Die Funktionen im Gehirn werden nicht im Verbund spezialisierter Areale (Lokalisationstheorien, Netzwerk), sondern durch verbundene Neuronen (Konnektomfasern, verkettete Fließgleichgewichte) realisiert. Mit dieser Annahme befinden sich die Astrozyten nicht in funktionellen Teilen, sondern zwischen diesen. Indem ein Astrozyt mehrere Neuronen ernährt, steuert dieser die Nährstoffverteilung zwischen funktionellen Teilen. Verbraucht ein Neuron viel, haben die anderen versorgten Neuronen (zumindest zeitweilig) weniger. Folgerung: Die Neuronen tun und die Astrozyten bewerten dies energetisch. Die Astrozyten realisieren, was in jeder Funktions-/Arbeitsteilung dringend notwendig ist: Koordination.
Dies nun ausführlicher. Eigentlich nichts Neues, sondern nur die bekannten Puzzle anders sortiert. Beim jetzigen Wissen ist der Paradigmenwechsel längst überfällig.
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1. Die andere funktionelle Hirngliederung
Die lokale Gliederung
Die Funktionen des Gehirns in lokal abgrenzbaren Arealen zu suchen, ist verständlich. Im Gegensatz zu den Maschinen war/ist der funktionelle Bauplan nicht bekannt. Aus der erkannten Struktur wird deren Funktion(en) gefolgert. Dies ergibt etliche Lokalisationstheorien. Und diese prägten das Denken über 2000 Jahre (Literatur: Lokalisationstheorien von der Antike bis zur Gegenwart von Edwin Clarke/Kenneth Dewhurst). Lokal abgrenzbare Teile erfüllen spezifische Funktionen. Die Suche bei Google "Gehirn funktionelle Gliederung" zeigt strukturelle Teile.
Trotz immenser Anstrengung gelingt es nicht, das Gehirn funktionell zu verstehen. Bei der lokalen Gliederung bestehen die funktionellen Teile aus Nervengewebe, also aus vermengten Neuronen und Astrozyten. Die Neuronen tun und die Astrozyten helfen dabei, sind Hilfszellen.
Die lokalen Theorien haben ein großes Manko. Ein Areal bzw. eine Zellgruppe haben viel zu wenig synaptische Eingänge, um global entscheiden zu können. Beim Wikipedia-Artikel Spiegelneuron ist dies gut formuliert: Ein Neuron könne zwar vielfältig vernetzt sein, aber es sei kein intelligenter Agent (Homunkulus). Hochkomplexe Dinge, wie die Absichten anderer, könnten nur in mindestens ebenso komplexen neuronalen Netzwerken repräsentiert werden.
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Die Konnektomgliederung
Die Konnektom-Forschung sucht ganz filigran. Die Verbindungen zwischen den Neuronen interessieren. Das Konnektom möchte die Gesamtheit alle Verbindungen zwischen den Neuronen eines Nervensystems darstellen. Grafisch ergibt dies eine Unmenge an Fasern. Arealgrenzen fehlen. Die Erregungen werden über Synapsen von Neuron zu Neuron weitergegeben (verkettete Fliesgleichgewichte).
Bei dieser Gliederung, der so genannten Konnektomgliederung, ist es durchaus verständlich, dass sich die unzähligen Fasern an manchen Stellen funktionell konzentrieren. Irgendwo müssen die verbundenen Neuronen strukturell hin. Aber diese Kerne und Areale sind Struktur. In lokalen Strukturen werden höchstens Fragmente eines funktionellen Teils sichtbar und dort laufen auch Fasern für andere Funktionen durch. Hier ähnliche Überlegungen.
Jetzt realisieren diese Fasern eine Funktion. Diese diver- und konvergenten Fasern (inklusive Hemmung anderer Fasern) sind die funktionellen Teile und nicht die lokalen Areale. Das Manko der fehlenden Eingangsinformationen hat die Konnektomgliederung nicht. Die Menge an Arealen ist überschaubar; die Menge an Konnektomfasern nicht.
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Für die Fasern des Konnektoms sind die Begriffe Nervenfaser und Erregungsleitung unpassend. Diese beschränken sich auf ein Neuron. Beim Konnektom interessieren die Verbindungen von Neuron zu Neuron. Sebastian Seung nennt dies im Buch Das Konnektom Fasern. Auf den vorgeprägten Konnektomfasern laufen die Erregungen vom Rezeptor zum Erfolgsorgan (konvergent und divergent) oder werden durch andere Fasern gehemmt.
Mit dieser anderen Gliederung ergeben sich ganz neue Erkenntnisse. Diese alternative Gliederung zeigt die Schwächen der Lokalisationstheorien. Es ist doch eigentlich ganz einfach. Bei einer Aktion werden die Teile im Gehirn aktiv, welche die Funktion realisieren. Und die Konnektomfasern werden aktiv, nicht spezielle Areale. Das Gehirn ist überraschend einfach gestrickt
2. Bekannte Details
2.1. Neurobiologie
- Nervengewebe besteht hauptsächlich aus den Zelltypen Neuron (Nervenzelle) und Gliazelle. Gliazellen sind ein Sammelbegriff, bestehend aus strukturell unterschiedlichen Zellen. Die meisten davon sind die Astrozyten. Astrozyten haben Kontaktstellen zu den Neuronen und Blutgefäßen.
- Funktionell leiten Neuronen die Erregungen von den anliegenden Synapsen über die Membran und/oder das Soma an andere Neuronen weiter. Die Astrozyten registrieren zwar diese Aktionen, sind aber nicht direkt beteiligt. Die Erregungen verlaufen über die synaptisch verketteten Neuronen.
- Jedes der ca. 86 Milliarden Neuronen wird gebraucht, erfüllt eine Funktion, ansonsten würde es eliminiert (synaptisches Pruning, Apoptose). Jede Zelle ist speziell geformt, einzeln optimiert oder besser: hat sich selbst optimal eingefügt. Es gibt keinen Standardtyp Neuron, millionenfach dupliziert.
- Die Neuronen werden nicht direkt, sondern aufwendig über die Astrozyten mit Nährstoffen versorgt. Ein Astrozyt ernährt viele Neuronen und ein Neuron wird von vielen Astrozyten versorgt. Eine Folgerung: Braucht ein Neuron viel, haben die anderen versorgten Neuronen weniger.
- Die Nährstoffreserven im Gehirn sind gering. Platzmangel ist die heutige Erklärung dieses gefährlichen Fakts. Bereits nach vier Minuten ohne Versorgung sind die ersten Zellen geschädigt.
- Für den Hirnforscher Prof. Manfred Roth (ca. im Jahr 2010) sind die Astrozyten Hilfszellen, Knechte für die Neuronen (Stützfunktion, Versorgung, Abfallbeseitigung u.a.).
- Die bisherigen Thesen zur Funktion der Astrozyten konnten nicht überzeugen (Airbagthese, Atmungsthese, Pampers These, Reparaturthese, Hilfszellen, Teil der Blut-Hirn-Schranke). Diese erklären immer nur einzelne Eigenschaften. Und die sogenannte Blut-Hirn-Schranke ist unsicher: "Weil Nahrung gleichbedeutend mit Energie ist, ist unser Gehirn dem, was wir essen, ungeschützt ausgesetzt", sagen die Neurologen Dr. Dean Sherzai und Dr. Ayesha Sherzai. Ein weiterer
Artikel:: "Hintertürchen zum Gehirn für Schadstoffe"
- Eine weitere wichtige Funktion der Astrozyten ist die Bewertung und Modulierung der neuronalen Aktivität. Quelle: Medizinlexikon
- Gliazellen regulieren aktiven Zuckertransport ins Gehirn
- Demenz zeigt sich an Störungen in den Konnektomfasern.
- Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vermuten, dass sich das Gehirn über das Netzsystem der Astrozyten mit Energie versorgt (Quelle).
2.2. Thermodynamik
- Effizienz ist ein Maß für die Wirtschaftlichkeit (Kosten-Nutzen-Relation) und diese ist messbar am Verbrauch. Z.B. muss sich eine Investition rentieren (mehr Nutzen als Kosten). In der Wirtschaft erfolgt die Bewertung finanziell, in der Natur energetisch. Der Energieverbrauch zeigt sich am Aufwand und Nutzen, der Effizienz. Wegen des Energiebedarfs geordneter Systeme (Entropie) wird jene Variante zwischen Aufwand und Nutzen bevorzugt, welche in der Summe weniger Energie benötigt (Effizienzdruck).
3. Die Astrozyten
| Die Nervenzellen (Neuronen) werden aufwendig über den Umweg Astrozyten versorgt. Obwohl die Neuronen die Erregungen leiten, sind meisten Zellen im Gehirn Astrozyten. Ein Astrozyt hat Strahlen zu mehreren Neuronen und am Neuron docken mehrere Astrozyten an. Auch ernähren Astrozyten entfernte Neuronen (fibrilläre, protoplasmatische und plasmatofibrilläre Astrozyten, jedes speziell geformt). Da ein Astrozyt mehrere Neuronen ernährt, registriert dieser den energetischen Bedarf dieser Zellen. Verbraucht ein Neuron viel, haben die anderen versorgten Neuronen weniger. Die Reserven in den Astrozyten sind gering. Wenn nun Neuronen aus verschiedenen funktionellen Teilen von einem Astrozyt versorgt werden, registriert dieser deren energetischen Bedarf. Aus diesen bekannten Fakten ist eine Arbeitsthese ableitbar ... |
- Wenn die Astrozyten funktionell abhängige Neuronen versorgen, so registrieren diese ganz automatisch die Effizienz der funktionell abhängigen Neuronen. Arbeitet ein Neuron mangelhaft, muss das andere Neuron dies durch Mehraufwand ausgleichen und verbraucht mehr Nährstoffe. So wird auch der Verursacher, das mangelhaft arbeitende Neuron bestraft. Ein ganz einfaches und universell gültiges Prinzip: Effizienz zwischen funktionell abhängigen Teilen. Adam Smith nennt dies auf die Wirtschaft bezogen, die unsichtbare Hand. Jeder wird aktiv, um möglichst viel zu erhalten und stärkt so das Gesamtsystem. Dies lässt sich mathematisch erfassen.
- Und dies ist die Gliathese:
Die Neuronen leiten die Erregungen und die Astrozyten bewerten energetisch nach jedem Tun.
Deshalb die umständliche Ernährung der Neuronen über die Astrozyten und die vielen Astrozyten! Die Neuronen verändern ihre synaptischen Verbindungen so, um möglichst viele Nährstoffe von den Astrozyten zu erhalten.
- Dabei sind die Astrozyten nur passiver Verteiler, ähnlich wie ein Wasserrohr. Es ist keine versteckte Intelligenz verborgen bzw. notwendig. Die Astrozyten haben keine Information über das Globale.
4. Folgerungen
- Jetzt wird klar, warum so viele Astrozyten gebraucht werden und die Neuronen über den Umweg der Astrozyten versorgt werden. Zum Schutz braucht es keine Extrazellen, schon eine Membran kann schützen (Blut-Hirn-Schranke).
- Durch die Nährstoffreservoirs sind die Astrozyten nicht die Knechte (Prof. M. Roth), sondern umgekehrt. Die Neuronen "betteln" um Nährstoffe. Die Neuronen sind die Arbeiter. Durch die kleinen Reservoirs ist immer nur das Notwendige an Nährstoffen zu haben.
- Die Notwendigkeit eines von den Neuronen abweichenden Zelltyps und deren Menge. Die Effizienzbewertung ist die einzige Funktion, welche das Neuron aus Prinzip nicht selbst kann. Das einzelne Neuron würde sich selbst besser versorgen.
- Am Neuron docken unzählige Synapsen an. Es wird eng am Neuron. Zusätzlich sind an den Synapsen Astrozytenkontakte (dreiteilige Synapse). Mit Hilfsaufgaben ist dies nicht erklärbar (z.B. Pampers These, Airbagthese). Laut obiger Gliathese überwachen die Astrozyten die Synapsenverbindungen und damit die Neuronen.
- Die teils langen Strahlen der Astrozyten werden verständlich. Nicht benachbarte, sondern funktionell abhängige Neuronen werden versorgt. Die Neuronen, welche von einem Astrozyt ernährt werden, sind funktionell abhängig.
- Nach Lernvorgängen verändern sich die Astrozytenkontakte. Geänderte Funktion ergibt geänderte funktionelle Abhängigkeiten. Die Astrozyten folgen, werden platziert zwischen den funktionell abhängigen Neuronen.
- Die geringen Nährstoffreserven im Gehirn sind nicht Platzmangel. Nur bei geringen Reserven funktioniert die Effizienzbewertung, weil dann der Mangel sofort spürbar ist. Nur bei geringen Reserven kann ein Neuron auf Veränderung schnell reagieren. Folgerung: Dort, wo Lernen passiert, sind die Reserven besonders gering.
- Eine weitere wichtige Funktion der Astrozyten ist die Bewertung und Modulierung der neuronalen Aktivität. Neuronen bilden auf Befehl der Astrozyten neue Synapsen bzw. trennen bestehende Synapsen. Manche Neuronen können ihre Signale nur deshalb übertragen, weil benachbarte Astrozyten D-Serin und Glutamat beisteuern und in den Synapsenspalt sezernieren. Quelle
- Der US-Hirnforscher Phil Haydon erklärt: Die Astrozyten scheinen zumindest manchmal sogar die Funktion eines Dirigenten zu erfüllen: Sie hören den Neuronen nicht nur zu, sie sprechen auch mit ihnen und erteilen ihnen Anweisungen.
- Prof. Steinhäuser meint: Nervenkitt kommuniziert. Andere Forscher sprechen von intelligenter Glia: Die Gliazellen geben vor und die Neuronen folgen.
- Im Jahr 2014: Hauchdünne Fasern in den Astrozyten entdeckt, siehe
- Astrozyten kontrollieren den Zuckertransport, Quelle
- Arbeitsteilung erfordert Koordination zwischen den funktionellen Akteuren (hier Neuronen). Welcher Zelltyp im Organismus kann dies realisieren?
- Die Menge an Glia korreliert irgendwo mit der Intelligenz, so eine Aussage
- Hirnforscher: Gier nach Geld ist angeboren, sondern so bewerten die Astrozyten. Die Gier verändert, siehe
- Die Hebbsche Lernregel passt dazu: "Die Effizienz von Zelle A in Bezug auf die Erzeugung eines Aktionspotentials in B wird größer."
albert Einstein: Das Geld zieht nur den Eigennutz an und verführt stets unwiderstehlich zum Missbrauch. Die wiederholte Belohnung einer Handlung verfestigt dieses (Prägung). Alternative Handlungen werden rezessiv schwach. Laut Gliathese optimiert das Gehirn energetisch. Die Handlungen sind nicht logisch neutral, sondern verändern sich mit der Höhe des Gewinns aus der Handlungsentscheidung. Unser Gehirn lügt für uns, egoistisch.
- Astrozyten räumen auf
- Das Forscherteam um Professor Bruns konnte in seiner Studie nun erstmals zeigen, dass Astrozyten unterschiedliche Botenstoffe freisetzen, um die neuronale Signalübertragung zu verstärken oder abzuschwächen.
5. Zusammenfassung
Der Begriff Straktur wurde in einem Gespräch vom Hirnforscher Prof. Armin Ermisch in Leipzig vorgeschlagen. Nicht isolierte Areale können Funktion realisieren, sondern verbundene Neuronen quer durch. Es gab keinen Konsens nach 3 Stunden Gespräch. Deshalb der Vorschlag von Prof. Ermisch, nennen sie es "Straktur". Den Begriff Konnektom (Verlauf der Erregungen) gibt es erst seit 2005. Den Vergleich, - Verlauf der Erregungen mit dem Schienennetz der Bahn (Bahnmodell) -, gab es schon vor 2005.
Die Neuronen leisten und die Astrozyten bewerten nach jeder Aktion. Die Astrozyten optimieren kleinste, kleine und in der Summe die großen Funktionen. Die Optimierung passiert vor Ort durch die vielen funktionellen Abhängigkeiten und mittels kleiner Reservoirs in den Astrozyten. Es gibt kein strukturelles Zentrum, welches die Details im Gehirn determiniert. Alles wird ausbalanciert vor Ort, eben durch die massiv vorhandenen Astrozyten. Nur so ist die bekannte Hirnflexibilität realisierbar. Ein zentrales Steuerungsareal wäre da völlig überfordert.
Engramme werden passend verändert. Funktionelle Störungen werden energetisch korrigiert. (Selbstheilungskräfte) sind nur ein Teil davon. Da haben wir einen unglaublich mächtigen Helfer in uns. Ein solches System ist optimal organisiert, nur von außen verwundbar. Aber dieses optimiert egoistisch, sichert unbewusst die eigene Existenz und verfälscht egoistisch die Engramme und auch die Sprache. Das Weltbild wird so unbemerkt egoistisch stimmend, z.B. Religion Um Details der Umwelt zu erkennen, sind aktive Konnektomfasern notwendig (selektive Wahrnehmung). Und die Astrozyten formen egoistisch passend (meist unbemerkt).
Gliawissen für Einsteiger: Der Mensch denkt, die Glia lenkt.
Und weit mehr ist mit der Konnektomgliederung gedanklich möglich:
6. Impressum
Ich kann versichern, dass die obigen Gedanken mein Eigentum sind. Die andere Gliederung ergab sich aus erlebten Widersprüchen im Arealdenken (hier Ratio, dort Gefühl). Dies war 1976 in Bad Langensalza (Thüringen). Dem Begriff Straktur hat Prof.Armin Ermisch, Hirnforscher in Leipzig, im Jahr 1983 vorgeschlagen. Das Arealdenken passte nicht. Lokal abgrenzbare Strukturen sind eben nicht funktionelle Teile. Deshalb der Kunstbegriff Straktur. Die Gedanken gab es ab dem Jahr 1976. Da war von der Netzwerkgliederung (Konnektom) noch nichts zu lesen. Die logischen Folgerungen aus der neuen Gliederung sind immens, z.B. Brief von Dr. Lothar Sprung Die These zur eigentlichen Funktion der Astrozyten ist nur ein kleiner Teil davon. Bekanntes Wissen wird wie bei einem Puzzle neu einsortiert.
2007 |
Diplom-Mathematiker
Stefan Pschera
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