Schöpfer der Wirklichkeit

Einen Stift greifen

Also gut, Ihr Stift liegt immer noch da. Was muss geschehen, damit Sie ihn aufnehmen? Wenn Sie die Hand ausstrecken, den Stift anfassen und hochheben, findet in verschiedenen Bereichen Ihres Gehirns in einer Heerschar von Neuronen eine Kaskade von Aktionspotenzialen statt, um die Bewegungen Ihres Arms und Ihrer Hand zu koordinieren. Ich skizziere hier ein paar einfache Schritte dieses Prozesses, die nicht unbedingt in dieser Reihenfolge auftreten müssen:

1. Ihr Gedanke, den Stift aufnehmen zu wollen, erzeugt die erste Serie von Aktionspotenzialen in Ihrem Gehirn.

2. Ihre Augen sehen den Stift und lösen die zweite Serie von Aktionspotenzialen aus.

3. Ihr Okzipital- oder Hinterhauptlappen (der Teil des Gehirns, der für das Sehen zuständig ist) registriert das Bild, das Sie sehen.

4. Der Temporal- oder Schläfenlappen (wo Assoziationen mit Erinnertem und Erlerntem gebildet werden) bringt das Bild, das Sie sehen, mit seiner Erinnerung an Stifte in Verbindung – was zu einer weiteren Serie von Aktionspotenzialen führt.

5. Der Frontal- oder Stirnlappen (Sitz der höheren mentalen Aktivitäten) ermöglicht es Ihnen, aufmerksam zu bleiben, während Sie die Absicht ausformen, nach dem Stift zu greifen.

6. Wenn Sie beginnen, die Bewegung des Greifens nach dem Stift zu integrieren, helfen Ihnen der Frontallappen und der Parietal- oder Scheitellappen (der die motorischen Abläufe steuert und auch für Sprache und allgemeine Sinneswahrnehmungen zuständig ist), die Aktionen von Arm, Hand und Fingern in Gang zu setzen und Ihre Sinne darauf vorzubereiten, wie sich der Stift anfühlen wird.

7. Der Parietallappen ermöglicht Ihnen die Wahrnehmung des Stifts in Ihrer Hand: seine Form, die Rauheit des Holzes nahe der Spitze, die Weichheit des Radiergummis am anderen Ende.

8. Gleichzeitig sorgt das Cerebellum oder Kleinhirn (das die willkürliche Muskelaktivität koordiniert) dafür, dass der Körper die Bewegungen ausführt, um den Stift zu ergreifen. Ohne das Kleinhirn könnten Sie den Stift zwar vielleicht berühren, aber nicht ergreifen, oder ihn allenfalls so aufnehmen, dass er Ihnen über den Kopf fliegt oder dass Sie ihn auf den Boden fegen.

Während dieser Kaskade von Aktionspotenzialen sind ständig Natrium- und Kalium-Ionen in Ihre Nervenzellen hinein- und aus ihnen herausgesaust, und diese ganze elektrochemische Aktivität fand statt, ohne dass Sie sich ihrer irgendwie bewusst sein mussten. Gott sei Dank!

Nervös wie eine Qualle

Die ersten Nervenzellen der Evolutionsgeschichte entstanden in Wesen, die starke Ähnlichkeit mit den heutigen Quallen besaßen. Vor Millionen Jahren hing das Überleben dieses primitiven Organismus von seiner Fähigkeit ab, Nahrung aufzuspüren (sensorische Funktion) und sich dorthin zu bewegen (motorische Funktion). Diese Quallen mussten Zellen entwickeln, die ihr Gewebe kontrahierten und damit Bewegung erzeugen konnten. Und diese Bewegungen mussten zielgerichtet sein.

Die Quallen brauchten ein System, mit dem sie ihre Bewegungen in gewissem Umfang steuern und koordinieren konnten, damit sie sich effektiver in ihrer Umgebung zurechtfanden. Also mussten sensorische Botschaften von der Umgebung aufgenommen und an die auf Bewegung spezialisierten Zellen weiterleitet werden. Und nichts anderes tut – im Wesentlichen – das Nervensystem: Es nimmt Signale der Umgebung wahr und sorgt dafür, dass der Organismus durch Bewegung und Handeln angemessen darauf reagiert – je nachdem willkürlich oder unwillkürlich.

Die Quallen benötigten also eine rudimentäre Intelligenz und ein einfaches Nervensystem, um eine ganz grundlegende Art von Bewusstsein herzustellen. Folglich entwickelten sie die ersten sensorischen und motorischen Nervenzellen.

Da der einfache neurologische Mechanismus der Quallen und anderer primitiver Organismen sehr erfolgreich war, wurde er zur evolutionären Norm. Alle Nervenzellen – ob von Quallen, Tieren oder Menschen – übertragen Informationen auf der Basis derselben elektrochemischen Prinzipien. Auch heute begegnen wir Menschen unserer Umgebung mithilfe desselben Prozesses, wie er vor Jahrmillionen in den Quallen seinen Anfang genommen hat.

Wie hat die Natur den Quantensprung von diesen primitiven Nervensystemen zum menschlichen Gehirn geschafft? Um ein immer komplexeres, den Anforderungen besser angepasstes Verhalten zu entwickeln, musste ein Organismus nur immer mehr dieser Nervenzellen auf die verschiedensten Weisen miteinander verknüpfen.

Wenn Neuronen sich zu immer komplexeren neurologischen Netzwerken verbinden, nimmt die Kommunikation zwischen ihnen exponentiell zu. Es ist eine einfache Gleichung: Im selben Maß, wie sich die Kommunikation zwischen den Neuronen vervielfältigt, erweitert sich die Intelligenz, und die Organismen können sich auf eine fortgeschrittene, ihrer Umgebung besser angepasste Weise verhalten. Kurz gesagt, wir verdanken es unseren großen Gehirnen, dass wir schneller lernen, erinnern, erschaffen, erfinden und unser Verhalten ändern können als andere Organismen. Der Mensch steht an der Spitze der Kommandokette, weil die unglaubliche Menge miteinander verbundener Nervenzellen unser Gehirn sehr groß und unvergleichlich komplex werden ließ.

Chemische Botenstoffe erzeugen eine Verbindung

Betrachten wir einmal aus der Nähe, wie Nervenimpulse sich von einem Neuron zum anderen bewegen. Wie überwinden sie den synaptischen Spalt?

Wandert ein Nervenimpuls ein Neuron entlang, kommt er über das Axon der sendenden Seite zur präsynaptischen Membran. Dort sitzen winzige synaptische Vesikel, in denen chemische Botenstoffe gespeichert sind, die sogenannten Neurotransmitter. Neurotransmitter übertragen Informationen über den synaptischen Spalt hinweg zu anderen Nervenzellen (und Körperteilen) und steuern so spezifische Funktionen. Auf Abbildung 3.5 weist Punkt A auf diese mit Neurotransmittern gefüllten Vesikel hin.

Abbildung 3.5

Die Funktion der Neurotransmitter am synaptischen Spalt

Neurotransmitter wie Serotonin oder Dopamin verursachen die Stimmungen, die unsere Erfahrungen prägen. Ihnen haben wir es zu verdanken, dass wir uns bei derselben Aktivität manchmal glücklich und manchmal unwohl fühlen. Die verschiedenen Stimmungen, die Sie und die meisten Menschen im Lauf eines Tages durchleben – von freudiger Erwartung oder Fröhlichkeit bis zu Reizbarkeit oder Erschöpfung –, gehen auf das Konto der Neurotransmitter. Unser Fühlen wird von der Chemie bestimmt, die wir durch unsere Gedanken in unserem Gehirn produzieren.

Sie können sich die Vesikel am Ende des Axons als winzige, mit Flüssigkeit gefüllte Ballons vorstellen, und die Neurotransmitter sind die Flüssigkeit darin. Verschiedene Endknöpfchen enthalten verschiedene Botenstoffe. Die elektrochemische Aktivität eines Nervenimpulses bringt, gleich einem Blitzschlag, eines oder mehrere Vesikel zum Platzen, die damit Tausende von Neurotransmitter-Molekülen freisetzen. Jeder Impuls lässt bestimmte Vesikel aufspringen und andere nicht, was bedeutet, dass bestimmte Neurotransmitter ausgeschüttet werden und andere nicht.

Was bestimmt, welche Neurotransmitter freigesetzt werden? Die Frequenz oder Ladung des elektrischen Impulses. Nicht alle Nervenimpulse sind gleich, und die verschiedenen Neurotransmitter reagieren auf unterschiedliche Frequenzen. So kann ein bestimmter elektrochemischer Impuls ein bestimmtes Vesikel zum Platzen bringen und dessen spezifischen Neurotransmitter freisetzen.

Stellen Sie sich diese chemischen Botenstoffe einfach vor wie winzige Fähren, die einen Kanal überqueren und am anderen Ufer an den passenden Stellen andocken. Für jeden Neurotransmitter gibt es auf der empfangenden Seite des Dendriten einen spezifischen chemischen Rezeptor, in den er passt wie der richtige Schlüssel ins Schloss. Die molekulare Form des Neurotransmitters muss der molekularen Form des Rezeptors entsprechen. Abbildung 3.5 zeigt an den Punkten B und C dieses Schlüssel-Schloss-Prinzip.

An ihrer »Anlegestelle« auf der anderen Seite setzen die Neurotransmitter »Passagiere« frei, die dann verschiedenen Aufgaben nachgehen. Zwar verlassen Sie das Dock alle auf demselben Weg, doch mit unterschiedlichen Zielen: Manche schlendern nach Hause und ruhen sich dort aus, andere gehen zur Arbeit, wieder andere sind möglicherweise im Urlaub und einige gehören vielleicht zum Fährpersonal.

Bei den Neurotransmittern verhält es sich ähnlich: Sie überqueren den Spalt zwischen dem Neuron, das sie freigesetzt hat, und der benachbarten Nervenzelle. Auf der Empfängerseite bewirken sie die Freisetzung bestimmter Chemikalien, die Einfluss auf die Aktivität der empfangenden Zelle nehmen. Dies wiederum wirkt auf das nächste Neuron, und so weiter.

Chemisch-elektrisches Hin und Her

Nervenimpulse fangen also elektrisch an, werden dann chemisch und anschließend wieder elektrisch. Anders ausgedrückt: Die von einem Neuron erzeugten elektrischen Impulse werden an der Synapse durch Neurotransmitter in chemische Impulse umgewandelt. Diese chemischen Botenstoffe stimulieren eine komplexe molekulare Interaktion und einen Ionenfluss, der am benachbarten Neuron wiederum einen elektrischen Impuls auslöst. Wenn dadurch eine bestimmte elektrische Schwelle erreicht ist, wird beim benachbarten Neuron ein Aktionspotenzial ausgelöst und die Botschaft weitergegeben.

Nicht jede Nervenzelle gibt die Botschaften weiter, die sie empfängt. Zur Veranschaulichung stellen Sie sich einfach Folgendes vor: Sie wollen einen Freund mit Liebeskummer aufheitern. Der Arme steckt in seinen Gefühlen fest und denkt an nichts anderes als an sein Herzeleid. Ihnen ist klar, dass er seinen Kummer vergessen muss, weshalb Sie ihn auf unterschiedliche Weisen abzulenken versuchen. Sie laden ihn zum Abendessen in ein neues Restaurant ein, Sie gehen mit ihm auf der Promenade spazieren, schleppen ihn gemeinsam mit Freunden ins Kino, in einen Nachtklub und in eine Komödie. Irgendwann im Verlauf all dieser Aktivitäten gelangt Ihr Freund im Idealfall an einen Punkt, wo er angeregt genug ist, um seine trübselige Stimmung zu vergessen.

Nervenzellen wechseln auf ganz ähnliche Weise aus der Ruhe in einen Erregungszustand. Manchmal mag eine Form der Stimulation nicht ausreichen, doch ist der Reiz stark genug, wird die Nervenzelle aktiviert und damit von einem Informations-Empfänger zu einem Informations-Sender: Sie gibt ihre Erregung weiter.

Werden auf der Seite der präsynaptischen Membran Neurotransmitter freigesetzt, dann erzeugen sie eine elektrische Reaktion auf der postsynaptischen Seite. Dieser elektrische Impuls wandert vom empfangenden Dendriten zum Zellkörper und das Axon hinunter. Sie können sich Neurotransmitter als diejenigen Chemikalien denken, welche die Kommunikationslücke zwischen den Neuronen schließen, sodass eine Botschaft durch das ganze Gehirn gesendet werden kann.

In der Regel braucht es auf der postsynaptischen Seite eine Menge Neurotransmitter-Aktivität als Stimulus, um die nächste Nervenzelle stark genug zu erregen. Kleine Neurotransmitter-Mengen aus einzelnen Nervenzellendungen reichen meistens nicht, um die Schwelle zu erreichen, an der ein Aktionspotenzial ausgelöst wird. Es ist, wie gesagt, ein Alles-oder-nichts-Phänomen, ähnlich wie beim morgendlichen Weckerklingeln: Entweder Sie steigen aus dem Bett oder Sie tun es nicht; beides gleichzeitig geht nicht. Ob eine Nervenzelle erregt wird oder nicht, hängt jedoch auch von der Art des Neurotransmitters ab.

Verschiedene Arten von Neurotransmittern

Neurotransmitter finden sich in verschiedenen Konzentrationen in bestimmten Arealen des Gehirns. Zu den wichtigsten Neurotransmittern zählen Glutamat, Gamma-Amino-Butyric-Acid (GABA bzw. Gamma-Aminobuttersäure), Acetylcholin, Serotonin, Dopamin, Melatonin, Stickoxid und verschiedene Endorphine.

Neurotransmitter können viele verschiedene Funktionen erfüllen: stimulieren, hemmen oder die Aktivität eines Neurons auf Zell-Ebene verändern. Sie können ein Neuron veranlassen, sich aus einer bestehenden Verbindung zu lösen oder sie zu verstärken. Sie können benachbarte Neuronen erregen oder eine Botschaft aussenden, die den Impuls zum Erliegen bringt. Sie können sogar die Botschaft selbst verändern, sodass eine neue Botschaft weitergegeben wird. Und all dies geschieht in einer Millisekunde.

Im Gehirn und im Nervensystem existieren zwei Grundtypen von Neurotransmittern. Erregende Neurotransmitter stimulieren oder aktivieren eine Impulsübertragung. Sie verändern den elektrischen Zustand der postsynaptischen Membran und ermöglichen damit die Auslösung eines Aktionspotenzials in der nächsten Zelle. In den richtigen Kombinationen sorgen sie dafür, dass unsere mentalen Funktionen blitzschnell ablaufen.

Der wichtigste erregende Neurotransmitter ist Glutamat. Wird in der präsynaptischen Membran Glutamat freigesetzt, verbindet es sich mit dem entsprechenden Rezeptor der postsynaptischen Membran und verändert damit den elektrischen Zustand der nächsten Zelle, um die Wahrscheinlichkeit der Auslösung eines Aktionspotenzials zu erhöhen.

Hemmende Neurotransmitter unternehmen genau das Gegenteil: Sie sorgen dafür, dass an der postsynaptischen Membran keine Erregung stattfindet. Der wichtigste hemmende Neurotransmitter ist GABA: Er heftet sich an die entsprechenden Rezeptoren der postsynaptischen Membran und bewirkt dort, dass die Auslösung eines Aktionspotenzials weniger wahrscheinlich wird. Ohne GABA würden die Nervenzellen so oft aktiviert, dass sie Schaden nähmen und das Gehirn ernsthaft aus dem Gleichgewicht geriete.

Neuronen knüpfen leicht Kontakt mit anderen Neuronen. Sie besitzen auch die Fähigkeit, Impulse an- und abzuschalten, Informationen auf eine einzelne Zelle auszurichten oder elektrische Aktivität in x verschiedene Richtungen zu streuen. Neuronen können sich auch augenblicklich voneinander trennen oder sich miteinander an anderen synaptischen Spalten verbinden.

Angesichts dieser Komplexität geht den Biologen allmählich auf, wie wenig wir eigentlich über die Funktionen und Wechselwirkungen zwischen den Neuronen wissen. In Anbetracht all ihrer verschiedenen Wirkungsweisen und ihrer kollektiven, ständig veränderbaren Muster haben sie nur noch wenig mit den brav-ordentlichen Zeichnungen zu tun, die wir aus unseren Schulbüchern kennen. In unserem Zusammenhang sollten wir uns die Neuronen eher als ein riesiges, in ständiger Veränderung begriffenes Netzwerk einzelner Computer vorstellen, die in Lichtgeschwindigkeit miteinander kommunizieren. Denken wir uns die Neuronen wirklich als Milliarden von Computern, die unablässig in gegenseitigen Kontakt treten und ihn wieder lösen, können wir die gewaltige Aufgabe angehen, ihre Intelligenz auf mikroskopischer Ebene zu erklären. Wenn ich in diesem Kontext davon spreche, Neuronen zu verknüpfen oder zu verschalten, dann ist das natürlich immer nur eine Metapher für die Kooperationsweise dieser hoch entwickelten Zellen.

Das Wasser zwischen unseren Ohren

Wie bereits erwähnt, besteht unser großartiger, komplexer Biocomputer zu 75-85 Prozent aus Wasser. Die Konsistenz eines lebendigen Gehirns lässt sich in manchen Bereichen mit der eines weich gekochten und in anderen mit der eines hart gekochten Eis vergleichen. Wie klug von Mutter Natur, dass sie dieses zarte Gewebe mit einem harten Schädelknochen umgeben hat, um es vor Verletzungen zu schützen! Wasser ist für den elektrischen Informationsaustausch des Gehirns von wesentlicher Bedeutung: Es erhöht die Leitfähigkeit des Gehirns, weshalb elektrische Ströme sich schnell und kontinuierlich ausbreiten können (Divergenz).

Denken Sie nur daran, was passiert, wenn ein Blitz in ein Gewässer fährt. Selbst wenn Sie sich Hunderte Meter von der Einschlagstelle entfernt im Wasser aufhalten, kann das immer noch lebensgefährlich sein, weil die Elektrizität sich sekundenschnell im Wasser ausbreitet. So bildet Wasser auch im Gehirn das perfekte Medium, in dem geladene Teilchen sich innerhalb und außerhalb der Zellen rasch und frei bewegen können.

Und jetzt zum Nervensystem

Die anderen Teile des Nervensystems sind vorwiegend damit beschäftigt, Impulse vom Körper zum Gehirn und vom Gehirn zum Körper zu leiten. Die Nerven bestehen aus einer oder mehreren Nervenzellenfasern, die sich in alle Bereiche des Körpers verzweigen. Nerven sind Verlängerungen des Gehirns. Das Nervensystem dient dazu, die Umgebung mit dem Körper zu verbinden, den Körper mit dem Gehirn und das Gehirn mit dem Körper.

Grundsätzlich aktiviert und steuert das Nervensystem sämtliche Körperfunktionen und sorgt dafür, dass all diese verschiedenen lebendigen Gewebe ordentlich und harmonisch zusammenarbeiten. Es reguliert sämtliche Systeme: endokrine Drüsen, Muskeln und Skelett, Immunität, Verdauung, Herz und Kreislauf, Fortpflanzung, Atmung und Ausscheidung. Ohne Nerven wären wir nicht lebensfähig.

Um all diese Systeme zu kontrollieren und aufrechtzuerhalten, kommuniziert das Nervensystem ständig mit dem Rest des Körpers. Unsere Sinne sind auch Erweiterungen der Nervenrezeptoren, mit denen wir verschiedene Informationen über unsere Umwelt einholen; durch unsere Sinne kann das Nervensystem die Zustände im Körper und um den Körper herum wahrnehmen und auswerten. Neben dem Hören, Sehen, Riechen, Schmecken und Berühren verarbeitet das Nervensystem auch andere innere Sinneseindrücke wie Hunger, Durst, Schmerz, Temperaturempfinden und Tiefenwahrnehmung (das »Körpergefühl«). All diese Informationen speichert das Nervensystem in Form von Erinnerungen.

Komponenten des Nervensystems

Das Nervensystem besteht eigentlich aus verschiedenen Subsystemen, die sich im Körper überschneiden. Das zentrale Nervensystem besteht aus dem Gehirn und dem Rückenmark. Man kann sich das Rückenmark als eine Verlängerung des Gehirns vorstellen, mit Milliarden sensorischer und motorischer Impulse, die permanent am Rückenmark entlang auf- und abwandern wie in einem Glasfaserkabel.

Die Ergänzung des zentralen Nervensystems bildet das periphere Nervensystem, wozu alle außerhalb von Gehirn oder Rückenmark existierenden Nerven gehören, d.h. sämtliche Nerven, die Impulse von den Geweben und Organen zum Rückenmark oder vom Rückenmark zu den Geweben und Organen leiten, einschließlich unserer Sinnesorgane. Bei meinem Vergleich des Rückenmarks mit einem Glasfaserkabel entsprechen die peripheren Nerven den Leitungen, die von diesem Kabel abzweigen und einen wechselseitigen Informationsaustausch mit den inneren Organen, Sinnesorganen und Extremitäten ermöglichen. Die Abbildungen 3.6A, 3.6B und 3.6C zeigen das zentrale und das periphere Nervensystem.