Das flexible Gehirn

Grafikerin: Meike Ufer

Der menschliche Körper ist im Gehirn wie in einer Landkarte Punkt für Punkt repräsentiert – auf so genannten somatotopen Karten. Wie viel Platz dort einem bestimmten Körperteil zugeordnet wird, hängt auch davon ab, was man mit seinem Körper macht.

Wissenschaftliche Betreuung: Hubert R. Dinse

Veröffentlicht: 13.10.2011

Das Wichtigste in Kürze
  • Die Sinneseindrücke von verschiedenen Körperarealen haben im somatosensorischen Cortex festgelegte Verarbeitungsareale, die sich wie eine Karte lesen lassen.
  • Die so genannten somatotopen Karten sind äußerst flexibel und lassen sich verändern, etwa durch regelmäßiges Üben eines Musikinstruments.
  • Nach Amputationen übernimmt das Areal, das dem abgetrennten Körperteil zugeordnet war, neue Aufgaben. Möglicherweise entstehen so auch Phantomschmerzen.

Cortex

Großhirnrinde/Cortex cerebri/cerebral cortex

Der Cortex cerebri, kurz Cortex genannt, bezeichnet die äußerste Schicht des Großhirns. Sie ist 2,5 mm bis 5 mm dick und reich an Nervenzellen. Die Großhirnrinde ist stark gefaltet, vergleichbar einem Taschentuch in einem Becher. So entstehen zahlreiche Windungen (Gyri), Spalten (Fissurae) und Furchen (Sulci). Ausgefaltet beträgt die Oberfläche des Cortex ca 1.800 cm2.

Die Wahrheit kann mitunter hässlich sein. Auf den ersten Blick ist der Homunculus jedenfalls keine Schönheit: Der Körper ist ausgemergelt. An dünnen Ärmchen sitzen gigantische Hände und das Gesicht wird von einer Zunge und riesigen Lippen dominiert, die weit hervorstehen. Aber das unansehnliche Männchen verdeutlicht eine grundlegende Wahrheit über das Gehirn: So sähe ein Mensch aus, wären seine Körperteile so groß wie die Gehirnareale, die sie kontrollieren.

Homunculus

Homunculus/-/homunculus

Im Gehirn wird sowohl sensorisch als auch motorisch jeder Teil des Körpers an genau definierten Stellen repräsentiert. Körperteile mit einer hohen Dichte an sensorischen Rezeptoren (Fingerkuppen, Zunge) sind dabei größer repräsentiert als solche mit einer geringeren Rezeptorendichte (Rücken, Beine). Es entstehen neuronale Karten, z.B. von der Hand oder dem Gesicht. Ordnet man diese Karten grafisch ihren Körperteilen zu, ergibt sich ein Homunculus, also ein kleiner Mensch. Die Größe seiner jeweiligen Körperteile spiegelt deren motorischen Möglichkeiten, bzw. ihre Sensibilität wieder. Dadurch wirkt der Homuculus seltsam verzerrt.

Punkt für Punkt abgebildet

Mit modernen bildgebenden Verfahren können Wissenschaftler dem Gehirn beim Arbeiten zusehen. In solchen Hirnscans leuchtet stets die gleiche Region auf, wenn Testpersonen eine Bewegung ausführen oder berührt werden: Ein flacher Streifen des Gehirns, der gewissermaßen von einer Schläfe zur anderen Schläfe reicht und sensomotorischer Cortex bezeichnet wird. Genau genommen sind es zwei flache Streifen direkt nebeneinander: die motorische Rinde, die für Bewegungen zuständig ist, und daneben die sensorische Rinde, die Berührungen und andere Sinneseindrücke verarbeitet.

Aber auch innerhalb dieser beiden Rindengebiete gibt es eine Ordnung. Bewegt man sich auf der motorischen Rinde von der Mittellinie, die das Gehirn in die beiden Hemisphären teilt, nach außen, kommen bei jedem Menschen zuerst die Nervenzellen, die die Zehen erregen, dann die für Knie, Hüfte, Schulter. Am Ende befinden sich die Areale, die Augen, Lippen, Zunge und Kiefer steuern. Die sensorische Rinde ist ganz ähnlich geordnet. Eine solche geordnete Abbildung von Körperarealen auf bestimmte Hirnregionen bezeichnet man auch als Somatotopie, die Darstellung derselben als somatotope Karten.

Die Körperoberfläche ist im Gehirn also Punkt für Punkt abgebildet. Nur ist für die Größe der jeweiligen Bereiche eben nicht die Größe des Körperteils entscheidend, sondern wie feinfühlig es ist. “Je größer ein Körperteil repräsentiert ist, umso empfindlicher ist es auch”, sagt Herta Flor, Psychologin an der Universität Heidelberg. Der Grund hierfür: Ist im Gehirn ein großes Rindenareal für ein Körperteil zuständig, können die Reize Rezeptoren dieses Gliedes, etwa der feinfühligen Finger, besonders genau registriert werden. Oft werden Körperteile mit einer hohen Rezeptordichte auch in einem großen Rindenareal verarbeitet, während etwa der Bauch, der mit nur wenigen Rezeptoren ausgestattet ist, nur wenig Raum auf der somatotopen Karte einnimmt. Und der beweglichen Zunge sind im motorischen Cortex mehr Nervenzellen zugeordnet als der Nase, deren Bewegungsmöglichkeiten begrenzt sind.

Cortex

Großhirnrinde/Cortex cerebri/cerebral cortex

Der Cortex cerebri, kurz Cortex genannt, bezeichnet die äußerste Schicht des Großhirns. Sie ist 2,5 mm bis 5 mm dick und reich an Nervenzellen. Die Großhirnrinde ist stark gefaltet, vergleichbar einem Taschentuch in einem Becher. So entstehen zahlreiche Windungen (Gyri), Spalten (Fissurae) und Furchen (Sulci). Ausgefaltet beträgt die Oberfläche des Cortex ca 1.800 cm2.

Rezeptor

Rezeptor/-/receptor

Signalempfänger in der Zellmembran. Chemisch gesehen ein Protein, das dafür verantwortlich ist, dass eine Zelle ein externes Signal mit einer bestimmten Reaktion beantwortet. Das externe Signal kann beispielsweise ein chemischer Botenstoff (Transmitter) sein, den eine aktivierte Nervenzelle in den synaptischen Spalt entlässt. Ein Rezeptor in der Membran der nachgeschalteten Zelle erkennt das Signal und sorgt dafür, dass diese Zelle ebenfalls aktiviert wird. Rezeptoren sind sowohl spezifisch für die Signalsubstanzen, auf die sie reagieren, als auch in Bezug auf die Antwortprozesse, die sie auslösen.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Die Karten des Körpers sind flexibel

“Früher hat man gedacht, diese Zuteilung sei angeboren und unveränderlich”, sagt Flor. Doch inzwischen ist klar, dass diese Karten nicht starr sind: Die Zellgebiete bestimmter Körperteile können sich vergrößern und verkleinern, verschieben oder gar verschwinden. Der Homunculus ist flexibel.

Der amerikanische Wissenschaftler Michael Merzenich konnte das schon in den 80er-​Jahren in Versuchen mit Affen zeigen. Er durchtrennte den Nervus medianus, der unter anderem die Informationen des Tastsinns von Daumen und Zeigefinger an das Gehirn leitet. Zwei Monate später untersuchte er die Gehirne der Affen und stellte fest: Der Bereich der Hirnrinde, der die Informationen von Daumen und Zeigefinger verarbeitet hatte, hatte eine neue Aufgabe: Nun verarbeitete er unter anderem Informationen, die vom kleinen Finger und Ringfinger kamen und über den Nervus radialis an das Gehirn geleitet wurden. “Dass das Gehirn sich einfach so neu organisierte, widersprach den gängigen Theorien”, sagt Merzenich.

Weitere Experimente bestätigten Merzenichs Verdacht: Affen, denen zwei Finger zusammen gebunden wurden, zeigten nach einigen Monaten nur noch ein Gehirnareal, in dem beide Finger gleichermaßen aktiviert wurden, so als seien die Zellgebiete, welche die Finger kontrollieren, miteinander verschmolzen. Bei Menschen, die mit zusammengewachsenen Fingern geboren wurden und diese durchtrennen ließen, zeigte sich das Gegenteil: Dort teilte sich das Hirnareal, das beide Finger erregt hatte, in zwei getrennte, eines für jeden Finger. “Es konnte dafür nur eine Erklärung geben: Das Gehirn ist ungeheuer anpassungsfähig und die Karten darin können sich verändern”, sagt Merzenich.

Als er diese Schlussfolgerungen publizierte, schlug dem Neurowissenschaftler zunächst Ungläubigkeit entgegen. “Manche Forscher taten geradezu so, als hätte ich das alles erfunden”, erinnert sich Merzenich. Aber inzwischen sind seine Erkenntnisse vielfach bestätigt worden: Menschen, die regelmäßig Klavier spielen, haben zum Beispiel größere Hirnareale für die Bewegung der Finger. Blinde, die das Lesen der Brailleschrift beherrschen, indem sie mit ihren Fingerkuppen die verschiedenen Punktkombinationen ertasten, haben einen größeren Finger-​Bereich in der sensorischen Rinde. “Unterm Strich ist das Gehirn eine Maschine. Wenn wir eine bestimmte Sache trainieren, dann verändern wir das Gehirn so, dass es besser darin wird, diese bestimmte Sache auszuführen”, sagt Merzenich.

Homunculus

Homunculus/-/homunculus

Im Gehirn wird sowohl sensorisch als auch motorisch jeder Teil des Körpers an genau definierten Stellen repräsentiert. Körperteile mit einer hohen Dichte an sensorischen Rezeptoren (Fingerkuppen, Zunge) sind dabei größer repräsentiert als solche mit einer geringeren Rezeptorendichte (Rücken, Beine). Es entstehen neuronale Karten, z.B. von der Hand oder dem Gesicht. Ordnet man diese Karten grafisch ihren Körperteilen zu, ergibt sich ein Homunculus, also ein kleiner Mensch. Die Größe seiner jeweiligen Körperteile spiegelt deren motorischen Möglichkeiten, bzw. ihre Sensibilität wieder. Dadurch wirkt der Homuculus seltsam verzerrt.

Ursache für Phantomschmerzen?

Die Anpassungsfähigkeit des Gehirns kann aber auch einen Nachteil mit sich bringen: Menschen, denen Gliedmaßen amputiert wurden, berichten in etwa der Hälfte aller Fälle von Schmerzen, die sich anfühlen, als kämen sie von dem abgetrennten Körperteil. In einem Experiment an 13 Amputierten fand Flor heraus, dass der Schmerz umso größer war, je stärker sich die Karten im Gehirn durch die Amputation verändert hatten, je stärker also die überflüssig gewordenen Hirnareale andere Aufgaben übernommen hatten. “Es gab einen direkten Zusammenhang zwischen diesen Veränderungen und den Phantomschmerzen”, sagt die Psychologin.

Dass die Karten im menschlichen Gehirn so wandelbar sind, ist für Flor trotzdem in erster Linie eine gute Nachricht: “Daraus ergibt sich, dass das Gehirn bis ins hohe Alter plastisch ist”, sagt sie. “Das bedeutet, dass wir die Möglichkeit haben, durch Training alle möglichen Krankheiten positiv zu beeinflussen.” Die Erkenntnis, dass die Abbildung des menschlichen Körpers im Gehirn wandelbar ist, ist inzwischen fest verankert. “Jetzt beginnen Forscher das auf zahlreiche Arten und Weisen zu nutzen”, sagt Flor, “und das hat ein riesiges Potenzial.”

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