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Neuronale Netzwerke: Strukturen, Funktionen und Prozesse

Die unter der harten Schädeldecke liegende Großhirnrinde (cerebral cortex) ist der Sitz des Erfahrungswissens. Sie ist im Mittel nicht mehr als ca. 2 bis 5 mm dick, enthält aber die vielen Milliarden Neuronen, die für alle kognitiven Leistungen des Menschen verantwortlich sind. Sie setzt sich aus sechs Zellschichtlagen zusammen, von denen jede unterschiedliche Kombinationen und Typen von Zellen enthält. Diese unterscheiden sich in ihrer Größe und in ihren Funktionen. Es gibt Zellen die primär nährende und stützende Funktion haben, und Zellen, die Information speichernde und sie weiterleitende Funktionen haben.
(Mehr unter: http://www.stud.uni-muenchen.de/~tobias.schwarz/medizin/spezielle/zns.htm)

Auf- und absteigende Projektionsfasern verbinden die Areale der Großhirnrinde mit den tiefer gelegenen Strukturen des zentralen Nervensystems (z.B. limbisches System) und mit den Körperorganen. Sie sorgen dafür, dass das Gehirn von den Sinnesorganen ständig Meldungen über den Zustand der Umwelt und Innenwelt des Organismus erhält, denn das ist die Voraussetzung dafür, dass das Gehirn als zentrale Verarbeitungsinstanz die nötigen Reaktionen auf diese Meldungen einleiten kann.

Projektionsfasern münden ein in die primären Areale der verschiedenen Hirnlappen. Hinter den primären Arealen liegen die sekundären Assoziationsfelder. Sie sind für höhere kognitive Verarbeitungsaufgaben zuständig und über Parallelfasern (auch Assoziationsfasern genannt) vielfältig untereinander verknüpft. Sie sorgen für ein koodiniertes Verarbeiten aller wahrgenommener Teile bzw. Aspekte eines bestimmten Objekts. Ein solcher ‚quer’ zu den auf- und absteigenen Projektionsfasern verlaufender Informationsaustausch ist die Grundlage für alle komplexen Fähig- und Fertigkeiten eines Organismus, weil sie ein Zusammenspiel von z.B. auditiven, visuellen und motorischen Komponenten des Wissens und Könnens verlangen.

Kommissurenfasern verbinden über das corpus callosum die rechte und linke Hirnhälfte. Sie sorgen dafür, dass 'die linke Hand weiß, was die rechte Hand tut'. Sie sorgen aber auch dafür, dass ein fruchtbarer Informationsaustausch stattfindet zwischen der rechten Hirnhälfte, die auf die gestalthafte Wahrnehmung der Welt und kontextgebundene Erinnerungen der gemachten Erfahrungen spezialisiert ist (episodisches Gedächtnis), und der linken Hirnhälfte, die für die kognitive Analyse der Erfahrungen und damit für das semantische Wissen zuständig ist. (Mehr dazu unter 'Episodisches und Semantisches Gedächtnis').

Über das Netzwerk der verschiedenen Sorten von Nervenfasern wird also dafür gesorgt, dass sich einzelne Hirnareale arbeitsteilig speziellen Aufgaben widmen können. Das entspricht dem Prinzip der verteilten Speicherung des Wissens, das bei Gebrauch parallel aktiviert werden muss. Dem entspricht auch, dass die sekundären Areale für höhere kognitive Aufgaben zuständig sind, die für ihre Realisierung ein wohl abgestimmtes Zusammenspiel mit anderen sekundären Arealen verlangen.

Ein markantes Beispiel für das Prinzip des verteilten Speicherns und parallelen Aktivierens, das höhere kognitive Operationen erst möglich macht, ist das Sprachwissen (was immer das Sprachkönnen einschließt, denn es ist die Aktivierung von Sprachwissenselementen, welche dem sprachpraktischen Tun zugrunde liegen und es auslösen). Zum Sprechen gehört die Kontrolle über die 'Sprechwerkzeuge' (Mund, Lippen, Zunge, Atemwege, usw.), deren evolutionsgeschichtlich pirmäre Funktion es ist, dass sie der Nahrungsaufnahme dienen. Sie haben aber als sekundäre Funktion sprachproduzierende Aufgaben übernommen, müssen zu deren Realisierung aber intensiv mit anderen Hirnarealen zusammenarbeiten, die für das Hören, das sinndeutende Verstehen und anderen Sprachverarbeitungsaufgaben zuständig sind.

So ist das lexikalische Wissen in der Regel im sekundären Areal des linken Schläfenlappens gespeichert (Wernickes Areal). Das ist insofern plausibel, als das Verstehen von Wörtern die hörende Identifikation der Wortformen voraussetzt, denen dann erst über die Verbindung zu anderen Hirnarealen ein Sinn und eine Bedeutung beigemessen werden kann. Weil nun aber das Verstehen nicht dasselbe ist wie das Sprechen, ist an der Sprachproduktion ein anderes sekundäres Areal beteiligt, nämlich Brocas Areal. Das liegt im unteren Bereich des frontalen Lappens, und zwar hinter den primären Arealen, die für die motorische Kontrolle über Lippen, Zunge, usw. zuständig sind. Dass dort das grammatische Wissen seinen Sitz hat ist insofern plausibel, weil Grammatik mit der Erzeugung einer linearen Abfolge von Wörtern in syntaktischen Fügungen zu tun hat.

Das schließt weitere assoziative Querverbindungen zu anderen Hirnarealen nicht aus. So ist z.B. die rechte Hirnhälfte beteiligt an der Verarbeitung der melodischen und rhythmischen Aspekte von Sprache. Und was den Sonderfall des Lesens betrifft, ist der für die Verarbeitung visueller Signale zuständige okkzipitale Lappen ganz wesentlich beteiligt. Hinzu kommt, dass die menschliche Rede einer sozial kognitiven als auch emotional gefärbten Kontrolle unterliegt, was sich unter anderem darin niederschlägt, die manche Sprachelemente nicht frei sind von persönlich aufgeladenen affektiven Konnotationen. Noch deutlicher wird das, wenn man bedenkt, wie stark sich eine emotional positive oder negative Einstellung gegenüber einer zweiten bzw. fremden Sprache auf das mehr oder weniger gut gelingende Erlernen dieser Sprache als Zweitsprache auswirkt.

In der Regel ist die linke Hirnhäfte für die Sprachverarbeitung zuständig. Bekannt ist aber auch, dass die rechte Hirnhälfte diese Aufgabe übernehmen kann, wenn zum Beispiel die linke Hirnhälfte in der frühkindlichen Entwicklungsphase total oder schwer geschädigt wird. Das unterstreicht, dass die Flexibilität bzw. Plastizität des Gehirns bei der Zuweisung von 'höherwertigen' Verarbeitungsaufgaben an spezifische Hirnareale groß ist. Das unterstreicht aber auch, dass es keinen genetisch vorprogrammierten Teil des Gehirns gibt, der einzig und allein für die Sprachverarbeitung zuständig ist. Es ist deshalb nur in einem metaphorischen Sinne zu rechtfertigen, von einem 'Sprachmodul' im Gehirn zu sprechen, dass den Spracherwerb steuert. Bekannt ist aber auch, dass wenn sich im Zuge von Lernprozessen neuronale Verbindungen zwischen verschiedenen auf die Verarbeitung von Sprachelementen spezialisierten Hirnregionen herausgebildet haben, eine nachträgliche Zerstörung einzelner Areale oder von Verbindungswegen von und zu diesen Arealen schwere Sprachschäden auslösen. Parallel dazu haben es bei spät beginnendem Zweitspracherwerb die zweitsprachlichen lexikalischen und grammatischen Aktivierungspfade schwer, sich durchzusetzen gegen die schon fest etablierten (automatisierten) Aktivierungspfade zwischen vor- bzw. nicht-sprachlichen Mitteilungsintentionen und den für ihre Aktikulation geeigneten Sprachformen.

Neue technische Verfahren wie PET-Studien (Positronen-Emissions-Tomographie) erlauben heute das Faktum des verteilten Speicherns und parallelen Aktivierens von Wissen auch sichtbar zu machen. Sie zeigen, wie die nebenstehenden Abbildungen belegen, dass abhängig von Aufgaben und Übungsprozessen jeweils andere Hirnareale stärker aktiv werden.

In der rechten Abbildung zeigt das obere Bild eine Versuchsperson, die einen Text hört, mit dem Ziel eine Sprachaufgabe zu lösen. Die Farben zeigen, wo das Gehirn seinen höchsten Glucoseverbrauch und Blutdurchfluss im Vergleich zum Ruhezustand hat. Gelb und Rot zeigen erhöhten Verbrauch, blau und schwarz geringere Aktivität. Die höchste Aktivität ist bei der anfänglichen Verstehensaufgabe im präfrontalen Lappen sowie im Schläfenlappen zu registrieren. Dazu ist daran zu erinnern, dass der präfrontale Lappen für die koordinierende Sinnsuche (kognitive Kontrolle) zuständig ist, während das im Schläfenlappen angesiedelte Wernicke Areal für das lexikalische Wissen zuständig ist.

Im unteren Bild hat die Versuchsperson die Sprachaufgabe gelernt und spricht sie aus. Nun ist zu erkennen, dass insbesondere die motorische Region aktiv ist, deren Aufgabe die Kontrolle über die ‚Sprechwerkzeuge’ ist (Brocas Areal).

(Mehr über Nerven und Sinne)

Merksätze

Die unter der harten Schädeldecke liegende Großhirnrinde (cerebral cortex) ist der Sitz des Erfahrungswissens. Sie ist im Mittel nicht mehr als ca. 2 bis 5 mm dick, enthält aber die vielen Milliarden Neuronen, die für alle kognitiven Leistungen des Menschen verantwortlich sind.

Auf- und absteigende Projektionsfasern verbinden die Großhirnrinde mit den tiefer gelegenen Strukturen des zentralen Nervensystems und mit den Körperorganen.

Parallelfasern (auch Assoziationsfasern genannt) verbinden quer dazu die ‚hinter’ den primären Kortexbereichen liegenden sekundären Kortexbereichen und sorgen damit für einen Informationsaustausch, der die Grundlage ist für alle komplexen Fähig- und Fertigkeiten des Menschen.

Kommissurenfasern stellen über das corpus callosum die Verbindung zwischen der rechten und linken Hirnhälfte her. Das garantiert das Zusammenwirken von gestalthaft episodischen mit analytisch semantischen Aspekten des Wissens und Könnens.

Über das Netzwerk der verschiedenen Sorten von Nervenfasern wird dafür gesorgt, dass sich die Hirnareale arbeitsteilig speziellen Aufgaben widmen können. Das entspricht dem Prinzip der verteilten Speicherung des Wissens, das bei Gebrauch parallel aktiviert wird.

Das Prinzip des verteilten Speichern und parallelen Aktiverens gilt auch für das Sprachwissen. So ist das lexikalische Wissen in der Regel in Wernickes Areal im linken Schläfenlappen gespeichert. Das grammatische Wissen ist in Brocas Areal im unteren Bereich des frontalen Lappens gespeichert.

Melodische und rhythmische Aspekte der Sprache werden häufig von der rechten Hirnhälfte aus verwaltet. Sie ist in der Regel auch für die episodischen Erinnerungen an die Kontexte zuständig, in denen etwas erlebt oder gelernt wurde.

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