Das Gehirn für Eierköpfe

Leseprobe aus:
Emily Anthes
Das Gehirn für Eierköpfe
Mehr Informationen zum Buch finden Sie auf rowohlt.de.
Copyright © 2013 by Rowohlt Verlag GmbH, Reinbek bei Hamburg
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 top-
modernen 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
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
Eierkopf-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
KAPITEL EINS
REINE KOPFSACHE:
HIRNSTRUKTUREN
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 sen12
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
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
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 Ner-
venzelle 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 Fluchtre-
flex 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
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
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
x
zum Angeben
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
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 Autobahn
zum Gehirn ist, dann ist eine Rückenmarksverletzung mit
dem Zusammenbruch der einzigen Brücke vergleichbar. Der
Signalverkehr 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-Darstel18
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
x
zum Angeben
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
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
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
x
zum Angeben
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