Asymmetrien im Gehirn
Auf den ersten Blick erscheint der menschliche Körper völlig symmetrisch: Wir haben zwei Arme, zwei Beine, zwei Augen, zwei Ohren und zwei Nasenlöcher. Wenn man aber etwas genauer hinschaut, dann fällt auf, dass Menschen eine bevorzugte Hand und einen bevorzugten Fuß haben, die sie für manche Aufgaben häufiger verwenden. Und wenn man noch genauer hinschaut, gibt es nicht nur funktionelle Asymmetrien zwischen den beiden Körperseiten, sondern auch strukturelle. Vor allem im Gehirn kann man diese Asymmetrien gut sehen und untersuchen. Und genau damit möchte ich mich in dieser Woche beschäftigen. Ihr seid herzlich eingeladen mitzumachen.
Was sind hemisphärische Asymmetrien?
Das Gehirn ist in zwei Hirnhälften aufgeteilt, eine linke und eine rechte Hälfte. Beide Seiten sind zwar weitestgehend gleich aufgebaut und erfüllen gemeinsam die gleichen Aufgaben, allerdings sind die Seiten weder funktionell noch strukturell völlig identisch. Das nennt man hemisphärische Asymmetrie. Diese Asymmetrie kann man noch unterordnen in funktionell und strukturell.
Funktionelle Asymmetrie:
Bei der funktionellen werden manche Aufgaben nur von einer Hemisphäre erledigt. Weiterhin kann man sie noch einmal spezifizieren in motorisch und sensorisch. Hierbei geht es um die genaue Funktion, die unterschieden wird. War es eine motorische Funktion oder eine sensorische? Die bekannteste funktionelle Asymmetrie ist wohl die Rechtshändigkeit. Da hier die Motorik lateralisiert ist, ist die Rechtshändigkeit eine motorische funktionelle Asymmetrie.
Strukturelle Asymmetrie:
Diese hingegen beschreibt reine Form-Unterschiede. Das wohl bekannteste Beispiel einer strukturellen hemisphärischen Asymmetrie ist das linksseitig liegende Planum temporale im Temporallappen, welches für die Sprachverarbeitung zuständig ist. Dadurch liegt bei den meisten Menschen die Sprachverarbeitung hauptsächlich links. Die strukturelle Asymmetrie kann auch noch einmal spezifiziert werden in makro- und mikrostrukturelle Asymmetrien. Hierbei kommt es auf die Größe des betroffenen Teils an. Spricht man wie beim Planum Temporale von einem ganzen Zentrum, dann ist das eine makrostrukturelle Asymmetrie. Es gibt aber auch noch Mikrostrukturelle Ungleichheiten und diese beziehen sich auf Unterschieden auf der Ebene der Nervenzellen, ihre Menge, Größe und spezifische Vernetzung.
Grundsätzlich gibt es mehr asymmetrische Hirnareale als symmetrische, wobei die meisten davon struktureller Natur sind. Bei all diesen Ungleichheiten der beiden Seiten darf man nicht vergessen, dass sie auch unterschiedlich von Mensch zu Mensch sind. Nicht alle Menschen haben die gleichen Dominanzen. Also, wenn bei dem einen die Vorliebe für Rechtshändigkeit vorliegt, dann gibt es auch einen anderen, bei dem es die Linkshändigkeit ist. Auch heißt es nicht, dass nur die linke Hemisphäre fürs Sprechen zuständig ist, sondern einfach nur stärker ausgeprägt ist als die rechte. Vielmehr kann man den Durchschnitt messen zwischen mehreren Menschen.
Welchen Sinn haben Asymmetrien?
Asymmetrien sind so weit verbreitet, nicht nur beim Menschen, sondern auch bei anderen Tieren, dass es naheliegt, davon auszugehen, dass sie einen evolutionären Vorteil mit sich bringen. Aber welche Vorteile könnten das sein? Fragwürdig ist auch, warum viele Menschen die gleichen Asymmetrien zeigen. Die gängigste Theorie ist, dass das Gehirn einen Großteil der dem Körper zur Verfügung stehenden Energie nutzt- etwa 20 % der gesamten Energie- und diese Zahl ist relativ konstant, unabhängig davon, worüber oder wie intensiv man nachdenkt. In der heutigen Zeit ist es zumindest in den Ländern des globalen Nordens nicht schwer, den dafür benötigten Kalorienbedarf zu decken, allerdings sah das nicht immer so aus. Und aus diesem Grund lohnt es sich evolutiv betrachtet, den Energiebedarf des Gehirns zu senken, indem manche Funktionen nur auf einer Hemisphäre ausgeführt werden und nicht auf beiden. Dadurch können die Areale auf den unterschiedlichen Seiten unterschiedliche Aufgaben übernehmen. Insgesamt können so mehr Aufgaben erledigt werden bei gleichem Energiebedarf.
Manche Asymmetrien sind im Tierreich gleich, weil sie in der Gesellschaft einen Vorteil verschaffen. Wenn alle Fische in einem Schwarm auf die gleiche Seite ausweichen, dann lohnt es sich, auch auf diese Seite auszuweichen, um nicht alleine gelassen zu werden. Spezifisch die 90%ige Rechtshändigkeit bei Menschen erklärt sich, weil es durch die Sozialisierung so gefördert wurde. Man geht davon aus, dass in der Steinzeit schwierige Tätigkeiten, wie etwa das Herstellen von Faustkeilen, durch Vormachen beigebracht wurden. Dadurch hatte man einen Lernvorteil, wenn man die gleiche Händigkeit hatte wie sein Lehrer. In manchen Gemeinschaften gab und gibt es sogar aktiven Gegendruck gegen Menschen, die linkshändig sind.
Wie entwickeln sich Asymmetrien?
Manche Asymmetrien sind schon im Säuglingsalter sichtbar oder sogar noch früher. Feten führen zum Beispiel immer einen bevorzugten Daumen zum Mund. Gleichzeitig sind junge Gehirne noch besser in der Lage, sich auf Schäden oder Traumata einzustellen und ihre Asymmetrien rückgängig zu machen, wenn nötig. Das könnte beispielsweise sinnvoll sein, wenn eine Gehirnhälfte durch Erkrankungen oder Verletzungen geschädigt wird und ihre Aufgaben nicht mehr ausreichend erfüllt werden. Der Grund für diese Fähigkeit des Re-arrangierens ist die Neuroplastizität, die Fähigkeit, neue Verknüpfungen zu erstellen.
Die Frage nach den Ursachen lässt sich bei den hemisphärischen Asymmetrien genauso schwer beantworten wie bei vielen neuronalen Krankheiten. Bei manchen spezifischen strukturellen Asymmetrien scheinen vor allem – aber nicht ausschließlich – genetische Faktoren eine Rolle zu spielen. Tatsächlich haben Forscher herausgefunden, dass einige Aspekte vererbbar zu sein scheinen, vor allem “wie Hirnregionen unterschiedliche Funktionen auf der linken und rechten Seite aufreihen” (MPI CBS). Ein sozialer Aspekt ist vor allem bei funktionellen Asymmetrien zu beachten. So wie beispielsweise bei der Händigkeit, denn besonders auf linkshändige Menschen wurde in vielen Ländern früher und in manchen Ländern noch heute Druck ausgeübt, um sie zur Rechtshändigkeit zu konvertieren. Als sei das eine Religion, die man sich aussuchen kann.
Wie wurden hemisphärische Asymmetrien entdeckt?
Schon 1880 entdeckte Paul Broca durch eine Autopsie an einem menschlichen Gehirn von einem Patienten mit Sprachstörungen, dass ein bestimmtes Areal wohl für diese Störung zuständig war. Dieses Areal heißt noch heute Broca-Areal und ist teilweise fürs Sprechen zuständig. Später Anfang des 20. Jahrhunderts kartierte Korbinian Brodmann erstmals das Gehirn und alle seine Areale. Viele Areale wie er sie beschrieben hatte sind noch heute funktionelle oder strukturelle Einheiten. Interessanterweise wurde seine Dissertation zu diesem Thema zuerst einmal abgelehnt und später erst anerkannt. 1909 ist sein 320-seitiger Atlas zum Gehirn erschienen. Lange wurde dieses Buch als Lehrmittel für Mediziner verwendet. Leider verstarb Brodmann frühzeitig an einer Blutvergiftung, bevor er seinen Erfolg so richtig schmecken konnte.
Heutzutage kann man mit den vielen modernen Methoden das Gehirn viel genauer Kartieren. Allerdings würde das Ergebnis etwa 1 Zettabyte an Daten ergeben, und das kann man nicht speichern beziehungsweise auch nicht öffentlich zugänglich machen. Aber Google hat schon mit Harvard daran gearbeitet und einen winzigen Teil eines Gehirns komplett ausgelesen. Auf ihrer Karte können etwa 50.000 Zellen in 3D betrachtet werden. Allein von diesem geringen Teil ist die Datenmenge schon 1,4 Petabyte groß.
Zusammenfassung
Die Gehirnhälften des Menschen und anderer Tiere sind nicht völlig gleich, was man hemisphärische Asymmetrie nennt. Das hat sich evolutiv wohl entwickelt, weil man durch Arbeitsteilung zwischen den Seiten Energie sparen kann und Platz für mehr Aufgaben hat. Allerdings ist nicht bis ins letzte Detail geklärt, wie Asymmetrien entstehen, zumindest nicht übergreifend auf alle Arten. Denn sie sind sehr verschieden untereinander und auch von Mensch zu Mensch. Klar ist, dass es genetische und soziale Faktoren gibt, die dazu führen, dass die Gehirnhälften nicht identisch sind.
Bei weiterem Interesse:
Quellen
Das schafft unser Gehirn mit links. (n.d.). Max-Planck-Gesellschaft. https://www.mpg.de/10636091/asymmetrie-gehirn
FELDERENTWÜRFE | KORBINIAN BRODMANN MUSEUM. (n.d.). BRODMANN MUSEUM. https://www.brodmannmuseum.de/felder
Gardner, M. (1964). Das Aufkommen von Asymmetrie. In Das Aufkommen von Asymmetrie (pp. 147–151). https://doi.org/10.1007/978-3-663-02150-6_16
Ocklenburg, S. (2022a). Die Evolution von Linkshändigkeit und Hirnasymmetrien. In Essentials (pp. 19–21). https://doi.org/10.1007/978-3-662-65447-7_6
Ocklenburg, S. (2022b). Hirnasymmetrien: Links-Rechts-Unterschiede im Gehirn. In Essentials (pp. 7–9). https://doi.org/10.1007/978-3-662-65447-7_3
Symmetrien (realisiert in „Brückenschaltungen“) sind sehr häufig und grundlegend in elektronischen und digitalen Systemen, offenbar auch in neuronalen Systemen. Z.B. die Flip Flop Schaltung. Sie hat einen „nicht invertierenden und einen invertierenden“ Ausgang.
Damit kann die logische „NICHT Funktion“ der Schaltalgebra einfach realisiert werden. Das ist aus theoretischen Gründen wichtig, weil im „Zusammenwirken“ z.B. mit der „UND Funktion“ mittels logischer Schaltungen alles „Turing berechenbar“ wird. In technischen wie auch biologischen Systemen. Das „Brückenschaltungskonzept“ kann auch das „Gegenspielerprinzip“ einfach realisieren.
Asymmetrien ermöglichen auch individuelle „Schwerpunkte“ in der Informationsverarbeitung.
Meiner „Privatmeinung“ nach, könnte es sich so verhalten, dass scheinbar „sinnlos feuernde Neuronen“ in bestimmten Bereichen des Gehirns, z.B. dort wo die Feinsteuerung der Finger erfolgt, „Schaltenergie“ einbringen, damit beim Triggern die Verschiebungsaktivitäten der Nutzsignale und auch Strukturerweiterungen in diesen Bereichen gefördert werden.
Bedeutet, die genetisch bestimmte Lage und die Eigenschaften dieser Neuronen (sie triggern „empfindlicher“ als andere Neuronen) fördert bestimmte Systemeigenschaften.
Derartige Feinsteuerungen der Finger sind z.B. für Profigeiger wichtig.
Damit wäre der Zusammenhang zwischen Genetik und geistigen Systemeigenschaften erklärbar.
Bei bestimmten Berufen, z.B. Profigeigern, sollen lokal bedingte, verstärkte Hirnaktivitäten festgestellt worden sein. Man konnte sich nur noch nicht erklären, wie es dazu kommen könnte.
Verstärkt auftretende Oszillationen, die von Neurologen festgestellt wurden, wären eine Erklärung.
Zur „Schaltungslogik“ die in den Gatterverbänden (Neuronen und Synapsen in der Biologe) realisiert wird: In der In der Elektronik und Computertechnik handelt es sich um eine „strenge Logik“ (Schaltalgebra), weil es die Nutzer nicht hinnehmen würden, wenn verschiedene Systeme (z.B. Computer), zu verschiedenen Lösungen kommen könnten.
In der biologische Gatterlogik geht es nicht so „streng logisch“ zu. Wenn den Kindern immer wieder eingetrichtert wird, 1+1 = 2 so kommen die „biologischen Gatter“ (Neuronen und Synapsenverbände) die diesen Sachverhalt „realisieren“ (meistens) zur korrekten Lösung.
Wegen dieser besonderen (nicht „streng logischen“) neuronalen Plattform, können es Menschen nicht gut verhindern, wenn z.B. 3 Verfassungsjuristen 4 Rechtsmeinungen haben können.
Oder mehrere Millionen Menschen sich mit Millionen anderen Menschen bekriegen, nur weil die einen „glauben“ ihr Land wurden an einem bestimmten Tag überfallen, das könne man sich nicht gefallen lassen.
Die andere Seite „glaubt“, dass die Gegner sie von ihren Häfen, (darunter den Flottenhafen) samt den Zugängen, die sie seit sehr lange Zeit für den lebenswichtigen Handel genutzt haben, vertreiben wollen und man sich derartiges nicht gefallen lassen könne…. (Löwen würden es sich auch nicht gefallen lassen, wollten sie die Zebras von der Wasserstelle vertreiben ….)
Es scheint, dass es auf die „Schwerpunkte des Denkens“ ankommt und „Fehler“ sehr verhängnisvoll sein können.
Ersatz für meinen Text vom 25.05.2024, 13:05 Uhr
„Symmetrien“ (realisiert in „Brückenschaltungen“) sind sehr häufig und grundlegend in elektronischen und digitalen Systemen, offenbar auch in neuronalen Systemen.
Es ist zweckmäßig, das Konzept der „Schaltalgebra“ auch auf „neuronale Gatterschaltungen“ im Sinne von W. McCulloch zu übertragen. Damit können einerseits die Mechanismen der neuronalen Informationsverarbeitung besser verstanden werden, wie auch die elektronische Informationsverarbeitung. Andererseits wird auch klar, dass es einen zwingenden theoretischen Grund für diese Symmetrien und die Brückenschaltungen geben sollte. Es ist letztlich die angestrebte „Turing Berechenbarkeit“, die ist wichtig weil sonst die „Denkmöglichkeiten“ viel zu arg begrenzt wären.
In der Elektronik wird die Symmetrie z.B. auf Flip Flop Schaltungen realisiert, die jeweils einen „nicht invertierenden und einen invertierenden“ Ausgang haben.
Damit kann die logische „NICHT Funktion“ der Schaltalgebra einfach realisiert werden. Das ist aus theoretischen Gründen wichtig, weil im „Zusammenwirken“ z.B. mit der „UND Funktion“ mittels „logischer Schaltungen“, alles „Turing berechenbar“ wird. In technischen wie auch biologischen Systemen. Das „Brückenschaltungskonzept“ kann auch das „Gegenspielerprinzip“ einfach realisieren.
Asymmetrien ermöglichen auch individuelle „Schwerpunkte“ in der Informationsverarbeitung.
Meiner „Privatmeinung“ nach, könnte es sich so verhalten, dass scheinbar „sinnlos feuernde Neuronen“ in bestimmten Bereichen des Gehirns, z.B. dort wo die Feinsteuerung der Finger erfolgt, „Schaltenergie“ einbringen, damit beim Triggern die Verschiebungsaktivitäten der Nutzsignale und auch Strukturerweiterungen in diesen Bereichen gefördert werden.
Bedeutet, die genetisch bestimmte Lage und die Eigenschaften dieser Neuronen (sie triggern z.B. „empfindlicher“ als andere Neuronen) fördert bestimmte Systemeigenschaften.
Derartige Feinsteuerungen der Finger sind z.B. für Profigeiger wichtig.
Damit wäre der Zusammenhang zwischen Genetik und geistigen Systemeigenschaften erklärbar.
Bei bestimmten Berufen, z.B. Profigeigern, sollen lokal bedingte, verstärkte Hirnaktivitäten festgestellt worden sein. Man konnte sich nur noch nicht erklären, wie es dazu kommen könnte.
Verstärkt auftretende Oszillationen, die von Neurologen festgestellt wurden, wären eine Erklärung. Jedenfalls dann, wenn die „Neuroneneigenschaften“, allenfalls auch wegen der „Dichte“, letztlich aus genetischen Gründen, stärker „feuern“.
Zur „Schaltungslogik“ die in den Gatterverbänden (Neuronen und Synapsen in der Biologe) realisiert wird:
In der Elektronik und Computertechnik handelt es sich um eine „strenge Logik“ (Schaltalgebra), weil es die Nutzer nicht hinnehmen würden, wenn verschiedene Systeme (z.B. Computer), zu verschiedenen Lösungen bei gleichem Input kommen könnten.
In der biologische Gatterlogik geht es nicht so „streng logisch“ zu. Wenn den Kindern immer wieder eingetrichtert wird, 1+1 = 2 so kommen die „biologischen Gatter“ (Verbände aus Neuronen und Synapsen) die diesen Sachverhalt „realisieren“ (meistens) zur korrekten Lösung. (Ein Neuron schaltet bekanntlich nur dann, wenn auf möglichst vielen Eingängen möglichst gleichzeitig ein Impuls ankommt… Ein elektronisches UND Gatter schaltet nur dann, wenn auf bestimmten definierten Eingängen gleichzeitig ein Rechteckimpuls ankommt….).
Wegen dieser besonderen, (nicht „streng logischen“) neuronalen „Plattform“, kann es zu „Denkfehlern“ kommen und die können Menschen nicht gut verhindern, wenn z.B. 3 Verfassungsjuristen 4 Rechtsmeinungen haben können.
Oder mehrere Millionen Menschen sich mit Millionen anderen Menschen gegenseitig bekämpfen, nur weil die einen „glauben“ ihr Land wurden an einem bestimmten Tag überfallen, das könne man sich nicht gefallen lassen.
Die andere Seite „glaubt“, dass die Gegner sie von ihren Häfen, (darunter den Flottenhafen) samt den Zugängen, die sie seit sehr lange Zeit für den lebenswichtigen Handel genutzt haben, vertreiben wollen und man sich derartiges nicht gefallen lassen könne…. (Löwen würden es sich auch nicht gefallen lassen, wollten sie die Zebras von der Wasserstelle vertreiben ….)
Es scheint, dass es auf die „Schwerpunkte des Denkens“ ankommt und „Fehler“ sehr verhängnisvoll sein können.
Möglicherweise haben Asymmetrien einen funktionalen Einfluss auf die Qualität der Reizwahrnehmung.
z.B. wechselt die Intensität der Hörwahrnehmung zwischen den Ohren
DOI: 10.1016/j.cub.2017.10.017
Auditory sensitivity and decision criteria oscillate at different frequencies sparately for the two ears
z.B. sind die Arbeitsweisen von Sinnesorganen gekoppelt
DOI: 10.1073/pnas.1717948115
The eardrums move when the eyes move: A multisensory effect on the mechanics of hearing
@ KRichard 27.05.2024, 15:33 Uhr
Zitat: „Möglicherweise haben Asymmetrien einen funktionalen Einfluss auf die Qualität der Reizwahrnehmung.“
Das scheint für mich plausibel und zwar in zweierlei Richtungen.
Einerseits ist durch etwas nebeneinander liegenden Sensoren, z.B. Augen und Ohren eine bessere Richtungswahrnehmung und Entfernungseinschätzung möglich.
Andererseits, durch die leicht unterschiedlichen „Eigenschaften“ der Sensorik können z.B, unterschiedliche Stimmen besser wahrgenommen werden. Das hängt offenbar mit der „nicht strengen Logik“ der biologischen Gatter zusammen.
Eine Computerstimme klingt „monoton“ weil sie immer gleich mit der „strengen Logik“ generiert wird. (Außer die Techniker erlauben sich den Spaß und bauen „Zufallsmechanismen“ ein, die die Stimme absichtlich variieren lässt). Beim Menschen gibt es viele Einflüsse, z.B. Heiserkeit. Das muss andererseits bei der Wahrnehmung berücksichtigt werden.
@Elektroniker
Was Sie schreiben kann man mit einem einfachen Experiment belegen:
Wenn man mit den Augen auf ein Objekt in ca. 4-5 m Entfernung fokussiert und gleichzeitig einen ausgestreckten Zeigefinger in einer Entfernung von ca. 20 cm vor dem Auge hin und her bewegt – dann scheint dieser Finger durchsichtig zu sein.
Dieser Effekt kommt von der asymmetrischen Wahrnehmung des Fingers durch zwei verschiedene Sensoren/Augen.