Neuronenkonzert

Man schätzt, der Mensch kann einen  Informationsfluss von bis zu 5*10⁸ Bit/s über seine Sinnesorgane (afferent) empfangen und mit all seinen Möglichkeiten bis zu 10⁷ Bit/s ausgeben (efferent). Eine Sinneswahrnehmung - mit Quelle innerhalb oder außerhalb des Körpers - wird über Nervenzellen (Neurone) ins Gehirn geleitet und erregt dort vielleicht 250 ms lang ein Neuron oder ein zugeordnetes Ensemble von Neuronen in einem "sensorischen Speicherbereich". Betrachten wir als Beispiel den optischen Signalweg: Er beginnt in jedem Auge in 120.000.000 Stäbchen und 6.000.000 Zäpfchen, den spezialisierten Rezeptorzellen für Licht, weitere Nervenzellen verarbeiten die Reize in der Retina (Netzhaut) bis schließlich 1200.000 Nervenfasern über das Zwischenhirn die Informationen an die 500.000.000 Neuronen im visuellen Cortex übergeben. Die Kapazität (der Adressvorrat) solcher rezeptiven Bereiche im Gehirn ist sehr groß, die Speicherzeit bis zum "Überschreiben" durch neue Sinneseindrücke jedoch klein. Ein Neuron zeigt seine Erregung allen anderen Neuronen an, deren Dendriten mit dem Axon des erregten Neurons über eine Synapse verbunden sind. Es "feuert" messbare Impulse (Gamma-Oszillationen von 1 bis 2 ms Dauer) im Abstand von 10 bis 500 ms. Der Abstand sagt etwas über die Intensität der Erregung aus, die zeitliche Länge dieses Ablaufs kennzeichnet die Dauer der Erregung. Ob dadurch seinerseits ein anderes Neuron erregt wird, scheint davon abzuhängen, ob die Summe der empfangenen Signale über alle seine Dendriten - das können bis zu 10.000 sein - einen Schwellwert überschreitet. Nicht jede Synapse trägt mit dem gleichen Anteil zur Summe bei, jede Verbindung ist sozusagen mit einem Faktor wirksam abhängig von der Fitness der Synapse entsprechend ihrem vorausgehenden Training und ausgewiesen durch ihren morphologischen Zustand. Zusätzlich ist für die Funktion des einzelnen Signal empfangenden Dendriten ein "Vorzeichen" möglich mit der Bedeutung von "Erregung" oder "Hemmung", abhängig von der Art des Botenstoffs (Neurotransmitter) in der Synapse. Beispielsweise hemmt die Ausschüttung von GABA die Erregung des nachfolgenden Neurons. Die elementaren Prozesse der Signalweiterleitung sind in Modellversuchen erforscht worden, so von Eric Kandel an Neuronen der Meeresschnecke Aplysia. Dabei verändern (durch Serotonin beeinflussbare) spannungsgesteuerte Ionenkanäle (Na⁺, K⁺) ihr Aktionspotential, was präsynaptisch - also auf der Seite des Axons in der Synapse zum nachfolgenden Neuron - die Ausschüttung eines Botenstoffs bewirkt. Dieser Neurotransmitter dockt postsynaptisch am Dendriten des folgenden Neurons an ein Protein der Zellmembran an. Dort öffnen oder schließen sich Ionenkanäle (Ca⁺⁺) und verändern das Aktionspotential oder es wird alternativ im Innern des Dendriten ein sekundärer Botenstoff aktiviert. Schon winzige Stoffmengen eines Neurotransmitters aus einer präsynaptischen Vakuole bewirken beim Andocken an der postsynaptischen Membran mindestens kurzzeitig eine Änderungen im Aktionspotential des nachfolgenden Neurons. Deshalb kann auch eine kleine Dosis bestimmter Stoffe im Körper die Nervenfunktion empfindlich stören. Beispiele dafür sind Bicucullin, welches die Wirkung von GABA verhindert indem es die Rezeptorproteine besetzt, oder Tetrodotoxin (bekannt vom Gift des Kugelfischs), welches Na⁺-Ionenkanäle blockiert und damit Nerven lähmt.

Die skizzierten Prozesse bilden nicht nur die Grundlagen für die Signalweiterleitung zwischen den Neuronen sondern auch für unser Kurzzeitgedächtnis, das wiederum unser "Wahrnehmungsbewusstsein"ermöglicht. An der primären Erfassung und Verarbeitung jedes Sinnesreizes können viele lokale Zentren im Gehirn beteiligt sein - etwa bei der visuellen Wahrnehmung bis zu 30. Alle ankommenden Informationen werden kurzzeitig etwa 250 ms lang in sensorischen Speichern gehalten und schon dabei bearbeitet. Im Sehzentrum entsteht keine optische Abbildung wie zunächst auf der Netzhaut, nicht eine einfache Innenansicht der umgebenden Welt, es entsteht eine Interpretation der mit unseren Mitteln erfassten Welt. Die sichtbare Welt um uns besteht aus atomaren Objekten, die ihre Anwesenheit durch "Wellen" (wie Schallwellen oder eben Lichtwellen) und "Strahlung" verraten. Elektromagnetische Strahlung ist nicht grünes oder rotes Licht, es sind Photonen, unbegreifliche schwingende Objekte, genau wie Radiowellen. Die Reizinformationen der Netzhaut (Retina) - dort vorverarbeitet und an unser Gehirn weitergeleitet - wandeln sich dort in unser Wahrnehmungsbewusstsein, in für uns erfahrbare Interpretation, insofern in scheinbare "Wahrheit" der Welt. Im Gehirn hat die Evolution für uns das Wunder eines Farberlebnisses geschaffen, einen Reichtum an Empfindungen, wie wir die Welt als inneres Abbild interpretieren. Um es deutlich zu sagen: Kein Baum ist grün, keine Rose rot, erst unser Gehirn erzeugt Farben. Auch das Abbild auf der Netzhaut des Auges ist nicht farbig. Die Sinnesreize der 3 frequenzselektiven Zapfenarten werden in der Netzhaut miteinander verknüpft und über die Sehnerven zum Gehirn geleitet. Das erst beschenkt uns mit einem farbigen "inneren" Bild! Wir müssen dankbar sein für den uns geschenkten Reichtum, die Vielfalt unserer Erlebnisfähigkeit, das Farbenspiel eines Sonnenuntergangs, für das Gefühl bei Schillers Ode an die Freude in Beethovens 9. Sinfonie.

Bewusst muss uns bei der Vielfalt des Erlebens bleiben, unseren Sinnen ist nur ein winziger Ausschnitt der real existierenden Welt zugänglich: Wir sind weder mit Rezeptoren für ultraviolettes Licht, für Radio- oder Gammastrahlung noch für Ultraschall ausgestattet und schon gar nicht für Teilchenstrahlung wie Alphateilchen oder Neutrinos. Schon bei einer Röntgenaufnahme wird wohl klar, wie unterschiedlich etwas aussehen kann: Eine Fotografie und das Röntgenbild sind zwei Wahrheiten des gleichen Objektes. Viele Aspekte der Welt sind uns erst mit physikalischen Messverfahren - unseren Werkzeugen zur Ergänzung, "Verlängerung" und "Objektivierung" der eigenen Sinne - zugänglich geworden. Und ungeahnte Geheimnisse warten mit diesen Werkzeugen noch entschleiert zu werden.

Unbewusst wird auf der Ebene der Wahrnehmung im Gehirn schon interpretiert: Aus benachbarten oder gleichartigen Details wird sofort ein Zusammenhang hergestellt, ein Vorgang oder ein Objekt wie etwa ein Haus wird erfasst und als solches "erkannt". Die Speicherorte für unterschiedliche Sinnesreize können auf der Großhirnrinde gut eingegrenzt werden - etwa der visuelle Cortex im Hinterhaupt, alle Tastwahrnehmungen der Körperbereiche als "sensorische Karte" auf den Parietallappen. Benachbarte Körperbereiche ordnen sich dort wieder nebeneinander - Ausnahmen eingeschlossen: Etwa der Tastsinn für die Zehen liegt neben dem der Genitalien. Die von verschiedenen Sinnesorganen stammenden Informationen werden unbewusst räumlich und zeitlich zu einem Objekt, einem Ereignis verknüpft. Bei Widersprüchen - etwa zwischen Informationen der Augen und des Gleichgewichtssinns wirkt der visuelle Sinn dominant, bei dauerhaften Diskrepanzen kann sich ein schlechtes Gefühl einstellen - vielleicht erinnerst du dich einmal seekrank gewesen zu sein? Abhängig von unserer "Konzentration" wird eine vorverarbeitete Information im Wahrnehmungsbewusstsein einige 10s gespeichert bis sie durch neue Wahrnehmungen verdrängt wird. Während dieser Zeit kann sie als bewusst empfunden werden und ist für weitere "Bearbeitung" etwa für Entscheidungen zum Planen einer Handlung im Stirnhirn verfügbar - etwa eines Bewegungsablaufs im Prämotorkortex.

Die langfristige Speicherung und so auch Lernprozesse sind mit morphologisch sichtbaren Veränderungen im Bereich der Synapsen bis zur Ausbildung neuer Signalwege verbunden. Etwa mit Eric Kandels Biografie "Auf der Suche nach dem Gedächtnis" kann man das nachvollziehen. Dabei spielt der Neurotransmitter Serotonin eine wichtige Rolle. Er aktiviert im Neuron einen sekundären Botenstoff (zyklisches Adenosin-Monophosphat, cAMP). Der schaltet letztlich im Zellkern Gene ein- oder aus, die für den Stoffwechsel der Zelle benötigte Proteine kodieren. Neu gebildete Proteine bauen das Neuron um. Solche Prozesse zur Langzeitspeicherung einer Information benötigen Zeit - wenigstens 1/2 Stunde. Hierbei wirkt ein Mechanismus lokal für jede einzelne Synapse. Die im Zellkern für die Proteinsynthese aus der DNA kopierte mRNA wandert über das Axon zu allen Synapsen des Neurons. Dort wird sie durch eines von zwei gegensätzlich wirkenden Proteinen (Cytoplasmic Polyadenylation Element-binding Protein, CPEP) lokal zur Proteinsynthese aktiviert oder sie bleibt inaktiv. So erklärt sich die sehr bemerkenswerte Eigenschaft, dass sich einzelne (von vielen) Synapsen des Neurons unterschiedlich entwickeln können. Beide CPEP-Arten werden (in rezessiver Form) zwar auch im Zellkern von der DNA kodiert. Die Umwandlung in eine dominante Form erfolgt aber lokal und spezifisch in jeder Synapse gesteuert durch Serotonin. Für die Funktion unseres Gehirns als "Langzeitgedächtnis" muss ein einmal so eingestellter momentaner Zustand einer Synapse dauerhaft erhalten bleiben, obwohl Eiweißkörper ständig auf- und abgebaut werden. Das gelingt weil CPEPs eine prionenartige Natur besitzen. Prionen sind ja durch die Rinderseuche BSE bekannt geworden. Zu jeder Prionenart existieren 2 Strukturformen, eine rezessive und eine dominante Form. Die dominante Form reproduziert sich selbst ohne Beteiligung einer RNA. In der Synapse sorgt dieses sich selbst reproduzierende CPEP für eine dauerhafte - ja lebenslange - Stabilisierung eines Gedächtnisinhalts.

Prione sind offenbar nicht ausschließlich gefährliche Proteine. Und Gene speichern nicht nur Erbinformationen: Der Erregungszustand des Neurons kann ihren "Schaltzustand" verändern. Insofern sind sie keine ererbte völlig unveränderliche Größe. Beide spielen offenbar ihre Rolle für die Funktion unseres Langzeitgedächtnisses. Und obwohl Proteine in den Neuronen ständig ab- und aufgebaut werden, obwohl Signalwege ständig neu vernetzt werden (Plastizität) behalten wir doch für einen Bruchteil aller empfangenen Informationen eine lebenslange Erinnerungsmöglichkeit. Viele Proteine warten noch darauf, dass ihre Rolle bei der Speicherung und der Erinnerung gewürdigt werden kann...

Das oben beschriebene Wahrnehmungsbewusstsein besitzen alle höheren Tiere wie auch der Mensch. Diese enge Verwandtschaft auf der Bewusstseinsebene ist ein weiteres Argument zum achtungsvollen Umgang mit höher entwickelten Tieren. Für das Wahrnehmungsbewusstsein werden (zeitnahe) Signale vieler Neurone verknüpft, Zusammenhänge hergestellt und zeitweilig gespeichert. Es hilft in Lebensbereichen wie Nahrungsbeschaffung, Fortpflanzung und Gefahren zu überleben. In entwicklungsgeschichtlich alten Teilen des Gehirns wie Kleinhirn, Hirnstamm, Zwischenhirn (Thalamus) laufen zahlreiche Prozeduren mit kurzen Reaktionszeiten und meist ganz unbewusst ab. Die dabei geleistete "Rechenleistung" ist gewaltig. Die Evolution hatte lange Zeit - viele Millionen Jahre-, dafür besonders geeignete Bereiche des neuronalen Netzwerks zu optimieren. Sich selbst orientierende und in einer Umgebung bewegende Roboter beanspruchen große Rechnerleistung und bewegen sich ungelenkig - selbst viele Insekten können es noch besser. Gefühlsbetonte Erinnerungen, Orientierungssinn, Reaktionsvermögen und Bewegungsabläufe funktionieren fast mühelos und "automatisch", sie werden nach Konditionierung (Übung) in unserem verborgenen "impliziten" oder prozeduralen Gedächtnis auch langfristig (also im Sinne der Funktion "Langzeitgedächtnis") gespeichert. Ins Unterbewusstsein gelangen auch Erlebnisse, Erfahrungen und Eindrücke der ersten Lebensphasen, auf die wir keinen bewussten Zugriff haben, weil unser assoziativer Cortex sich erst später voll entwickelt. Das "explizite" oder deklarative Gedächtnis dagegen erfordert stets bewusste Aufmerksamkeit mit Beteiligung dieses assoziativen Cortex. Erst auf seiner Basis sind semantische Codierung (mit dem Symbolsystem der Sprache als Mittel zur Kommunikation und schließlich auch der Dokumentation), umfassende Selbstwahrnehmung und kognitives Denken möglich. Diese Funktionen sind vor allem - um nicht zu sagen nur - beim Lebewesen Mensch ausgeprägt. Dafür hatte die Evolution vergleichsweise kaum Zeit von nur wenigen Hunderttausend Jahren. Unser kognitives Denkvermögen befindet sich sozusagen noch im "Versuchsstadium" des evolutionären Fortschritts. Bewusste Denkprozesse laufen zwar auch nach Mustern und Regeln ab, die Prozeduren sind jedoch (noch) viel weniger effektiv als beim prozeduralen Gedächtnis. Computer vom heutigen Entwicklungsstand können Großmeister des Schachspiels mühelos schlagen, zeitgemäße Roboter haben dagegen keine Chance etwa gegen einen Mountainbiker oder Orientierungsläufer im Wald oder beim raschen Fußballspiel. Das Prozedere beim kognitiven Denken weist Parallelen zu Simulationsprogrammen in Rechnern auf. Dabei werden meist verschiedene Varianten eines Ablaufs getestet. Bewusstsein erwächst gewissermaßen aus der Simulation der Umgebung und des vorausschauenden Ereignisablaufs mit Bewertung möglicher Ergebnisse. Wie bei der Simulation wird auf unser gespeichertes Wissen zurückgegriffen - im erweiterten Sinn auf Inhalte unserer Persönlichkeit. Das vorausgegangene Training - die Konditionierung des Erlebten -  ist dabei die Wurzel unserer Persönlichkeitsentwicklung.

Wir wissen nicht, vor wie langer Zeit Menschen schon ein Symbolsystem der Sprache entwickelt haben. Einer kaum glaubhaften Hypothese nach soll erst vor 50.000 Jahren eine revolutionäre Entwicklung dazu stattgefunden haben. Dann könnte die erste Lüge auf unserer Erde auch erst zu dieser Zeit ausgesprochen worden sein, doch schon Schimpansen lügen auf ihre Art. Menschliches Leben organisiert sich sozial, Menschen sind nur in einer Gemeinschaft überlebensfähig. Der Gebrauch präzis bearbeiteter Werkzeuge und die Anatomie fossiler Schädel (und ein tiefer gelegenem Kehlkopf) lässt eine leistungsfähige Sprache schon vor 600.000 Jahren vermuten, deren Komplexität sich im Zeitverlauf weiter entwickelt haben wird. (Vgl. Auftreten des homo sapiens vor 200.000 Jahren). Denken und Sprache sind mit Aktivitäten besonders im Temporal- und dem Frontallappen (Brocaareal) verbunden. Sie werden uns nicht mühelos geschenkt. Das hat mit der notwendigen Verankerung im Langzeitgedächtnis zu tun. Wie wir gesehen haben ist unsere Funktion "Langzeitgedächtnis" nicht mit einem einfachen Speicherprozess verbunden sondern mit komplexen biochemischen Abläufen, dem Aktivieren und Neuanlegen synaptischer Verbindungen. Wegen der riesigen Zahl unserer 10¹⁴ Synapsen beinhaltet dieser Mechanismus eine nahezu unbegrenzte Speicherkapazität (riesiger Adressvorrat). Die Selbstreproduktion der Prione garantiert eine lange Speicherdauer, begrenzt nur durch Degeneration von Dendriten (bei Alzheimer) oder den Tod von Neuronen nach Sauerstoffmangel (bei Apoplex oder nach Herzstillstand). Die Langzeitspeicher sind im Gehirn mit dem ursprünglichen Verarbeitungsort vereint, also in ganz verschiedenen Bereichen wie dem Cortex für explizite oder im Kleinhirn für implizite konditionierte Prozeduren einschließlich der Sprachsteuerung. Gefühlte Erinnerungen wie Furcht und Angst wären so in den Amygdala-Kernen (Mandelkernen) gespeichert. Am Speichervorgang für neue Inhalte selbst ist jedoch nicht nur jeweils ein räumlich begrenzte Bereich im Cortex aktiv. Entfernte Bereiche des neuronalen Netzwerks wie der mediale Temporallappen, speziell der Hippocampus, sind beteiligte Schaltstellen, erst in ihnen wird anscheinend entschieden ob etwas langfristig gespeichert wird. Der Hippocampus regelt oder filtert das Speichern von Einzelereignissen, von Eindrücken wie Gesichtern oder Namen. Vor allem bildet er Verknüpfungen zwischen ihnen und bereits gespeicherten Inhalten, deren Speicherorte in anderen Teilen des Gehirns liegen. Der rückwärtige Weg, die Suche nach Gedächtnisinhalten - das Erinnern - gelingt besser, wenn an damit verknüpfte Objekte oder Abläufe gedacht wird. Dem Hippocampus benachbarte Basalganglien sind beteiligt an dem (langsameren) Erlernen von Prozeduren und dem Erkennen von verallgemeinernden Regeln und Bewertungen. Kognitives Denken, Erkennen von komplexen Zusammenhängen und wahlfreies Reagieren erfordern zusätzlich explizite Gedächtnisfunktionen verschiedener Areale. Wenn der  Hippocampus beschädigt ist, können solche Aufgaben kaum gelöst werden, vergleichbar einer gestörten Telefonzentrale. Wenigstens erlaubt ein unabhängiger kürzerer Weg (ohne Hippocampus und Cortex) über die Amygdalae (im Innern der Temporallappen) betroffenen Menschen nach vorheriger Konditionierung (Training) einfache Lernprozesse auf Basis impliziter Gedächtnisfunktionen. Auf diesem abgekürzten Weg reagiert auch unser vegetatives System etwa bei Angst und wirkt auf Herz, Magen, Schweißdrüsen, Nebennieren...

Ein externer Ereignisablauf - etwa ein Unfall - kann Zentren verschiedener Sinne erregen für optische, akustische, für Berührung oder Schmerz. Sie alle wirken beim Wahrnehmungsbewusstsein zusammen. Hierbei wird der Zusammenhang zu einem Ereignis hergestellt und zwar obgleich Signalwege in den Nervenbahnen des Körpers unterschiedlich lang sind. Signale verschiedener Rezeptoren vom gleichen Ereignis treffen im Gehirn zu unterschiedlichen Zeitpunkten ein. Und verschiedene Rezeptoren lösen ein Signal auch zeitlich unterschiedlich auf: Akustische Signale können auf 2 bis 3 ms, optische Signale bis auf 20 bis 30 ms unterschieden werden. Experimente mit nur 20 ms andauernden Bildern zeigen allerdings, dass unbewusst kürzere Ereignisse verarbeitet werden und in uns unbemerkte Reaktionen hervorrufen können. Unser Bewusstsein empfindet etwa 2 bis 3 s als "Gegenwart". Der feinste Takt der Signalverknüpfung kann bei anderen Lebewesen kleiner sein etwa bei manchen Vögeln und Insekten. Zwar kann die Menge der verknüpften Informationen gering sein, doch erleben viele Insekten "ihre" Welt verglichen mit unserer Uhr wie in Zeitlupe.

Unser subjektives Erlebnis "Gegenwart" wird uns durch ein internes Abbild im Gehirn "bewusst". Aus all den Sinneswahrnehmungen - mit denen wir Menschen ausgestattet sind - generiert das Gehirn eine online-Simulation, unser phänomenales Bewusstsein. Ein Hauptbestandteil ist das  Umgebungsbewusstsein, in dem verfügbare Informationen über den umgebenden Raum zu einem internen Abbild (einer räumlichen Karte im Hippocampus) zusammenfügt werden. Dieses Abbild beinhaltet vorverarbeitete Informationen über mit Gedächtnisinhalten verglichene und identifizierte Objekte. Es wird unbewusst ständig aktualisiert. Und es ist - wie objektive von uns unabhängige physikalische Messungen beweisen - erstaunlich gut. Manche Philosophen neigen zu der Ansicht, unser internes Abbild der Welt sei nur ein unvollkommenes Trugbild, ein Cyberspace. Natürlich kann es die Welt nicht mit all ihren Eigenschaften enthalten, dafür fehlen ja schon alle denkbaren Rezeptortypen. Man darf der Evolution nicht zum Vorwurf machen, dass wir UV-Licht oder Röntgenstrahlen nicht sehen können oder ein Magnetfeld nicht spüren... Und bei der Identifikation von Objekten können sich Täuschungen einschleichen. Ein beachtliches Phänomen ist, wie viel unser Gehirn unbewusst leistet. Das Bewusstsein scheint seine "Nebentätigkeit" zu sein. Wir empfinden das freilich anders. Wir glauben, bewusstes Denken sei die bestimmende Instanz. Selbst das Finden von Zusammenhängen im Ereignisablauf kann unbewusst geschehen und Reaktionen auslösen, wenn sie vorher trainiert, "konsolidiert" also in der Vergangenheit erlernt waren. Komplexe Vor-Entscheidungen können aus dem Unterbewusstsein kommen: Intuition, das "Gefühl" für das "Richtige" kann wie ein Reflex "fest verdrahtet" ein Teil im Fundament unseres Verhaltens sein - gefühlsmäßig fair handeln, Hilfe leisten, sich wehren...  Im Unterbewusstsein werden genetisch programmierte Bedürfnisse mit biographischen Erfahrungen verknüpft. Ob ein Ereignis die Bewusstseinsebene erreicht, wird von speziellen Neuronen entschieden, die eine Filterfunktion wahrnehmen. Ein kleines Areal entscheidet über "Erkennen" oder "Übersehen". Die Reizschwelle für die Wahrnehmung kann bewusst beeinflusst werden ("Aufmerksamkeitssteuerung") und durch Training konsolidiert werden. Im Schlaf ist die sensorische Reizschwelle stark angehoben, dennoch arbeiten Teile des Umgebungsbewusstseins und die Filterfunktion ist aktiv: etwa das Schreien des Babys, vielleicht das Rufen des eigenen Namens werden wahrgenommen. Ob ein Sinnesreiz das Filter überwinden kann ist abhängig davon, wie viele Neuronen synchron Impulse in kurzen Abständen senden. Nur viele im Gleichtakt "tanzende" Neuronen können unser Wahrnehmungsbewusstsein wecken, nicht synchrone neuronale Impulse bleiben unbewusst. Situationsabhängig können Sinneseindrücke gleichzeitig zahlreiche Hirnbereiche aktivieren, wobei uns fast alles unbewusst bleibt. Man schätzt, dass im Gehirn bis zu 10¹⁰ Bit/s parallel - also gleichzeitig - bearbeitet werden können, wovon nur 50 Bit/s in den bewussten Bereich gelangen. Von möglichen 10⁷ Sinneseindrücken je Sekunde erreichen nur 40 die Bewusstseinsebene. Dabei befinden sich Neuronen in einer Konkurrenzsituation. Ein Experiment am Caltech Pasadena (Christof Koch) belegt eindrucksvoll die unbewusste Filterfunktion: Jedem der beiden Augen wird ein ganz verschiedenes Bild gezeigt, technisch etwa wie wir einen stereoskopischen Film sehen. Obgleich beide Bilder in den visuellen Cortex gelangen, erreicht nur eines der beiden vom Unterbewusstsein bewertet die Bewusstseinsebene.

Das synchrone Feuern mehrerer Neuronen eines Ensembles ist nicht nur wichtig für das Erreichen der Bewusstseinsebene. Neuere Forschungsergebnisse deuten auf folgendes hin: Ein Aktionspotential in einem Dendriten kann lange aufrecht erhalten werden (LTP, long-term potentiation), wenn das Neuron gleichzeitig durch mehrere Synapsen oder vielfach wiederholte Erregung einer Synapse angeregt wird. Postsynaptische Rezeptoren für den betreffenden Neurotransmitter werden besser zugänglich und können effektiver arbeiten. Dieser Mechanismus stellt die Brücke dar bis letztlich nach Stunden oder Tagen der verstärkende Umbau der betreffenden Synapsen und damit ein Langzeitspeicherung geregelt ist. Im Tiefschlaf häuft sich synchrones Feuern von Neuronen - vielleicht eine Hilfe beim Lernprozess für explizite, bewusste Inhalte.

Das Auffinden unserer Erinnerung im Langzeitgedächtnis scheitert selten am Datenverlust eher am "Adressverlust". Die "Daten" sind zwar noch gespeichert, aber ihr Auffinden - die Adressierung - das Durchlaufen eines neuronalen Signalweges rückwärts ausgehend vom kognitiven Bewusstsein erweist sich als schwierig. Da die neuronalen Signalwege - wie wir gesehen haben - unidirektionale Einbahnstraßen sind, muss jeder rückwärtige Weg als separate Verbindung angelegt werden. Während unser Gehirn beim Speichern von bildhaften, emotionalen, Erlebnis behafteten Erinnerungen viele vernetzte neuronale Verbindungswege anlegt, ist das bei abstrakten Begriffen, Zahlen oder Formeln nicht der Fall. Der Ausfall, das "Vergessen", ist bei wenigen redundant angelegten Verbindungen wahrscheinlicher. Die wenigen Verbindungen müssen aktiv und mühevoll trainiert werden, einen rückwärtigen Zugriff zuverlässig zu ermöglichen. Ein kognitives Neuronenkonzert will geprobt werden, ehe es ein Erfolg werden kann! Gedächtniskünstler umgehen das Handikap, indem sie abstrakte Begriffe gedanklich mit Handlungen und Bildern oder räumlichen Vorstellungen verknüpfen und auf diese Weise zusätzliche Signalwege anlegen, sich sozusagen "Hilfsadressen" über emotional schon vorbelegte Verbindungen schaffen. Dafür hat uns die Evolution reicher ausgestattet. Beim Abruf des Gedächtnisses sind entwicklungsgeschichtlich alte Teile des Gehirns - das limbische System mit den Amygdalae als Sitz von Emotionen und Gefühlen - aktiv beteiligt. Gefühle wie Freude, Trauer, Angst, Wut, Ekel, Überraschung und Schreck sind mit angeborenen unbewussten Reaktionen der Körpersprache wie dem Gesichtsausdruck verbunden. Der kann von anderen Menschen mit Hilfe ihrer Spiegelneuronen intuitiv richtig interpretiert werden (Empathie). Und hast Du nicht selbst schon gespürt wie es kalt Deinen Rücken hinunterlief als sich ein anderer Mensch mit einem Messer verletzte, sich verbrannte oder anderswie sein Blut vergoss...? Vergleichbare Prozeduren im neuronalen Netz können angestoßen werden, obwohl die ursprüngliche veranlassende Sinneswahrnehmung eine ganz andere war.

Auch rückwärtige Aktivierung durch "Vorstellen" aus der Ebene des Bewusstseins führt zur Erregung des gleichen Hirnbereiches wie die entsprechende Sinneswahrnehmung selbst. Bereits das intensive Vorstellen ohne Muskelbetätigung - die "Visualisierung" - hilft Tänzern, Turmspringern, Turnern einen Bewegungsablauf einzustudieren, zugehörige Neuronenverbindungen anzulegen und zu trainieren. Es wird sogar behauptet, bei Kraftsportlern käme es schon allein dadurch zu einem Muskelaufbau, wenn entsprechende Übungen häufig visualisiert werden.

In der Funktion "Kurzzeitgedächtnis" können mehr Details etwa eines Bildes enthalten sein im Unterschied zum "Langzeitgedächtnis", das sich beim normalen Erwachsenen meist auf als wesentlich erkannte (herausgefilterte) begrifflich bereits vorher definierte Objekte (MEME) beschränkt (vgl. Ausnahme). Insoweit spiegelt unsere Erinnerung nicht exakt objektiv Erlebtes wider sondern immer im Blickwinkel vorher gespeicherte Erfahrungen der eigenen Biografie. Verschiedene Menschen müssen sich an Details eines komplexen Ablaufs nicht identisch erinnern. Besonders an Details, die sich unbewusst und nur kurzzeitig im Umgebungsbewusstsein befunden haben - die vom Gehirn als unwesentlich eingestuft waren - kann man sich später nicht (sicher) erinnern. Das bedeutet, Zeugenaussagen sind kritisch zu bewerten, wenn Aufmerksamkeit und Interesse des Beobachters gering waren. Auch können scheinbare Täter falsch "erkannt" werden. Ein (kleiner) Teil des Kurzzeitgedächtnisses spielt sich in der Bewusstseinsebene (im frontalen Cortex) ab. Mit dem Begriff "Arbeitsgedächtnis" werden die maximal 3 bis 7 Objekte und Begriffe bezeichnet, die aktiv im Bewusstsein gleichzeitig bearbeitet werden können.

Gewissermaßen um sich selbst vor der gigantischen Informationsflut zu schützen, hat die Evolution ein reduktionistisches Prinzip im Gehirn und speziell für die Funktion Langzeitgedächtnis erfunden. Ohne uns dessen bewusst zu sein, folgt unsere Forschungsphilosophie genau diesem Prinzip. Und das ist sehr erfolgreich - nicht nur im täglichen Leben praktikabel. Wir suchen nach Elementarprozessen, nach Elementarteilchen, zerlegen Komplexes in Bestandteile, suchen nach idealisierten Bedingungen, einfachen Grundgesetzen... Das vereinfachende Prinzip ist eine tragfähige Basis und erklärt viele eigentlich komplizierte Abläufe erstaunlich gut. Doch minimalistische Ansätze können komplexe Systeme nie vollständig beschreiben: ein Festkörper ist mehr als die Summe seiner Atome (er kann z.B. supraleitend sein...), das Gehirn ist mehr als die Summe seiner Neuronen. Schon deshalb wird es eine alles beschreibende Weltformel nicht geben. Viele unserer kleinen Fehlleistungen im Alltag ("Pech gehabt") passieren vor dem Hintergrund, dass wir dabei zu reduktionistisch denken und agieren, zahllose Details eines an sich komplexen Sachverhalts nicht beachten, uns durch Typisierung vor der Informationsflut schützen. Das Reduzieren der Informationen im Gehirn geschieht in mehrfacher Weise: Eine Filterfunktion (vielleicht im Hippocampus) bewirkt eine starke Datenreduktion vor dem Speichern im Langzeitgedächtnis. Und uns ist die Gnade des Vergessens geschenkt. Das Vergessen ist kein Fehler, sondern erlaubt erst eine effektive Arbeitsweise des Gehirns. Wenn alle jemals angelegten Netzwerkverbindungen aktiv blieben, wäre wohl mit einem Ergebnis nicht mehr zu rechnen.

Die Masse des Gehirns besteht weniger aus den (grauen) Neuronen selbst (den 10¹¹ Information bearbeitenden Pyramidenzellen) und 10¹² Gliazellen (10 mal häufiger sind sie zuständig für Versorgungs- und Isolationsaufgaben) sondern überwiegend aus den (weißen) Netzwerkausläufern. Müller-Gliazellen sind pluripotent, d.h. sie können sich noch in spezialisierte Nervenzellen etwa innerhalb der Netzhaut verwandeln. Die Struktur der peripheren Nervenbahnen für "Ein- und Ausgaben" ist genetisch festgelegt. Die Feinstruktur aber organisiert sich selbst, indem neuronale Signalwege neu gebildet und nicht benutzte geschwächt werden. Typisch ist das Zusammenwirken vieler Neuronen zur Bearbeitung einer Aufgabe auch über nicht benachbarte Hirnbereiche hinweg. Der Erregung eines Neuronenensembles, einer "Population" im Cortex ordnet sich eine Bedeutung, ein "Begriff", ein konkretes oder abstraktes Objekt zu. Dies geschieht - so wie kein Gehirn mit einem anderen identisch ist - individuell, eine Information findet "selbsttätig" ihre Netzwerkumgebung. Der Mechanismus der "Adressierung" nutzt "hardwaremäßig" mit dem Informationsobjekt verbundene spezifische Signalwege zur Erregung der objektbezogenen Population von Neuronen. "Speicherort" ist das Teilnetz mit einer Neuronenpopulation. Innerhalb der Neuronenpopulation verkörpert die Erregung eines Neurons wahrscheinlich eine spezifische Eigenschaft dieses konkreten oder abstrakten Objektes. Die Erregung dieses spezifischen Neurons - seine Adressierung - wird rückwärtig durch eine Kaskade erregter Neuronen bewirkt, deren Axone mit Dendriten dieses Neurons unmittelbar oder indirekt verbunden sind. Umgekehrt feuert das erregte Neuron in Vorwärtsrichtung über sein Axon an andere Neurone, eine Erregungskaskade breitet sich aus. Unser Gehirn spielt sein Neuronenkonzert, vielleicht unbewusst eine (schon gut konditionierte) "bekannte" Melodie oder ein neues Lied erzeugt ein AHA-Erlebnis.

Wenn eine Neuronenpopulation an der Lösung einer Aufgabe teilnimmt, können andere Aufgaben gleichzeitig schlecht bearbeitet werden, falls dazu eine andere Erregungskaskade die gleichen Ressourcen anspricht: Es kann beim Multitasking zu "Missverständnissen" kommen. In diesem Sinne werden Aufgaben auch im Gehirn seriell bearbeitet. Andererseits ermöglicht die gewaltige Zahl der Neuronen und ihres Netzwerkes die parallele also gleichzeitige und meist unbewusste Bearbeitung von Aufgaben in voneinander unabhängigen Neuronenpopulationen. Experimente belegen andererseits, Signalwege können verschiedene Funktionseinheiten verknüpfen: motorische Aufgaben sind mit sensorischen verknüpft und sogar zuvor gespeicherte emotionale Bewertung kann mitspielen. Diese konditionierten Verknüpfungen beeinflussen Art und Geschwindigkeit von "automatisierten" Reaktionen. Nach einer begrenzten Hirnverletzung kann für die gleiche (nicht lebenswichtige) Funktion mit etwas Glück eine anderes Neuronenensemble mit neuen Signalwegen trainiert werden.

Das neuronale Netzwerk verändert sich lebenslänglich, besonders stark im ersten Lebensjahr und in der Pubertät. Bei der Geburt sind etwa 10¹¹ also - 100 Milliarden - Neuronen im Gehirn vorhanden. Diese grauen Zellen wachsen noch, ihre Anzahl verändert sich wenig, der Um- und Ausbau der Signalwege ist das auffälligste Kennzeichen der weiteren Entwicklung, bei der sich das Gewicht des Gehirns mehr als verdoppelt. Mit dem Wachsen des wegen seiner isolierenden Umhüllung weiß erscheinenden neuronalen Netzes gewinnen wir erst "Inhalt" für unser Gehirn. Häufige Benutzung trainiert und verstärkt Signalwege und bestimmt letztlich Fähigkeiten und Verhalten. Nicht-Benutzung führt zum Verlust ursprünglich potenziell möglicher noch nicht angelegter aber auch zur Rückbildung bereits gebildeter Signalwege. Ein grundlegendes Prinzip beim selbsttätigen Programmieren unseres Gehirns beruht auf der Konkurrenz zwischen benachbarten Neuronen: Wer ein geeignetes Ziel für die Kommunikation mit einem anderen Neuron gefunden hat und die neuronale Verbindung trainieren konnte, verdrängt in dieser Hinsicht erfolglose Neurone. In einer Lernphase könnte für 3x7 nicht nur 21 sondern genau so 19 "wahr" sein. Erst ein wiederholtes positives Feedback sichert das korrekte Ergebnis im Gehirn. Nach wenigen Monaten verfügt ein Baby über 1/3 mehr Verbindungen als später der Erwachsene. Im visuellen Cortex etwa wird ein Maximum der Synapsendichte im 8. Lebensmonat erreicht, wenn das Kind Gesichter vollständig erfassen und genauer unterscheiden kann als im späteren Leben. Man kann das Phänomen des eidetischen Gedächtnisses beobachten - wobei zahllose Einzelheiten eines Bildes längere Zeit gespeichert werden, was bei Erwachsenen nur nach einer Hirnschädigung (Inselbegabte, Savants) und ansatzweise am ehesten noch bei Autisten beobachtet werden kann - Menschen mit Defiziten für Kommunikation aber Neigung zu systematischem Denken. Das gewaltige Erinnerungsvermögen einzelner Menschen an Einzelheiten über Jahrzehnte hinweg hat zu der Hypothese geführt, dass grundsätzlich alle Eindrücke gespeichert bleiben und nur der Zugang dazu bei fast allen Menschen normalerweise verloren geht. Diese Hypothese bedeutet, nur der für Erinnern nötige rückwärtige Teil der speziellen Verschaltung der Signalwege würde abgebaut.

Menschenkinder sind nach der Geburt hilfloser als die meisten Tierkinder, verhalten sich vergleichsweise wie Frühgeburten, kommen unreif zur Welt. Der Geburtskanal lässt wegen des relativ großen Gehirns eine längere Schwangerschaft nicht zu. Geburtshilfe ist ja vor allem wegen des großen Kopfes des Kindes nötig. Die lange Entwicklungszeit nach der Geburt ist vom Anlegen weiterer Verbindungen im Gehirn geprägt, einem andauernden Lernprozess. Man kann sich den vorstellen, dass zuerst die peripheren sensorischen und motorischen Vernetzungsebenen ausgebildet und trainiert werden. Dazwischen werden später weitere Verbindungen im neuronalen Netzwerk gebildet, vorstellbar als Ebenen mit bereits stark verknüpften Informationen bis schließlich hin zu abstrakten Inhalten. Wir Menschen werden mit großen Ressourcen geboren, ihre Verwendung müssen wir mühsamer erlernen als andere Lebewesen. Das scheint zunächst nachteilig zu sein, schenkt uns aber die Anlage zur lebenslangen fast unbegrenzten Lernfähigkeit, unserem kostbarsten Gut, das uns als Menschen auszeichnet. Nutzen wir unsere Fähigkeit zur Ausbildung einer Billiarde (10¹⁵) Synapsen. Und gehen wir sorgsam mit dieser unserer wertvollsten Ressource um. Die Natur will keine Fehler, keine Verrücktheiten verzeihen, dem Einzelnen nicht wie der Menschheit nicht.

Wie wir gesehen haben, sind im Langzeitgedächtnis Abspeichern und Erinnern mit komplexen biochemischen Prozessen verbunden. Dies um so mehr, wenn Informationen miteinander verknüpft und in eine Bereitschaft für Aktionen umgesetzt werden sollen ("Lernprozess"). Lernen verlangt nach Training, bedeutet uns Mühe und Zeitaufwand. Der Vorgang des Lernens (supervised learning) setzt einen Lehrenden mit Vorbildfunktion voraus, der im Beispiel 3x7 = 21 und nicht 19 als feedback einprägt. Lehrer für uns ist nicht nur personifiziert zu verstehen, die ganze Umwelt ist es: Eine heiße Herdplatte fasst man nicht mehrfach an, über die gleiche Schwelle stolpert man nicht ständig. Im neuronalen Netzwerk befinden sich zwischen auslösendem Ereignis (Quelle) bis zur Reaktion (oder dem Ergebnis- bzw. Zielbereich) mehrere Schichten mit unterschiedlich viel parallel arbeitenden Synapsen. Wir lernen leichter, wenn Ereignisse oder Objekte mit ein oder zwei ganz verschiedenen rezeptiven Reizen verbunden sind. Der Lernprozess verfestigt sich aus wiederholten Korrekturvorgängen, bei denen Synapsen in den parallel "verdrahteten" Signalwegen verstärkt oder geschwächt werden, sich morphologisch verändern, sogar neue Signalwege angelegt und nicht benutzte quasi in Konkurrenz zu benutzten abgebaut werden.

Das Gehirn speichert - beginnend schon in den ersten Lebensphasen - später als "normal" angesehene Vorgänge in der Umwelt. Niemand erstaunt es später oder hinterfragt, weshalb ein Stein nach unten fällt. Falls er die Zehen trifft, weiß jeder, dies kann weh tun. Dennoch, der Kern des dahinter stehenden physikalischen Tatbestandes der Gravitation ist immer noch nicht ursächlich verstanden. Es musste ein Spätentwickler - nach eigener Einschätzung Albert Einsteins - kommen, der sich darüber wundert und nach einer Erklärung sucht. Wir lernen vor allem, wenn uns Abweichungen zum vorher gespeicherten Wissen auffallen und bewusst werden (Nanu --> Aha-Erlebnis). Das Dopaminsystem hilft, abweichende Erfahrungen ("besser als erwartet") im Gehirn zu verankern. Und Gene kodieren Proteine, die Dopamin transportieren, dass es letztlich Synapsen erreicht , die unser Lernen bewirken. Und Lernerfolg wird mit Glücksgefühl (im Nucleus accumbens) belohnt.

© Computersimulation eines Teilnetzes, Blue Brain Project, Ecole Polytechnique Federale Lausanne

Die "Grobstruktur" des Gehirns ist genetisch vorgegeben und entwickelt sich früh. Schon im Embryo werden neuronale Verbindungen angelegt und trainiert,  jene für das vegetative (autonome) Nervensystem, doch nicht nur: Nach der Geburt funktionieren schon grundlegende und sehr komplexe Prozeduren etwa zuständig für den Vergleich schon gespeicherter Inhalte (etwa im Mutterleib gehörter Tonfolgen) mit neu erfassten Informationen - essentiell für alle Lernvorgänge, eben die Nanu Identifikation. Oder betrachten wir die Verknüpfung von aus ganz verschiedenen Sinnesquellen wie Tastsinn und Aussehen herrührenden Informationen zu einem Objekt oder Ablauf im inneren Abbild - auch das beherrschen Babys spontan. Doch wie so schön gesagt wird, ist die "Reifung" des menschlichen Gehirns ein langer Prozess, sie dauert mindestens 17 Jahre. Viele neue Verknüpfungen werden in der Pubertät angelegt. In keiner Entwicklungsphase befinden sich alle Gehirnareale auf gleichem Entwicklungsstand, Jugendlichen etwa fällt es schwerer als Erwachsenen zwischen Cyberspace und Wirklichkeit zu unterscheiden. Das alternde Gehirn verliert Masse - Neuronen sterben, viele davon können nicht ersetzt werden und nicht mehr benutzte Signalwege werden abgebaut. Doch andererseits kann schwindende körperliche Leistungsfähigkeit pragmatisch durch gehirngesteuerte Verhaltens-Anpassung kompensiert werden. Zur Aufrechterhaltung der geistigen Fitness gibt es eine gute Medizin: sich neue, bisher nicht trainierte Aufgaben stellen. In zwei Schaltzentralen des Gehirns  - den Hippocampi - gibt es ein kleines Areal, den Gyrus dentatus, in dessen Innerem aus adulten Glia-Stammzellen sich lebenslang neue Neurone entwickeln können. Sie wandern in die aktive Oberfläche zu den "Körnerzellen" und können dort neue Verknüpfungen herstellen. Die meisten dieser Neurone erleiden eine Apoptose - sterben wegen mangelnder neuronaler Reize. Die Überlebenden helfen uns für die lebenslange Plastizität im Gehirn: neue Assoziationen, Verbindungen zwischen verschiedenen Sinneseindrücken und lebenslange Lernfähigkeit werden uns potentiell geschenkt. Die Nachbarschaft des Hippocampus zur Amygdala - ebenfalls Teil des limbischen Systems - mag dazu beitragen, dass sich emotional gefärbte Ereignisse leichter im Langzeitgedächtnis verankern. Stark negative Ereignisse prägen sich besonders rasch ein: Niemand fasst eine heiße Herdplatte mehrfach an, ehe sich ein Lernerfolg einstellt. Und die Evolution hat uns unbewusst eine Asymmetrie der Entscheidungen im Gehirn vererbt, die uns wenig rational erscheint: Testpersonen entschieden sich risikobereiter bei Entscheidungen zwischen Alternativen - die nur mehr oder weniger positive Ergebnisse bewirken konnten, deutlich vorsichtiger bei solchen - die mit mehr oder weniger negativen Ergebnissen oder Verlusten verbunden waren - und dies obgleich in beiden Fällen identische Wahrscheinlichkeiten für das Auftreten des jeweiligen Ergebnisses vorausgesetzt waren. Die Details wie Neuronen den Wettstreit ihrer Verbindungen und ihres Überlebens untereinander austragen ist ein besonders wichtiges Forschungsthema, um den sich selbst entwickelnden "Algorithmus" - das Programm unseres Gehirns - entschlüsseln zu können.

Rechner werden gern mit dem Gehirn verglichen. Deshalb wollen wir einige Besonderheiten gegenüber stellen.  Manch Übereinstimmendes und viel Unterschiedliches lässt sich feststellen:
Die Grundbefehle - hardwaremäßig in der Zentraleinheit eines Rechners implementiert - sind inzwischen einigermaßen umfangreich und durch den in den Programmspeicher eingetragenen Algorithmus wird der Rechner zum "sehr viel Könner". Allerdings das Programm ist fest implementiert und kann sich bedingungsabhängig nur zwischen alternativen Prozeduren entscheiden. Im Gehirn ist der Algorithmus nicht in Neuronen gespeichert, sondern ergibt sich durch die Struktur der Vernetzung. "Recheneinheit und Speicher" sind nicht wie in Digitalrechnern getrennte Ressourcen. Zwischen Neuronen sind die Verbindungen unglaublich zahlreich und zum "Rechenzeitpunkt" fest verschaltet. Sie können aber langsam durch Training ergänzt werden und sich an neue Aufgaben anpassen. Das Gehirn verändert lebenslänglich seine Feinstruktur und damit auch Teile seines Algorithmus (Plastizität). Das bewirkt seine erstaunlichste Eigenschaft: Sein "Programm" kann sich selbst weiter entwickeln. Dieses Ergebnis der Evolution hat die Möglichkeiten der zu kognitiven Leistungen befähigten Lebewesen enorm erweitert.

In Rechnern werden Daten in Arrays und Strukturen im Speicher abgelegt. Für den Zugriff wird ein Zeiger gespeichert, der die Anfangsadresse und einen "Offset" enthält. Rechner arbeiten sehr schnell und bearbeiten zeitgeteilt mit wenigen zentralen Ressourcen (Zentraleinheit, Systembus) Aufgaben (wort-)seriell (nacheinander). Die Datenkanäle im Rechner sind zwar fest, Quelle und Ziel der Daten werden aber durch das Programm bestimmt und Adressen können neu berechnet werden. Für die Adressierung werden Signalwege durchgeschaltet. Seine Software jedoch kann ein Rechner nicht selbst schaffen. Dazu benötigt er einen Menschen als Programmentwickler. Jede einzelne Aufgabe löst das Gehirn viel langsamer, aber sehr viele Aufgaben können parallel (gleichzeitig und dabei fast ausschließlich unbewusst) bearbeitet werden, wodurch es letztlich doch über eine gewaltige "Rechenkapazität" verfügt und dies äußerst ökonomisch mit geringem Energieverbrauch. Eine beliebte Frage kann nicht einfach beantwortet werden - welcher technische Rechner dem Gehirn ähnlich ist. Abweichende Merkmale überwiegen. Immerhin die parallele Funktionsweise eines Analogrechners weist Übereinstimendes auf. Jedes Neuron wiederum scheint zur binären Welt zu gehören, es kennt in codierter Form vor allem Ruhe- und Erregungszustand.

Abläufe in der Natur empfinden wir als "verstanden", wenn sie durch ein (vereinfachtes) Modell gut beschrieben werden. Deshalb wird - die Funktionsweise des Gehirns zu verstehen - versucht, Gehirnmodelle mit Digitalrechnern zu simulieren. Denn ein minimalistischer Ansatz allein reicht nicht aus, da die gewaltige Zahl der Neuronen und Synapsen neue Qualitäten hervorbringt. Die Simulation hat in vielen Wissensgebieten Fortschritte ermöglicht. Bei solchen Modellen hilft es, sich am Aufbau des Gehirns voranzutasten: den (vom Schädeldach betrachtet) horizontalen Schichten mit Neuronen unterschiedlicher Funktion (Laminierung) und den kleinen vertikal organisierten neokortikalen Säulen (Zylinder 2mm hoch 0,5mm breit mit bis zu 70.000 vernetzten Neuronen). Die funktionieren als "Verarbeitungseinheiten", darin untereinander vernetzte Neuronen lösen gemeinsam eine Aufgabe. Die Funktion einer neokortikalen Säule zu verstehen, gilt als Schlüssel für das Verständnis der komplexen Einheit "Gehirn". In ihm wirken bis zu 2,5 Millionen solcher Funktionseinheiten im Lebewesen Mensch zusammen.

Die Vielfalt der Basisoperationen zwischen Neuronen scheint nach gegenwärtigem Kenntnisstand gering zu sein. Als Summenbildner kann es viele Eingangsgrößen verarbeiten (bis zu 10.000). Der "Störabstand" zwischen "aktiv" und "passiv" (im Extremfall nur 1:10.000) ist dadurch viel geringer als in einer "Zelle" der Zentraleinheit eines Rechners, die nur zwei Signalzustände kennt (1:2). Unter Eingangssignalen können Signale von wenig trainierten Synapsen sein, solchen, bei denen vergleichsweise wenige Eiweißmoleküle des sekundären Botenstoffs den Signalzustand bestimmen: Elektronisch betrachtet übergeben sie ein Signal nahe am Rauschpegel. Die "Rechenergebnisse" im Gehirn sind deshalb nicht immer definitiv. Es gibt physikalische Ursachen, weshalb wir Menschen das Gefühl von Freiheit und auch Unsicherheit bei Entscheidungen empfinden. Mit dem Begriff Freiheit verbinden wir verschiedene Bedeutungen. Hier sprechen wir vom Ergebnis eines Denkprozesses, von Wahlalternativen, nicht von persönlicher Freiheit oder Unfreiheit durch Fremdbestimmung. Die von Philosophen (schon lange und immer neu) geführte Diskussion, die Neurowissenschaft degradiere den Menschen zum Gefangenen seines Organs Gehirn, durch das seine Denkprozesse "hardwaremäßig" bereits festgelegt seien, ist deshalb gegenstandslos. Eine andere Frage ist, wann uns unsere Entscheidungen bewusst werden und wie lange zuvor unbewusst Aktivitäten im Gehirn abgelaufen sind. Benjamin Libet und andere hatten einfache freie Willensentscheidungen zur Bewegungssteuerung der Hand im EEG elektronisch verfolgt. Man kann ihre Messungen interpretieren als wenn im Gehirn unbewusst Entscheidungen bereits gefällt waren, bevor 200 bis 550 ms später bewusst "entschieden" wurde. Gleichgelagerte neue Experimente mit Auswertung der Aktivitätsmuster des Gehirns im fMRT bestätigen, dass eine vorher gestellte planbare Aufgabe unbewusst entschieden wird, bevor die Entscheidung sogar bis zu einigen Sekunden später die Bewusstseinsebene erreicht. Ich kann nicht erkennen, dass diese Art von Experimenten eine "freie Willensentscheidung" in Frage stellt - wie gelegentlich unterstellt wird. Eine Entscheidung - etwa meine Auswahl aus mehreren Alternativen - trifft wahrscheinlich nicht ein Neuron, der mir unbewusste Erregungszustand eines Neuronenensembles ist diese Entscheidung und wird mir genau wie die daraus anzustoßende Aktion erst danach bewusst. Mein Bewusstsein, mein bewusstes "ICH" ist nur ein sehr kleiner Teil des Neuronenkonzerts. "ICH" lebe vor allem in meinem Gehirn und ich bin nicht das Werkzeug meines Gehirns. Stellen wir uns im Gedankenexperiment vor, mir würde das Gehirn eines Spenders implantiert. Danach wäre ich der Spender und nicht mehr das vorherige ICH. Auf die Frage - was das ICH ausmacht - bin ich versucht, es als den bewussten Teil meines Neuronenkonzerts zu benennen. Tatsächlich beinhaltet es den unbewussten Teil: der überwiegende unbewusste Teil meines Neuronenkonzerts prägt auch mein ICH. Und weshalb sollten der sensorische und vegetative Bereich - unser Herzklopfen - ausgenommen bleiben?

Die seit Jahrhunderten geführte Diskussion über unterschiedliche Instanzen von "Körper" und "Geist" irrt. "ICH" bin mein Körper, vor allem das in ihm ablaufende Neuronenkonzert. Dieses Konzert verstummt zu keiner Zeit meines Lebens, auch nicht im Schlaf und endet mit dem Tod. Weil Körper und Geist nicht getrennte Instanzen sein können, sind meine Entscheidungen auch nicht materiell vorbestimmt, sie sind Ergebnis aktueller Sinnesreize ("Inputs") und vorher abgeschlossener Lernprozesse im plastischen - sich ständig wandelnden - Geflecht meines Gehirns.

Das meiste - was zuvor durchdacht werden kann - unterliegt einer Konditionierung (einem Lernprozess), der tendenziell die Aktivität in den unbewussten Bereich verlagert, in welchem ohnehin die überwiegende Menge aller Hirnaktivitäten abläuft. Zahllose Bauchentscheidungen treffen wir unbewusst auf Basis vorher trainierter Routinen. Diese Fähigkeit erlaubt sehr rasche Entscheidungen etwa bei schnellen Bewegungsabläufen (Ballspielen, Radfahren...), Irrtümer eingeschlossen - wenn nicht alle Randbedingungen beachtet wurden. Bauchentscheidungen bremsen tendenziell mehrdeutige Aktivitäten, wollen uns auf einen sicheren Weg bringen, nicht unbedingt auf den optimalen mit Rücksicht auf alle Möglichkeiten. Akzeptieren wir einfach, dass unsere bewusste Kontrollfunktion uns im Glauben lässt, wir hätten alles im Griff. Tatsächlich tun wir fast alles unbewusst und dies für unsere Ziele meist auch richtig. "Erfahrung" wirkt meist unbewusst.

Die Freiheit der Gedanken hat den Aspekt der Persönlichkeit, der verbunden ist mit der gewaltigen Zahl möglicher Verbindungen zwischen Neuronenensembles. In diesem Netzwerk organisiert sich das ICH selbst und zwar auch als Abbild der persönlichen Lebensgeschichte - aller absolvierten Lernprozesse und damit auch des kulturellen Umfeldes (biographisches Bewusstsein). Das neuronale Netzwerk ist deshalb einzigartig bei jedem Menschen. So wie während eines Lernprozesses beteiligte Neuronen selbsttätig untereinander eine individuelle Verknüpfung erzeugen, ergibt sich eine Konsequenz: Kein Gedanke gleicht einem anderen, jeder ist einmalig, sowohl in Bezug auf den Denkprozess verschiedener Menschen als auch wegen der Plastizität des Gehirns in geringerem Umfang bei jedem selbst. Ein kollektives Bewusstsein beruht nicht auf identischen Gedanken, identischem Wissen, es basiert auf ähnlichen Gedanken. Erlernte persönliche Regeln und Maßstäbe werden wie Filterfunktionen wirksam: bestimmte Eingangsgrößen werden als wichtig, andere als unwichtig klassifiziert. Insoweit ist das Ergebnis komplexer Gedankengänge immer individuell und persönlich. Altersstarrsinn ist verbunden mit raschen definitiven Entscheidungen (trainierte Signalwege), jugendliche Unsicherheit mit Phantasie und nicht immer mit abwegigen Ideen ("Erfahrung" entsteht mit der Stärkung erfolgreicher Signalwege). Es braucht viel feedback und Training ehe alle Schüler einer Klasse zum gleichen Ergebnis (etwa 3*7=21) kommen. Bei Bauchentscheidungen fühlen wir uns oft recht frei, obwohl sie doch programmiertes Ergebnis genetischer Anlagen und unserer biographischen Lernprozesse sind. Bei der Verknüpfung von sehr vielen "Eingangsgrößen" in einem Neuron - von denen auch einige rauschen können, deren Störabstand also gering sein kann, entstehen Situationen wie in der Chaostheorie: ergebnisoffen. Gründe für unsere Entscheidungsfreiheit finden sich auf der Ebene der Synapsen genügend und wir müssen sie nicht tiefer in der quantenphysikalischen Unbestimmtheit der Elementarteilchen suchen. Die Gedanken sind erstaunlich frei! Viel Unsinn und eher selten doch eine große Erkenntnis "finden sich ein". Unser ICH besteht freilich nicht nur aus den Frontallappen unserer Großhirnrinde. Deshalb empfinden wir unsere Freiheit um so größer, je weiter eine zu fällende Entscheidung von den Grundanforderungen des Überlebens entfernt ist - also je weniger sie mit Schmerzvermeidung, Durst, Hunger, Sex ... zu tun hat (genetisch programmierte Verknüpfungen) - oder auch je weiter ein Bedürfnis erst in der fernen Zukunft erwartet wird. Zeitlich nahe Ereignisse und Bedürfnisse bewerten wir unbewusst stärker.

© Deutsches Hygiene Museum Dresden

Was bewirkt in uns Lust und Glücksgefühl? Ein kleiner Bereich im Zwischenhirn (Area A10) vergleicht, ob uns etwas besser schmeckt, angenehmer ist, wir uns besser fühlen oder ob es besser gelingt als nach (in der Vergangenheit) gespeicherten Erfahrungen zu erwarten war und spendet Dopamin. Das erhöht die Aktivität der Synapsen im Frontalhirn, verbessert den Lernprozess mit Wachstum dieser Schnittstellen. Gleichzeitig wird der Nucleus Accumbens im unteren Vorderhirn aktiviert und schüttet Endorphine (körpereigene Morphine) aus. Wir lernen gern, wenn es Freude macht! Und unser Belohnungssystem mag dann keinen Aufschub. Lernen in seiner weitesten Bedeutung kann Glücksgefühl bewirken und insofern haben wir tatsächlich einen aktiven Zugang zu "jeder ist seines Glückes Schmied".

Das komplexe Bewusstsein mit Selbsterkenntnis und kognitivem Denken ist auf der Erde nur beim Menschen entwickelt. Man kann aber annehmen, dass es nach den gleichen Basis-Mechanismen funktioniert wie das Wahrnehmungsbewusstsein. Sind unsere Gedanken wirklich frei? Ja, aber...  Zu unserem Bewusstsein gehört auch, dass wir in einem Gefängnis von Regeln und Abläufen denken. Die sind uns durch genetisch vorgegebene Eigenschaften, Funktionsumfang und Leistungsgrenzen unseres Organs Gehirn, durch den ontologisch bestimmten Mechanismus seiner Reifung, durch die enge Verknüpfung mit dem vegetativen Nervensystem (unsere Bauchentscheidungen) und die entwicklungsgeschichtlich alten "Gefühl" vermittelnden inneren Gehirnteile und schließlich den Lernprozess selbst auferlegt. Der wird sehr vom gesellschaftlichen Umfeld geprägt, in dem er stattfindet. Denn das Symbolsystem der Sprache ist das Abbild des kollektiven Erkenntnisstandes, unserer Kultur- es bilden sich "Gehirnkollektive".

Die Art wie wir lernen mit Wiederholung und Einordnung in das implizite Gedächtnis zeigt Wirkung bis auf unser Verhalten - ja bis in den Sprachgebrauch. Wir sind "Gewohnheitstiere" und fühlen uns wohl in gewohnter Umgebung. Wir sprechen von "meinem" Haus und meinen nicht den fernen Eintrag im Grundbuch sondern haben das genaue innere Abbild dieser Wände "vor Augen", wir sprechen von meiner Frau/meinem Mann und denken nicht an eine Urkunde. Und uns ist nicht wirklich bewusst, wie sehr wir Gast sind in dieser Welt, keine Urkunde kann sie uns bewahren.

Wir sind einerseits Gefangene unserer genetisch gegebenen Gehirnfunktionen und Spielzeug der darauf einwirkenden Hormone, verfügen andererseits über ein gewaltiges Universum aus Milliarden von Neuronen, die begierig neue Verbindungswege knüpfen und Gedanken erzeugen wollen. Trotz aller Begrenzungen - denn unser Gehirn hat sich während des Evolutionsprozesses mit eingeschränkter Erkenntnisfähigkeit gezielt für das Überleben der Art herausgebildet - ist die Tür unseres Denk-Gefängnisses immer einen Spalt weit offen; schauen wir hindurch und immer etwas weiter...  Und unser Potenzial lässt den Gedanken viel Freiheit: jedes von unseren 80 Milliarden Neuronen kommuniziert vielleicht mit 1000 anderen. Quantität schafft Qualität? Leider nicht zwangsläufig, aber sie ermöglicht es! Für das menschliche Denken gibt es (fast) keine Grenzen. Und dies ist unsere einzige Chance all unsere Unvollkommenheiten und ererbten Verhaltensdefizite, die uns die Evolution mitgegeben hat, intelligent auszugleichen. Sind wir Menschen auf dem Weg erst bei der Halbzeit unserer Evolution oder schon kurz vor dem Aussterben der Art angekommen? Uns wurden Mittel und Chancen gegeben. Ungeahnte Möglichkeiten warten in einer zweiten Halbzeit auf unser Leben.

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