Was macht das menschliche Gehirn "menschlich"? Teil 2

Der erste Teil von Was macht das menschliche Gehirn "menschlich?" (16. April 2017) stellte die Frage, wie sich die menschliche Hirnstruktur von den Gehirnen anderer Tiere unterscheidet. Es wurde betont, dass Gehirne echte komplexe Systeme sind, die dynamische Muster und Teilmuster elektrischer und chemischer Aktivität auf mehreren Organisationsebenen (räumliche Skalen) erzeugen. Um diese Muster besser zu verstehen, schreitet die Hirnforschung in kleinen Schritten voran – frühe experimentelle Ergebnisse führen zu neuen Hypothesen, neuen Experimenten, neuen Ergebnissen und der Prozess wird wiederholt. Auf diese Weise werden wissenschaftliche Wahrheiten in einer Reihe von Annäherungen angenähert. Aber hier stellen wir diesen Prozess auf den Kopf, indem wir spekulieren, dass die Gehirne einige grundlegende Merkmale mit bekannten komplexen physischen und sozialen Systemen teilen, die als hilfreiche Analoga dienen können. Die begleitende Abbildung zeigt, dass solche Spekulationen überprüft werden sollten, um festzustellen, ob sie mit der etablierten Hirnforschung vereinbar sind, damit dieser Prozess wissenschaftlich nützlich ist. Wenn solche Ideen die bekannte Wissenschaft nicht zu verletzen scheinen, können wir sie als "hirnfreundlich" bezeichnen und sie ernster nehmen.

Quelle: Paul Nunez

Grundlegende Fragen über das Verhalten von nahezu jedem komplexen System beinhalten eine Unterscheidung zwischen den extremen Zuständen der Lokalisierung (Isolation) gegenüber globalen Zuständen. Mit anderen Worten, wir fragen, ob sich das fragliche System meist wie eine einzige integrierte Einheit verhält, was starke fortlaufende Interaktionen zwischen all seinen kleineren Teilen impliziert. Oder besteht das System aus vielen kleinen Subsystemen, die mehr oder weniger unabhängig voneinander agieren? Diese Idee wird schön illustriert durch Fans, die in einem Fußballstadion interagieren; Das kollektive Verhalten des Fächers ist analog zu verschiedenen Gehirnzuständen. Bevor das Spiel beginnt, treten die meisten Interaktionen zwischen Personen auf, die nahe beieinander sitzen; die einzelnen Gespräche sind weitgehend unabhängig voneinander. Wir können diesen Zustand als Fußballfan-Status der funktionalen Lokalisierung bezeichnen . Der gegenteilige Zustand tritt auf, wenn ein Touchdown erzielt wird und die Fans der Heimmannschaft alle zusammen jubeln; Nennen wir diese Bedingung globale Kohärenz . Aber selbst in diesem globalen Staat bleiben lokale Gruppen verärgerter Besucher und Trinker in das globale System eingebettet.

Das lokal-globale Problem hängt eng mit der Gesundheit des Gehirns zusammen. Die Hirnforschung legt nahe, dass die komplexesten Gehirnzustände zwischen den Extremen des vollständig lokalen und des vollständig globalen Verhaltens auftreten, was auf eine Übereinstimmung zwischen der Komplexität des Gehirns und dem gesunden Bewusstsein schließen lässt. Chemische (Neurotransmitter) -Systeme können das Gehirn an verschiedene Orte entlang der lokal-globalen Skala dynamischer Verhaltensweisen bewegen. Verschiedene Chemikalien können die Kopplungsstärke zwischen verschiedenen kortikalen Bereichen durch selektive Wirkungen in verschiedenen kortikalen Tiefen verändern. Ein gesundes Bewusstsein ist mit einem angemessenen Gleichgewicht zwischen lokalen, regionalen und globalen Mechanismen verbunden. Die tatsächlichen Gehirntypen, die diesen metaphorischen Fußballstaaten analog erscheinen, reichen von Schizophrenie und Autismus (extreme Lokalisation) über gesunde Zustände (moderate Lokalisation) bis hin zu Koma oder Anästhesie (extreme globale Kohärenz).

Wie könnte sich die Physiologie des menschlichen Gehirns entwickelt haben, um komplexe Muster zu erzeugen, und auch den Übergang zwischen lokalisierten und globalen Zuständen ermöglichen? Insbesondere das Vorherrschen von kleinen Weltverbindungen zwischen entfernten Regionen der menschlichen Großhirnrinde bietet ein plausibles Mittel, um eine breite Palette komplexer Gehirnmuster zu erzeugen. Jedes Paar von Neuronen in der Großhirnrinde von Säugetieren kann durch eine Weglänge von nur zwei oder drei Synapsen getrennt sein. Dies legt nahe, dass ein Aktionspotential von einem Neuron auf ein sekundäres Neuron abzielt, das seinerseits auf ein drittes Neuron abzielt und so weiter. Aber nur zwei oder drei solcher Schritte können erforderlich sein, um Einflüsse von einer Region auf entfernte Cortex zu übertragen. Solche kortiko-kortikalen Pfadlängen sind analog zum globalen menschlichen sozialen Netzwerk mit seinen sogenannten sechs Trennungsgraden zwischen zwei beliebigen Menschen, was eine Pfadlänge von nicht mehr als sechs sozialen Kontakten weltweit bedeutet. Such dir jemanden aus, sage ein Mann aus Taiwan. Du kennst wahrscheinlich jemanden, der jemanden kennt, und so weiter, der diesen Mann kennt, mit vielleicht nur sechs Bekanntschaftsschritten, um den Weg zu vervollständigen. Wir Menschen leben in einem kleinen sozialen Netzwerk. Mehrere andere Eigenschaften sind oft mit Small-World-Netzwerken verbunden. In der Regel gibt es eine Überzahl von Hub-Knoten im Netzwerk mit einer hohen Anzahl von Verbindungen. Analog dazu haben die Netzwerke kleiner Fluglinien der kleinen Welt kurze Reisedistanzen (Weglängen) zwischen irgendwelchen zwei Städten, weil viele Flüge durch die Hub-Städte geleitet werden.

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Quelle: Paul Nunez

Die Großhirnrinde bildet eine äußere Hirnschicht. Wie hängen unsere Argumente über kleine kortikale Verbindungen in der Welt mit den Gehirnen verschiedener Säugetiere zusammen? Nehmen wir an, wir zählen die Zahl der Axone, die in ein Stückchen der Unterseite des Kortex eindringen und dieses verlassen. Einige dieser Fasern verbinden Kortex mit Kortex (kortiko-kortikale Fasern); Andere verbinden den Kortex mit tiefen (Mittelhirn-) Strukturen, insbesondere mit dem Thalamus. Im menschlichen Gehirn sind nur etwa 2 bis 5 Prozent der menschlichen Fasern, die in den Kortex eintreten oder ihn verlassen, mit Mittelhirnstrukturen verbunden. Das heißt, die überwiegende Mehrheit dieser Fasern (Axone) beim Menschen ist kortiko-kortikal. Im Gegensatz dazu ist die relative Dichte von kortiko-kortikalen Axonen bei niederen Säugetieren viel geringer, bei Ratten beispielsweise nur etwa 50 Prozent.

Es scheint, dass die relative Dichte kortiko-kortikaler Fasern zunehmend größer wird, wenn Säugetiere zu komplexeren Verhaltensweisen fähig werden. Dies scheint einen intuitiven Sinn zu haben – ich behaupte, dass ich schlauer bin als mein Hund Savannah, aber in welchem ​​Sinne bin ich schlauer? Mein olfaktorischer Kortex ist ein Idiot im Vergleich zu Savannahs. Irgendwie scheint unsere Menschlichkeit aus globalen Interaktionen mehrerer kortikaler Neuronen und Säulen auf verschiedenen Skalen innerhalb der verschachtelten Hierarchie von kortikalem Gewebe zu stammen. Dynamisches Feedback, das den Cortex mit dem Cortex verbindet, ist bei Menschen möglicherweise wichtiger als bei niedrigeren Säugetieren.

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