Neurotransmitter für Physiker

BLOG: Graue Substanz

Migräne aus der technischen Forschungsperspektive von Gehirnstimulatoren zu mobilen Gesundheitsdiensten.
Graue Substanz

Mein Vater erklärt mir jeden Samstag unsere sieben Neurotransmitter. Statt der Planeten. Wäre das so abwegig? 

Planeten gehören zwar nicht in die Rumpelkammer nutzlosen Wissens. Ihre Bewegung steht für den bemerkenswertesten wissenschaftlichen Wandel, den Übergang von der Kinetik zur Dynamik durch Newton. Damit wurde erstmals nicht mehr bloß beschrieben sondern erklärt, wie etwas funktioniert.

Doch allein die Diskussion um Pluto ist Beleg dafür, dass dies als Sinnbild für den bis heute physiker_innenherzerwärmenden Wandel irgendwann in Vergessenheit geraten sein muss und selbst wenn dem nicht so gewesen wäre, ein populäres Wissen über Neurotransmitter ist immer noch für den Alltag nützlicher. Neurotransmitter sind die Variablen des Gehirns und Geistes.

Neurotransmitter und Gehirnzellen spielen nur zusammen

Wie aber erklärt man Neurotransmitter?

Man kann folgendes vorab festhalten: Neurotransmitter und Gehirnzellen voneinander unabhängig in einer Gehirntheorie einzuführen ist gar nicht möglich. Um dann zunächst einen Schwenk zu den Theorien der klassischen Physik zu machen. Hans-Jürgen Borchers, mein Thermodynamiklehrer, drückte das Problem, dem man bei der Lehre der klassischen physikalischen Theorien gegenübersteht, so aus:

Every time one has to lecture a course on classical theoretical physics one faces the problem of introducing pairs of new variables simultaneously.1

Er führt weiter aus, dass in der Newtonschen Lehre entsprechend Masse und Kraft eingeführt werden. Dass wir neue Größen einführen können, liegt wiederum an der Tatsache, dass wir uns auf andere Größen verlassen, die zuvor definiert wurden. In der Mechanik setzen wir auf Bewegung von Punkten im Raum und Zeit, mit anderen Worten auf Kinematik. In der Elektrodynamik, die elektrische Feldstärke und magnetische Flussdichte einführt, wiederum auf den Begriff der Kraft. Und schließlich in der Thermodynamik wird ausgehend von der Mechanik, Elektrodynamik, Chemie und anderen Bereichen, die Energieformen kennen, Temperatur und Entropie eingeführt.1

Wer Neurowissenschaft lernt, kommt nicht herum Gehirnzellen und Neurotransmitter im Zusammenspiel kennenzulernen. Man erkennt den Wert dieser Feststellung vielleicht erst, wenn man versteht, was man nicht erklären muss. Chemische Strukturformeln oder eine Einteilung nach Stoffklassen sind letztlich so wichtig, wie die Information aus welchen Holz das erste Rad geschnitzt wurde. Sie haben nicht wirklich etwas mit der Funktion zu tun. Stattdessen sollten die systemischen Zusammenhänge von Ursprung und Zielgebiet im Gehirn im Vordergrund stehen für ein erstes Verständnis der Neurotransmitter. Darüber kommt man zu den Gehirnfunktionen und dem was wir Geist nennen, auch wenn das ein langer, unbekannter Weg ist.

Bemerkenswert ist da, dass die deutsche Wikipedia dennoch die Stoffklassen listet, über Ursprung und Zielgebiete von Neurtransmitter aber schweigt, die englische Wikipedia macht es richtig, nämlich umgekehrt.

Popularisieren und weiterentwickeln

Neurotransmitter sind Botenstoffe zwischen Zellen. Als Gruppe stehen sie insofern auch für den Übergang der Theorie von Golgi über das Gehirn als ein durchgehendes Netzwerk zu der Theorie der autonomen Cajal’schen Zellen.

Nützlicher als Wissen über Planten sind Neurotransmitter aus zwei zugegeben subjektiven Gründen. Zum einem halte ich das Gehirn für grundlegender als die Welt. Jenes mag nur Teil dieser Welt sein, aber wir erfahren von ihr nur über das Gehirn.2 Dabei sind es weniger die Funktionsweisen des Gehirns, für deren Verständnis eine Grundkenntnis der Neurotransmitter hilfreich sein kann sondern dessen Fehlfunktionen in Form von neurologischen Krankheiten und psychiatrischen Störungen. Wahrscheinlich hatte jeder schon mal selbst, im Freundeskreis oder in der Familie damit zu tun gehabt – falls nicht ist es wohl leider nur eine Frage der Zeit.

Zum anderen gibt es mehr zu tun, ich meine wissenschaftlich zu tun. Wir haben noch keine Gehirntheorie á la Newton und wenn die Grundlagen falsch gelehrt werden, machen sich auch nur wenige auf den Weg.

Es waren nicht zufällig die Franzosen d’Alembert, Clairaut, Laplace und Lagrange, die, nachdem Voltaire die klassische Mechanik popularisierte, diese weiterentwickelten. Heute geht es bei der Gehirnforschung um disziplinäre Ausbreitung. Schon ein Grundverständnis über Gehirnfunktionen kann fachferne Wissenschaftler_innen anregen, Theorien mit und weiterzuentwickeln. Das Geschieht insbesondere, wenn dieses Grundverständnis in Resonanz zur eigenen Denkweise gerät.

Trotz der angeführten Ähnlichkeiten im Aufbau der jeweiligen Lehre ist die Situation am Ende nicht vergleichbar. Doch auch die klassische Thermodynamik ist mit der Newtonschen Lehre nicht vergleichbar. Hier muss (und kann) Temperatur über Entropie bzw. Entropie über Temperatur definiert werden – sie sind also nicht unabhängig.1 Das macht das Verständnis des Fundaments der klassischen Thermodynamik ein klitzekleines Stückchen komplizierter als das der anderen klassischen Theorien. Scheinbar unklare Fundamente schrecken Physiker_innen zuverlässig ab und Erfahrung zeigt, dieses Stückchen wird noch emotional überhöht. Viele mögen Thermodynamik nicht. Letztlich wohl allein weil in der Lehre Fehler gemacht werden. Aber Gehirnteorie ist nicht klassische Thermodynamik (sie ist moderne Thermodynamik). Denn darüberhinaus ist Gehirntheorie, wie die Biologie im allgemeinen, komplex und nicht “nur” kompliziert.

Hauptsächlich sieben Neurotransmitter des Gehirns gehören anerkannt

Man muss natürlich zuerst die Grundbausteine einer (noch zu erstellenden) Theorie beim Namen kennen.

Ein Merksatz hilft hier, wenn auch nicht mehr als das, denn schon eine Reihenfolge macht keinen rechten Sinn.

Hauptsächlich sieben Neurotransmitter des Gehirns gehören anerkannt.“

Steht für: Histamin, Serotonin, Noradrenalin, Dopamin, Glutamat, GABA (Gamma-Aminobuttersäure) und Acetylcholin.

Wie gesagt, die Reihenfolge ist egal. Über Neuromodulatoren, Neuropetide und seltene Neurotransmitter könnte man dagegen wie über Zwerkplanten streiten. Stickstoffmonoxid, Adenosin, Opioide, Glycin, … lang ist die Liste. So ein Streit mag sogar sinnvoll sein, denn Neuromudulatoren, Neuropetide und seltene Neurotransmitter sind nicht aufgrund von Stoffklassen sondern systemischen Eigenschaften nicht aufgeführt.

Da sich Neurotransmitter nicht wie die Planeten des Sonnensystems  aufreihen lassen, werden sie im Folgenden in einer anderen Reihenfolge kurz vorgestellt.

Acetylcholin, der Vagusstoff, der unser Herz augenblicklich langsamer schlagen lässt und Noradrenalin, sein Gegenspieler.

Dopamin, das Glückshormon und GABA (γ-Aminobuttersäure), der Hemmstoff.

Serotonin schnürt die Gefäße zu.

Glutamat, der Erreger, der Aufmerksamkeit, Gedächtnis, Konzentration und Wahrnehmung aktiviert, und Histamin beteiligt sich am Schlaf-Wach-Rhythmus.

Sie alle sieben sind zentrale Botenstoffe im Gehirn und mindestens drei sollte man im Zusammenhang mit Migräne kennen. Das wäre ja kein Migräneblog, wenn ich darauf nicht hinweise. Serotonin, Glutamat und Noradrenalin gehören zu dem Arbeitsmodell von dem ich im letzten Beitrag schrieb.

 

 

Fußnoten

1 Vgl. Borchers, H. J. (1985). Some remarks on the second law of thermodynamics. Reports on mathematical physics, 22(1), 29-48.

2 Die Unterscheidung zwischen Gehirn und Körper ist hier rein didaktischer Natur. Das Gehirn ist das zentrale Nervensystem. Aber auch das periphere Nervensystem muss mit einbezogen werden. Nun lehren uns gerade Neurotransmitter und vielleicht noch mehr Neuropeptide dass es das Gehirn außerhalb der Anatomie gar nicht gibt. Es kann in seiner Physiologie nicht strikt funktionell – wie in der Anatomie strukturell – isoliert werden. Denn ihre Rezeptoren sind im ganzen Körper verteilt. Diese Stoffe bilden ein psychosomatisches Netzwerk. Man müsste daher korrekt vom Körper und Geist reden und nicht Gehirn und Geist. Was jedoch zu stark nach einen nicht gemeinten Dualismus klingt. Will man völlig strikt sein, dürfte man vermutlich Körper und Welt auch nicht funktionell isolieren, doch kann hier sicher immer ein ε zur Hilfe kommen.

Markus Dahlem forscht seit über 20 Jahren über Migräne, hat Gastpositionen an der HU Berlin und am Massachusetts General Hospital. Außerdem ist er Geschäftsführer und Mitgründer des Berliner eHealth-Startup Newsenselab, das die Migräne- und Kopfschmerz-App M-sense entwickelt.

14 Kommentare

  1. (leicht off topic) Warum nur macht es die englische Wikipedia viel öfter richtig als die deutsche – obwohl doch Deutschland das Land der Experten ist? Ist es die Schwarmintelligenz, die bei einem höheren Schwarm grösser ist? Eigentlich bin ich von Schwarmintelligenz nicht überzeugt, ich sehe viel häufiger die Schwarmdummheit am Werk. Es stimmt aber: Eine Kultur mit mehr Leuten hat auch mehr intelligente Leute, mehr Leute mit Durchblick. Nur wenn diese Leute sich einbringen können, kommt es aber zu einem guten Resultat. Die Schwarmdummheit kann genau das verhindern – dass die guten Leute gutes tun können. Dies zu obigem Fragment:

    Bemerkenswert ist da, dass die deutsche Wikipedia dennoch die Stoffklassen listet, über Ursprung und Zielgebiete von Neurtransmitter aber schweigt, die englische Wikipedia macht es richtig, nämlich umgekehrt.

    • @ Herr Holzherr :

      Die Schwarmdummheit kann genau das verhindern – dass die guten Leute gutes tun können.

      Genau das ist die Idee der sog. Schwarmintelligenz, die auch in den modernen “westlichen” Systemen, die den Ideen und Werten der Aufklärung folgend gesellschaftlich implementiert haben, vorliegt, nämlich dass ‘gute Leute [G]utes tun’ zu behindern, zumindest Einzelne betreffend; ansonsten ist die en.wikipedia regelmäßig besser, korrekt.

      SCNR
      Dr. W

  2. (leicht off topic) Warum interessieren Planeten und Dinosauerier mehr Leute als es Neurotransmitter tun? Weil Planeten und Dinosaurier mit Assoziationen, Vorstellungen, Visionen und Träumen verbunden sind, nicht aber Neurotransmitter. Neurotransmitter zu kennen erscheint den meisten als totes Wissen. Dazu hat Douglas R. Hofstadter das Buch Surfaces and Essences: Analogy as the Fuel and Fire of Thinkinggeschrieben und den Vortrag Analogy as the Core of Cognition gehalten. Wobei der Begriff Analogie zu kurz greift. Allerdings fasst auch Douglas R. Hofstadter den Begriff sehr weit. Was hat Analogie-Denken mit Dinosauriern zu tun? Wohl mehr als die meisten zuerst vermuten. Dinosaurier sind interessant als Vertreter von Tieren, die zufälligerweise heute nicht mehr existieren. Sich diese ausgestorbenen Tiere wieder belebt zu denken ist für Menschen allerdings einfach, ja geradezu natürlich. Wenn jemand vor die Haustüre tritt und dort einen Tyrannosaurus rex sieht, ist er zwar überrascht, er weiss aber genau um was es geht.
    Bei Neurotransmittern ist das leider gar nicht der Fall.
    Wenn man den Begriff Analogie verallgemeinert wie das Douglas R. Hofstadter macht, dann bedeutet es nichts anderes, als dass wir etwas in ein Netz von Bezügen einbetten.

    • Wissen muss nützlich sein, deshalb Neurotransmitter und nicht Planeten. Doch nach Douglas R.Hofstadter stimmt das nicht: Wir bilden Assozitationen und eignen uns Wissen an ohne uns dafür anzustrengen. Analogien dienen nach Hofstadter keinem Zweck, sie passieren einfach. Heute wo Wissen so wichtig geworden ist, wobei es vor allem drauf ankommt was man weiss, gilt der Wissenserwerb allerdings auch als Arbeit: Im Schweisse deines Angesichts sollst du die Neurotransmitter lernen.

  3. Sehr schön, kann man an Lehrer/-innen weiterreichen, die in der Oberstufe “Neuro” unterrichten.

    Zu Deiner schönen Bemerkung, dass das Gehirn wichtiger ist als die Welt, musste ich gleich an Emily Dickinson’s Gedicht “The brain is wider than the sky” denken (z.B. hier).

    Das Gehirn-Bewusstsein-Problem war ja mal das Leib-Seele-Problem und sogar schon mal ein Materie-Geist-Problem. So wahr es ist, dass das Gehirn “nur” Teil eines umfassenden Nervensystems (und damit des gesamten Organismus) ist – hinreichend für bewusste Empfindungen sind ausschließlich Vorgänge im Isocortex; eine Fokussierung auf das Gehirn(“Cerebrozentrismus”) hat also durchaus gute Gründe für sich.

    • Kann im isolierten Isocortex auch Bewusstsein entstehen? Oder, wenn er nachträglich isoliert wird, über lange Zeit (Monate bis Jahre) aufrechterhalten werden (Locked-in-Syndrom)?

      Ich stimme aber zu, dass abgesehen von der Entstehung und (sehr langen) Aufrechterhaltung, also in einer “Gegenwart” das Gehirn hinreichend ist.

      • Wenn man so fragt (darf man!), wäre immer die ganze Welt die notwendige Möglichkeitsbedingung … und zwar für alles. Der Ursachen-Begriff würde sich dann völlig auflösen … guckstu: Ur s a c h e

        Ich möchte aber feststellen können, dass der Isocortex – bei normaler Funktion, nach normaler Entwicklung und unter gewöhnlichen Randbedingungen – entscheidend ist für das Zustandekommen einer Empfindung (und eben nicht Vorgänge dort im Körper, wo ich diese Empfindung fühle). Hierfür verwendet man üblicherweise den Ursache-Begriff oder den Begriff der hinreichenden Bedingung.

        Es gibt (gab?) in den 1990er Jahren elektrophysiologische Experimente an (lebenden) Ganzhirn-Präparaten von Hamstern. Die Studien wurden seinerzeit vom J Neurophysiol aus tierethischen Gründen abgelehnt – und das, obwohl man eine hypothermische Anästhesie (32°C) durchgeführt hatte. Kein Mensch wusste, ob und was ein isoliertes Hamsterhirn so wahrnimmt, fühlt, denkt, …

        • Ich möchte aber feststellen können, dass der Isocortex – bei normaler Funktion, nach normaler Entwicklung und unter gewöhnlichen Randbedingungen – entscheidend ist für das Zustandekommen einer Empfindung […]. Hierfür verwendet man üblicherweise den Ursache-Begriff oder den Begriff der hinreichenden Bedingung.

          1. Nach meinem Verständnis sind Ursachen zunächst nur notwendige Bedingungen: Dass ich den Lichtschalter in die “I”-Position bewege ist notwendig (erforderlich), damit die Lampe leuchtet. Ohne dass ich den Schalter auf “I” stelle, leuchtet die Lampe nicht. Die Schalterstellung “I” ist also kausal fürs Leuchten.

          Hinreichend ist die “I” aber nicht ohne weiteres, denn es lassen sich problemlos weitere kausale (notwendige) Bedingungen finden, die allesamt erfüllt sein müssen, damit die Lampe leuchtet.

          2. Gibt es Zeitpunkte, an denen wir nichts empfinden? Wenn zu diesen Zeitpunkten eine “normale Funktion” des Isocortex vorliegt, dann ist “normale Funktion” offensichtlich nicht hinreichend für Empfindungen.

          • Ich gebe Ihnen Recht, @Ano Nym. Wir können bisher – durch Läsion und Stimulation – eigentlich nur zeigen, dass die Funktion des Isocortex notwendig ist für das Zustandekommen bewusster Eindrücke; denn unsere Interventionen stören in der Regel die normale Funktion und es kommt dann zum Ausfall der entsprechenden Fähigkeiten. Die induktive Vermutung “Ohne Hirnprozesse gibt es keine geistig-seelischen Phänomene/Fähigkeiten” (sprich: Hirn als notwendige Bedingung) würden die meisten Hirnforscher wohl unterschreiben. (Man müsste hier ergänzen, dass nicht auszuschließen ist, dass ähnliche Prozesse eines Tages auf anderen materiellen Trägern realisiert werden könnten, z.B. Bewusstsein auf Chip-Basis).

            Allerdings löst z.B. Elektrostimulation im Bereich des primär-taktilen Cortex ein Kribbelgefühl in der Hand aus. Hier nähern wir uns der stärkeren These, dass Prozesse im Isocortex auch hinreichend sein könnten für bewusste Empfindungen (gegeben alle typischen Randbedingungen).

            Wir kennen die erforderlichen neurophysiologischen Prozesse bis heute nicht. Insofern haben Sie auch mit Ihrer zweiten Frage nicht Unrecht: Dass die “richtigen” Prozesse ablaufen, erkennen wir eben daran, dass entsprechende psychische Phänomene beobachtet werden – das ist noch ziemlich tautologisch fürchte ich.

        • “Die Studien wurden seinerzeit vom J Neurophysiol aus tierethischen Gründen abgelehnt – und das, obwohl man eine hypothermische Anästhesie (32°C) durchgeführt hatte.”

          Recht haben Sie, und ja, kaum zu glauben. Tierethische Gründe, das diese eine Rolle spielen – wer kommt denn auf sowas? Und hier sogar “obwohl man eine hypothermische Anästhesie” durchgeführt hatte!

          Hätte die Wissenschaft weniger Skrupel, wir hätten heute schon das Paradies erlangt? Darf man davon ausgehen?

  4. Markus A. Dahlem schrieb (16. September 2014):
    > Neurotransmitter und Gehirnzellen voneinander unabhängig in einer Gehirntheorie einzuführen ist gar nicht möglich.
    > Neurotransmitter sind Botenstoffe zwischen Zellen.

    > Man muss natürlich zuerst die Grundbausteine einer (noch zu erstellenden) Theorie beim
    Namen kennen.

    > „Hauptsächlich sieben Neurotransmitter des Gehirns gehören anerkannt.“ […]
    > Histamin, Serotonin, Noradrenalin, Dopamin, Glutamat, GABA und Acetylcholin.

    Un de Jehirnzellen? (Krieje mer später?? …)

    p.s.
    > Hans-Jürgen Borchers […] drückte das Problem, dem man bei der Lehre der klassischen
    physikalischen Theorien gegenübersteht, so aus:

    > > Every time one has to lecture a course on classical theoretical physics one faces the
    problem of introducing pairs of new variables simultaneously.

    MBMN liegt das Problem wohl eher in der Auffassung dessen, was eingeführt wird, als (eine oder
    mehrere) “Variable“, anstatt (eine oder mehrere) “Messgröße(n)”.

    Schließlich erlaubt die Definition eines (Mess-)Operators A auch die Betrachtung des
    entsprechend konjugierten Operators (z.B. d/dA);
    und die Vorgabe einer “(eigentlich) zu optimierenden Funktion” kann stets Fragen nach eventuellen Nebenbedingungen (und entsprechenden “Lagrange_multiplikatoren”) aufwerfen.

    > Er führt weiter aus, dass in der Newtonschen Lehre entsprechend Masse und Kraft eingeführt werden.

    Eben.
    Und dem noch vorausgehend: Dauer und Distanz.
    Und dem noch vorausgehend: Geradlinigkeit und Freiheit. …

    p.p.s.
    > Bemerkenswert ist da, dass die deutsche Wikipedia […] die englische Wikipedia macht es richtig

    Dieses Problem, in seiner Tragik und Allgemeinheit, hat sicherlich jemand schon längst erkannt
    und (elegant, als “klassischen Merksatz”) ausgedrückt. Ach!, wenn die deutsche Wikipedia doch davon wüsste …

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