Zur Erinnerung:- Vorlesung geht weiter für Bioinformatiker am Do (13.12.) im großen Hörsaal der Zoologie, Königin Luisestr. 1-3.Rechter Eingang (Hofeinfahrt nicht Haupteingang!)Beschilderung folgen

Vorschläge für Weihnachtswünsche/Geschenke:

-Gehrard Roth, Fühlen, Denken, Handeln – Wie das Gehirn unser Verhalten steuert. Suhrkamp Verlag, 2001, € 29.80

-Joseph LeDoux, Das Netz der Gefühle. Wie Emotionen entstehen. Carl Hanser Verlag, 1998, € 11.50

-Daniel L. Schacter, Wir sind Erinnerung. Gedächtnis und Persönlichkeit rororo Sachbuch 1999. € 14.90

Was ist Kognition?„Kognition ist ein Prozeß, bzw. eine Fähigkeit, interne neuronale (mentale) Repräsentationen der Umwelt zu bilden, zu speichern und abzurufen.Kognitive Neurowissenschaft beschäftigt sich mit den neuronalen Korrelaten von Kognition.„

Kognition ist die interne Konstruktion eines Weltbildes aus Sinneseindrücken.

René François Ghislain Magritte (1929)

Kognitive Leistungen des menschlichenGehirns

Wahrnehmen, HandelnLernen, Gedächtnis bilden

Planen, ErwartenRegeln extrahieren, Abstraktion

Sprachliche KommunikationDenken, Vorstellen, Erinnern

Kontrolle von Emotionen, Affekten, BedürfniszuständenIch Wahrnehmung, Identifikation mit dem eigenen Körper

Realitätscharakter von Erlebtem, Unterscheidung von Realität und Vorstellung

Bewußtsein

Wie untersucht man Kognition?

Körpergefühl

Karten im Gehirn

Bewegungen

Das „interne Selbstbild“ im somatosensorischen Kortex

Homunculus:

Die Repräsentation der einzelnen Körperteile entspricht der Anzahl an synaptischen Verbindungen und nicht der relativen Grösse der Areale!

Ceci n‘est pas un homme

Kognitive Leistungen des menschlichenGehirns

Wahrnehmen, HandelnLernen, Gedächtnis bilden

Planen, ErwartenRegeln extrahieren, Abstraktion

Sprachliche KommunikationDenken, Vorstellen, Erinnern

Kontrolle von Emotionen, Affekten, BedürfniszuständenIch Wahrnehmung, Identifikation mit dem eigenen Körper

Realitätscharakter von Erlebtem, Unterscheidung von Realität und Vorstellung

Bewußtsein

Medialer temporaler Lobus (deklaratives Lernen)

Die Rolle des Hippokampus beim deklarativen Lernen

Die Geschichte des Patienten HM (Brenda Milner)

Hippocampus: LTP

Kognitive Leistungen des menschlichenGehirns

Wahrnehmen, HandelnLernen, Gedächtnis bilden

Planen, ErwartenRegeln extrahieren, Abstraktion

Sprachliche KommunikationDenken, Vorstellen, Erinnern

Kontrolle von Emotionen, Affekten, BedürfniszuständenIch Wahrnehmung, Identifikation mit dem eigenen Körper

Realitätscharakter von Erlebtem, Unterscheidung von Realität und Vorstellung

Bewußtsein

Rechtes SehfeldLinkes Sehfeld

KortexPrimärer visueller

Die unterschiedlichen Rollen der beiden Hirnhemisphären

Seitenspezifität derbeiden Gehirnhemisphärenfür bewußtwerdende und nicht bewußteHandlungen

Natrium Amytal: ein Narkotikum

„Split-Brain“ Patienten mit durchtrenntem Corpus Callosum

Die Asymmetrie der Gehirnhemisphären

• Meist linke Hemisphäre– Sprachzentren

• Verständnis von Sprache• Produktion von Sprache

– Bewußtsein von deklarativem Wissen (Wissen von Fakten, Orten, Begebenheiten)

• Meist rechte Hemisphäre– Erkennen ohne Bewußtsein– Emotionale Aspekte von

Sprache und Musik– Raumvorstellung

YouTube: Suchen nach „split brain“

Kognitive Leistungen des menschlichenGehirns

Wahrnehmen, HandelnLernen, Gedächtnis bilden

Planen, ErwartenRegeln extrahieren, Abstraktion

Sprachliche KommunikationDenken, Vorstellen, Erinnern

Kontrolle von Emotionen, Affekten, BedürfniszuständenIch Wahrnehmung, Identifikation mit dem eigenen Körper

Realitätscharakter von Erlebtem, Unterscheidung von Realität und Vorstellung

Bewußtsein

Präfrontaler Kortex und Selbstbeherrschung

Der Fall Phineas Gage

• 1848 – ein 6 kg Eisenstab drang unter dem linken Auge in das Gehirn und trat an der Schädeldecke wieder aus.

• Gage überlebte, jedoch mit schweren Persönlich-keitsveränderungen (aggressiv, neigte zu Stimmungsschwankungen, fehlende Impulskontrolle)

Neuromodulatorische Systeme

• Noradrenerges System/Noradrenalin/Locus coeruleus: Aktivierung, Erregung, unspezifische Aufmerksamkeit

• Serotonerges System/Serotonin/Raphe-Kerne: Dämpfung, Beruhigung, Wohlbefinden

• Dopaminerges System/Dopamin/VTA und Nucleus accumbens: Antreibend, belohnend, Neuigkeit

• Cholinerges System/Acetylcholin/basales Vorderhirn: Gezielte Aufmerksamkeit, Gedächtnissteuerung

Kognitive Leistungen des menschlichenGehirns

Wahrnehmen, HandelnLernen, Gedächtnis bilden

Planen, ErwartenRegeln extrahieren, Abstraktion

Sprachliche KommunikationDenken, Vorstellen, Erinnern

Kontrolle von Emotionen, Affekten, BedürfniszuständenIch Wahrnehmung, Identifikation mit dem eigenen Körper

Realitätscharakter von Erlebtem, Unterscheidung von Realität und Vorstellung

Bewußtsein

Wie können wir die Aktivität des Gehirns messen?

Nichtinvasive Methoden• Elektroenzephalogramm (EEG)

Summenableitung der elektrischen Oberflächenaktivität

• Computertomographie (CT)Schichtweise Abtastung durch dünnes, flaches Röntgenstrahlbündel

• Magneto-Enzephalographie (MEG)Messung der megnetischen Felder elektrisch aktiver Neurone mit einem superconducting quantum interference device (SQUID-Biomagnetometer).

• Positronen-Emissionstomographie (PET)Isotopen (C11, N13, F18, O15) senden Positronen aus, die bei Verschmelzung mit Elektronen Gammastrahlung erzeugen, die gemessen wird. Die Menge des Blutflusses wird gemessen, und damit die aktiven Gehirnbereiche.

• Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT)Homogenes sehr starkes Magnetfeld richtet Spin von Protonen aus, Radiowellen stören („wobbling“) – Signal

• funktionelle MRT (fMRT = fMRI)Unterschiedliche magnetische Eigenschaften von Desoxihämoglobin und Oxihämoglobin stellen die „aktiven“ Bereiche im Gehirn dar

funktionelle Kernspintomographie (fMRT)

Nicht invasive Methoden der Messung der Gehirnaktivität (über Sauerstoff-zufuhr): PET (Positronen EmissionsTomographie) und funktionelleKernspintomographie

Positronen Emissions Tomographie (PET)

Wie kann man die Gehirnarbeit messen?

Positronen-Emissions-Tomographie (PET)

Beta-Zerfall

PET - Prinzip

Kandel, Schwartz, Jessel (2000)

Injektion eines radioaktiven Kontrastmittels in die Blutbahn

Kontrastmittel erreicht das Hirn Messung lokalen Blutflusses oder

regionaler Metabolismus Substanzen, die injiziert werden:

Glukose: 18F-fluorodeoxyglucoseBlutfluß: H2

15OLiganden für Rezeptoren: 18F-DOPA

Tagesspiegel, Okt. 2003

Nobelpreis für Medizin, 2003:

Erfindung der MRT (=MRI)

MRI – Scan: Anatomie

Kandel, Schwartz, Jessel (2000)

fMRI – Prinzip: BOLD-fMRI

Kandel, Schwartz, Jessel (2000)

BOLD = blood oxygen level dependent.deoxy-Hb: effizientes Dephasing - schnelle Signalabnahmeoxygeniertes Hb: langsameres Dephasing - stärkeres MRI Signal

magnetoencephalography - MEG

- neural activity- magnetic field- detected by a "biomagnetometer".

magnetoencephalography - MEG

Ali R. Rezai, Alon Mogilner, Neurosurgery, NYU Medical Center

The biomagnetometer is housed in a shielded room weighing over 8,000 kg.

The recording dewar contains magnetic detection coils which are bathed in liquid helium to superconducting temperatures of -269°C.

magnetoencephalography - MEG

Ali R. Rezai, Alon Mogilner, Neurosurgery, NYU Medical Center

The magnetic field data detected by the SQUID.

The magnetic fields emanating from brain activity induce a current in these coils, which in turn produce a magnetic field in a special device called a superconducting quantum interference device (SQUID).

Funktionelle Bildgebung

Es müssen immer zwei Messungengemacht werden: Testsituation/Kontrolle.Die Bilder werden dann von einanderabgezogen. Da die Signale sehr kleinsind, muss dies viele Male wiederholt werden (Mittelwert).

Sprachverarbeitung

Aktivitätsverteilung bei realer und vorgestellterBewegung (funktionelle Kernspin Tomographie)

rot: wahr-genommene Bewegunggrün: vorgestellte Bewegunggelb: überlappende Bereiche

Das Gehirn in Ruhe

Denken?

Kognitive Leistungen des menschlichenGehirns

Wahrnehmen, HandelnLernen, Gedächtnis bilden

Planen, ErwartenRegeln extrahieren, Abstraktion

Sprachliche KommunikationDenken, Vorstellen, Erinnern

Kontrolle von Emotionen, Affekten, BedürfniszuständenIch Wahrnehmung, Identifikation mit dem eigenen Körper

Realitätscharakter von Erlebtem, Unterscheidung von Realität und Vorstellung

Bewußtsein

Aufmerksamkeit

Gazzaniga, Ivry, Mangun: Cognitive Neuroscience

SENSORISCHES ERLEBNIS-B.

AUTORSCHAFTS-B.

HANDLUNGS-PLANUNGS-B

SPRACHLICHESICH

AUTOBIOGRAPHISCHES ICH

ETHISCH-MORALISCHES B.

KÖRPER-B.VERORTUNGS-B.

AUFMERKSAMKEITS-B.

Es gibt mehrere und verschiedene Formen des Bewußtseins,

die sich bestimmten Hirnarealen zuordnen lassen

Bewusstseinszustände als Funktionen der Großhirnrinde: nach Vortrag Gerhard Roth

Kognitive Leistungen des menschlichenGehirns

Wahrnehmen, HandelnLernen, Gedächtnis bilden

Planen, ErwartenRegeln extrahieren, Abstraktion

Sprachliche KommunikationDenken, Vorstellen, Erinnern

Kontrolle von Emotionen, Affekte, BedürfniszuständeIch Wahrnehmung, Identifikation mit dem eigenen Körper

Realitätscharakter von Erlebtem, Unterscheidung von Realität und Vorstellung

Bewußtsein

Wie verändern sich unsere kognitiven Leistungen?

Gehirnentwicklung

Gewicht des Gehirns: • 20 Wochen - 100 g • Geburt – 400 g• 18 Monate – 800 g• 3 Jahre – 1100g• Erwachsen - 1300-1400 g

Hirnentwicklung

Limbisches Systemab 6. Woche derEmbryonalentwicklung

Hippokampusab 22. Woche derEmbryonalentwicklung,

(Verknüpfung mit den Kortexarealen später)

Assoziativer Kortexnach der Geburtbis zum Erwachsenenalter

(nach Spektrum der Wissenschaft)

Die kognitiven Entwicklung von Kindern verläuft parallel zur Gehirnentwicklung

Die Dichte der Synapsen im frontalen Kortex nimmt in den ersten fünf bis acht Lebensjahren zu und dann langsam ab.

Dichte von Synapsenim mediofrontalen Gyrus des Menschen

(Synapsen/ mm3 . 103)

Lebensjahre

Axon Elimination an der NME

Walsh and Lichtman 2003

Nicht nur durch Lernen sondern auch im Laufe der Ontogenese werden Synapsen ständig auf- und wieder abgebaut:Unterschied Lernen – Entwicklung?

Das Gehirn schrumpft im Alter

• Ventrikel vergrössert• Verbreiterung der Sulci• Reduziertes Gewicht und

Volumen• Krankheiten, Schlaganfall• Nachlassen von sensorischer

Leistungsfähigkeit und Kognition

• Altersabhängige Atrophie des Frontallappens

• Alzheimer-assoziierte Atrophie

60 Jahre

98 Jahre

Yankner (2000) Nature

Wort-Erinnerung und -Erkennung

Gedächtnisbeeinträchtigung durch Verlust von Neuronen im Hippocampus

Kognitive Fähigkeiten nehmen im Alter ab, aber die individuellen Unterschiede sind sehr groß.

Alzheimersche Krankheitbetrifft das gesamte Gehirn

Neurobifbrilläre Bündel (tau-Protein)Amyloid Plaques (-amyloid Protein)

Degeneration von Neuronen bei Alzheimer

Parkinsonsche Krankheitbetrifft ausschliesslich das dopaminerge System

Was macht uns zu der Person die wir sind?

Wie wird aus einem Haufen Neuronen ein „Ich“?

Ausgangspunkt

Geistige, von Bewusstsein begleitete Zustände

werden von uns als wesensmäßig verschieden von

„materiellen“ Zuständen („Dingen“) der äußeren

Welt empfunden. Hieraus resultiert der theologisch-

philosophische wie auch der alltagspsychologische

Dualismus von Geist und Körper/Gehirn.

Danach kann Geist prinzipiell nicht naturwissen-

schaftlich erklärt werden.

Dualismus damals und heuteDescartes (1641) 1977

Problem des Dualismus:Verändert sich das Gehirn, verändert sich auch der „Geist“.

Lösung (keine Erklärung):

Geist Materie

Dualismus

Monismus / Materialismus

►NeurophilosophieProblem des Materialismus:

Wenn die makroskopische Realität deterministisch ist, wie können wir Freiheit haben? Verantwortung? Schuld? Kreativität?

Realität Geist Materie

Monismus Dualismus

Aufgrund seiner besonderen Verknüpfungsstrukturen erzeugt das Gehirn

unterschiedliche Ebenen von Binnenbeschreibungen, die sich aufeinander

beziehen und dadurch als eigen-ständig empfinden. Dies erzeugt die

Sphäre des „rein Geistigen“. Diese kann – muss aber nicht – völlig eigene

Gesetze haben.

Johannes Müller Vortrag Gerhard Roth, 02

Lösungen (Erklärung, noch hypothetisch):

Emergenz des Psychischen aus dem Neuronalen

Nichtlineare Prozesse im Gehirn verstärken kontrolliert und flexibel Systemrauschen und generieren so variable Verhaltensweisen, Problemlösungen, Assoziationen, usw.:

So kann das Gehirn Freiheit, Spontaneität, Kreativität erzeugen und daraus erwächst natürlich auch Verantwortung.

Zwar verstehen Neurowissenschaftler noch nichtwie Bewußtsein, Ich Erfahrung, Sprache immenschlichen Gehirn entsteht,es gibt aber keinen Grund anzunehmen, daßandere als physikalische und chemische Gesetzeauch den höchsten kognitiven Leistungen des menschlichen Gehirns zugrunde liegen.

Neurophilosophie und Leib-Seele Problem(mind-matter problem)

Die Hirnforschung kann erklären, unter welchen neuronalen Bedingungen im Gehirn Geist und Bewusstsein entstehen.

Geist findet im Rahmen bekannter Naturgesetze statt, er transzendiert diese nicht.

Die Hirnforschung kann auch plausibel machen, wie es im Gehirn zu psychischen Zuständen kommt, die „nur sich selbst erleben“, ebenso wie psychosoziale Phänomene.

Die Hirnforschung muss nicht erklären, was Geist und Bewusstsein wesensmäßig sind. Ein „Wesen der Dinge“ gibt es nicht.

Johannes Müller Vortrag Gerhard Roth, 02

Prof. Dr. Freerk Huisken:„Hirnforscher machen mobil - gegen den Verstand“ 15. Januar 2008FU-Berlin, Hörsaal 1A, Silberlaube (Habelschwerdterallee 45, U Dahlem-Dorf), 18:00h http://fhuisken.de

Dualismus in den Geisteswissenschaften heute