteers. A total of 18 subjects were randomized to GTS-21 (25, 75 and 150 mg) or placebo administered three times daily (first 4 days, once on Day 5) for three, 5-day sessions. GTS-21 was well tolerated up to doses of 450 mg/day, with no clinically significant safety findings. Cmax and the area under the plasma concentration of GTS-21 and the metabolite 4-OH-GTS21 increased in a dose-related fashion; although considerable intersubject variability occurred, it decreased with continued dosing. GTS-21 showed statistically significant enhancement of three measures of cognitive function (attention, working memory, episodic secondary memory) compared to placebo. A relationship between exposure to GTS-21 and the magnitude of the cognitive response was apparent, with maximal effect approached for doses between 75 and 150 mg three times a day. These data indicate that GTS-21 may represent a novel treatment for dementia. Study NCT00783068 Information provided by Radboud University First Received: October 30, 2008 Last Updated: November 4, 2010 Anti-inflammatory Effects of GTS-21 Kognition Oberbegriff für die höheren geistigen Funktionen, insbesondere Denken, Erkennen, Wahrnehmung und Verstand. Überbegriff für alle Prozesse, die mit dem Erkennen einer Situation zusammenhängen: Wahrnehmung, Erkennen, Beurteilen, Bewerten, Verstehen, Erwarten. Obgleich ältere Definitionen eine weitgehende Gleichstellung der Begriffe aufweisen, werden in zunehmendem Maße sowohl im allgemeinen als auch im fachlichen Sprachgebrauch kognitive Fähigkeiten mehr und mehr von geistigen Fähigkeiten abgegrenzt, um den qualitativen Unterschied zwischen Gehirn und Geist herauszustellen. Zu den kognitiven Fähigkeiten eines Menschen zählen zum Beispiel: Aufmerksamkeit – Wahrnehmungsfähigkeit – Erkenntnisfähigkeit – Schlussfolgerung – Urteilsfähigkeit – Erinnerung – Merkfähigkeit – Lernfähigkeit – Abstraktionsvermögen – Rationalität Gedächtnis Ist die Fähigkeit, Wahrnehmungen (Sinnesreize) und psychische Erlebnisse zu merken (engrammieren) und sich zu erinnern (ekphorieren). Merkfähigkeit und Gedächtnis lassen sich eigentlich nicht trennen, da Engramme nur durch die Erinnerung kontrolliert werden können. Das Gedächtnis ist ein wesentliches Intelligenzmerkmal. Gedächtnisverlust = Amnesie Amnesie kann sowohl nach Unfällen, beispielsweise bei einem Schädel-Hirn-Trauma oder einer Gehirnerschütterung, als auch bei Epilepsie, Meningitis, Enzephalitis oder auch einem Hirninfarkt (Schlaganfall) auftreten. Mögliche Ursachen für eine Amnesie sind außerdem die Hypoxie, die Demenz oder Migräne oder eine Elektrokonvulsionstherapie. Amnesie kann auch durch Vergiftungen, wozu hier auch Alkohol oder andere Drogen gezählt werden, hervorgerufen werden, insbesondere wenn der Alkoholmissbrauch über lange Jahre betrieben wird (Korsakow-Syndrom). Medikamentös ist dies bisweilen auch durch Langzeitmedikamententherapie mit Stoffen wie Midazolam oder Flunitrazepam bedingt. Zuführung von Morphin oder Fentanyl, kann ebenso wie Sedierung (z. B. Propofol) diese Folge haben. Gedächtnis Sensorisches Gedächtnis (Ultrakurzzeitgedächtnis) speichert Informationen für Millisekunden bis 20 Sekunden elektrische Impulse Arbeitsgedächtnis (Kurzzeitgedächtnis) speichert Informationen über Minuten bis mehrere Stunden Bildung von Proteinketten in spez. Neuronen (second messanger cAMP) Langzeitgedächtnis speichert Informationen über Jahre Einlagerung der Proteine in Neuronen Demenz Demenz Demenz ist der Oberbegriff für Erkrankungsbilder, die mit einem Verlust der geistigen Funktionen wie Denken, Erinnern, Orientierung und Verknüpfen von Denkinhalten einhergehen und die dazu führen, dass alltägliche Aktivitäten nicht mehr eigenständig durchgeführt werden können. Dazu zählen die Alzheimer-Demenz, die Vaskuläre Demenz, Morbus Pick, Frontotemporale Demenz und weitere Demenzformen. Derzeit leiden in Deutschland etwa 1,2 Millionen Menschen an einer Demenz – Tendenz steigend. Das Risiko steigt mit dem Alter. So leidet im Alter zwischen 65 und 69 Jahren jeder Zwanzigste an einer Demenz, zwischen 80 und 90 ist schon fast jeder Dritte betroffen. Die Hälfte aller Menschen über 95 haben eine Demenz. Es wird eine erhebliche Zunahme an Demenzerkrankungen erwartet (2030 wird mit 2,5 Millionen Betroffenen gerechnet). Demenzformen Alzheimer-Demenz Die häufigste Form der Demenzerkrankungen ist die Alzheimer-Demenz. Ca. 60 % aller Demenzen werden durch eine Alzheimer-Demenz hervorgerufen. Es gehen in bestimmten Bereichen des Gehirns Nervenzellen zugrunde durch Störungen des Gleichgewichts des Botenstoffs Glutamat. Man spricht auch von einer neurodegenerativen Demenz. Bei der Behandlung der Alzheimer-Demenz ist es wichtig, die Störungen im Bereich der Botenstoffe durch Gabe von Antidementiva (z.B. Memantine) positiv zu beeinflussen. Vaskuläre Demenz Die vaskuläre Demenz kann aufgrund von Durchblutungsstörungen entstehen. Hier kann es zu plötzlichen Verschlechterungen der Hirnleistung und zur schlaganfallartigen Symptomatik kommen. Sekundäre Demenzen Sekundäre Demenzen werden durch nicht-hirnorganische Grunderkrankungen hervorgerufen. Bei erfolgreicher Behandlung der Grunderkrankungen können sich die Gedächtnisstörungen zurückbilden. Ursachen für eine sekundäre Demenz können z.B. Stoffwechselstörungen, Schilddrüsenerkrankungen, ein Mangel an Vitamin B12, Alkoholismus oder andere chronische Vergiftungen und Infektionskrankheiten wie Hirnhautentzündungen, AIDS oder die Creutzfeldt-Jakob-Krankeit sein. Alzheimer Demenz Die Ursache der Alzheimer-Krankheit ist das Absterben von Gehirnzellen. Im Verlauf der Krankheit werden immer mehr der bereits von Alois Alzheimer beschriebenen Amyloide (Eiweiß-Spaltprodukte) im Gehirn ablagern. Sie behindern die Reizübertragung zwischen den Nervenzellen, die für Lernprozesse, Orientierung und Gedächtnisleistungen unerlässlich ist. Die Kommunikation zwischen Neuronen findet über Neurotransmitter statt. Diese werden in den synaptischen Spalt abgegeben und binden an bestimmte Rezeptoren (Schlüssel-Schloss-Prinzip der neuronalen Signalweiterleitung).Bei der AlzheimerDemenz spielen vor allem Glutamat und Azetylcholin eine Rolle. Bei Alzheimer-Patienten wird im Laufe ihrer Erkrankung immer weniger Azetylcholin produziert. Der zunehmende Botenstoffmangel macht sich durch Lern- und Erinnerungsstörungen bemerkbar. Der Neurotransmitter Glutamat steuert ca. 70% aller Nervenzellen. Beim gesunden Menschen sorgt Glutamat dafür, dass Lern- und Gedächtnisvorgänge stattfinden können. Bei Patienten mit Demenz ist die Glutamatkonzentration zwischen den Nervenzellen anhaltend erhöht, die Nervenzellen werden quasi dauererregt. Dadurch können (Lern-) Signale nicht mehr richtig erkannt und weitergeleitet werden. Schließlich kann die Nervenzelle der ständigen Überreizung nicht mehr standhalten, verliert ihre Funktionsfähigkeit und stirbt letztlich ab. Höhere Hirnleistungen Optimale Nutzung der zwei Hirnhälften Prof. Roger Sperry (Neurobiologe) erhielt 1981 den Nobelpreis für Medizin für seine Forschungen über Split-brain-Patienten (Entdeckung: dass unser Großhirn aus zwei physiologischen Hemisphären besteht, die unterschiedliche Funktionen haben) Je stärker der Mensch beide Seiten des Gehirns beansprucht, umso mehr kommt die Entwicklung der einen Seite auch der anderen zugute. Weiter wurde bewiesen, dass die Beanspruchung der unterschiedlichen Funktionsbereiche des Gehirns die Gesamtkapazität des Gedächtnisses erhöhte. Welche Gehirnhälfte wird in unserem Schul- und Bildungssystem hauptsächlich angesprochen? ………Es ist die linke Seite. Das Gedächtnistraining hat nun die Aufgabe, nicht nur die linke, sondern insbesondere auch die gefühl- und phantasieorientierte rechte Gehirnhälfte in den Merkprozess mit einzubeziehen. Durch Einsatz der rechten Gehirnhälfte (Phantasie, Assoziationen), wurde die Funktion der linken Gehirnhälfte (Liste merken) auf optimale Weise unterstützt. Wenn Sie darauf achten, dass immer beide Gehirnhälften in Betrieb sind, steht Ihnen auf dem Weg zu einem Superhirn nicht mehr viel im Wege. Topographie höherer Funktionen Rechtes Gehirn – linkes Gehirn Lokalisation unterschiedlicher Funktionen Geschlechtsspezifische Unterschiede Split-brain Versuche Patienten mit durchtrenntem Corpus callosum (Balken) Faserverbindung zwischen den beiden Großhirnhälften (OP bei bestimmten Epilepsieformen). Die rechte und linke Großhirnhemisphäre können nicht mehr miteinander kommunizieren. Die Sehinformation kann nicht mehr von einer Seite zur anderen. Im normalen Gehirn gelangen Eindrücke aus dem rechten Teil des Gesichtsfeldes – also normalerweise von der linken Hälfte der Netzhaut beider Augen – zur linken Hemisphäre und umgekehrt. Im Test mussten die Split-Brain-Patienten einen Punkt geradeaus fixieren und es wurden rechts und links Bilder auf einen Schirm projeziert. Was im rechten Gesichtsfeld auftauchte, demnach in der linken Gehirnhälfte verarbeitet wurde, konnten sie korrekt beschreiben; erschien dasselbe Bild jedoch im linken Feld, sahen sie – nun unter Benutzung der rechten Hirnhälfte – angeblich gar nichts. Sollten sie allerdings das Bild nicht benennen, sondern auf einen ihm gleichen Gegenstand deuten, konnten sie das ohne weiteres. Demnach sah das rechte Gehirn die Abbildung durchaus und vermochte eine sinnvolle Reaktion auszulösen, nur eben nicht in sprachlicher Form. Gedächtnis Neuroinformatik Die Neuroinformatik befasst sich mit der Informationsverarbeitung in neuronalen Systemen, um diese in technischen Systemen anzuwenden In der Neuroinformatik geht es um die innere Arbeitsweise des Gehirns. Es wird versucht die Arbeitsweise des Gehirns zu untersuchen indem man seine Grundbausteine wie z.B. die Neurone, Synapsen und deren Verschaltungen simuliert Dies steht im Gegensatz zur KI, deren Ziel es ist, Maschinen oder Programme zu entwickeln, die sich im Ergebnis "intelligent" verhalten Zudem ist zu die Neuroinformatik zu unterscheiden von Computational Neuroscience, welche aus der Neurobiologie kommt und sich mit dem Verständnis biologischer neuronaler Systeme mittels mathematischer Modelle beschäftigt Teilgebiete der Neuroinformatik Neuronale Methoden werden vor allem dann eingesetzt, wenn es darum geht, aus schlechten oder verrauschten Daten Informationen zu gewinnen, aber auch Algorithmen, die sich neuen Situationen anpassen, also lernen, sind typisch für die Neuroinformatik Assoziativspeicher sind eine besondere Anwendung neuronaler Methoden, und damit oft Forschungsgegenstand der Neuroinformatik. Viele Anwendungen für künstliche neuronale Netze finden sich auch in der Mustererkennung und vor allem im Bildverstehen Beispiele: Radiologische Befundung (automatische Detektion: physiologisch vs. pathologisch) Segmentierung von Bilddaten (manuell – halbautomatisch – automatisch) Computer vs. Gehirn Obwohl in der reinen Rechenleistungen durchaus vergleichbar, ist die kognitive Leistung eines Spatzenhirns der eines jeden Supercomputers weit überlegen Das betrifft insbesondere für die Fähigkeiten: Mustererkennung und Musterverarbeitung Lernfähigkeit von zielgerichteter Steuerung der Bewegungen Überlebensfähigkeit in einer komplexen Umgebung die ständig neue Anpassungsleistungen erfordert Wichtige Charakteristika die das Gehirn vom Computer unterscheiden und die zumindest teilweise den trotz der außerordentlich geringen Geschwindigkeit der neuronalen Schaltkreise erheblichen Performanzvorteil des Gehirn erklären sind: Hochgradige Parallelverarbeitung Integration von Spezialhardware in Form funktionsspezischer Neuromodule Keine Trennung von Hard- und Software Die Funktion des Gehirns folgt aus seiner Architektur und wird hauptsächlich in der Auseinandersetzung mit der Umwelt erworben (adaptives & situatives Lernen) Der Unterschied zwischen Hirn und Computer kommt aber insbesondere auch in der Robustheit des Hirns gegenüber Störungen aller Art zum Ausdruck Fakultät für Informatik – Humanoids and Intelligence Systems Lab – Institut für Anthropomatik Mittwochs von 12:15-13:45 Gehirn und Zentrales Nervensystem Diskussion & Fragen Struktur, Informationstransfer, Reizverarbeitung, Neurophysiologie und Therapie Uwe Spetzger Neurochirurgische Klinik, Klinikum Karlsruhe
