Wie kommt das Wissen ins Gehirn?
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Wie kommt das Wissen ins Gehirn?

Neuronale Verarbeitung, 1. und 2. Periode

Die obige Grafik zeigt den geregelten Prozess, mit dem unser Wissen über die Welt ins Gehirn kommt. Die Welt ist nämlich nicht einfach „so da“, sondern unsere Sinnesorgane reagieren auf Reize außerhalb von uns. Diese Reize sind Wellenlängen, und unsere Sinnesorgane reagieren auch nur auf Wellenlängen. Das heißt, die Welt, die wir erleben und in der wir leben und uns verhalten, wird erst im Gehirn „produziert“. Das große Rätsel besteht in der Frage: Was passiert da im Gehirn? Wie wird aus Wellenlängen die Welt und unser Wissen über die Welt?

Zunächst: Alle Vorgänge im Gehirn laufen nicht willkürlich ab, sondern sie folgen Regeln, die wie Vorschriften sind. Die Grafik zeigt also eigentlich, wie der Aufbau unseres Wissens geregelt ist. Dazu muss man die Regeln bzw. das Regelwerk kennen, nach dem das Gehirn arbeitet. Es besteht aus einer Grundregel und mehreren abgeleiteten Variationen.  Die Grundregel lautet:

Wenn X, und dann, wenn Y, dann auch Z.

X, Y und Z sind Variablen, das heißt, sie sind Platzhalter, in die etwas eingesetzt werden kann, z. B. : Wenn es (X) ein Glas Wasser auf einem Tisch gibt, und dann, wenn (Y)jemand das Glas umstößt, dann (Z)wird das Wasser auf die Tischplatte auslaufen.

Was hat diese Regel nun mit dem Gehirn und dem Aufbau von Wissen zu tun? Schauen wir uns die Grafik an:

Von links nach rechts haben wir drei größere Kästen, in die jeweils drei Pfeile führen. Die Pfeile stehen für Wellenlängen, und die Kästen für drei unserer Sinnessysteme: das Sehsystem, das haptisch-taktile (fühlen anfassen) System und das Hörsystem. Die Kästen enthalten jeweils drei kleinere, in denen X, Y und Z steht, was also die Regel betrifft. Die Platzhalter sind durch Pfeile miteinander verbunden sind, unter denen steht: „Drei Einheiten…“ Mit Einheiten sind Nervenzellen der jeweiligen Systeme gemeint, die auf die Reize von außerhalb reagieren: Nervenzellen im Auge, in der Haut und im Ohr. Die Pfeile sind die Nervenverbindungen. Für das Sehsystem ganz links heißt das, es gibt drei Arten von Nervenzellen, die „zusammenarbeiten“, und dadurch etwas produzieren, das wir als Farbe sehen. Im kleinen Kästchen daneben  stehen X, Y und Z für drei Arten von Nervenzellen, die dasselbe tun, aber sie sind dafür zuständig, dass wir die Farbe am richtigen Ort sehen. Und im dritten Kästchen geht es um die Form, die zusammen mit der Farbe und dem Ort zu einem Gegenstand wird, den wir sehen können.

Im Einzelnen vollzieht sich der Vorgang folgendermaßen: Auf der ersten Verarbeitungsstufe, die in der Grafik ganz oben nicht eingezeichnet ist, werden Lichtwellen von Fotorezeptoren in elektrische Energie umgewandelt. Fotorezeptoren sind Stäbchen und Zapfen, die sich in der Netzhaut des Auges befinden. Stäbchen sind für das Farbensehen zuständig, Zapfen, von denen es sehr viel mehr gibt als Stäbchen, für das Hell-Dunkel-Sehen und für das Sehen von Bewegung und Tiefe (Ort). In der folgenden Grafik sind sie schematisch dargestellt im unteren weißen Kasten. Gemeinsam sind sie nun, was in den Platzhalter X eingesetzt wird. Verbunden sind sie deutlich weniger Interneuronen, den Bipolarzellen. Sie nehmen die Y-Position ein, und ihre Aufgabe besteht u.a. darin, Stäbchen und Zapfen miteinander und mit den Ganglienzellen  zu verbinden, und schwache „Meldungen“ der Stäbchen und Zapfen zu unterdrücken und starke zu verstärken. Diese drei Arten der Interneuronen sind im hellgrauen Kasten eingezeichnet, und sie lassen sich ebenfalls unterteilen in die Positionen von X,Y und Z. Ganglienzellen erfüllen die Bedingungen der Variablen Z (oberer grauer Kasten), sie erhalten von den Interneuronen die elektrische Energie, die sie umwandeln in sogenannte Aktionspotenziale. Die Nervenfasern der Ganglienzellen bilden den Sehnerv, und an ihm laufen die Aktionspotenziale ins Gehirn. Die eingezeichneten Linien stellen die Verbindungen (Verschaltung) zwischen den Zellen dar.

Die Ganglienzellen in der Netzhaut unterteilen sich in zwei Gruppen, in das großzellige M-System und in das kleinzellige P-System. Von den kleinen Zellen des P-Systems gibt es sehr viel mehr als von den großen des M-Systems. Die kleinen sind für eine räumliche Tiefe, das Farbensehen und die Analyse der Form spezialisiert, die großen für Kontrast- und Bewegungssehen.

Da wir nicht nur mit einem, sondern mit zwei Augen sehen, gibt es zwei Sehnerven, einen für jedes Auge. Auf ihnen zieht die elektrische Energie zu einer Gehirnregion, die Chiasma opticum heißt. In ihr kreuzen sich die Bahnen der Sehnerven. Jeweils die Hälfte der Fasern des linken Auges zieht mit der Hälfte der Fasern des rechten Auges zur rechten Hirnhälfte und die Hälfte der Fasern des rechten Auges mit der Hälfte der Fasern des linken Auges zur linken Hirnhälfte zu einer Region im thalamischen Bereich des Gehirns, dem Corpus geniculatum laterale.

Jede Hirnhälfte hat ein Corpus geniculatum laterale, das jeweils aus sechs Schichten besteht.

Entsprechend der vorangegangenen Verteilung erhalten die Schichten 2, 3 und 5 die Signale vom Auge auf der gleichen Körperseite, die Schichten 1, 4 und 6 erhalten sie vom Auge der anderen Seite des Körpers.

Nun müssen wir nachtragen, dass es zur oben genannten Grundregel eine Variante gibt.  Variante meine die Ausführung der Regel, also die rbewitsweise, nach der ein Gehirn die hier beschriebenen Vorgänge regelt. Sie meint aber auch den Aufbau des Gehirns, denn es muss so aufgebaut und strukturiert sein, dass die Vorgänge auch regelgerecht ablaufen können.

Die eingangs genannte Variante ist die prädikative, nach der das Gehirn der Mehrheit aller menschen arbeitet. Die funktionale Variante lautet ein wenig anders:

Wenn X und dann, wenn  Z, dann auch Y

Mit dieser Variante sind X und Z einander zugeordnet, was heißt, wenn wir auf das Beispiel mit dem Glas Wasser auf dem Tisch zurückkommen, dass diese variante besagt: Wenn es (X) ein Glas Wasser auf einem Tisch gibt, und dann, wenn (Z) das Wasser über die Tischplatte fließt und das Glas umgekippt liegt, dann (Y) hat jemand das Glas umgestoßen.

Der Aufbau des Corpus geniculatum laterale folgt der funktionalen Variante der Regel,d.h., statt Glas, Wasser und jemanden der das Glas umkippt, sind es die jeweiligen drei Schichten, die in die Platzhalter eingesetzt wurden, damit weiterhin Energie zwischen den einzelnen Nervenzellen fließen kann.

Doch unabhängig davon, nach welcher Variante das Gehirn aufgebaut ist,  ist die Arbeitsweise auf beide Arten möglich. Denn das Gehirn verwendet nicht nur elektrische Energie, um zu arbeiten, sondern auch Neurotransmitter, mit deren Ausschüttung sie die Arbeitsweise entsprechend regulieren kann.

Vom Corpus geniculatum laterale geht es nun weiter zur primären Sehrinde, zu V1.

Hier wird es nun kompliziert, denn die primäre Sehrinde besteht aus Säulensystemen, die durch folgende Merkmale bestimmt sind:

  1. Nach der Position des sogenannten rezeptiven Feldes: alle Neurone einer Positionssäule erhalten ihre Signale von einer bestimmten Stelle der Netzhaut des Auges.
  2. Nach der Augendominanz:innerhalb einer Positionssäule gibt es für jedes Auge eine Augendominanzsäule.
  3. Nach der Orientierung: jede Augendominanzsäule enthält Orientierungssäulen, die das Spektrum von 360° abdecken.

Die Säulen werden gebildet von Neuronen, die Merkmalsdetektoren sind:

  1. Einfache Zellen reagieren auf Lichtstreifen einer bestimmten Ausrichtung
  2. Komplexe Zellen reagieren auf Lichtstreifen, die sich in einer bestimmten Richtung bewegen
  3. Hyperkomplexe oder endinhibierte Zellen reagieren auf Lichtstreifen einer bestimmten Länge, auf Ecken und Kanten (s‘‘)

In der obersten Schicht der Sehrinde befinden sich Bereiche, die „Blobs“ genannt werden und in denen sich überwiegend Neurone befinden, die auf Farbanteile reagieren. Sie werden, wie die in der Retina, in „rot-grüne“ und „blau-gelbe“ unterteilt. Jedoch gibt es hier auch schon solche, die auf Mischfarben wie „orange“reagieren.

In der nächsten Schicht der Sehrinde,V2, gibt es keine Trennung mehr zwischen Merkmalsdetektoren, die auf Streifen, Bewegungsrichtung und Farbe reagieren, sondern diese Reizattribute werden kombiniert „verarbeitet“.

Von V1 und V2 aus werden die Aktionspotenziale nun auf zwei Pfaden in höhere Areale weitergeleitet: die der sogenannten makrozellulären Schicht, die für Bewegung zuständig sind, ziehen auf dem dorsalen Pfad zu den Scheitellappen der linken und rechten Hirnhälfte (Wo-Pfad), die der parvozellulären Schicht ziehen auf dem ventralen Pfad zu den Schläfenlappen beider Hirnhälften (Was-Pfad).

Von der primären Sehrinde ausgehend führt der Pfad, auf dem die Aktionspotenziale aus dem parvozellulären Schichten weitergeleitet werden, über fünf bis zehn Stationen zu den Schläfenlappen. Es sind zwei parallel laufende Pfade, die dorthin führen. Auf dem einen wird vorwiegend Farbe analysiert, allerdings reagieren die zuständigen Neurone nicht mehr ausschließlich auf Farbanteile, sondern dann, wenn die jeweilige Farbe mit einem weiteren Merkmal verbunden ist, z. B. einem Orts- oder einem Formmerkmal. Auf dem zweiten parallelen Pfad reagieren auch diese Neurone auf komplexe Formmerkmale: einige reagieren auf Formen von Werkzeugen, andere auf Formen von Händen, noch andere  – und das sind ganze Neuronenverbände – auf Formen von Gesichtern. Und auch hier gibt es unterschiedlich reagierende Neurone, einige reagieren auf frontale Gesichtsformen, andere auf Profilformen von Gesichtern …

Dieser doppelte Pfad heißt der WAS-Pfad, weil dort analysiert wird, was das ist oder sein könnte, das wir sehen.

Der Pfad, auf dem Aktionspotenziale der magnozellulären Schicht  weitergeleitet werden, führt zu den Scheitellappen. Die Neuronenverbände in diesen Gehirnarealen reagieren vor allem auf Bewegungsmerkmale (hier befinden sich übrigens auch solche, die bereits aktiv werden, wenn wir zwar wissen, dass wir gleich etwas trinken werden, aber noch nicht genau, wann). Dieser Pfad heißt WO-Pfad, weil auf ihm analysiert wird, wo sich das Objekt, das wahrgenommen werden soll, befindet.

Zwischen dem WAS-  und dem WO-Pfad befinden sich Areale, die Assoziationscortices genannt werden. Sie werden gebildet von Neuronen und deren Fasern, die die WAS- und WO-Neuronenverbände miteinander verknüpfen.

Das eigentliche Problem aber stellt sich erst und ist bisher nicht gelöst worden: Wie kommen wir durch die Aktivität der Neurone, von denen es ca. 100 Milliarden (1 000 000 000) im menschlichen Gehirn gibt, die noch dazu über 100 Billionen (1 000 000 000 000) Schaltstellen (Synapsen) miteinander verbunden sind, zu unserem Wissen über die Welt?

Nur weil ein Neuronenverband gerade auf ein Gesicht „reagiert“, womit gemeint ist, dass die Neuronen gemeinsam in gleicher Phase schwingen, weiß ich doch noch nicht, wessen Gesicht das ist, wo genau er sich, von mir aus gesehen, befindet, ob ich ihn kenne oder nicht, ob er freundlich, ängstlich oder zornig ist. Eigentlich wissen wir sogar überhaupt noch nichts, wenn eine Vielzahl von Neuronen miteinander interagieren. Denn Neurone denken nicht, sie sehen und hören und fühlen nichts … also: wie kommt das Wissen denn nun ins Gehirn? Und wie entsteht es überhaupt durch diese neuronale Aktivität?

Betrachten wir noch einmal die Grafik, die dieses Kapitel einleitet, dann zeigt auch sie nur, dass über die Zusammenschaltung vieler verschiedener Arten von Neuronen drei Perioden durchlaufen werden, von denen nur zwei dargestellt sind: die Wahrnehmung und das Erkennen.

Doch wie aus der Interaktion der Milliarden von Neuronen unser Wissen wird, wie daraus die Welt wird, die wir sehen und bewusst erleben, zeigt sie offenbar nicht – und wissenschaftliche Aussagen werden hier ausgesprochen  schwammig: Untersucht und beschrieben werden nun nicht mehr Prozesse im Gehirn, sondern menschliches Verhalten, mitunter auch mittels Hirnscans, EEG, usw. Die Interpretationen dieser Untersuchungen geben keinen Hinweis darauf, in welcher Beziehung Bewusstsein, Aufmerksamkeit und Gedächtnis zur Arbeitsweise unseres Gehirns stehen. Darüber erfahren wir nichts.

Trotz des betriebenen Aufwands und der Gelder, die in Projekte wie z. B. das Human Brain Project gesteckt werden, kommt man auf diesem Weg nicht weiter. Dazu benötigt man die Kenntnis des Regelwerks.  Denn auch diese Frage, wie aus dem, was im Gehirn passiert, unser Wissen entsteht, lässt sich mit ihm beantworten. Es ist ja nicht nur das Gehirn, dessen Arbeitsweise nach den Regeln erfolgt. Auch Bewusstsein, Aufmerksamkeit und Gedächtnis unterliegen diesen Regeln. Mit dem Gehirn und dem Bewusstsein haben wir jedoch bereits zwei der drei „Bausteine“, die wir in die Variablen der Regel einsetzen können. Welches ist nun die dritte Größe, die erforderlich ist, um die Regel zu erfüllen?

Kognitionswissenschaftler sind sich einig, dass es außer dem Gehirn und dem Bewusstsein noch ein Drittes geben muss. Dieses Dritte ist das Repräsentationssystem, zu dem Aufmerksamkeit und Gedächtnis gehören, also auch die Repräsentationen dessen, was unser Wissen ist .

Nun würden wir aber gern erfahren, wie das Wissen, das wir erwerben, über die Prozesse im Gehirn entsteht. Und wir würden auch gern erfahren, wie und in welcher Form es ins Gedächtnis kommt und wie es uns bewusst wird, so dass wir darauf zugreifen können. Die folgende Grafik zeigt exemplarisch die drei Systeme, die an der Entstehung von Wissen beteiligt sind: Gehirn, Repräsentationssystem, Bewusstsein.

Diese Grafik zeigt drei Gruppen merkmalspezifischer Neurone, die sowohl untereinander als auch über interneuronale Verknüpfungen synaptisch miteinander verbunden sind. Im Gehirn sieht das natürlich anders aus. Über diese Verbindungen wird elektrische Energie in Form von Aktionspotenzialen weitergeleitet, jedoch nicht beliebig oder willkürlich, sondern dem Regelwerk folgend.

Nachdem wir bereits die Grundregel in prädikativer und funktionaler Variante kennen, tragen wir hier noch eine ihrer Variationen nach obwohl wir sie ja über die Eingangsgrafik bereits kennen: Bei ihr müssen es drei Elemente sein, die in die Variable X eingetragen werden, also nicht nur ein Glas Wasser auf dem Tisch, sondern drei Neurone, drei Neuroneneinheiten oder drei Systeme, wie z. B. das Gehirn und das Bewusstsein. Kognitionswissenschaftler sind sich einig, dass es noch ein Drittes geben muss, ein Repräsentationssystem, das die Aufmerksamkeit und das Gedächtnis enthält. Dies ist unser dritter Baustein.

„Einigen“ sich nun Neuronenensembles darauf, mit demselben „Gegenstand“ beschäftigt zu sein, zeigen sie diese Einigung damit an, dass sie in gleicher Phase schwingen. Dieses Schwingungsmuster ist, was wir als Gegenstand sehen.

Im Repräsentationssystem wird dieses Schwingungsmuster Teil des Gedächtnisses. Es repräsentiert einen Sachverhalt, den wir in der Realität ganz anders wahrnehmen. Das interne Muster ist also von ihm verschieden, obwohl beide, Schwingungsmuster und Sachverhalt (Objekt) ein und dasselbe sind. Die mittlere „Figur“ in der Grafik soll dieses Schwingungsmuster darstellen, dass sich mit der Interaktion der Neurone ergibt.

Da wir aber nicht das Schwingungsmuster wahrnehmen, sondern die Sachverhalte und Dinge in dieser Welt, brauchen wir als drittes System das Bewusstsein, um sie so wahrnehmen, erkennen, verstehen und erleben lässt, wie es der Fall ist. Der Stern in der Grafik steht sinnbildlich für das, was wir wahrnehmen und wie wir es wahrnehmen.

Die Grafik mit den drei Systemen zeigt auch, dass das Regelwerk nicht nur für den Ablauf der Prozesse im Gehirn, also auf neuronaler Ebene, gilt. Es unterliegt ebenso dem Zusammenspiel von Gehirn, Repräsentationssystem und Bewusstsein.

Im Zusammenspiel mit dem Repräsentationssystem und dem Bewusstsein erfüllt das Gehirn die Bedingung der Variablen X. Die Bedingung betrifft die Eigenschaft, die die Variable von den in sie eingesetzten Größen fordert.  Für die Variable X ist dies die Eigenschaft, eine Vergangenheit zu haben. Etwas im Verbund mit den beiden anderen Größen muss also bereits vorhanden sein, damit auch die beiden anderen gegeben sein können.

Vom Repräsentationssystem wird die Bedingung der Variablen Y erfüllt. Sie fordert von den in sie eingesetzten Größen, in der Gegenwart der Fall zu sein. Im Repräsentationssystem kommen die Schwingungsmuster der neuronalen Aktivität  als Repräsentationen vor. Sie sind die Inhalte unseres Gedächtnisses, oder genauer: sie sind unser Gedächtnis, das durch die elektrische Energie, aus der die Schwingungsmuster bestehen, permanent aufrecht erhalten wird.

Das Bewusstsein erfüllt demnach die Bedingung der Variablen Z, in der Zukunft – bezogen auf die Arbeit des Gehirns –  zu existieren. Es mag uns als zu wenig vorkommen, dass das Bewusstsein  „nur“ diese Bedingung erfüllen soll. Doch im Zusammenhang betrachtet bilden alle drei Systeme eine zeitliche Einheit, die in jedem Augenblick unseres Lebens wirksam ist.

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