Neurowissenschaften

Ein grundlegendes Lehrbuch für Biologie, Medizin und Psychologie

1. Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft der Neurowissenschaften

1970 : Gründung der Fachgesellschaft der Neurowissenschaften ,,Society for Neuroscience"

A) Die Urspünge der Neurowissenschaften

- Vorstellungen vom Gehirn in der grichischen Antike

- eindeutiger Zusammenhang zwischen Struktur(Aussehen) und Funktion

- 4. Jahrhundert vor Christus: Das Gehirn ist das Organ der Sinneswahrnehmung

- Hippocrates der Begründer der Medizin des Westens

-> das Gehirn war ihm nach ebenfalls der Sitz des Verstandes

- Aristoteles: seiner Meinung nach ist das Herz der Sitz des Verstandes

-> Das Gehirn war ein Ventilator der die Funktion hat das Blut abzukühlen, welches durch das Herz

überhitzt wurde. Dadurch wurde dann auch die rationale Veranlagung des Menschen erklärt

- Vorstellung vom Gehirn im Römischen Reich

- griechische Arzt und Schriftsteller Galen ( etwa 130-200 n.Chr)

-> er versuchte anhand von Sektionen an Tieren (vor allem Schafe) die Funtionen von Großhirn

(Cerebrum) und Kleinhirn (Cerebellum) abzuleiten

-> Großhirn als Empfänger der Sinneswahrnehmungen und Kleinhirn muss die Muskeln befehligen

- Er fand heraus dass zur Ausbildung von Errinnerungen Sinneswahrnehmungen in das Gehirn

eingeprägt werden müssen

- Realität: Das Großhirn befasst sich mit Sinneswahrnehmungen und Empfindungen und ist der

Errinnerungsspeicher und das Kleinhirn ist das Kontrollzentrum der Bewegungen

-> hier wurde aus falschen Gründen die richtige Shclussfolgerung gezogen

- Gallen fand heraus dass das Gehirn hohl ist: Die Hohlräume (Ventrikel) sind mit Flüssigkeit gefüllt

-> Der Körper funktionniert dank dem Gleichgewicht von 4 lebenswichtigen Flüssigkeiten (humores)

-> Sinneswahrnehmungen wurden empfangen und Bewegungen ausgeübt durch die Verschiebung

der Flüssigkeit aus den Ventrikeln des Gehirn heraus

- Nerven waren zu dieser Zeit hohle Schläuche wie die Blutgefäße

- Gallens Auffassung war fast 1500 Jahre vorherrschend

- Vorstellung vom Gehirn von der Renaissance bis in das 19. Jahrhundert

- Andreas Vesalius (1514 - 1564): Entdeckung weiterer Einzelheiten der Gehirnstruktur

- frühes 17. Jahrhundert: Vorstellung dass das Gehirn eine maschinenartige Funktion besitzt

-> Flüssigkeit die asu den Ventrikel durch die Nerven gedrückt werden, soll den Menschen

aufpumpen.

- René Descartes (1596 - 1650) : Menschen besitzen ihm nach ein Intellekt und eine von Gott

gegebene Seele

-> die Mechanismen des Gehirn steuern den Menschen nur in so weit wie es sich um tierähnliche

Verhaltensweisen handelt

- Heute: Der Geist besitzt eine physikalische Basis, das Gehirn.

- Das Hirngewebe besteht aus einer grauen und einer weißen Substanz

-> weiße Substanz enthält die Fasern die die Informationen hinzur grauen Substanz und weg von

dort transportieren.

- Ende des 18. Jahrhunderts: Das Nervensystem besitzt eine zentrale Eiheit die aus dem Gehirn und

dem Rückenmark besteht

- Beobachtung dass bei jedem Individuum in etwa das gleiche Muster von Windungen (Gyri) und

furchen (Sulci) auf der Hirnoberfläche vorkommt

-> Beginn der Lokalisation von Hirnfunktionen

- Zusammenfassung der vorherrschenden Ansichten des 18. Jahrhunderts:

1) Eine Verletzung des Gehirns kann die Sinneswahrnehmungen, das Bewegungsvermögen, und das

Denken beeinträchtigen und zum Tod führen

2) Das Gehirn kommuniziert mit dem Körper über Nerven

3) Das Gehirn besitzt verschiedene identifizierbare Teile, die wahrscheinlich unterschiedlichen

Funktionen dienen

4) Das Gehirn funktionniert wie eine Mschine und unterliegt den Naturgesetzen

- Vorstellung vom Gehirn im 19. Jahrhundert

1) Nerven als ,,Kabel"

- 1751: Benjamin Franklin veröffentlicht ,,Experiments and Observation on Electricity"

- Luigi Galvani und Emil du Bois-Reymond: Muskeln werden zum Zucken angeregt wenn Nerven

elektrich angeregt werden und das Gehirn kann selbst Elektrizität erzeugen

-> Diese Entdeckungen verdrängen vorherrige Anssichten (Flüssigkeit durch Nerven strömen)

-> neue Vorstellung: Nerven sind ,,Kabel" die elektrische Signale aus dem Gehirn übertragen (viele

dünnen nervenfasern die Informationen in unterschiedliche Richtungen versenden können)

- 1810: Charles Bell und François Magendie

-> Nerven teilen sich kuerz vor ihrer Anbindung an das Rückenmark in zwei Stränge auf

-> Der Schnitt durch die ventralen Wurzeln führt zu einer Lähmung der Muskeln

-> dorsale Wurzeln transportieren Informationen der Sinnerwahrnehmung zum Rückenmark

-> Schlussfolgerung: Nerven sind ,,Kabel" von denen einige Informationen zum Gehirn und zum

Rückenmark transportiert und andere an die Muskeln versendet werden.

-> immer nur in eine Richtung!

2) Lokalisation spezifischer Funktionen in verschiedenen Bereichen des Gehirns

- 1811: Bell postuliert dass der Ursprung der motorischen Fasern im Kleingehirn liege und das

Zielgebiet der sensorischen Fasern im Großgehirn.

-> Möglichkeit der Untersuchung: experimentelle Ablation (=Gehirnbereiche zerstören und auf

sensorische oder motorische Defizite zu warten)

- Marie Jean Pierre Flourens: Das Kleinhirn ist bei der Koordination von Bewegungen von großer

Bedeutung. Zudem untermauerte er die Annahme dass das Großhirn mit Sinneswahrnehmungen

und Empfindungen befasst ist (unterschiedliche Funktionen)

- Franz Joseph Gallen (1809): Phrenologie (=Neigungen zu bestimmten Persönlichkeitsmermalen

könnten mit den Maßen des Kopfes in Verbindung stehen)

-> Flourens Kritikpunkte(er sah das Großgehirn als Ganzes das ma nicht einteilen konte):

1) Die Schädelform entspricht nicht der Form des Gehirns

2) Verschiedene Merkmale sind nicht auf die Bereiche des Großhirns begrenzt

3) Alle Bereiche des Großhirns sind an den Hirnfunktionen beteiligt (stellte sich als falsch heraus)

- Paul Broca: Der Bereich des Großhirns ist spezifisch für die Erzeugung von Sprache zuständig

- Gustav Fritsch und Eduard Hitzig: Tierversuche die bewiesen dass durch das Anlegen von

elektrischen Stömen an eine umschriebe Region der freigelegten Hirnoberfläche bestimmte

Bewegungen auslöst

- David Ferrier (1881) zeigte dass das Entfernen eine Region des Großhirns zu einer Lähmung der

Muskeln führen kann

- Hermann Munk behauptete dass der Okzipizallappen des Großhirns für das Sehvermögen

erforderlich ist.

3) Die Evolution des Nervensystems

- Charles Darwin (1859): Veröffentlichung ,,Vom Ursprung der Arten"

-> Die biologischen Arten entwickelten sich aus einem gemeinsamen Vorfahren. Die Unterschiede

zwischen den Arten entstehen durch einen Prozess, den er als natürliche Selektion bezeichnet.

-> Viele Säugetierarten zeigen bei Angst die selbe Reaktion ( Ähnlichkeit des Reaktionsmusters weist

darauf hin dass unterschiedliche Arten von einem gemeinsamen Vorfahren abstammen müssen)

-> Da Verhalten ein Ausdrück der Aktivität des Nervensystems ist, lässt daraus schliessen dass die

Gehirnmechanismen bei vielen Arten übereinstimmen

-> Grundlage dafür Tierversuche auf Menschen zu übertragen

-> Man benutzt Tiermodelle um gewisse Vorgänge zu untersuchen ( Ratten: Erforschung der

Auswirkungen psychoaktiver Substanzen wie Kokain auf das Nervensystem)

- Die Verhaltensmerkmale sind an die Umwelt und Umgebung angepasst: unterschiedliche Teile des

Gehirns sind aud Verhaltensfunktionen spezialisiert.

4) Das Neuron: Die grundlegende funktionelle Einheit des Gehirns

- Anfang des 19. Jahrhunderts hatten Wissenschaftler zum ersten Mal die Möglichkeit Gewebe von

Tieren in hoher Auflösung zu untersuchen

- Theodor Schwann (1839): Zelltheorie das heißt dass alle Gewebe aus mikroskopischen Einheiten,

die man als Zellen bezeichnet bestehen

- Um 1900 erkannte man dass es einzelne Nervenzellen die als Neuron bezeichnet werden gibt die

man als die grundlegende funktionelle Einheit des Nervensystems erkannte.

B) Neurowissenschaft heute

1. Ebenen der Analyse:

- reduktionistischer Ansatz: Unterteilung der systematisch experimentellen Analyse in kleine

Fragmente

a) Molekulare Neurowissenschaft

- Die unglaubliche Vielfalt von Molekülen im Nervensystem haben unterschiedliche Funktionen:

,,Boten" die es den Neuronen ermöglichen miteinander zu kommunizieren, ,,Wachposten" die

kontrollieren welches Material in die Neuronen gelangen und welches die verlassen darf,

,,Dirigenten" die das Wachstum der Neuronen steuert, ,,Archivare" für frühere Erfahrungen.

b) Zelluläre Neurowissenschaft

- Fokus: wie Moleküle zusammenwirken um einem Neuron seine Eigenschaften zu verleihen.

c) systemische Neurowissenschaft

-Untersuchung wie verschiedene Schaltkreise (z.B visuell oder motorisch) die Informationen von

Sinneswahrnehmungen verarbeiten

d) Verhaltensorientierte Neurowissenschaft

- Verhalten hervorbringen

- unterschiedliche Formen des Gedächtnisses

- Regulation von Stimmung und Verhalten

- Ursprung der Träume

e) Kognitive Neurowissenschaft

- Fokus: Neuronale Mechanismen verstehen die für die geistigen Aktivitäten des Menschens

verantwortlich sind, wie etwa das Ich-Bewusstsein, die geistige Vorstellungskraft und die Sprache.

-> Wie bringt die Aktivität des gehirns Geist und Bewusstsein hervor?

2. Neurowissenschaftler

- zwei Arten neurowissenschaftlicher Forschung:

- Klinische Forschung: Tradition von Broca die darin besteht aus Verhaltensänderungen

aufgrund von Hrinschäden Ruckschlüsse auf die Funktionen der unterschiedlichen Bereiche

des Gehirns zu ziehen, Ermittlung von Risiken und Nutzen von neuen Behandlungsmethoden

- Experimentelle Forschung: alle denkbare Methode

- Neuroanatomen: Benutzen von hoch entwickelten Mikroskopen um Verbindungen im Gehirn

aufzufinden

- Neurophysiologen: mit Hilfe von Elektroden, Verstärkern und Oszilloskopen die elektrische Aktivität

des Gehirns messen

- Neuropharmakologen: Chemie der Gehirnfunktion untersuchen anhand von ,,Designer-Drogen"

- Neuromolekularbiologen: Untersuchung des genetischen materials von Neuronen

- cf. Tabelle 1.1 Seite 17

3) Das wissenschaftliche Vorgehen

- Beobachtung: z.B Broca kam durch Beobachtung darauf die Schädigung des Frontallappens mit

dem Verlust des Sprachvermögens in Beziehung zu setzen.

- Reproduzierbarkeit: Die Beobachtung im Experiment muss mit unterschiedlichen Versuchsobjekten

reproduziert werden und es müssen immer ähnliche Ergebnisse vorzufinden sein. Es geht darum

auszuschließen dass es sich um einen Zufall handelt

- Interpretation: Diese hängen vom Kentnisstand zum Zeitpunkt der Beobachtung sowie von den

Vorstellungen und Hintergrundannahmen ab.

- Verifizierung: Die Beobachtung muss so robust sein dass sie von jedem kompetenten

Wissenschaftler reproduziert werden kann. Die Verifizierung bedeutet dass die Beobachtung als

Tatsache anerkannt werden kann. ( Etablierung neuer wissenschaftlicher Tatsachen)

4) Die Verwendung von Versuchstieren in der neurowissenschaftlichen Forschung

- Frage nach der Ethk von Tierversuchen weil Tiere getötet werden

- Die Tiere: Auswahl der Tiere durch die Ebene der Analyse bestimmt

- Tierschutz: früher wurden Tiere als biologische Maschinen angesehen, heute haben sich die

Bedingungen positiv verändert

-Neurowissenschaftler erkennen eine bestimmte Verantwortung gegenüber den Versuchstieren:

- Nutzen nur bei Experimenten die einen Fortschritt in unseren Kenntnissen über das

Nervensystem versprechen.

- Stress und Schmerzen der Versuchstiere werden minimiert

- Alle Alternativen werden in Betracht gezogen

- Grundrechte von Tieren: nach dieser Denkweise besitzen Tiere die gleichen gesetzliche und

moralische Rechte wie der Mensch

5) Die Kosten der Ungewissheit: Erkrankungen des Nervensystems

- Alzheimer- und Parkinsonkrankheit: Degeneration spezifischer Neuronentypen im Gehirn

-> Parkinsonkrankheit: Störung der Willkürmotorik

-> Alzheimerkrankheit: Demenz, Verwirrungszustand, Kennzeichen einer Erkrankung des Gehirns

- Depressionen und Schizophrenie: Krankheiten des Gemüts und des Denkens

-> Depression: überwältigende Gefühle der Nidergeschlagenheit, Minderwertigkeit und Schuld

-> Schizophrenie: Persönlichkeitsstörung die durch Wahnvorstellungen, Halluzinationen und bizarre

Verhaltensweisen gekennzeichnet ist