30.12.12

Hirnforschung

Das Gehirn braucht so viel Strom wie die Glühbirne

Mit dreißig Watt erzeugt es Welten, von denen die schnellsten Computer nur träumen können: Wolf Singer erforscht das Gehirn und weiß Verblüffendes von seiner Wissenschaft zu berichten.

Von Alexander Kluge
Foto: Getty Images

Das Gehirn des Menschen gibt den Forschern immer wieder neue Rätsel auf
Das Gehirn des Menschen gibt den Forschern immer wieder neue Rätsel auf

Das Gehirn besteht aus einfachen Elementen und produziert daraus Myriaden von Verknüpfungen. Dieses Wunderwerk der Selbstregulation ist bis heute nicht abschließend entschlüsselt. Wolf Singer, Neurophysiologe am Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main, hat sein Leben der Erforschung dieses einzigartigen Organs gewidmet. Gemeinsam mit dem Denker Alexander Kluge kommt er ins Philosophieren.

Alexander Kluge: Das Gehirn muss ein Geheimnis haben. Welches?

Wolf Singer: Die Interaktion ist das Geheimnis, denn alle Funktionen im Gehirn, sowohl die Speicherfunktion als auch die Programmfunktionen, die koordinierenden Funktionen, die sind ja alle realisiert in der Art und Weise, wie Nervenzellen verschaltet sind. Es gibt ja nicht wie im Computer, der eine völlig falsche Metapher ist für das Gehirn, das darf man überhaupt nicht im gleichen Satz erwähnen.

Da gibt's im Gehirn nicht eine Trennung zwischen Rechenwerk und Programmspeicher und Datenspeicher oder so was, sondern es gibt nur Neurone und deren Verschaltung. Und die Art und Weise, wie die verschaltet sind, nennen wir funktionelle Architektur, und da liegen die ganzen Geheimnisse, denn die Freiheitsgrade sind überschaubar, es kann nur variiert werden, wer mit wem kommuniziert, wie stark oder schwach die Kopplungen sind und ob sie hemmend oder erregend sind, wobei die allermeisten erregend sind. Und mit diesem Lego-Baukasten hat die Evolution die Großhirnrinde zusammengebastelt.

Kluge: Wenn man aber die Vorfahren von uns nimmt, also Ihre sechzehn Urgroßeltern und dann bis zu Karl dem Großen, dann ist das schon gewaltig, was da an Zusammenhang noch da ist.

Singer: Ja. Wir tragen ja das ganze kulturelle Erbe in unserem Gehirn mit spazieren. Und man weiß, dass sich genetisch von der Anlage her unsere Gehirne seit der Zeit der höhlenbewohnenden Menschen nicht wesentlich verändert haben können, 30.000, 40.000 Jahre.

Kluge: Die Hardware.

Singer: Die Hardware, zunächst. Die Anlage. Aber nun müssen wir dazu sagen, dass das menschliche Gehirn sich von der Geburt bis zum 25. Lebensjahr hin strukturell weiterentwickelt. Die Nervenfasern in der Großhirnrinde wachsen erst nach der Geburt aus. Bei einem neugeborenen Baby sind die Zellen zwar alle da, aber die sind nicht vernetzt, die Babys lächeln zwar, aber das machen die nicht mit der Großhirnrinde. Und dann wachsen unglaublich viele Fasern aus und bilden neue Kontakte innerhalb der genetisch vorgegebenen Spielräume. Und dann kommt ein ganz wichtiger Prozess, der ist für die kulturelle Evolution entscheidend gewesen, dass viele von diesen Verbindungen wieder eingeschmolzen werden und nur die erhalten bleiben, die sich in einem funktionellen Kontext bewähren.

Kluge: Eine schwere Auslese, also eine Sonderevolution?

Singer: Das menschliche Gehirn kommt mit einem genetischen Bauplan zur Welt, hat dann noch die Instruktionen, viele Verbindungen auswachsen zu lassen, wobei die Gene grob festlegen, wer mit wem, aber die Feinverschaltungen der Großhirnrinde wächst fast randomisiert aus. Dann bleibt erhalten, was sich bewährt. Die Selektionsregel ist auch bekannt: Neurones wire together, if they fire together. Wenn die korreliert aktiv sind und eine Verbindung haben, dann bleibt die erhalten. Und wenn die selten was miteinander zu tun haben, dann wird's wieder eingeschmolzen.

Es wird also durch Aktivitätsmuster festgelegt, wer mit wem in Verbindung bleiben darf, abhängig von allem was wir tun, Interaktion mit der Umwelt, Versuch und Irrtum, Erziehung. So eine Watsch'n im richtigen Moment ist ein mikrochirurgischer Eingriff, weil damit bestimmte Verbindungen konsolidiert und andere abgeschaltet werden. Und dann kristallisiert bis etwa zum zwanzigsten Lebensjahr die Architektur aus. Dann ist dieser Vorgang beendet, dann müssen sie mit der Hardware, die sich dann gebildet hat unter dem Einfluss der ganzen soziokulturellen Faktoren...

Kluge: ... dann können Sie nur noch improvisieren.

Singer: ... dann haben sie die Hardware und müssen mit der leben. Ein großes Problem für die Psychoanalytiker. Aber Sie können natürlich weiter lernen. Und das erfolgt dadurch, dass die Verbindungen verstärkt oder abgeschwächt werden können. Wieder aktivitätsabhängig, wieder den gleichen Regeln folgend, nur können sie, wenn die Architektur fertig ist, zwischen Neuronen, die nicht miteinander verbunden sind, keine Verbindungen herstellen.

Kluge: Sie haben mal gesagt, das Hirn ist ein Orchester ohne Dirigent.

Singer: Ja.

Kluge: Was Sie jetzt beschreiben, ist das Orchester. Aber ob Sie dort Mozart oder Wagner spielen oder Schönberg, das ist noch nach dem zwanzigsten Lebensjahr neu entscheidbar.

Singer: Ja, Sie können dann noch vieles dazu lernen, aber gewisse Fertigkeiten lassen sich nicht mehr so ohne weiteres installieren.

Kluge: Wenn die Posaune nicht dabei war, dann ist sie auch später nicht bei?

Singer: Man sagt ja, was Hänschen nicht lernt, lernt Hans nimmermehr, das stimmt schon in Grenzen. Für bestimmte sehr virtuose Fertigkeiten, Fahrradfahren zum Beispiel, das ist gar nicht so trivial wie es zunächst ausschaut. Oder für virtuoses Instrumentenspielen weiß man, dass man sehr früh damit beginnen muss. Bei Geigenvirtuosen, die vor dem achten oder siebten Lebensjahr angefangen haben zu spielen, beansprucht die Repräsentation der Greifhand in der Großhirnrinde mehr Platz als bei nicht Übenden. Das geht in Grenzen noch beim Erwachsenen. Wenn Sie jetzt beschlössen, das Jonglieren zu lernen, könnte man nach ein paar Monaten sehen, dass die Großhirnrindenbereiche, die Sie zum Jonglieren brauchen, ein bisschen in ihrer Dicke zunehmen und das liegt daran, dass die bestehenden Verbindungen verstärkt werden, neue können sie jetzt nicht mehr bauen. Nur ist das dann meist reversibel. Wenn Sie dann aufhören zu üben, ist das nach ein paar Monaten wieder weg.

Kluge: Sie sagen, dieses Gefäß, dieses tausendfältige selbstregulierte Organ, das gibt's schon sehr lange in der Menschheit. 9000 Jahre vor Christus, vor der landwirtschaftlichen Revolution hat es das gegeben.

Singer: Ja. Und zwar genetisch angelegt, fast ohne Veränderungen. Das Ganze ist darauf angelegt, möglichst ökonomisch zu arbeiten. Es braucht 30 Watt Energie, dieses Ding, das ist schon ganz erstaunlich.

Kluge: 30 Watt.

Singer: Ja, das ist nicht viel, Glühbirne. Die Alten hatten in ihren Kulturen noch kein Konzept von selbstbestimmtem Ich, was in fernöstlichen Kulturen zum Teil immer noch so ist. Ich sollte nicht sagen, "immer noch", weil das einen Entwicklungsschritt suggeriert, der vielleicht gar keiner ist. Weil die dieses egozentrische Ich, das will, entscheidet, möchte, kulturell nicht entwickelt haben, schreiben sie sich die Verantwortlichkeit von dem, was sie tun, nicht selbst zu. Dann muss man die natürlich irgendwie verorten, und dann fällt einem als erstes eine Gottheit ein. Das ist das, was mich so fasziniert: als hätten sie sich diese Begründungen zurechthalluziniert.

Kluge: Und wenn ein Fremder kommt und die Götter beleidigt, dann können sie gar nicht anders, als den anzufallen. Das ist aber evolutionär ungünstig. Die Assyrer sind in der Stadt, das sind die Herren, sind die Eroberer, und es wäre gut, wenn ich mich verstelle. Wenn die Hinterlist mir rät, gute Miene zum bösen Spiel zu machen, überlebe ich und habe mehr Kinder: das Geschlecht des Odysseus. Das Bewusstsein entsteht aus der List, aus der Notwendigkeit, sich zu tarnen, eine Maske aufzusetzen.

Singer: Man sagt ja, um lügen zu können, muss man eine "Theory of mind" haben. Ich muss mir vorstellen können, was in Ihrem Kopf vor sich geht, um Sie täuschen zu können. Es gibt ein großes Forschungsfeld, das versucht rauszukriegen, ob Tiere täuschen können, denn das ist ein Indikator dafür, dass man eine "Theory of mind" hat. In der Tat ist das was sehr Menschliches.

Kluge: Aus der Not geboren, vermutlich.

Singer: Gewisse Rabenvögel simulieren, wenn sie sich von einem anderen Rabenvogel beobachtet wissen und eine Futterquelle aufgetan haben, die scharren erstmal woanders, um den in die Irre zu führen um dann den Wurm zu holen, bevor ihn der andere holt. Menschenaffen können das auch, aber sehr eingeschränkt. Wir Menschen sind Virtuosen in diesem Spiel, aber das kommt erst spät in der Entwicklung. Wenn Sie im Kindergarten vor den Augen der Kinder ein Objekt verstecken, so dass alle sehen können, wo Sie das versteckt haben, und dann schicken Sie einen kleinen Wicht raus und nehmen vor den Augen der anderen das Objekt und stecken es in Ihre Tasche und fragen dann, wo würde der, der jetzt rausgeschickt worden ist, suchen, wenn er wieder reinkommt: dann sagen Kinder unter vier Jahren in der Regel, in Ihrer Tasche, denn da ist es ja.

Kluge: Sie haben es ja gesehen, sie waren ja Augenzeugen.

Singer: Aber sie können sich nicht vorstellen, dass der, der draußen war, ja gar nicht weiß, dass ich das in der Zwischenzeit woanders hingetan habe.

Kluge: Wie kommt so etwas eigentlich zustande? Diese Apperzeption des Anderen? Also das ist ja Vorausahnung.

Singer: Man muss dazu bestimmte Großhirnrindenstrukturen ausgereift haben, die bis zum vierten Lebensjahr noch nicht da sind. Das sind Strukturen, die man auch braucht, um ein biografisches Gedächtnis zu entwickeln. Weil diese Strukturen spät ausreifen, haben kleine Kinder das, was wir kindliche Amnesie nennen, die lernen zwar sehr viel über die Welt, aber sie speichern nicht ab, in welchem Kontext sie das gelernt haben. Was dazu führt, dass das Behauptungswissen wird, und das ist was ganz Gefährliches, weil man es nicht relativieren kann.

Kluge: Ich kann als Autor sagen, dass ich manchmal einen Satz schreibe, und ohne dass ich's merke, habe ich ihn als Sechsjähriger geschrieben. Es kann auch passieren, dass ich als Zwanzigjähriger, als Vierzigähriger schreibe oder als Gegenwärtiger schreibe, das beherrsche ich nicht. Wie eine russische Matroschka tragen wir alle Altersklassen der Wahrnehmung und des Lernens in uns.

Singer: Ja, Sie tragen Ihre ganze Geschichte mit sich spazieren, wobei Sie die natürlich ständig neu schreiben. Wenn Sie sich an etwas erinnern, dann werden die Gedächtnisspuren, die für diese Erinnerung zuständig sind, wieder fragilisiert, ganz wie beim ersten Lernen. Und dann muss ein biochemischer Prozeß ablaufen, der viele Stunden dauert und erst Stunden danach einsetzt, der diese jetzt fragilisierte Spur wieder konsolidieren muss, natürlich in einem neuen Kontext, denn Sie sind ja nicht mehr derselbe wie der, der das Ersterlebnis hatte. Auf diese Weise wird Erinnerung bei jeder Erinnerung in den gegenwärtigen Kontext neu eingebettet. So kommt es, dass wir unsere Biografien immer wieder anpassen an das, was ist.

Kluge: Und das geht in Sprüngen vor sich. So wie Mark Twain am Hofe von König Arthus landen kann oder Alice im Wunderland, so kann es uns passieren, dass wir beim Erinnern in einem falschen Kontext landen.

Singer: Ja, ja, mit Sicherheit.

Kluge: Dieses Gehirn, so wie Sie es beschreiben, ist ja auch in der Lage, sich mit sich selbst zu amüsieren.

Singer: Das tut es ja meistens.

Kluge: Das ist ja ein unglaublicher Roman.

Singer: Ja, wenn man das systemanalytisch anschaut, dann fällt vor allen Dingen auf, dass das ein autistisches System ist, das sich vorwiegend mit sich selber befasst. Die große Mehrheit der Verbindungen spannt sich aus zwischen Nervenzellen Hirnrinde, die reden über kurze Strecken miteinander.

Kluge: Das ist Lebendigkeit.

Singer: Die sind vernetzt, und die Signale von draußen sind nur ganz schwach. Diese paar Sinnessysteme, die wir haben, das sind ja nur fünf, das ist ein winziger Ausschnitt aus der realen Welt, der uns da präsentiert wird. Und weil das Gehirn schon so viel weiß, weil es genetische Informationen in sich trägt ...

Kluge: ... rät es richtig.

Singer: ... rät es richtig. In unseren Augen ist Wahrnehmen das Bestätigen von vorausgeträumten Hypothesen. Das sind immer Myriaden von Zellen, die sich für kurze Zeiten zu Ensembles zusammenschließen und eine komplexe raumzeitliche Wolke von Aktivitäten erzeugen. Und diese Wolke ist dann die Repräsentation dieser Situation zum Beispiel.

Kluge: Wenn ich das Firmament anblicke ...

Singer: ... dann gibt es eine neue Wolke, und so wechselt das vier Mal in der Sekunde, weil Sie so oft Ihren Blick wechseln.

Kluge: Wie kommt es, dass ein Zusammenhang so schnell entsteht?

Singer: Das rätselt uns auch. Was am meisten fasziniert, ist die Geschwindigkeit. Dass man mit praktisch gleichen Zugriffszeiten etwas aus seiner Kindheit hochholen kann oder etwas, was gestern passiert ist, dass ich auf ein Wort hin mir Ihr Gesicht wachrufen kann oder das von Siegfried Unseld, dass alles scheinbar an der Oberfläche liegt. Aber wie soll man sich eine Oberfläche vorstellen, in der das alles gleichzeitig präsent ist? Das muss also irgendwie in einem hochdimensionalen Zustandsraum vorhanden sein, so dass ich nur an einem Zipfel ziehe, und schon habe ich's. Das ist wirklich phänomenal.

Kluge: Wie unterscheidet sich das Gehirn vom Computer?

Singer: Das braucht ein völlig anderes Organisationsprinzip als wir das in Computern kennen, wo sie halt in einem Speicher sehr viel ablegen können, aber wenn Sie etwas suchen, müssen Sie das seriell machen. Nur geht's halt da sehr schnell, weil das elektronische Schaltkreise sind. Im Gehirn ist alles unendlich langsam. So eine Nervenzelle ist unglaublich langsam.

Kluge: Ganze Beamtenhierarchien reden noch mit.

Singer: Ja, und das müssen dann aber gleich ein paar Millionen koordiniert machen, bevor da was entstehen kann.

Kluge: Und dennoch entsteht ein Bild.

Singer: Ja, und so (schnippt mit den Fingern). Das ist noch nicht begriffen.

Kluge: Die Evolution ist schon ein ganz große Bastlerin und Zauberin.

Singer: Sie hat ja genug Zeit gehabt.

Kluge: In uns stecken 500 Millionen Jahre.

Singer: Ja.

Kluge: Das merkt man nur daran.

Singer: Ja, viel ist konserviert worden, die Nervenzellen sind die gleichen wie bei einer Schnecke, und die Signalkonstruktionskaskaden haben sich kaum verändert, die Moleküle sind die gleichen, es sind halt nur 30.000 Proteinbausteine.

Kluge: Aber was man damit macht, ist offenkundig sehr verschieden.

Singer: Ja. Man kann offenbar durch geschicktes Zusammenschalten dieser immer gleichen Neuronen Netzwerke entwickeln, die skalierbar sind, und das führt zur Emergenz von neuen Funktionen. Wie zum Beispiel die "Theory of Mind", die eben eine Katze nicht hat, und die Fähigkeit, symbolisch zu codieren und damit Sprache zu entwickeln und so. Das sind alles Leistungen, die müssen auf eine Volumenvermehrung der Großhirnrinde zurückgegangen sein, denn sonst ist nichts passiert.

Kluge: Nach Tisch wärme ich meine Augen und merke, dass meine Einfälle zunehmen, übrigens auch mein Mut, meine Motivation.

Singer: Wie wärmen Sie die?

Kluge: Mit der Hand, und ich habe so das Gefühl, dass hier Wärme eindringt.

Singer: Aber was Sie da tun, ist: Sie verhindern einfach, dass weiterhin Information aufgenommen wird. Sie wenden sich nach innen, sammeln sich und lassen diesen kreativen Apparat frei laufen.

Kluge: Ach, ich entspanne sozusagen?

Singer: Ja.

Kluge: Ich lasse die Neuronen frei?

Singer: Ja. Wir haben ein Netzwerk, das aktiv ist, wenn man nicht Aufmerksamkeit nach außen wenden muss. Das arbeitet die ganze Zeit und ist mit dafür verantwortlich, Ihr Selbstgefühl aufrecht zu erhalten. Das geht sofort verloren, wenn etwas Ihre Aufmerksamkeit nach draußen lenkt. Dann sind Sie nicht mehr bei sich, sondern dort, wo die Aufmerksamkeit liegt.

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