Was ist das Gehirn?

BLOG: Graue Substanz

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

Zehn Teile des Gehirns sind aus struktureller Sicht nahezu universell.

Das Gehirn ist nicht nur ein Haufen Gehirnzellen, aber was genau ist ein Gehirn eigentlich? Was macht ein Gehirn zum Gehirn und welche seiner Teile sollte man kennen?

What is the brain?” So titelt ein Übersichtsartikel aus dem Jahr 2000 in der Zeitschrift Trends in Neuroscience [1]. Der Titel hieße richtiger “Wie ist der Aufbau des Gehirns”, denn darum geht es.

In diesem Paper werden aus struktureller Sicht die grundlegenden Teile des zentralen Nervensystem des Wirbeltiers genannt, die in dieser Weise zusammengefasst angeblich nahezu universell als grundlegende Architektur des Gehirns gelten. Verschiedene Möglichkeiten der Unterteilung werden nebeneinander vorgestellt, um der Organisation des Nervensystems gerecht zu werden, angefangen von der historischen Entwicklung bis zu einer modernen Sicht, die über die Entschlüsselung des genetischen Programms versucht, das Ordnungsprinzip im Gehirn zu erklären.

Die Frage, was ein Gehirn ist, was es also mehr ist als ein Haufen Gehirnzellen einem Ganglion , ist damit indirekt schon beantwortet, es ist Architektur. (Eine detailierter Antwort ab wann ein Zellhaufen ein Gehirn wird, bekommen wir erst im Artikel “When does a ganglion become a brain?” [2].)

Wieviel Gehirn braucht ein Physiker?

Ich halte mich meist an diesem ersten Artikel [1] fest, wenn ich fachfremden Studiereden (meist aus der Physik) die Neuroanatomie nahe bringen und einen guten Einstieg geben will.

Ein typisches Problem aus der Hirnforschung, mit denen sich Physikerinnen und Physiker beschäftigen, ist zum Beispiel die Synchronisierung des circadianen Rhythmus mit Phasenoszillator-Modellen, um Jetlag, Winterdepression oder auch nur ihr Verschlafen mathematisch erklären zu können.

Ziemlich schnell stoßen Interessierte in einer Fachveröffentlichung auf den suprachiasmatischen Nucleus, der von der Netzhaut nach einigen Umschaltvorgängen die Signale über die Lichtverhältnisse bekommt und diese dann zur Zirbeldrüse weiter sendet. Dieses Netzwerk steuert unsere Verhaltensrhythmen im Verlauf des Tages.* In der Vorlesung male ich Kästen mit Verbindungslinien. Keine halbe Stunde später sind phasengekoppelte Oszillatoren zur mathematischen Modellierung eingeführt und ein Modell steht an der Tafel, das Kuramoto-Modell, mit dem Jetlag und Winterdepression erklärbar werden.

Alle gucken zufrieden. Wenn ich dann frage, wo im Gehirn sich dies alles abspielt, weicht die Zufriedenheit. Die meisten haben nur eine graue, gewundene Masse vor Augen.

Die Studierenden nehmen es zunächst gerne hin, wenn Teile im Gehirn als Kästen hingemalt werden und Verbindungen zwichen ihnen bloß Linien sind.

Lange bevor ich in Berlin wohnte, nahm ich es auch hin, dass nach zweimal Umsteigen in Berlin es einen Hermannplatz gibt, dort irgendwo nahe die Ankerklause steht. Über wieder andere Verbindungslinien komme ich dann in die Eberswalder Strasse. Jeder Ort hat seine eigenen Rhythmen. Das reicht zu wissen. Ich hatte letztlich keine Ahnung, wo genau ich war.

Der Unterschied ist der zwischen einem Metroplan und einem Sadtplan. Jener ist zwar topologisch äquivalent zu diesem, stört sich aber nicht an genauen Abständen und Formen. Das mag manchmal zu seltsamen Vorstellungen führen, bemerkenswert ist aber, wie viel allein durch topologische Diagnostik herausgefunden werden kann.

Friedenau in Böhmen am Meer

Irgendwann aber reicht diese Kästchen-Anatomie nicht mehr. Zum Beispiel, wenn man sich für recht genaue Laufzeitunterschiede interessiert wird der Abstand, die Metrik, wichtig. Aber auch die Formen sollt man kennen. Im Gehirn gibt es keine Kästen. Wo und wie fängt man an?

Als ich damals nach Berlin zog, kamen auch solche Fragen auf, von denen ich mir wünschte, dass sie sich jeder übertragen stellt (und irgendwann die Antwort kennt), der als Physiker in die Hirnforschung umzieht.

Berlin ist in zwölf Bezirke aufgeteilt, die unterschiedlich gut mit U- und S-Bahn vernetzt sind. Berlins Universitäten und Forschungseinrichtungen haben ihre Standorte in der ganzen Stadt verteilt. Schnell kennen sich die Zugezogenen halbwegs aus, in ihrem eigenen Stadtteil allemal. Ebenso sollten interdisziplinär Forschende auch die Bezirke des Gehirns kennen, die grobe Bedeutung dieser Teile und ihre wesentlichen Verschaltungen untereinander, selbst wenn sich jeder nur in einem bestimmten Bereich genauer spezialisiert.

Ich kenne nun ganz gut Friedenau, was der Schriftsteller Uwe Johnson in seiner Briefkopfadresse als “in Böhmen am Meer” bezeichnete. Dies erinnert mich an meine anfänglichen Kenntnis des Gehirns. Man weiß vielleicht noch, das Uwe Johnson und Günter Grass Nachbarn waren. Heute kann ich meinen Kiez, der Dank Herta Müller wiederbelebten “Terra Literatura”, im Pars triangularis, dem mittleren Teil des Gyrus frontalis inferior verorten, an der Grenze des Sulcus lateralis.

So detailiert kann man aber nicht einsteigen. Zehn Teile des Gehirns sind aus struktureller Sicht nahezu universell. Ein guter Anfang.

Diese Zeichnung ist etwas mit Vorsicht zu genießen, sie entstammt dem oben zitierten Artikel, ist aber etwas grob abgezeichnet und diente als Übersicht, um in meiner Vorlesung, in der u.a. das zuvor erwähnte Kuramoto-Modell des suprachiasmatischen Nucleus behandelt wurde, einzuführen. Die Teile sind

(Mit R habe ich die Retina (Netzhaut) bezeichnet, die in der Einteilung in [1] nicht erwähnt wird, ich aber selber in meiner Forschung oft brauche.)

  • R Retina (die ich zusätzlich eingezeichnet habe)

 

Wann immer ich etwas neues zum Gehirn lese, versuche ich es zunächst in diesem System zu verorten. Nichts anderes würde ich machen, wenn ich von einem neuen Club, Restaurant oder sonstwas in Berlin höre. Erstmal den Stadtteil erfragen, in dem dieser supercharismatische Nachtclub und die Zwiebeldose sein sollen.

 

 

Literatur

[1] Swanson LW. (2000) What is the brain? Trends Neurosci. 23,519-527. Review.

[2] Sarnat HB, Netsky MG. (2002) When does a ganglion become a brain? Evolutionary origin of the central nervous system. Semin Pediatr Neurol. 9, 240-253.

 

Fußnote

* Siehe Kommentare von Helmut Wicht. Ich habe hier den Satz nachträglich abgeändert.

 

© 2012, Markus A. Dahlem

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.

20 Kommentare

  1. Retina

    …häng’ die Retina lieber an den Hypothalamus, denn da kommt sie her / geht der Sehnerv ‘rein. Dort ist auch der Nucl- suprachiasmaticus. Das “R” kannst Du trotzdem stehen lassen, sofern Du das “Riechorgan” meinst, denn dessen Nerv geht wirklich ins Vorderhirn, in den Bulbus olfactorius, hinein.

    Übrigens ist die Zirbeldrüse für die Aufrechterhaltung der circadianen Rhythmen ganz entbehrlich.

    Anmerkung:
    Den Fehler in der Zeichnung habe ich gleich behoben, vorher hing die Netzhaut am Cortex.

  2. Danke für den Hinweis.

    Siehst Du mal, da zeichne ich was kleines dazu und schon ist es falsch.

    Was macht denn die Zirbeldrüse so?

    In der Vorlesung habe ich die Ergebnisse aus diesem Paper aufgenommen:
    “Synchronization of Cellular Clocks in the Suprachiasmatic Nucleus” Yamaguchi, et al.
    Science 21 November 2003: 1408-1412. DOI:10.1126/science.1089287 aufgenommen.

    Da geht es nur um den suprachiasmatischen Nucleus (und dann hatte ich ein Modell dafür aus einer Arbeit von Ed Ott).

    Aber spielt die Zirbeldrüse und Melatonin etc nicht auch eine Rolle bei Verhaltensrhythmen im Verlauf des Tages?

  3. Physik und Plastizität

    Für einen Physiker mögen topologische Betrachtungen und Nachbarschaftsbeziehungen näher liegen als detaillierte “globale” Karten. Für den durchschnittlichen Bildungsbürgertum ist es aber wahrscheinlich genau umgekehrt. Er fragt sich deshalb beispielsweise wie es das Gehirn schafft, zerstörte Hirnareale in einem Akt verblüffender Plastizität an einem andern Ort wieder erstehen zu lassen. Das kommt einem – um im Bild zu bleiben – wie die Verlegung eines Berliner Statdteils vor.

  4. .

    Das betrifft eher einzelne Areale im Cortex und selbst diese ist nicht plastisch “verlegbar” sondern sie werden anderswo angelegt, wenn sie von beginn nicht vorhanden sind. Oder Areale werden übernommen, wenn sie unnötig sind, da das Sinnesorgan funktionsuntüchtig ist, zum Beispiel.

  5. @ Dahlem

    Die Melatonin-circadian-Geschichte ist sehr verworren.

    Ich bin ja in einer Arbeitsgruppe, die genau daran, an der Chronobiologie und dem circadianen System forscht.

    Wir treiben’s mit Mäusen … und da haben wir momentan einige KO-Stämme in den Käfigen, denen entweder das Melatonin selbst oder aber die Rezeptoren dafür (MT 1/2) fehlen. Und das ist den Mäusen ganz egal – die endogenen Rhythmen laufen weiter. Bislang haben wir nur zeigen können, dass das Melatonin beim “re-entrainment” nach “jet lag” eine Rolle spielt: das geht bei den Mäusen, deren melatoninerger Apparat intakt ist, ein wenig besser (flotter). Das Paper ist in press..

    Man kann die Zirbeldrüse von Säugetieren ausbauen und es passiert genau – nichts. Es gibt sogar, wenn ich mich recht entsinne, ein paar alte Case-studies bei Menschen, denen man wegen irgendwelcher tumorösen Schweinereien diese Drüse entfernen musste.

    Die Retina macht auch Melatonin…

    Um das circadiane System ZUVERLÄSSIG zu zerballern, also um Wesen zu erzeugen, die keine endogenen, ca. 24 Stunden langen Rhythmen entwickeln, muss man die Nuclei suprachiasmatici zerstören.

  6. Circadian misalignment & depression

    @Welmut Wicht: 2009 auf einer Tagung (übrigens, die über die ich meine ersten SciLogs-Beitrag schrieb) hörte ich einen interessanten Vortrag von Alfred J. Lewy. Er berichte u.a. über diese Arbeiten: “The circadian basis of winter depression (PNAS)” und “Circadian misalignment in major depressive disorder“.

    Das war ein spannender Vortrag, von dem ich (vielleicht fälschlich) mitnahm, dass die Zirbeldrüse involviert sei. Letztlich fand ich die mathematische Modellierung spannend. Bin aber dem nie intensiv nachgegangen. Macht bei euch jemand mathematische Modelle?

  7. @ Dahlem

    Natürlich IST die Zirbeldrüse involviert, aber es geht halt auch ohne sie. Und die Story wird sehr schnell noch viel verzwickter, wenn man das überschaubare Feld der Säugetiere verlässt, und sich auf Eidechsen, Frösche, oder Fische einlässt.

    Nein, “Mathematik” macht bei uns keiner. Bestenfalls: ich. Aber das, was ich mache, ist eigentlich keine Mathematik, keine Modellbildung. Es ist nur Deskription. Ich versuche gerade, aus endlosen Datensätzen über die Aktivität der Mäuse im 24-Stunden-Zyklus irgendwelche Parameter herauszufischen, die es mir erlauben, die Biester zu “typisieren” (“geht früh in’s Bett/steht spät auf”). Chronobiologie halt…

    Antwort:
    Ich habe den Satz: “… über die Lichtverhältnisse bekommt und diese dann zur Zirbeldrüse weiter sendet, die wiederum dann unsere Verhaltensrhythmen im Verlauf des Tages steuert.” nun nochmal überarbeitet. Dank Dir für den Hinweis. Soll ja nicht falsch hier stehen..

  8. Hirnschrittmacher

    Was bei dem Strichmodell und allen verbalen Ausführungen fehlt, obwohl seine Funktion äußerst wichtig erscheint, ist die FORMATIO RETIKULARIS, die bei allen Wirbeltieren schon im Rückenmark, bei den höheren Säugern über den Thalamus bis in die Hirnrinde wirksam ist. Sie ist an der zeitlichen Steuerung von Bewegungen und den physiologischen Vorgängen im Schlaf-Wach-Rhythmus beteiligt, dem Wechsel der EEG-Frequenzen und der Aufmerksamkeitssteuerung beteiligt. Man kann die Gehirntätigkeit nicht ohne Kenntnis der Formatio retikularis verstehen, die als diffuses Nervennetz das ganze Zentralnervensystem durchzieht, als “Hirnschrittmacher”.

  9. Netzwerke

    Die Formatio reticularis ist als Netzwerk sicher bedeutend, die Einteilung hier trägt aber nicht (im Schwerpunkt) der funktionellen Organisation des Nervensystems Rechnung, sondern anatomischen, entwicklungsgeschichtlichen sowie genetischen Ordnungsprinzipen.

    Das setzt gleichwohl andere Ordnungsprinzipen wie funktionelle nicht herab. Da jedoch diese (meist) dezentral sind, ist dies vielleicht der Hauptgrund, warum Netzwerke nicht primär gesehen werden.

    Dazu noch einen Kommentar: Wie schwierig Netzwerke zu fassen sind, hat neulich erst Nick Haflinger in seinem Beitrag “Neuronen haben keinen Sex – über die Unzureichendheit gängiger Internetmodelle” beschrieben, in dem er zwei Netze verglich, das Internet und (allgemeiner Art) die im Gehirn. Dabei ging es in meinen Augen auch etwas diffus durcheinander, was aber eben wohl dem Netzwerkbegriff an sich geschuldet ist.

    Kurzum, hier geht es um Teile, wie in Stadtteile, womit nur ein sehr begrenztes Wissen festgelegt wird.

  10. ausgerechnet Berlin!

    Das Gehirn mit der hektischsten, lautesten und anstrengendsten Stadt des Landes zu vergleichen – könnte das nicht auch ein innovativer Ansatz zur Erklärung der Migräneentstehung sein? ^^

    (Sorry, nie wieder ein böses Wort gegen Berlin.)

  11. Stadt, Land, neuronaler Fluß

    Ersteinmal: Friedenau ist ein Dorf. In Böhmen am Meer. Hektik? OK, stimmt ja. Wenn Abends um 9:30 pünktlich alle Bürgersteige fachmännisch hochgeklappt werden müssen, kommt sie auf.

    München hat den Föhn.

    Hamburg den St. Pauli.

    Köln einen Dom.

    Stuttgart wird 21.

    Migränetrigger sehe ich in jeder Stadt. Und doch — nun ein ernster Kommentar — ist der Anteil der Migräniker in dörflichen Gegenden nicht geringer als der in einer Großstadt.

  12. ein weiterer Kommentar

    Ich seh’ gerade, dass Du Sarnat und Netzky (2002) zitierst. Ich wär mit den beiden vorsichtig .. zum einen sollte schon die Quelle stutzig machen. “Seminars in Pediatric Neurology” ist nicht gerade DAS Journal, in dem man tiefere Einsichten in die vergleichende Anatomie erwarten würde.

    Die beiden Ärzte gehen schon seit Jahrzehnten mit ihrer Plattwurm (Planaria)-Hypothese um. Hier ist ein Zitat aus dem Abstract des 2002-Papers:

    “The planarian is thus not only the first animal to possess a brain, but may be the ancestor of the vertebrate brain.”

    Das ist in mehrfacher Hinsicht Unfug. Sprachlich – denn “die Planarie” (als Wurm) kann nicht “der Vorfahr” unseres Gehirns (als Organ) sein. Inhaltlich erst recht – denn keine heute lebende Art ist Vorfahr irgendeiner anderen heute lebenden Art.

    Planarien – Plattwürmer – haben ganz nette ZNSse. Unbenommen. Aber es sind Protostomier, “Andersmundtiere”, mit uns ungefähr so nah verwandt wie eine Trichine. Selbst der Seeigel steht uns evolutionär näher.

    Der letzte gemeinsame Vorfahr von uns beiden, Plattwurm und Mensch, hat wahrscheinlich ein Nervensystem gehabt, das noch gar nicht internalisiert war, sondern sich in Form von cilientragenden Bändern spezialisierter Zellen an der Körperüberfläche befand. Zumindest ist das die “orthodoxe” Lehrmeinung der vergl. Anatomen.

  13. ,,sorry

    .. sorry, “Andermundtiere” (Deuterostomia) sind WIR, die Planarien und Trichinen etc. sind “Urmundtiere” (Protostomia).

  14. Vom Haufen zum Hirn

    Ich fand hier auch den Titel viel viel ansprechender:”When does a ganglion become a brain?” als dann das Paper.

    Kennst Du eine gute Arbeit, ein Review, das diese Frage griffig beantwortet?

    Danke für Deine Einschätzung zu dieser Arbeit. Das hilft.

  15. Unwissenschaftliche

    Was ich nicht verstehe ist, dass ein reflektierter Wissenschaftler außer in die Probleme trivialisierenden Anfängervorlesungen oder popularisierenden Darstellungen verabsolutierende “Was ist-Fragen” stellt.

    Ein Wissenschaftler kann doch immer nur fragen und beantworten, “Was bedeutet, XY heute, welche ungelösten Probleme oder widersprüchlichen Phänome gibt es und was könnte es deshalb womöglich morgen bedeuten.

  16. @ Dahlem

    Paper weiss ich keines. Aber wenn Du abschätzen willst, wo “Hirn” anfängt und “Reflexbogen” aufhört, würde ich Dir raten, nach dem Verhältnis der Anzahlen von extrinsischen (In/Out)und der intrinsischen Verbindungen zu schauen. Hirn ist MitSichSelbstbeschäftigung.

  17. Gehirn

    Ein fesselnder Text, so sollte Hirnfunktion öfter präsentiert werden, gratuliere.
    Ein kleiner Fehler – als alten Lateiner und Neurologen stört mich das halt:
    “Ponds” gibt es am Hirnstamm nicht, es heißt Pons (der P.= die Brücke auf deutsch)

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