Gehirn und Sprache: Der Hirnschrittmacher

Der Leser hat nun eine Vorstellung,

• wo Sprache im Gehirn verarbeitet wird,
• wie Grenzen für Unterscheidungen und Entscheidungen im Nervensystem hergestellt werden,
• und er hat von der Korrelationstheorie und dem „Pulsschlag des Geistes“ so viel gelesen, daß er in den rhythmischen Spannungsschwankungen der Hirnrinde eine wichtige Funktion beim Aufbau der phänomenalen Ganzheit des Bewußtseins ahnen kann.

Um diese Ahnung zu bekräftigen, sind genauere Kenntnisse über die Entstehung und die Wirkung dieser Spannungsschwankungen nötig. Die Gehirnrinde kann nicht isoliert betrachtet werden. Der synchrone Rhythmus der EEG-Wellen wird nicht in der Rinde erzeugt. Er wird der Hirnrinde aufgezwungen von einem Teil des Nervensystems, welches bisher noch nicht genannt wurde, den unspezifischen Kernen des Thalamus.

Bei allen Wirbeltieren liegen zwischen den eindeutig abgrenzbaren Bahnen und Kernen des Nervensystems Nervenzellgruppen und die dazugehörigen Fasern in einer diffusen, netzartigen Anordnung, der Netzsubstanz Formatio reticularis, die vom Rückenmark bis in den Thalamus das ganze Zentralnervensystem durchzieht.

Die Aufgabe dieser diffusen Nervennetze besteht darin, die Zusammenarbeit des ganzen Systems zeitlich zu koordinieren, z.B. den zeitlich abgestuften Einsatz von Muskelaktivitäten bei der Fortbewegung. Derartige Netzwerke zur zeitlichen Koordinierung der Nerventätigkeit sind in allen Wirbeltierhirnen, aber auch bei Insekten und niederen Tieren, nachweisbar.

ARAS

→ Hauptartikel: Aufsteigendes retikuläres Aktivierungssystem

Eine besondere Aufgabe kommt der Formatio reticularis bei den Säugetieren im Zusammenhang mit der Entwicklung der Großhirnrinde (Cortex) zu. Auch die corticalen Aktivitäten müssen mit dem ganzen System zeitlich koordiniert werden. Zu diesem Zweck gehen von der Netzsubstanz des Thalamus Verbindungen in alle Teile des Cortex, die „Aufsteigendes Reticuläres Aktivierendes System“ (abgekürzt ARAS) genannt werden.

Weil vom Thalamus auch die spezifischen Informationen der Sinnesorgane zum Cortex weitergeleitet werden, werden die ARAS – Verbindungen auch als die „unspezifischen Bahnen“ bezeichnet.

Schaltplan

Bevor diese „unspezifischen Bahnen“ vom Thalamus ausgehend den Cortex erreichen, machen sie eine Schleife zu den sogenannten „Basalganglien“ (Nucleus caudatus, Pallidum, Putamen,Stratum), die als längliches Kerngebiet zwischen Thalamus und Cortex liegen. In dieser Erregungsschleife, die über viele Zwischenneurone in der Laufzeit fein regulierbar ist, entsteht im Thalamus ein variabler Rhythmus, der synchron in alle Gebiete des Cortex geleitet wird. Eine genaue Beschreibung dieser (rechts skizzierten) neuronalen Verbindungen findet man unter Aufsteigendes retikuläres Aktivierungssystem Mit einer rhythmischen Erregung der corticalen Pyramidenzellen durch das ARAS entsteht das, was wir „Bewußtsein“ nennen, aber nur, wenn die Frequenz schneller als 6Hz ist, und wir werden immer „wacher“, je schneller der Rhythmus wird, bis zu ca. 40Hz.

Wenn der Rhythmus langsamer als 6Hz ist, schläft der Mensch, bei 3Hz ist er in Tiefschlaf oder Narkose, und die Null-Linie im EEG wird als Todeszeichen angesehen.

Eine allgemeinverständliche Bezeichnung für ARAS wäre demnach „Hirnschrittmacher“. Wie aktuell diese Struktur und Funktion in der Hirnforschung ist, zeigen die Bestrebungen, künstliche „Hirnschrittmacher“ bei Krankheiten dieses Systems (zunächst bei der Parkinson-Krankheit) einzusetzen.

Weitere Auswirkungen des Hirnschrittmachers lassen sich in dem „Weckreiz“ erkennen, der aus tiefem Schlaf reißt. So spricht man auch von der filtrierenden Wirkung des Thalamus, die nur starke oder „wichtige“ Informationen ins Bewusstsein lässt. „Tor zum Bewusstsein“ wird der Thalamus in der Anatomie schon lange genannt, und die Frequenz des ARAS bestimmt, wie weit dieses Tor offen ist. Starke Reize bewirken augenblicklich eine Beschleunigung der Schrittmacherfrequenz, um sofort hellwach zu machen, das Tor zum Bewusstsein weit zu öffnen.

Eine weitere Auswirkung ist die Steuerung der „Aufmerksamkeit“, die so verständlich wird:

Weil im Thalamus die von den Sinnesorganen einströmenden Daten und die retikulären Strukturen des ARAS in unmittelbarer Nähe und Verbindung sind, können die Sinneserregungen dort auf die Aktivität des ARAS in der Art Einfluss nehmen, dass genau jene Teile des Cortex aktiviert werden, in welche die stärksten Sinneseindrücke projiziert werden, also die entsprechenden Gebiete der Projektionsfelder.

Weil vom Cortex auch Leitungsbahnen zum Thalamus zurückführen, kann der Cortex auch die Aktivität des ARAS „rückwirkend“ beeinflussen und die „Aufmerksamkeit“ unabhängig von äußeren Reizen in jedes corticale Gebiet lenken oder auf einen Punkt fixieren usw.

Der Wald der Erkenntnis

Schichten der Hirnrinde

Pyramidenzelle

Das Großhirn wäre unvollständig beschrieben ohne eine Darstellung seiner Feinstruktur, die nur bei bestimmten Färbemethoden unter dem Mikroskop zu sehen ist.

Verglichen mit ihren vielfältigen Fähigkeiten ist der Aufbau der Großhirnrinde bemerkenswert eintönig. Abgesehen von wenigen feinen Unterscheidungen im Allocortex sieht die Hirnrinde (Isocortex) zu >90% überall gleich aus. Sie ist aus sechs Schichten aufgebaut, in denen jeweils spezielle Anordnungen der Nervenzellen oder ihrer Fasern zu sehen sind.

Spezifisch für die Großhirnrinde sind die Pyramidenzellen , ein Typus besonders großer Nervenzellen. Sie haben ihren Namen nach der Gestalt ihres Zellkörpers, der dreizipfelig einer Pyramide ähnelt. Besonders lang sind die Fortsätze (Axone) der Pyramidenzellen, die sich im ganzen Körper ausbreiten können und alle anderen Teile des Gehirns erreichen können, z.B. starke Verbindungen zum Kleinhirn haben. Diese Zellform kommt nur in der Großhirnrinde der Säugetiere vor, wo sie den größten Teil der Nervenzellen ausmacht.

Pyramidenzellen stehen im gesamten Cortex dicht bei dicht wie Säulen in vertikaler Ausrichtung, vorwiegend in der dritten und fünften Rindenschicht. Ihre feinen Dendriten zeichnen sich durch strickleiterförmig (John C. Eccles beschreibt sie „patronengürtelförmig“) angeordnete, erregende Kontakte mit Sternzellen aus, während am Zellkörper überwiegend hemmende Synapsen sitzen. Das Axon verzweigt sich wurzelförmig in verschiedene Richtungen und überträgt erregende Impulse auf etliche, zum Teil weit entfernte Zellen in alle corticalen Regionen.

Als morphologische Besonderheit der Pyramidenzelle muss neben dem großen Zellkörper die Fähigkeit gesehen werden, sehr lange Verbindungsleitungen zu bilden, die in der Pyramidenbahn bis zu zwei Meter lang sein können. Diese längsten Axone haben auch die größten Zellkörper unter den Pyramidenzellen, die Betz'schen Riesenzellen im motorischen Cortex.

Eingehende Informationen (Afferenzen)

Jede Pyramidenzelle erhält zwei verschiedene Formen der afferenten Erregung, spezifische und unspezifische.

• Die spezifischen Afferenzen führen die Informationen der Sinnesorgane vom Thalamus zum Cortex, sie enden am Zellkörper.

• Die unspezifischen Erregungen und Hemmungen der Pyramidenzellen stammen aus dem unspezifischen Aktivierungssystem der Formatio reticularis und gelangen in einer oszillierenden Schleife vom Thalamus über die Basalganglien in die Hirnrinde. Hier werden sie erst auf Sternzellen umgeschaltet, die wiederum mit einer speziellen, strickleiterförmigen synaptischen Verbindung auf die Dendriten der Pyramidenzellen einwirken.

Diese unspezifischen Erregungen vom reticulären Teil des Thalamus sind rhythmisch und wirken synchron über den ganzen Cortex auf den Grad der Wachheit und Aufmerksamkeit aktivierend oder hemmend ein. Wenn sie langsamer als 6 Hz sind, wird die Hirnrinde in Schlaf versetzt. Im Schlaf reagieren die Pyramidenzellen kaum noch auf Reize, nur sehr starke „Weckreize“ bringen sie zur Erregung.

Die elektrischen Spannungsschwankungen, die auf der Kopfhaut mit dem Elektroenzephalogramm| registriert werden können, sind Ausdruck dieser synchronen unspezifischen Erregungen der Pyramidenzellen.

Herausgehende Informationen (Efferenzen)

Noch schwieriger als die eingehenden Signale sind die Output-Verbindungen des Cortex zu beschreiben. Nur ein geringer Anteil (Willkürbewegungen) ist bewußt an die Außenwelt gerichtet, die meisten Steuerungsaufgaben (z.B. der Aufmerksamkeit) werden zum großen Teil unbewußt erledigt.

Vernetzung Für die spezifischen Erregungen der Pyramidenzellen gilt wie an vielen Stellen des Nervensystems das Konvergenz-Divergenz-Prinzip welches besagt, dass jede Zelle von vielen anderen erregt wird und selbst an viele andere Nervenzellen Impulse sendet. So ist jedes Teil der Hirnrinde über den „Balken“ mit einem spiegelbildlichen Teil der anderen Hirnhemisphäre verbunden, aber die Pyramidenzellen bilden auch weit verfächerte Verbindungen in der gleichen Seite, Verbindungen zum Kleinhirn, Stammhirn usw.

Das Wachstum dieser unzählbaren, unüberschaubaren Verbindungen und die Ausbildung der synaptischen Kontakte zwischen den Pyramidenzellen findet besonders stark in den ersten Monaten und Jahren statt, es ist das Wachstum der neuronalen Netze, die seit der Beschreibung durch Donald O. Hebb als Träger der Gedächtnisfunktion angesehen werden.

Das Ergebnis dieser Aktivität sind „Gestalten“ von neuronalen Netzen, die zunächst als invariante Muster in den flüchtigen Erregungskomplexen erscheinen und dann durch verstärktes synaptisches Wachstum fixiert werden.