Nervenzellen – alle Typen ticken anders

Unterschiedliche Neuronenarten helfen dem Bewusstsein bei der Arbeit: denken, wahrnehmen, Information speichern, Bewegung kontrollieren, Gefühle ausdrücken, kommunizieren. Alle Nervenzelltypen verbindet ein einfaches Prinzip: Über die extrem schmale synaptische Spalte hinweg tauschen sie mit chemischen Botenstoffen Nachrichten aus.
 

Chemische Boten sorgen für den Informationsfluss

„Die Neurologen verfügten über bildgebende Systeme, wie die Magnet-Resonanz-Tomographie und die Positronen-Emissions-Tomographie, die die Struktur und Funktion des lebenden menschlichen Gehirns darstellen. Gleichzeitig können wir rezeptorautoradiographische Untersuchungen durchführen, die die molekulare Dimension sichtbar machen, und wir können das menschliche Gehirn in etwa 8.000 hauchdünne Scheibchen zerlegen, um einzelne Nervenzellen zu studieren“, beginnt Karl Zilles. Karl Zilles ist spezialisiert auf Neurotransmitterrezeptoren, jene Substanzen an denen die chemischen Botenstoffe – Transmitter – wirken und ohne die die Kommunikation in unserem Gehirn zum Erliegen käme. Diese Rezeptoren sind wichtig für die Informationsübertragung bei allen Hirnfunktionen, aber auch bei Demenz, Parkinson und Alzheimer. Denn inzwischen weiß man, dass solche Krankheiten von einer schweren Störung im System der Botenstoffe begleitet werden. Das Zauberwort in der Hirnforschung heißt „Brainmapping“. Mit der Lehre der „Lokalisationisten“ begann im letzten Jahrhundert die moderne Geschichte der Hirnforschung. Der Franzose Pierre Broca behandelte zu jener Zeit einen Patienten, der nur eine Silbe aussprechen konnten – „tan“. Als der Mann starb, diagnostizierte Broca in dessen linker Hirnrinde eine genau lokalisierbare Verletzung.

Ungefähr zur selben Zeit entdeckte der deutsche Psychiater Carl Wernicke die „Seelentaubheit“, die Unfähigkeit, den Sinn eines Wortes zu erkennen, obwohl es der Patient nachsprechen kann. Für diesen Ausfall der Spracherkennung machte der Arzt eine Schädigung an einer anderen Stelle der gleichen, linken Hemisphäre verantwortlich. In der Folge jener ersten neurologischen Euphorie durchsuchten Wissenschaftler den Kopf nach weiteren Regionen, und Korbinian Brodmann, ein Schüler Vogts, lokalisierte das visuelle Cortexareal, auch Sehrinde genannt. Ebenso fand er das motorische Rindenareal, das unsere Bewegungen steuert. Das sensorische Rindenareal empfängt Signale aus dem Großorgan Haut, und hinter der Stirn vermutete man schon damals die Moral. In den fünfziger Jahren forcierte der Amerikaner Karl Lashley die Suche durch eine interessante Theorie: Erinnerungen sollten demnach in sogenannten Engrammen gespeichert sein. Wenn wir eine Symphonie hören, hinterlässt die Melodie eine solche Eingravierung in unserer Gehirnmasse.
 

In welchem Gehirnfach steckt welche Erinnerung?

Trotzdem beendete diese Theorie die Vorstellung, irgendwo im Kopf eines Menschen stehe ein Aktenschrank, in dessen Schubladen sein Leben untergebracht ist – in meinem zum Beispiel im linken unteren Fach die rote Lokomotive einer Modelleisenbahn, etwas darüber mein erster Kuss und meine verkorkste Fahrschulprüfung, ganz oben schließlich „gestern“. Wo wäre da der Fremde vom Wochenmarkt geblieben? In einem Fach, in dem ich ihn nie suchen würde? Der Neurophysiologe James McConnel zum Beispiel suchte es in einer Kombination von Aminosäuren, die er in frankensteinesken Experimenten nachweisen wollte: Er brachte Plattwürmern bei, Licht zu meiden. Taten sie es, zerkleinerte McConnel die Würmer in einem Mixer und verfütterte sie an Artgenossen, die dann angeblich auch das Licht mieden. McConnels These: Es gibt ein Molekül für die Erinnerung. Ein anderes Experiment löste eine zweite neurologische Euphorie aus: Der Neurologe George Ungar hatte in Rattenhirnen eine Substanz names „Scotophobin“ entdeckt. Übertrug er diese von Ratten, die Angst vor Dunkelheit hatten, auf andere Nager, so reagierten auch diese ängstlich, sobald das Licht ausging. Wenn, so die verständliche Frage, ein so hochkomplexer Vorgang wie Angst injiziert werden kann, warum dann nicht auch der Inhalt eines Konversationslexikons? Ungefähr zur selben Zeit glaubte man, Erinnerungen abrufen zu können wie einen archivierten Film. Bei vollem Bewusstsein erlebten die Patienten, wie der Arzt an den (übrigens schmerzunempfindlichen) Gehirnen manipulierte; und sie „erinnerten“ sich plötzlich ganz klar an frühere Momente aus ihrem Leben.
 

Nüchterner Blick in den Schädel

Bis sie vor ihnen liegt, jene grau-feuchte Masse, knapp drei Pfund schwer. Die Oberfläche des Gehirns bildet der nur zwei Millimeter dicke, stark eingefurchte Cortex. Könnte man ihn auslegen wie den Teig für Weihnachtsplätzchen, so würde jener wichtigste Bestandteil der nur scheinbar symmetrischen Hirnhälften mit 1,5 Quadratmetern locker einen Küchentisch bedecken. Beginnen wir nun, unsere Kekse auszustechen: Der evolutionsgeschichtlich betrachtet jüngere Teil der Großhirnrinde heißt Neocortex und unterteilt sich in Stirnlappen, Scheitellappen, Schläfenlappen und Hinterhauptlappen. Der ältere Teil gehört – wie der Hippocampus – zum limbischen System, das unsere Emotionen verwaltet und für die Lern- und Gedächtnisfunktionen wichtig ist. Der Balken verbindet beide Hirnhälften. Die ganze Struktur wird Endhirn genannt und sitzt auf dem Kleinhirn, das unsere Bewegungen koordiniert. Und auf dem verlängerten Rückenmark, das auch die vegetativen, also unbewusst gesteuerten Funktionen aufrechterhält, Atmung, Durchblutung und Verdauung. Seine Hardware, Grundlage aller kognitiven Leistungen, besteht aus etwa 100 Milliarden Nervenzellen – so viele, wie es Sterne in der Milchstraße gibt. Allein in einem Kubikmillimeter Großhirnrinde befinden sich etwa 40.000 dieser Neuronen, und jedes einzelne steht mit 4.000 bis 10.000 anderen über sogenannte Synapsen in direkter Verbindung. Bei 100 Billionen Synapsen hat das Gedankennetz eine Länge von 100.000 Kilometern. Darüber, wie uns dieses scheinbare Chaos, das in Wirklichkeit hochorganisiert ist, mit Erinnerungen versorgt, mit Bewusstsein und Gefühlen, hat sich heute eine Theorie durchgesetzt: Das Gedächtnis funktioniert nach dem einfachen Prinzip der Aufgabenteilung, und die heißt neuro-deutsch „multimodale Repräsentation“. Erinnerungen, soviel scheint klar zu sein, sind nicht abspielbar wie eine Filmsequenz: Ich kann mein Leben nicht Schnelldurchlauf an mir vorbeiflitzen lassen, zurückspulen bis zu jenem Kindergeburtstag, an dem ich angeblich den Fremden vom Markt kennengelernt habe. Mein Kopf ist eher zu vergleichen mit einer Konzerthalle. Mein Gedächtnis ist das Symphonieorchester. Und wenn ich das schwache Gefühl habe, mich an den Typ, der vor mir auf dem Wochenmarkt steht, zu erinnern, dann erklingt ein erster zarter Geigenton. Ein anderer Streicher nimmt das Thema auf, und langsam fallen alle Violinen ein. In meinem Kopf-Orchester sind sie zuständig für optische Eindrücke und für Gesichter-Erkennung. Sie erklingen, sobald ein bekanntes Bild auftaucht – zum Beispiel eine Nase in der Fußgängerzone.
 

Überall geht ein neues Licht auf

Im Erinnerungs-Orchester nimmt meist der Hippocampus diese Funktion ein. Aber sie wissen, dass eine Verletzung des Hippocampus das Speichern neuer Erinnerungen unmöglich macht. Mit diesem Modell lässt sich erklären, was Neurologen wie der Bremer Hans Flohr meinen, wenn sie sagen, dass das Gedächtnis „auf dem Cortex distribuiert“ vorkommt – weit verteilt auf die vielfältigen Windungen der Großhirnrinde: Danach ist jede Nervenzelle ein Instrument.
 

Beim Sehen kommt das ganze Hirn in Schwung

In der Sehrinde kommen alle optischen Eindrücke eines Menschen an – und werden hier verarbeitet. Dabei unterscheiden sich die Aufgaben der Nervenzellen verschiedener Regionen des Gehirns. Die einen erkennen die Bewegungsrichtung eines Objekts, andere dessen form. Die nächsten steuern die Farbe bei. Schätzungsweise 100 solcher Areale kommunizieren wie Kleinstorgane in der Sehrinde miteinander, um Abbilder der Außenwelt in den Kopf zu projizieren. Die Gedächtnisleistung des Gesichtererkennens läuft mit atemraubendem Tempo; kein Computer könnte mithalten: Eine Arbeitseinheit filtert die Umwelt nach bekannten Merkmalen, packt das Fremde ins Töpfchen und das Vertraute ins Köpfchen. Eine andere Arbeitseinheit sorgt für Objektkonstanz, so dass wir eine weit entfernte Person nicht für einen Zwerg halten.
 

Wie man an der Nase den ganzen Menschen erkennt

Es verhält sich vielmehr wie ein elektro-chemisches Aggregat, ein nimmersatter Input-Output-Generator, der sich fortwährend über die Sinne vollsaugt mit „Reizen“, die in Form von kleinen Stromstößen weitergeleitet werden.Auch andere Nervenzellen proben den Ernstfall, und an den Neuronen bilden sich die typischen Fortsätze hinaus: Dendriten, die Signale von anderen Neuronen aufnehmen, Axone, die Signale weiterleiten. Obwohl die Gehirnmasse des Säuglings nur ein Viertel der eines Erwachsenen beträgt, verfügt erstaunlicherweise schon das Baby über sämtliche Neuronen, die der Erwachsene je haben wird. Doch erst mit der Pubertät endet der Entwicklungsprozess des Gehirns und der des Gedächtnisses. Dann sind alle Verknüpfungen „etabliert“ und die Neuronen auf ihre volle Größe von einem Zehntelmillimeter herangreift. Dabei pendelt sie permanent zwischen zwei Zuständen: Im Ruheptential mit einer Spannung von minus 70 Millivolt ist sie nicht aktiv und kann keinen Reiz übertragen. Im Aktionspotential von plus 30 Millivolt gibt die Zelle über das Axon eine Erregung an die nachgeschaltete Zelle weiter – die Zelle „feuert“. Wird das Signal über Zwischenstationen an verschiedene Neuronen weitergegeben, entsteht eine Art Datennetz, das je nach Verzweigungsmuster „Stuhl“, „Oma“ oder „Sieben“ bedeutet. Präsentiert sich derselbe Reiz öfter, kann es zur sogenannten Long-Term-Potentation (LTP) kommen, zur langfristigen Aufladung. Die Zellen erkennen den ankommenden Reiz wieder, sie „erinnern“ sich. Ein solcher Reiz genießt Vorfahrtsrecht gegenüber völlig neuen, noch fremden.
 

Bei Gedankenströmen kommt es auf den Takt an

Eine Erinnerung ist demnach die weitverzweigte Aktivierung verschiedener lokaler Strukturen und deren Verknüpfung zu einem Netzwerk. Dabei stellt der synaptische Spalt zwischen zwei Zellen, jener 20millionstel Millimeter schmale Graben, für den elektrischen Impuls, den das Neuron aussendet, ein großes Hindernis dar: Der elektrische Impuls muss in einen chemischen verwandelt werden, durchquert so den Raum zwischen zwei Zellen und wird auf der anderen Seite zurückgewandelt in einen elektrischen. Diesen Botengang übernehmen sogenannte Neurotransmitter. In der Symphonie der Erinnerungen sorgen sie für die Kommunikation zwischen den einzelnen Instrumenten. Eine andere Funktion, die das Team um Wolf Singer vom Frankfurter Max-Planck-Institut für Hirnforschung entdeckt hat, ist unabdingbar, um die aus weiten Teilen des Gehirns heranzuholenden Nachrichten zum selben Zeitpunkt verfügbar zu machen. Danach nutzt das Gehirn einen fest vorgegebenen Takt, um seine Informationen zu synchronisieren.
 

Was immer wiederkehrt, prägt sich leichter ein

Wie ein Gedächtnis manche Dinge leicht abrufbar behält, andere aber nicht, lässt sich am psychologischen Modell des Briten Alan Baddeley erklären. In seiner Theorie existiert neben dem Langzeitgedächtnis nur noch das Arbeitsgedächtnis, auch Arbeitsspeicher genannt. Der Arbeitsspeicher versorgt uns auch mit Strukturen, die mal kurz eine Telefonnummer speichern können, die sie uns aber schon kurz nach dem Wählen wieder vergessen lassen. Das Gedächtnis absolviert somit eine komplizierte Gratwanderung: Einerseits muss unser Bewusstsein beweglich bleiben, damit wir uns den Herausforderungen einer sich ständig ändernden Welt stellen können. Es muss nichtige Dinge möglichst rasch ausblenden, damit das Gedächtnis nicht mit Daten überlastet wird. Andererseits darf es nicht zu viel vergessen, um eine gewisse Stabilität im Leben zu gewährleisten – damit wir uns jeden Tag als dieselbe Person fühlen.