Eine raffinierte und magische Struktur, verborgen in Ihrem Körper

Produziert von: Science Popularization China

Produziert von: Zhou Yingying (Zentrum für Exzellenz in Gehirnforschung und Intelligenztechnologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: Computer Network Information Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Wir werden oft gefragt: „Was geht in Ihrem Kopf vor?“

Wenn die menschlichen Organe sprechen könnten, würde das Herz bei dieser Frage wahrscheinlich sagen: „Was? Ich bin nicht einmal in der Lage zu denken!“

Das Gehirn könnte sich sogar noch mehr gekränkt fühlen: „Warum fragst du dein Herz, was es denkt? Es ist doch offensichtlich ich! Ich bin derjenige, der die ganze Zeit ‚gedacht‘ hat!“

Bildquelle: Veer Gallery

Das Gehirn ist eigentlich der Träger des Gedankens „Denken“.

Aufgrund des „Denkens“ verbraucht das Gehirn, ein Organ, das nur 2 % des menschlichen Körpergewichts ausmacht, 20 % des Sauerstoffverbrauchs des Körpers und 17 % des ATP (Energie) des Körpers und wird daher als „CPU“ des menschlichen Körpers bezeichnet.

Es verfügt über die komplexeste neuronale Netzwerkstruktur und ist zudem die „Existenz“ mit der stärksten bekannten Rechenleistung der Welt.

Am 15. März 2016 spielte der berühmte Go-Spieler Lee Sedol gegen Google AlphaGo. Obwohl er schließlich mit 1:4 gegen AlphaGo verlor, erforderte das Spiel die Rechenleistung von 1.202 CPUs, 176 GPUs und mehr als 100 Wissenschaftlern, während Lee Sedol nur sein Gehirn und eine Tasse Kaffee brauchte.

Sie sind bestimmt neugierig, wie das Gehirn Hochgeschwindigkeitsberechnungen und Informationsübertragungen bewerkstelligt?

Was ist daran so magisch?

In diesem verflochtenen Netzwerk erzählen Nervenzellen endlose „Geheimnisse“ (Bildquelle: Veer Gallery)

Wie sieht eine Gehirnkarte aus?

Unser Gehirn besteht aus 14 Milliarden Neuronen, die wie ein wogender Ozean rund um die Uhr für uns arbeiten. Die verschiedenen Gehirnregionen sind hochgradig geordnet und jede hat ihre eigenen Funktionen, die für die Feinregulierung unseres Körpers sorgen.

Im Aufbau des menschlichen Gehirns ist die Großhirnrinde das höchste Zentrum des gesamten Zentralnervensystems, und der hohe Evolutionsgrad der Großhirnrinde ist auch ein Zeichen der Evolution der Säugetiere.

Die Hauptstruktur und Funktion der Großhirnrinde (Bildquelle: Wikipedia-Großhirnrinde, vom Autor angepasst)

Wenn wir über das Gehirn sprechen, beziehen wir uns normalerweise auf die Großhirnrinde und einige wichtige Strukturen unter der Rinde, wie den Gyrus cinguli, die Basalganglien, das limbische System, den ventralen tegmentalen Bereich usw.

Wie in der Abbildung dargestellt, umfasst das menschliche Gehirn neben dem Großhirn auch Strukturen wie das Corpus callosum, das Zwischenhirn, die Brücke, das Kleinhirn und das Rückenmark, die zusammen unser zentrales Nervensystem bilden.

Die wichtigsten Strukturen und Funktionen des menschlichen Gehirns (Bildquelle: Principles of Neurobiology, vom Autor adaptiert)

Erinnern Sie sich an die Szene mit dem „Selbstmord mit einer Schusswaffe“, die oft in Fernsehdramen gespielt wird? Tatsächlich ist die Kanone im Hals dem Medulla oblongata-Teil des Hirnstamms zugewandt, und das Medulla oblongata ist ein wichtiger Gehirnbereich, der unsere Atmung, unseren Herzschlag und unsere Verdauung reguliert. Sobald die Medulla oblongata zerstört ist, verliert die Person sofort ihr Leben.

Deshalb müssen wir bei Gefahr unseren Hinterkopf schützen!

Bei einer Verletzung des Rückenmarks wird bei einem Unfall die Verbindung zwischen Gehirn und Körper unterbrochen. Das Gehirn kann weder sensorische Informationen vom Körper empfangen noch motorische Befehle an den Körper senden, was zu einer Hemiplegie führt. Achten Sie daher am Ort eines Autounfalls oder Sturzes darauf, die verletzte Person nicht willkürlich umzudrehen, um die Rückenmarksverletzung nicht zu verschlimmern und irreversible Folgen zu verursachen.

Wie überträgt das intelligente Gehirn Signale, um dem Körper Befehle zu erteilen?

Neuronen sind die grundlegendsten Einheiten der Gehirnaktivität und machen etwa ein Zehntel aller Nervenzellen aus. Neuronen können sensorische Signale aus der Außenwelt übertragen und motorische Befehle erteilen, wie ein ausführender Kommandant.

Zusätzlich zu den Neuronen gibt es im Gehirn auch Gliazellen, die die Neuronen und andere sie umgebende Gewebe unterstützen. Gliazellen machen 9/10 der Nervenzellen aus und sind wie Wächter dafür verantwortlich, dass das Gehirn geordnet und effizient funktioniert.

Gliazellen schützen, ernähren und unterstützen Neuronen (Bildquelle: www.visiblebody.com)

Zweitens helfen die einzigartige Form und Struktur der Neuronen dem Nervensystem, Signale schnell zu übertragen. Der Zellkörper von Neuronen besitzt viele Dendriten, die wie „Antennen“ wirken. Nach dem Empfang eines Signals bewirken sie eine Erregung des Neurons und übertragen das Signal über das Axon an das nächste Neuron.

Die Grundstruktur eines Neurons (Bildquelle: www.visiblebody.com)

Handelt es sich bei dem Signal um ein Bewegungssignal, so erteilen die Motoneuronen bei der Übertragung an den Motorkortex des Gehirns Bewegungsbefehle, die nach der Regulierung durch den kortikalen-subkortikalen Motorschaltkreis an den Hirnstamm weitergeleitet werden und verschiedene Körperteile erreichen, wodurch jede unserer Handlungen präzise gesteuert wird.

Kortikal-subkortikaler Motorschaltkreis, Cortex Cortex; Basalganglien: Basalganglien; Hirnstamm/Rückenmark; Kleinhirn; Thalamus (Bildquelle: Movement Disorders. 2019 Aug;34(8):1130-1143)

Das manipulierte Gehirn

In Science-Fiction-Filmen sehen wir oft Menschen mit Superkräften, die die Gehirne anderer Menschen kontrollieren. Aber kann das Gehirn im wirklichen Leben tatsächlich manipuliert werden?

Im Jahr 2017 nutzte Professor Ivan E. de Araujo von der Yale University Optogenetik (Aktivierung von Neuronen durch Licht), um den Prozess der Grillenjagd von Mäusen zu manipulieren. Unter ihnen spielen das zentrale Amygdala-CeA und das entsprechende periaquäduktale Grau PAG eine wichtige Rolle im Raubverhalten von Mäusen.

Wie im Video gezeigt, reagieren die Mäuse bei ausgeschaltetem blauen Laser mit „Neugier“ und „Angst“, wenn sie die Grille sehen, und entfernen sich dann langsam von ihr. Sobald der blaue Laser eingeschaltet und der neuronale Schaltkreis CeA → PAG durch Optogenetik aktiviert wird, rennen die Mäuse sofort los, um die Grillen zu jagen. Dies zeigt, dass das Gehirn der Maus im Experiment durch Lichtsignale gesteuert werden kann.

Video: Mäuse werden durch blaues Licht stimuliert, um Grillen zu jagen (Videoquelle: Cell. 2017 Jan 12;168(1-2):311-324.e18)

Das menschliche Gehirn – das leistungsstärkste Gehirn der Welt!

Was ist der Unterschied zwischen dem menschlichen und dem tierischen Gehirn? Warum haben Menschen und nicht andere Tiere die soziale Zivilisation geschaffen?

Die Gehirne verschiedener Säugetiere weisen erhebliche Unterschiede in Struktur und Proportionen auf, und die Besonderheit des menschlichen Gehirns hat die physiologische Grundlage für die Entstehung der menschlichen Zivilisation gelegt. Im Vergleich dazu haben Menschen, Schimpansen und Delfine faltige Gehirne, während Ratten und Kaninchen eine glattere Großhirnrinde haben.

Vergleich der Gehirne verschiedener Säugetiere (Bildquelle: Neuroscience: Exploring the Brain (2007) – Kapitel 7)

Die Faltenbildung hängt von zwei Parametern ab: der Wachstumsgeschwindigkeit und der Dicke der Großhirnrinde. Während der Entwicklung der Großhirnrinde führen Veränderungen in Anzahl, Größe, Form und Position der Nervenzellen zu einer Ausdehnung der Rinde an der Oberfläche des Gehirns, während sich die weiße Substanz unter der Rinde kaum verändert. Dies führt dazu, dass die Großhirnrinde unter physischem Druck mechanisch instabil wird und schließlich eine faltige Struktur bildet.

Obwohl sowohl Schimpansen als auch Delfine eine stärker geriffelte Großhirnrinde haben, beträgt die Hirnrindenfläche des Schimpansen nur 600 Quadratzentimeter, während die Großhirnrinde des Menschen etwa 2.400 Quadratzentimeter groß ist. Die menschliche Großhirnrinde unterscheidet sich in ihrer Fläche und Struktur stark von der des Gorillas, insbesondere der Frontallappen nimmt einen wesentlich größeren Anteil an der menschlichen Großhirnrinde ein als bei Gorillas, was auch zu einer höheren Intelligenz des Menschen führt.

Delfine sind Tiere mit relativ hoher Intelligenz. Ihre Großhirnrinde umfasst 2.600 Quadratzentimeter und sie haben mehr Neuronen als Menschen. Allerdings sind die Funktionen des Delfingehirns bei weitem nicht mit denen des Menschen vergleichbar. Warum ist das so?

Dies liegt daran, dass die Vorfahren von Mensch und Delfin unterschiedliche Evolutionswege wählten: Delfine entschieden sich für die Entwicklung im Ozean und ihre Gliedmaßen entwickelten sich zu Flossen.

Um sich an die komplexe und riesige Meeresumwelt anzupassen, ist die Großhirnrinde der Delfine zwar gut entwickelt, doch wird sie hauptsächlich zur Steuerung und Kontrolle ihres akustischen Ortungssystems verwendet. Noch interessanter ist, dass die linke und rechte Gehirnhälfte der Delfine sogar abwechselnd schlafen können, um ihre Fähigkeit zur Bewegung, Kommunikation und Jagd rund um die Uhr aufrechtzuerhalten.

Echoortungssystem für Delfine (Bildquelle: https://dolphinquest.com/)

Der Mensch entschied sich für das Land und entwickelte flexible Finger. Die Entwicklung der Hände führte zur Entstehung komplexer Werkzeuge und das Erlernen und Herstellen komplexer Werkzeuge führte zur Weiterentwicklung von Gehirn und Händen. Dieser Zyklus ermöglichte unseren Vorfahren die schrittweise Entwicklung vom primitiven Menschen zum Homo sapiens. Durch die schnelle Zunahme der Gehirnkapazität war der Homo sapiens in der Lage, mehr Phoneme zu unterscheiden und zu produzieren, wodurch sich schließlich eine dem Menschen eigene Sprache und Schrift entwickelte und so eine soziale Zivilisation entstand.

Die Struktur des Gehirns entwickelt sich immer komplexer und passt sich der sich ständig verändernden und komplexen Umgebung an. Gleichzeitig haben Veränderungen in der Umwelt eine „Verbesserung“ der Gehirnstruktur bewirkt, und wir haben uns damit auf eine lange Evolutionsreise in ständigem Wandel begeben.

Quellen:

1. Han, W., et al., Integrierte Kontrolle der Raubtierjagd durch den zentralen Kern der Amygdala. Cell, 2017. 168(1-2): p. 311-324 e18.

2. Parker, JG, et al., Diametrische neuronale Ensembledynamik bei Parkinson- und dyskinetischen Zuständen. Nature, 2018. 557(7704): p. 177-182.

3. Wichmann, T., Veränderte Ansichten zur Pathophysiologie des Parkinsonismus. Mov Disord, 2019. 34(8): p. 1130-1143.

4. Warum gibt es auf der Oberfläche des Gehirns so viele Falten? Zhihu

5. Wenn Delfine weiterhin an Land leben, wird die Delfinzivilisation möglicherweise unsere menschliche Zivilisation ersetzen. Persönliche Bibliothek