Einzelzellableitungen

Bei Einzelzellableitungen wird eine Elektrode entweder direkt in eine Zelle eingeführt (intrazelluläre Messung) oder außerhalb der Zellmembran platziert (extrazelluläre Messung). So kann gemessen werden, wie viele Aktionspotenziale ein Neuron als Reaktion auf einen bestimmten Stimulus auslöst. Wenn die Aktivität mehrerer nahe beieinander liegender Neuronen durch eine Elektrode aufgezeichnet wird, spricht man von Mehrzellableitungen. Durch spezielle Algorithmen, die das kombinierte Signal zergliedern, erhält man auch hier Rückschlüsse auf die Beiträge einzelner Neuronen. Die Methode ist hochinvasiv und wird daher fast ausschließlich bei Versuchstieren angewandt.

Zu der Frage, wie viele Neuronen für die Repräsentation einer einzelnen Information im Gehirn zuständig sind, wird in der Kognitiven Neurowissenschaft der Ansatz der „sparsamen verteilten Repräsentation“ (engl. „sparse distributed representation“) aktuell hauptsächlich vertreten. Dieser Ansatz besagt zum einen, dass die Informationen über einen Stimulus auf mehrere Neuronen verteilt sind, statt von einem einzigen Neuron kodiert zu werden (Großmutterneuron). Zum anderen wird davon ausgegangen, dass nur ein Teil der Neuronen einer Neuronengruppe Informationen über einen Stimulus führt, um Energie zu sparen.

Elektroenzephalographie (EEG)

Bei der Elektroenzephalographie werden die elektrischen Signale des Gehirns noninvasiv mittels mehrerer Elektroden gemessen, die auf der Schädeloberfläche angebracht werden.

Während eine Referenzelektrode (z. B. an der Nase oder am Schläfenbein) benötigt wird, können die Schädelelektroden selbst an vielen verschiedenen Stellen angebracht werden. Um ihre Position zu beschreiben, wird häufig das 10-20 System von Herbert Jasper (1958) verwendet.

Es ist wichtig zu beachten, dass sich ein EEG kaum zur räumlichen Ortung eines elektrischen Signals eignet, da der Ursprung des Signals nicht unbedingt in unmittelbarer Nähe zur Elektrode liegen muss. Ein EEG besitzt hingegen eine sehr gute zeitliche Auflösung und ist also sehr gut zur Messung der zeitlichen Zusammenhänge zwischen kognitiven Ereignissen und neuraler Aktivität geeignet.

Als EEG-Oszillationen bezeichnet man wellenförmige Schwingungen im EEG-Signal. Verschiedene Schwingungsmuster werden als charakteristisch für die verschiedenen Schlaf- und Wachphasen angesehen. Außerdem werden sie mit verschiedenen kognitiven Prozessen im Wachzustand in Verbindung gebracht, z. B. scheinen Alpha-Wellen in Verbindung mit erhöhter Aufmerksamkeit zu stehen. Die häufigste Nutzung von EEG ist die Methode der ereigniskorrelierten Potentiale (EKP, englisch event-related potentials (ERP)). Die EEG-Wellenform reflektiert neuronale Aktivität aus allen Bereichen des Gehirns. Einige davon sind spezifisch für die laufende Aufgabe (Lesen, Rechnen…), aber die meisten entstehen durch spontane Aktivierung oder andere Neurone, die nicht direkt etwas mit der Aufgabe zu tun haben. Das eigentliche Signal dagegen ist sehr schwach, sodass man nur schwer Rückschlüsse daraus ziehen kann. Jedoch ist es möglich, durch Mittelung über mehrere Durchgänge das Erkennen von Signalen zu erhöhen.

Die graphische Darstellung erfolgt typischerweise in einem Liniendiagramm, mit „Zeit“ auf der x-Achse und „Elektrodenpotential“ auf der y-Achse. Es besteht aus einer Reihe positiver und negativer Peaks („Ausschläge“ = Extremwerte), welche nach ihrer Valenz gefolgt von der ungefähren Zeit des Peaks in Millisekunden (z. B. P300, N400) benannt werden.

Mentale Chronometrie

Die Mentale Chronometrie ist die Untersuchung des zeitlichen Verlaufs der Informationsverarbeitung im menschlichen Nervensystem. Als Grundidee sollen sich Änderungen in der Art oder Effizienz der Informationsverarbeitung in der Zeit bemerkbar machen, die für die Erledigung einer Aufgabe benötigt wird. Eine mathematische Aufgabe umfasst beispielsweise in der Regel eine Reihe von Schritten, einschließlich der visuellen Erkennung der Ziffern, der Durchführung von Berechnungen und des Generierens einer Antwort. Diese können im abgebildeten Signal betrachtet werden.

Frühe Peaks könnten so das Erkennen und Enkodieren bedeuten, spätere z. B. Vergleiche mit den relevanten Informationen. Man kann beobachten, wie sich die Amplitude der Peaks verändert, wenn man die Aufgabenstellung variiert.

Gesichtsverarbeitung

Eine ERP-Komponente, die relativ selektiv für die Verarbeitung jeglicher Gesichter ist, ist N170. N250 dagegen ist selektiv für berühmte oder vertraut Gesichter und reagiert auf Präsentationen von verschiedenen Bildern der gleichen Person. Damit kodiert sie besondere Merkmale eines spezifischen Gesichts.

Endogene und exogene ERP-Komponenten

ERP-Komponenten werden klassischerweise als exogen oder endogen bezeichnet. Exogene Komponenten hängen von den physikalischen Eigenschaften eines Stimulus (Größe, Intensität, …) ab und sind evozierte Potentiale. Endogene Komponenten hängen dagegen von den Eigenschaften der Aufgabe ab. Exogene Komponenten zeigen sich meist zeitiger im EEG als endogene Komponenten.

Weiterentwicklung: Magnetenzephalographie (MEG)

Das Aufnehmen magnetischer statt elektrischer Signale ist die Kerneigenschaft des MEGs. Die verwendete Vorrichtung benötigt extreme Kühlung (durch flüssiges Helium) und Isolation des Systems in einem magnetisch abgeschirmten Raum. Dementsprechend sind die Kosten für MEG sehr viel höher als die für EEG. Die sehr viel bessere räumliche Auflösung ist dagegen ein großer Vorteil des MEG.

Doppelte Dissoziation

Aus der Beobachtung, dass Patienten mit einer Läsion in Bereich X eine Aufgabe A, aber nicht Aufgabe B lösen können und Patienten mit einer Läsion in Bereich Y Aufgabe B, aber nicht Aufgabe A lösen können, kann man ableiten, dass sich diese beiden Gehirnbereiche (X und Y) in ihrer Funktionalität unterscheiden. Diese Idee der doppelten Dissoziation wird sich in Läsionsstudien zunutze gemacht, um die Funktionalität unterschiedlicher Gehirnbereiche abgrenzen zu können.

Einzelfallstudien

Einzelfallstudien ermöglichen die spezifische Untersuchung hirngeschädigter Patienten. Sie spielen eine wichtige Rolle, um Komponenten kognitiver Systeme festzustellen. Einzelfallstudien sind als gültige Forschungsmethode anerkannt und liefern Daten, mit denen Theorien getestet, verändert und weiterentwickelt werden können. Neue Theorien können jedoch auf Grundlage von Beobachtungen eines Einzelfalls nicht abgeleitet werden, da Verallgemeinerungen nur eingeschränkt möglich sind. Es gilt deshalb abzuschätzen, in welchem Umfang Ergebnisse generalisierbar sind.

Gruppenstudien

Gruppenstudien können verschiedene Arten von Fragen behandeln, die sich vom Einzelfallansatz unterscheiden. Dazu werden hauptsächlich Mittelwerte berechnet, um Verallgemeinerungen auf allgemeine kognitive Mechanismen zuzulassen. Da Läsionen in der Regel groß und selten auf die interessierende Region beschränkt sind, bietet die Untersuchung mehrerer Patienten den Vorteil, lokalisieren zu können, welche Region für eine bestimmte Aufgabe wesentlich ist.

Experimentelle Läsionen an Tieren

Die Untersuchung von Tieren anhand experimenteller Läsionen fällt unter den Begriff der Behavioral Neuroscience (Verhaltensneurowissenschaft). Indem chirurgisch künstliche Läsionen verursacht werden, ergibt sich die Möglichkeit, den Zustand vor und nach der operativen Läsion zu vergleichen.

Methoden, die zur Verursachung von Läsionen verwendet werden, sind:

• Aspiration, das „Absaugen“ einer bestimmten Region
• Transsektion, das Durchtrennen von Bündeln weißer Substanz
• Neurochemische Läsion anhand von Toxinen
• Reversible, temporäre Läsionen, z. B. durch pharmakologische Manipulation oder Kühlung

Es ist zu beachten, dass sich bei der Untersuchung an Tiermodellen einige Schwierigkeiten ergeben, z. B. eine artgerechte Tierhaltung. Experimentelle Läsionsstudien sind aus ethischen Gründen am Menschen nicht erlaubt. Stattdessen verwendet man magnetische oder elektrische Methoden, die die Gehirnfunktionen nur kurzzeitig beeinflussen.

Magnetische Methoden (TMS)

Die Transkranielle Magnetstimulation (TMS) stellt eine weitere Läsionsmethode in der kognitiven Neurowissenschaft dar. Hierbei wird das Gehirn mit Hilfe einer Magnetspule stimuliert, wodurch kognitive Funktionen temporär unterbrochen werden können. Diese Unterbrechung wird als reversible oder „virtuelle“ Läsion bezeichnet.

Praktische Aspekte

Es muss für jede Fragestellung der richtige Zeitpunkt und Ort für die TMS-Impulse gefunden werden. Der Zeitpunkt kann aus theoretischen Überlegungen abgeleitet oder experimentell variiert werden. Alternativ kann eine ganze Reihe von Impulsen eingesetzt werden, dann spricht man von repetitiver transkranieller Magnetstimulation (rTMS). Studien zur Wahrnehmung verwenden beispielsweise eher einzelne Impulse, Studien zu höheren kognitiven Funktionen (wie z. B. Gedächtnis und Sprache) eher rTMS.

Um kritische Regionen zu identifizieren, werden Orientierungspunkte am Schädel (z. B. am Inion, einer Erhebung am Hinterkopf) genutzt. Es kann ein präziser Punkt oder ein Gitter von z. B. 6 Punkten in einem 2 × 3 cm großen Bereich überprüft werden. Entsprechend werden jeweils die angrenzenden Gehirnregionen als Kontrollregionen verwendet, um die Wirkung der Stimulation zu überprüfen. Wenn Anlass zur Vermutung besteht, dass die kognitive Funktion lateralisiert ist (also nur von einer Gehirnhälfte übernommen wird), kann als Kontrollwert die gleiche Stelle in der anderen Hemisphäre ebenfalls stimuliert werden.

Es ist sinnvoll, nicht-kritische Regionen oder Zeitfenster als Kontrollbedingungen zu nutzen, da bei der TMS auch periphere Effekte auftreten (z. B. lautes Pulsgeräusch, Zucken von Gesichtsnerven und -muskeln) und ohne geeignete Kontrolle die Messergebnisse verzerren können.

Elektrische Methoden (TES)

Die Stimulation des Gehirn mit elektrischem Strom bezeichnet man als transkranielle Elektrostimulation (TES). Es existieren unterschiedliche Methoden, von denen einige invasiver sind als andere.

tDCS

Die transkranielle Gleichstromstimulation (engl. transcranial direct current stimulation, tDCS) nutzt nur einen sehr schwachen Stromimpuls im Vergleich beispielsweise zur Elektrokonvulsionstherapie (engl. electroconvulsive therapy, ECT). Bei der tDCS wird ein stimulierendes Elektroden-Pad über der interessierenden Region sowie ein Kontroll-Pad über einer entsprechenden nichtinteressierenden Region platziert. Nach der Stimulation führt der zu Untersuchende einen kognitive Aufgabe durch. Die Ergebnisse werden im Anschluss mit denen einer Scheinstimulation verglichen.

Während im ECT der elektrische Impuls von der Anode (positiv geladen) zur Kathode (negativ geladen), also kathodisch, geleitet wird, findet die Stimulation im tDCS entweder anodisch oder kathodisch statt. Kathodische tDCS verringert die neuronale Erregung der stimulierten Hirnregion. Das heißt, die spontane Feuerrate der Neuronen wird reduziert. Dabei wird das exzitatorische Glutamatsystem beeinflusst und die Leistung in einer Aufgabe verschlechtert sich tendenziell. Die anodische tDCS hingegen verbessert die neuronale Erregbarkeit eher, da das inhibitorische GABA-System beeinflusst wird, sodass die spontane Feuergeschwindigkeit der Neuronen steigt und sich die Leistung tendenziell verbessert.

tACS

Die transkranielle Wechselstromstimulation (engl. transcranial alternating current stimulation, tACS) ist eine Methode zur Stimulation von Neuronen. Der Aufbau gleicht dem des tDCS, es wird jedoch kein elektrischer Gleichstrom angelegt, sondern ein sinusförmiger Strom, der mit der natürlichen rhythmischen elektrischen Aktivität des Gehirns interagiert. Die Eigenschwingung des Gehirns wird damit verstärkt. Die Methode des tACS wird in Studien sowohl zur Behandlung von Gehirnerkrankungen als auch zur Verbesserung der Gehirnfunktion bei gesunden Menschen getestet.

tRNS

Die transkranielle Rauschstimulation (engl. transcranial random noise stimulation, tRNS) ist eine Modifikation des tACS und die bisher am wenigsten erforschte Methode. Beim tRNS wird im Vergleich zum tACS Wechselstrom mit zufälligen (anstatt festen) Interstimulus-Intervallen (Zeitabstände zwischen den Stimulationen) und Amplituden verwendet. Ein möglicher diskutierter Nutzen der tRNS-Methode liegt in der Verbesserung von kognitiven Funktionen. Der Grundgedanke dahinter ist, dass bestimmte Oszillatorische Prozesse im Gehirn mit gesunden kognitiven und motorischen Funktionen in Verbindung gebracht werden. Liegt eine gestörte oszillatorische Aktivität vor, beeinträchtigt diese möglicherweise kognitive und motorische Funktionen. Durch das tRNS soll diese Aktivität wiederhergestellt werden.

Pränatale Gehirnentwicklung

Pränatale Gehirnentwicklung bezieht sich auf die Gehirnentwicklung während der Schwangerschaft. Das Nervensystem entwickelt sich aus dem Neuralrohr, das aus der Neuralplatte hervorgeht und in Ausbuchtungen und Windungen organisiert ist. Aus diesen ergeben sich verschiedene Teile des Gehirns. An der Mulde des Neuralrohrs befinden sich Gewebebereiche mit erhöhter Zellproliferation, sogenannte Proliferationszonen. Dort werden durch schnelle Zellteilung der Vorläuferzellen Neurone und Gliazellen gebildet. Diese bewegen sich durch Migration an die Stellen, an denen sie am reifen Gehirn benötigt werden. Radiale Gliazellen dienen dabei als Gerüst, an denen Neuronen entlang wandern können. Außerdem werden ältere Zellen passiv durch die neueren Zellen verdrängt und an die Hirnoberfläche gedrückt.

Postnatale Gehirnentwicklung

Die meisten Neurone werden vor der Geburt gebildet. Nach der Geburt findet Gehirnwachstum durch Bildung von Synapsen (Synaptogenese), Dendriten und Axonbündeln sowie Myelinisierung statt. Feinabstimmung und Vernetzung bestehender Strukturen führt zu einer effizienteren Funktionsweise. Überflüssige Synapsen werden eliminiert.

Protomap- und Protocortex – Theorien der Gehirnentwicklung

Es existieren zwei zentrale Theorien, welche die Frage untersuchen, wie und wann es zur regionalen Organisation der Gehirnstrukturen kommt.

Die Protomap-Theorie (Paško Rakić, 1988) bezieht sich auf die pränatale Gehirnentwicklung. Sie besagt, dass durch genetische Instruktionen (Transkriptionsfaktoren) und deren Dosierung bestimmt wird, welche Charakteristiken Neurone aufweisen und welche Funktion sie zukünftig übernehmen. Vereinfacht führt ein Signal über einer bestimmten Schwelle zu anderen Charakteristiken als unterhalb dieser Schwelle.

Demgegenüber steht die Protocortex-Theorie (O’Leary, 1989), welche sich auf die postnatale Gehirnentwicklung bezieht. Verschiedene Regionen des Cortex gelten hier als anfänglich äquivalent und werden erst durch Projektionen vom Thalamus spezialisiert. Diese Projektionen wiederum werden durch postnatale sensorische Erfahrungen beeinflusst. Daraus resultiert die Annahme, dass zu Beginn der Gehirnentwicklung strukturelle Regionen des Cortex ausgetauscht werden können und an ihrer neuen Position ihre Funktion vom Thalamus erhalten. Demnach scheint es sowohl Gen- als auch Umwelteinflüsse auf die strukturelle Organisation des Gehirns zu geben. Die Protomap- und Protocortex-Theorie schließen sich dabei nicht aus.

Funktionelle Plastizität des Gehirns

Es wird angenommen, dass die Reifung und Entwicklung des Gehirns und seiner Bestandteile maßgeblich durch die Genetik und deren Zusammenspiel mit Umwelteinflüssen bestimmt wird – dies gilt insbesondere für die frühen Entwicklungsstadien. Im Laufe des Lebens können sich die Nervenzellen des Gehirns, und somit auch ganze, daraus bestehende, Gehirnregionen, durch Erfahrungen und Umwelteinflüsse anpassen. Dabei ist es zum einen möglich, dass Nervenzellen sich anatomisch verändern (zum Beispiel vermehrt Dendriten ausbilden), was als „neuronale Plastizität“ bezeichnet wird. Zum anderen können sich auch Funktionen von Neuronen oder ganzen Gehirnregionen verändern – das nennt man auch „funktionelle Plastizität“. Kommt es vorgeburtlich zu Fehlbildungen oder nach der Geburt zu Schädigungen von Gehirnregionen (zum Beispiel durch einen Unfall oder Schlaganfall), muss dieser Verlust von funktionierenden Nervenzellen ausgeglichen werden. Es wird jedoch angenommen, dass eine Neubildung von Nervenzellen (Neurogenese) nach der Geburt kaum noch erfolgt. Daher muss sich das Gehirn neu organisieren und die Funktion der geschädigten Gehirnregion unter Umständen einer anderen Gehirnregion zuweisen. In zahlreichen Tierversuchen wurde untersucht, welche Folgen die Transplantation bestimmter Gehirnregionen in andere Bereiche des Gehirns hat. Aus diesen Untersuchungen gingen zwei wichtige Erkenntnisse hervor. Zum einen zeigte sich, dass in eine neue Region transplantierte Nervenzellen, die Funktion dieser Gehirnregion übernahmen und eintreffende Reize korrekt weiterverarbeiteten. Zum anderen zeigte sich, dass eine Schädigung von Nervenzellen in Gehirnregionen der Sinneswahrnehmung auch ohne das Transplantieren von Nervenzellen dazu führt, dass die verbleibenden funktionsfähigen Nervenzellen die ausgefallenen Funktionen übernahmen und somit zum Beispiel Reize aus einem anderen Sinnesorgan verarbeiteten. Auch beim Menschen zeigen verschiedene Fallberichte, dass trotz teilweise schwerwiegender anatomischer Fehlbildungen des Gehirns, oder sogar fehlender Gehirnhälften, die jeweiligen Fähigkeiten der Personen kaum eingeschränkt sein können, da eine funktionelle Anpassung des Gehirns erfolgt sein kann. Solche Fallberichte sollten nicht generalisiert werden, da es sich um Einzelfälle handelt. Diese hohe Anpassungsfähigkeit des Gehirns bringt jedoch auch Nachteile mit sich. In tierexperimentellen Studien zeigte sich beispielsweise die Verarbeitungsleistung von neuorganisierten Nervenzellen der Sinneswahrnehmung als qualitativ schlechter als die der ursprünglich dafür relevanten Nervenzellen. Außerdem ist davon auszugehen, dass nicht alle Nervenzellen universell austausch- und einsetzbar sind. Die wichtigste und weitreichendste Einschränkung ist jedoch, dass die Neuorganisation von Gehirnfunktionen („funktionelle Plastizität“) nur zeitlich begrenzt möglich zu sein scheint und vor allem in sogenannten kritischen oder sensiblen Phasen stattzufinden scheint. Aktuell geht man davon aus, dass die funktionelle Plastizität in den frühen Lebensphasen am größten ist – dies wird auch als Kennard-Prinzip bezeichnet.

Prägung und sensible Phasen

Ausgehend von Konrad Lorenz’ Konzept der kindlichen Prägung wurde in der kognitiven Neurowissenschaft zunächst angenommen, dass die menschliche Entwicklung in sogenannten kritischen Phasen abläuft. Diese bezeichnen eng umgrenzte Zeitfenster, in denen das Individuum relevanten Umweltreizen ausgesetzt sein muss, um bestimmte Lernerfahrungen zu machen und sich folglich weiterzuentwickeln. Werden dieses Zeitfenster ohne die Konfrontation mit diesen Impulsen überschritten, kann die Lernerfahrung nicht mehr gemacht werden.

Gegenwärtig wird in der kognitiven Neurowissenschaft eher vom abgeschwächten Konzept der „sensiblen Phasen“ ausgegangen. Die Basis bilden Studien, die belegen, dass Erlerntes unter bestimmten Bedingungen rückgängig gemacht werden kann bzw. änderbar ist und dass bestimmte Erfahrungen auch außerhalb des sensiblen Zeitfensters nachgeholt werden können. So wird gegenwärtig beispielsweise davon ausgegangen, dass jede Grundfähigkeit, die mit dem Spracherwerb verbunden ist (z. B. Hören, Motorik, Arbeitsgedächtnis), ihre eigene sensible Periode hat. Beispielsweise tritt die phonemische Prägung (z. B. die Unterscheidung zwischen „l“ und „r“) bereits im Säuglingsalter auf. Auch Akzente sind in der Kindheit beeinflussbarer und lassen sich mit zunehmendem Alter nur noch schwer verändern. Gegen diese Befunde sprach zunächst der Fall von Genie. Obwohl Genie während ihres frühen Kindesalters nicht sprechen durfte und nur über ein Vokabular von 20 Worten verfügte, entwickelte sie nach ihrer Befreiung gute Sprachfähigkeiten. Dieser Fall galt zunächst als Beleg gegen eine sensible Phase des Spracherwerb, weitere spätere Berichte sprechen von einem deutlich langsameren Spracherwerb Genies im Vergleich zu dem kleiner Kinder.

Aktuelle Forschungsrichtungen untersuchen zur Beantwortung der offenen Fragen Personen, die zweisprachig aufgewachsen sind. Dabei kann verglichen werden, wie früh die jeweilige Person die zweite Sprache erlernt hat und wie sich dies in ihrer Gehirnaktivität zeigt. Eine Annahme, die die sensiblen Phasen erklärt, nimmt als Ursache “Reifungspläne” a. Eine Möglichkeit der Erklärung besteht dabei darin, dass sich die Plastizität der Neurone im Zuge der Reifung nach der sensiblen Phase verringert. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass bestimmte Neurone zum Lernen angelegt und für einen abgegrenzten Zeitraum bereit für ihre Stimulation sind.

In der kognitiven Neurowissenschaft wird außerdem der Frage nachgegangen, inwiefern die menschliche Entwicklung durch angeborene Wissens- und Verhaltensstrukturen geprägt ist. Dass bestimmte Strukturen angeboren sind, zeigt sich beispielsweise daran, dass bestimmte Wahrnehmungspräferenzen und Fähigkeiten schon seit der Geburt vorhanden sind und sich im Verhalten ausdrücken, ohne dass die entsprechenden Lernerfahrungen bereits gemacht wurden (z. B. Präferenz von süßer Nahrung bei Neugeborenen und Kindern). Es wird davon ausgegangen, dass Lernbereitschaften hinsichtlich bestimmter Aspekte, aber auch neuronale Systeme angeboren sind. Diese neuronalen Systeme können allerdings durch Mangel an Erfahrungen und Impulsen aus der Umwelt abgebaut werden. Die Umwelt und Erfahrungen eines Individuums stellen für dessen Entwicklung eine zentrale Rolle dar. Grund dafür ist, dass die meisten Gene nicht alleinig für eine bestimmte Funktion verantwortlich sind, sondern mit der Umwelt in Wechselwirkung stehen. Diese Anlage-Umwelt-Wechselwirkungen werden vorrangig in der Verhaltensgenetik, zum Beispiel anhand von Zwillingsforschung und Adoptionsstudien, erforscht.

Genotyp-First- vs. Phänotyp-First-Ansatz

Zwei Ansätze werden verwendet, um die Entstehung von Unterschieden hinsichtlich der Gehirnentwicklung zwischen Individuen zu analysieren: der Genotyp-First-Ansatz und der Phänotyp-First-Ansatz.

Der Genotyp-First-Ansatz untersucht, welche Unterschiede im Genotyp mit Unterschieden im Phänotyp assoziiert sind. Beispielsweise werden einzelne Gene, von denen bekannt ist, dass sie in mehreren Varianten (Polymorphismen) existieren, hinsichtlich deren Auswirkungen auf bestimmte Verhaltensweisen untersucht.

Im Gegensatz dazu untersucht der Phänotyp-First-Ansatz, welche Unterschiede im Phänotyp mit Unterschieden im Genotyp assoziiert sind. Beispielsweise werden Merkmale oder Störungen, von denen bekannt ist, dass sie innerhalb der Population variieren, hinsichtlich der Teile des Genoms untersucht, welche am meisten zu der Variation dieser Merkmale oder Störungen beitragen. Dieser Ansatz wird vor allem bei genomweiten Assoziationsstudien (GWAS) verwendet. Diese basieren auf der Annahme, dass viele kleine Variationen im Genom zwischen Individuen bestehen. Diese werden als Einzelnukleotidpolymorphismen bezeichnet. Sie liefern Hinweise darauf, welche Teile des Genoms einen Hotspot enthalten, also in welchen Teilen des Genoms Individuen mit demselben Phänotyp Ähnlichkeiten im Genotyp aufweisen.

Nature-Nurture-Debatte (Natur-Umwelt-Debatte)

Bei der Untersuchung der Gehirnentwicklung stellt sich die grundsätzliche Frage, inwieweit sie durch die Genetik und die Umwelt beeinflusst wird. Dieser Frage widmet sich die Nature-Nurture-Debatte. Dabei werden drei Mechanismen angenommen, durch welche sich Natur und Umwelt beeinflussen: Epigenetik, Gen-Umwelt-Korrelation und Gen-Umwelt-Interaktion.

Während sich die Struktur des genetischen Kodes im Laufe des Lebens nicht verändert, ist die Funktionsweise sehr dynamisch. Verschiedene Gene können aktiv oder inaktiv sein. Ob ein Gen aktiv oder inaktiv ist, hängt auch von der Umwelt ab. Gegenwärtig geht man davon aus, dass Gene unter bestimmten Umständen mit einem chemischen Marker markiert werden, der ihre Expression entweder dämpft oder akzentuiert. Dieser Mechanismus, in welchem die Umwelt die Genexpression beeinflusst, wird als Epigenetik bezeichnet. Ein Beispiel für epigenetische Effekte bei Menschen ist der Einfluss von Vernachlässigung und Missbrauch in der frühkindlichen Entwicklung auf die spätere psychische Gesundheit. Es gibt Hinweise darauf, dass solche frühkindlichen Erfahrungen beispielsweise die Aktivierung von Genen beeinflussen, welche wiederum die physiologische Stressbewältigung beeinflussen.

Genetische Einflüsse wirken sich auf die Exposition von Menschen gegenüber unterschiedlichen Umwelten aus. Menschen mit einem bestimmten Genotyp präferieren bestimmte Umwelten und suchen diese häufiger auf. Dieser Mechanismus wird als Gen-Umwelt-Korrelation bezeichnet.

Die menschliche Entwicklung unterliegt in der Regel sowohl genetischen, als auch Umweltaspekten, deren Zusammenspiel als Gen-Umwelt-Interaktion bezeichnet wird. So beeinflussen die im Rahmen der Gen-Umwelt-Korrelation beschriebenen Prozesse (z. B. das Aufsuchen bestimmter Umweltbedingungen) wiederum die Ausprägung (epi-)genetischer Prozesse. Die Interaktion des Gens und der Umwelt führt somit zu einem größeren Effekt, als aufgrund der Summe der jeweiligen Einzeleffekte des Gens und der Umwelt zu erwarten wäre.

Frontale Areale

Aufgrund der komplexen Vernetzungen von Wahrnehmung, Kognition und Motorik für die Handlungssteuerung gilt eine Vielzahl von Gehirnarealen als beteiligt. Als zentral für die Handlungssteuerung gelten die Frontallappen. Von posterioren Teilen hin zu den anterioren Bereichen werden ihre Funktionen immer unspezifischer. Anteriore Teile sind eher in die Kontrolle von Verhalten involviert, ohne dabei zwingend zu sichtbaren Handlungen zu führen.

Als posteriorer Teil der Frontallappen steuert der Primäre Motorcortex (M1) die Ausführung von Bewegungen. Er ist somatotopisch organisiert, wobei die rechte Körperhälfte über den linken Teil des Motorcortex gesteuert wird und umgekehrt. Im Gegensatz zu den Bewegungen der Gliedmaßen werden Augenbewegungen nicht vom M1 gesteuert, sondern vom frontalen Augenfeld (engl. frontal eye fields; FEF).

Der Prämotorcortex befindet sich anterior zum M1. Der laterale Prämotorcortex steht vor allem in Verbindung mit Bewegungen, die mit Objekten in der Umgebung zusammenhängen (z. B. nach der Fernbedienung greifen). Er erhält Informationen vom parietalen Cortex über den dorsalen Pfad des Sehens. Der mediale Prämotorcortex (oder auch supplementär-motorisches Areal; SMA) wird mit spontanen, gut gelernten Handlungen assoziiert – insbesondere mit Handlungen, die relativ unabhängig von der Umgebungswahrnehmung sind (also z. B. eine vertraute Melodie auf dem Klavier spielen). Hierfür werden weniger Informationen über die Position von Objekten (dorsaler Pfad) benötigt, stattdessen bezieht das SMA hauptsächlich Signale über die Position der Gliedmaßen.

Präfrontaler Cortex

Der präfrontale Cortex ist in die Planung und in höhere kognitive Aspekte der Handlungskontrolle involviert. Er dient der Auswahl des Prämotorareals (SMA oder lateraler Prämotorcortex) und hält Ziele der Handlung aufrecht. Die Aktivierung des präfrontalen Cortex erfolgt unabhängig von der Bewegung selbst, er ist also lediglich während der Planung und Entscheidung aktiv.

Neuronale Mechanismen der sensomotorischen Integration

Die Rolle subkortikaler Strukturen

Subkortikale Strukturen sind wichtig für die Vorbereitung und Durchführung von Handlungen. Zwei Haupttypen subkortikaler Schleifen gelten als an der Erzeugung von Bewegungen beteiligt:

• Die Cerebellum-Schleife führt durch das Kleinhirn und ist für die Koordination von Bewegungen zuständig. Sie nutzt sensorische und motorische Informationen, um ein genaues Timing und die Akkuratheit der Bewegungen zu koordinieren.
• Die Basalganglien-Schleife besteht aus fünf verschiedenen Schleifen, die zu unterschiedlichen Strukturen in den Basalganglien und dem Cortex projizieren und verschiedene Aspekte des Verhaltens regulieren. Sie bestehen aus exzitatorischen (erregenden) und inhibitorischen (hemmenden) Pfaden. Basalganglien erzeugen keine Signale zur Bewegung, sondern verändern die Aktivität in frontalen motorischen Strukturen (z. B. SMA) und regulieren damit die Wahrscheinlichkeit und Art der Bewegung (z. B. Kraft). Die relevanteste Schleife, der Motorschaltkreis, verläuft durch dorsale Bereiche der Basalganglien bis in prämotorische Areale und das SMA. Er ist besonders wichtig für die Initiierung und Ausführung intern generierter Bewegungen, Handlungsfolgen und für prozedurales Lernen.

Erkrankungen der Basalganglien

Liegen Fehlfunktionen in den Basalganglien vor, kann es zu Krankheiten kommen, die in hypokinetische oder hyperkinetische Ausprägungen unterteilt werden. Hypokinetische Krankheiten zeichnen sich durch ein reduziertes Vorkommen an spontaner Bewegung aus. Ein Beispiel hierfür ist Morbus Parkinson. Hyperkinetische Krankheiten zeichnen sich durch ein erhöhtes Aufkommen an spontaner Bewegung aus, zum Beispiel Huntington, Tourette oder Zwangsstörung (OCD).

Das Supervisory Attentional System-Modell

Im Rahmen der Kognitiven Neurowissenschaft wurde das Supervisory Attentional System-Modell (SAS-Modell) von Norman und Shallice zur Erklärung der Planung zielgerichteter Handlungen entwickelt. Es beschreibt zwei Systeme, die miteinander arbeiten:

Das Contention Scheduling System wählt aus vielen möglichen Schemata eines zur Handlung aus. Die Auswahl eines Schemas hängt einerseits von der Umgebung (sensorischer Input) ab, die automatische Handlungsmuster aktivieren kann.

Andererseits wird das Contention Scheduling System von einem zweiten System beeinflusst, nämlich dem sogenannten Supervisory Attentional System welches die aktuellen und zukünftigen Ziele/Bedürfnisse der Person repräsentiert. Dieses ist besonders dann aktiv, wenn Situationen die Unterbrechung automatischer Handlungsabläufe und das Ausführen neuer, ungeübter Handlungssequenzen erfordern.

Das Contention Scheduling System verrechnet die Informationen des sensorischen Inputs und des Supervisory Attentional System und wählt das Schema mit der höchsten Aktivierung zur Handlung aus. Dieses sollte die aktuellen Bedürfnisse der Person befriedigen und zu den existierenden Umweltbedingungen passen.

Wenn Regionen des präfrontalen Cortex beschädigt werden, bedeutet dies nicht, dass Bewegungen und Handlungen zwangsläufig beeinträchtigt sind; sie werden nur schlecht organisiert und reflektieren nicht notwendigerweise die Ziele der Person. So können typische Handlungsfehler bei Präfrontalen-Cortex-Läsionen mithilfe des Supervisory Attentional System-Modells erklärt werden: Durch die Läsion kommt es zur Imbalance der Informationen, die ins Contention Scheduling System gelangen. Typische Handlungsfehler sind hier beispielsweise die Perseveration, das Utilisationsverhalten oder die frontale Apraxie.

Handlungen und freier Wille

Im Libet-Experiment wurde gezeigt, dass das motorische Zentrum des Gehirns mit der Vorbereitung einer Bewegung bereits begonnen hat, bevor sich eine Person bewusst wird, dass sie sich für die Ausführung entschieden hat. Eine radikale Interpretation dieser Ergebnisse wäre, dass ein freier Wille nicht existiert. Libets Experimente führten zu kontroversen Diskussionen über den freien Willen.

Handlungsverständnis und -imitation

Es gibt gemäß der Kognitiven Neurowissenschaft zwei Möglichkeiten, beobachtete Handlungen Anderer zu reproduzieren:

• Mimikry findet lediglich über sensomotorische Integration statt. Ziele und Absichten der beobachteten handelnden Person werden nicht ergründet.
• Imitation ist eine komplexere Reproduktionsform. Für diese Art von Prozessen gelten die Spiegelneuronen als zentral. Sie bezeichnen eine Gruppe von Nervenzellen, die sowohl während der Durchführung, als auch der Beobachtung zielgerichteter Handlungen reagiert. Spiegelneurone unterscheiden dabei nicht, ob diese vom eigenen Selbst oder anderen Personen durchgeführt werden. Sie scheinen bevorzugt auf präzise zielgerichtete Handlungen zu reagieren, entscheidend ist also die Zweckmäßigkeit der Handlung. Es wird angenommen, dass sich Spiegelneurone beim Menschen hauptsächlich im Broca-Areal (besonders Brodmann-Areal 44) befinden, welches sich bis ins prämotorische Gebiet erstreckt.

Handlungen mit Gegenständen

Das Zusammenspiel verschiedener Sinne macht es möglich, Objekte gezielt und funktional einzusetzen. Die Information darüber, wo sich ein Objekt im Raum befindet, muss hierfür mit motorischen Informationen verknüpft werden, um die ausgeführte Handlung den räumlichen Gegebenheiten anzupassen. Hinzu kommt das Verständnis darüber, mit welchen Funktionen die Gegenstände assoziiert sind.

Ungerleider und Mishkin (1982) beschrieben erstmals, dass die visuelle Verarbeitung von Objekten zwei Pfade beinhaltet: den ventralen und den dorsalen Pfad. Der ventrale Pfad oder auch „Was-Pfad“ erstreckt sich vom Okzipital- zum Temporallappen und ist für die explizite Wahrnehmung eines Objekts zuständig. Läsionen hier führen in der Regel zu einer visuellen Agnosie. Der dorsale Pfad wird dagegen als „Wo-Pfad“ oder manchmal auch als „Wie-Pfad“ bezeichnet und erstreckt sich vom Okzipital- zum Parietallappen. Er ist für die Wahrnehmung handlungsrelevanter Eigenschaften wie Größe oder Position von Objekten zuständig. Läsionen hier haben beispielsweise eine optische Ataxie zur Folge.

Auch bei Menschen ohne Läsionen lassen sich Dissoziationen zwischen der visuellen Wahrnehmung und der visuellen Kontrolle von Handlungen beobachten. Bei visuellen Illusionen wie der Ebbinghaus-Täuschung werden eigentlich gleich große Objekte als unterschiedlich groß wahrgenommen. Die Illusion beeinflusst also die visuelle Wahrnehmung, jedoch nicht die Handlung am Objekt.

Werkzeug im kognitions-neurowissenschaftlichen Sinne

Werkzeuge im kognitions-neurowissenschaftlichen Sinne unterscheiden sich von anderen Objekten darin, dass sie mit bestimmten Handlungsabfolgen und dementsprechenden Funktionen assoziiert werden. Anhand von fMRT-Studien wurde herausgefunden, dass der linke Parietallappen (inklusive des anterioren intraparietalen Areals) und das Broca-Areal nur bei der Betrachtung von Werkzeugen im oben beschriebenen Sinne reagierten, nicht aber auf andere Objektklassen.

„Heiße“ vs. „kalte“ Kontrollprozesse

Als heißen Kontrollprozess bezeichnet man die Kontrolle von Kognition und Verhalten durch affektive, gewinn- bzw. belohnungsbezogene Stimuli (z. B. Geld beim Menschen, Futter bei Tieren). Diese Prozesse erfolgen automatisch und gelten als hauptsächlich mit dem orbitofrontalen Cortex, aber auch mit dem ventromedialen präfrontalen Cortex assoziiert.

Kalte Kontrollprozesse hingegen, die vorwiegend mit dem lateralen präfrontalen Cortex assoziiert werden, beziehen sich ausschließlich auf kognitive Stimuli (wie z. B. auf die sensorischen Ebenen Farbe und Form).

Weiterführend bildet die „Hypothese der somatischen Marker“ von Damasio (1996) bildet einen Erklärungsansatz für Patienten, die aufgrund einer Gehirnläsion des präfrontalen Cortex Schwierigkeiten in ihrer Verhaltensregulation zeigen, obwohl sie Tests bezüglich ihrer „kalten“ Prozesse bestanden haben. Laut dieser Hypothese verlinken somatische Marker frühere Situationen (welche im Cortex abgespeichert wurden) mit dem dazugehörigen Gefühl (gespeichert in entsprechenden Regionen, z. B. der Amygdala) und dem körperlichen Zustand (z. B. in der Insula). Die somatischen Marker werden vermutlich im ventromedialen Frontalcortex gespeichert und spielen eine zentrale Rolle in der Kontrolle des aktuellen Verhaltens.

The Multiple Demand Network

Eine weitere zentrale Frage der kognitiven Neurowissenschaft ist, ob der laterale präfrontale Cortex in weitere funktionale Untereinheiten zu gliedern ist. Eine mögliche Antwort auf diese Frage liefert John Duncan mit der Theorie des Multiple Demand Networks. Das Multiple Demand Network umfasst laut Theorie Regionen des lateralen präfrontale Cortex, des anterioren cingulären Cortex, sowie des Parietallappens (insbesondere jene um den Sulcus intraparietalis). Außerdem ist es eng mit dem Konzept der fluiden Intelligenz assoziiert, da bei zugehörigen Tests (z. B. Raven’s Matrizen) ein sehr ähnliches neuronales Aktivierungsmuster im fMRT zu verzeichnen ist (Duncan, 2010; Woolgar et al., 2010). Laut aktuellem Forschungsstand nutzen alle Exekutivfunktionen dasselbe Netzwerk. Daher wird das Multiple Demand Network als undifferenzierte Einheit charakterisiert, die Theorie verneint also weitere funktionelle Untereinheiten im lateralen präfrontale Cortex.

Organisation: posterior nach anterior?

Ein weiterer Forschungsfokus in diesem Kontext ist die hierarchische Organisation des präfrontalen Cortex. Je nach Komplexität einer ausgeführten Aufgabe werden unterschiedliche Areale in diesem aktiviert. Betrachtet man den anterioren Teil des präfrontalen Cortex, so ist dieser bei Multitasking aktiv. Führt eine Person die gleichen Aufgaben nacheinander aus, so bleibt der anteriore Teil des präfrontalen Cortex inaktiv, während posteriore Areale des präfrontalen Cortex aktiv sind.

Auf Basis dieser Erkenntnisse stellen Koechlin und Summerfield (2007) die Theorie der hierarchischen Organisation (posterior nach anterior) exekutiver Funktionen auf.

Hierbei sind laut der Theorie überwiegend posteriore Areale bei der Implementierung einfacher Einzelstimuli aktiv („bei grün die linke Taste drücken“). Bei komplexeren Stimuli („bei grün die linke Taste drücken, jedoch nur, wenn ein Vokal vorhanden ist“) werden überwiegend anteriore Areale des präfrontalen Cortex aktiviert.

Hemisphärische Unterschiede

Es wird kontrovers diskutiert ob funktionelle Unterschiede zwischen den Hemisphären bestehen.

In einem Modell von Stuss und Kollegen auf Basis von Läsionsstudien (1995) gilt der linke laterale präfrontale Cortex als spezialisiert für Task-Setting, während der rechte laterale präfrontale Cortex auf Task Monitoring spezialisiert ist.

Eine alternative Sicht auf die Funktion des rechten (inferioren) lateralen präfrontalen Cortex ist, dass er funktionell auf Inhibition spezialisiert ist.

Die Rolle des anterioren cingulären Kortex (ACC)

Gegenwärtig wird angenommen, dass der ACC für die exekutiven Funktionen vor allem eine Rolle spielt, wenn es um die Erkennung von Fehlern geht. Es scheint einen kognitiven Mechanismus zu geben, der für die Wahrnehmung von Fehlern sensitiv ist und die Aufgabenleistungen neu kalibriert. Dies zeigt sich im Verhalten beispielsweise durch den typischen Befund, dass Versuchspersonen bei Laboraufgaben unmittelbar nach einem Fehler langsamer und genauer arbeiten. Es ist noch unklar, ob der ACC nur für die Erkennung des Fehlers, oder auch für das kompensatorische Verhalten danach wichtig ist.

Weiterhin wird diskutiert, ob der ACC auch an anderen exekutiven Funktionen beteiligt ist. Solche möglichen Funktionen sind die Bewertung von Antwortkonflikten (wie beim Stroop-Test) und motivationale Prozesse, wie monetäre Belohnungen oder Verluste.