Das menschliche Gehirn

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  • Das menschliche Gehirn


    Das menschliche Gehirn



    [IMG:http://arbeitsblaetter.stangl-taller.at/GEHIRN/gehirn.gif]

    Schon bei der Geburt besitzt das Gehirn potentiell alle Voraussetzungen zum Denken und Lernen, wobei etwa 70 Prozent der Gehirnkapazit?t dem Lernen zur Verf?gung stehen, etwa 30% von vornherein f?r bestimmte Dinge festgelegt sind. In den ersten f?nf bis sechs Lebensjahren wird das menschliche Gehirn massiv umgestaltet. Ein Netzwerk von Milliarden Nervenzellen reagiert auf jede Art von Eindr?cken, Bildern und Informationen, indem es die Verkn?pfungen zwischen den Nervenzellen (Synapsen) ver?ndert. W?hrend solcher pr?gungs?hnlicher Lernprozesse, werden mit Hilfe von chemischen Botenstoffen (Neurotransmitter) die elektrischen Impulse von einer Nervenzelle zur n?chsten ?bertragen. Jede Nervenzelle verf?gt ?ber einen Sender und eine Vielzahl von Empf?ngern, mit denen sie die Informationen der anderen Nervenzellen aufnimmt. Das Gehirn verarbeitet diese Informationen zu neuen Strukturen, oder vernetzt diese mit anderen, schon vorhandenen Strukturen. Dabei werden bestimmte neuronale Verbindungen verst?rkt, andere abgeschw?cht, andere verschwinden ganz. In den verschiedenen Phasen der fr?hkindlichen Entwicklung gibt es bestimmte Zeitfenster oder "sensitive Phasen", in denen Informationen mit viel h?herer Geschwindigkeit und Wirksamkeit als in sp?teren Phasen aufgenommen werden. So entwickeln sich die Bereiche, die z.B. f?r Musik oder Sprache zust?ndig sind im Vergleich mit anderen deutlich st?rker, wenn das Kind von fr?her Kindheit an mit Musik konfrontiert wird oder zweisprachig aufw?chst.


    fortf?hrung: arbeitsblaetter.stangl-taller.at/GEHIRN


    mehr zum Gehirn:

    egbeck.de/skripten/12/bs12-41.htm

    de.wikipedia.org/wiki/Gehirn

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  • Direkter Draht zum Hirn

    Elektronische Arme und H?nde sollen Patienten Bewegungen erm?glichen und ihren Tastsinn wiedergeben.
    Von Ingo Arzt

    Im zweiten Teil der Endzeit-Saga Terminator ?berzeugt Titelheld T1000 seine menschlichen Begleiter mit Hilfe seiner Hand davon, dass er eine Maschine ist: Er zieht von ihr die k?nstliche Haut ab, darunter bewegen sich metallene Finger so filigran, als w?ren sie nat?rlich.

    Die Prothesen, die heute menschliche Gliedma?en ersetzen, muten im Vergleich dazu plump an wie die Greifarme eines Baggers. Auf- und zuklappen k?nnen die Tr?ger ihre k?nstlichen Finger zwar, vielleicht noch die Hand drehen und damit ein Getr?nk in ein Glas eingie?en ? bisher.

    ?Seit drei bis vier Jahren sind mechanische Bauteile, Materialforschung und Robotik weit genug, um wesentlich aktivere Prothesen herzustellen?, sagt Patrick van der Smagt vom Institut f?r Robotik und Mechatronik am Deutschen Zentrum f?r Luft- und Raumfahrt (DLR) in Oberpfaffenhofen nahe M?nchen. Dort entsteht im Rahmen des europ?ischen Projekts Neurobotics ein k?nstlicher Arm. Patienten sollen damit sogar wieder schreiben k?nnen.

    Mitte 2007 soll der Prototyp fertig sein und sich wie ein menschlicher Arm bewegen lassen k?nnen. Allein die Finger der Hand werden sich an 20 Stellen spreizen oder anwinkeln lassen, gesteuert durch 40 Motoren im Unterarm. Als Vorlage dient der Light-Weight Robot III des DLR ? der Arm vermag bereits heute mit Hilfe von Kameras, Tennisb?lle aus der Luft zu fangen.

    Bis die Armprothese f?r Menschen verf?gbar ist, werden allerdings noch mindestens f?nf Jahre vergehen, sch?tzt Smagt. So ist die Vertr?glichkeit des Gewebes der Patienten mit den Materialien einer dauerhaft implantierten Prothese noch ungekl?rt.


    Sonden im Gehirn

    Entscheidend ist jedoch, wie der Mensch das wunderbar bewegliche Ding steuern soll. Irgendwie m?ssen Gehirn und Maschine direkt miteinander kommunizieren, also auch Sinneseindr?cke aus dem Arm wahrnehmbar sein.

    Bisher waren nur Monologe drin ? Hirn an Prothese. Mit Hilfe der Elektromyografie werden an der Haut elektrische Spannungen in Muskeln und Nerven gemessen. Daraus lassen sich je nach St?rke die Intentionen des Menschen ableiten. Hand zu oder auf etwa.

    Schreiben l?sst sich so allerdings nur schwerlich. Das DLR arbeitet deshalb mit der amerikanischen Firma Cyberkinetics zusammen, die vergangenes Jahr weltweit erstmals Elektroden ins Gehirn eines Menschen einsetzte. Der Querschnittsgel?hmte Matthew Nagle trug den etwa zwei Quadratmillimeter gro?en Chip im Motorkortex ? in dem Teil des Gehirns, der die Bewegungen der Gliedma?en kontrolliert.

    Damit konnte er einen Mauszeiger steuern und so E-Mails abrufen und seinen Fernseher bedienen.

    Noch steht diese Technik ganz am Anfang, aber die Chips seien, sagt Smagt, wesentlich genauer als die externe Messung von Gehirnstr?men mit der Elektroenzephalografie, bei der Elektroden auf den Kopf geklebt werden.

    Mit dem Platin-Implantat im Gehirn lie?en sich exakt die Neuronen ausfindig machen, die aktiv sind, wenn beispielsweise der Daumen bewegt wird. Sie zeigen seinen Neigungswinkel an, die Beschleunigung des Daumens und dessen Geschwindigkeit. ?Ethisch ist ein so gravierender Eingriff wie eine Hirnsonde aber wohl nur bei Querschnittsgel?hmten vertretbar?, sagt Smagt.

    F?r alle anderen F?lle soll bei Neurobotics deshalb eine Mensch-Maschine-Verbindung benutzt werden, die das Fraunhofer-Institut f?r biomedizinische Technik (IBMT) im saarl?ndischen St.Ingbert entwickelt hat und die zun?chst im europ?ischen Projekt Cyberhand zum Einsatz kommt.


    F?hlen, was man anfasst

    Cyberhand ist die erste k?nstliche Gliedma?e, die direkt mit den menschlichen Nerven im Arm verbunden werden soll. Sechs europ?ische Forschergruppen aus Italien, Spanien, Deutschland und D?nemark waren an der Entwicklung beteiligt. Erstmals in der Neuroprothetik sollen Patienten wieder f?hlen k?nnen, was sie anfassen.

    Das IBMT hat spezielle Elektroden aus mit Polyamid umschlossenen Platinleiterbahnen entwickelt, die nicht nur Impulse aus den Nerven aufnehmen, sondern auch von einem Prozessor erzeugte k?nstliche Signale auf gleichem Weg an das Gehirn zur?ckschicken.

    Je nachdem, was Sensoren in der Roboterhand messen ? etwa St?rke und Richtung von Kr?ften oder den Winkel zwischen zwei Fingern ? fallen die Signale anders aus. ?Sie werden sp?ren, wenn ihnen das Glas, das sie in ihrer k?nstlichen Hand halten, entgleitet?, sagt Klaus Peter Koch, Leiter der Arbeitsgruppe Neuroprothetik am IBMT.

    Im Prinzip ist alles eine Frage des richtigen Rhythmus: Tastsinn ist in den Nervenbahnen eine Abfolge elektrischer Impulse, so genannter Bursts. ??hnlich wie Einsen und Nullen im Computer. Ihre H?ufigkeit ist je nach Empfindung eben anders?, erkl?rt Koch.

    Die Algorithmen zum Entschl?sseln und Erzeugen der Signale seien eine der schwierigsten Aufgaben bei der Entwicklung der Cyberhand gewesen. Wichtig ist dabei die Lernf?higkeit des Menschen: ?Wenn ein Patient einen Burst urspr?nglich als Kitzeln am Unterarm wahrgenommen hat, kann er lernen, so zu reagieren, als empfinde er Druck am Daumen?, so Koch.

    Die Wissenschaftler m?ssen also nicht herausfinden, welcher Teil des Nervs urspr?nglich die Steuerleitung f?r den Daumen war. Wichtig ist, dass die Elektroden einzelne Fasern innerhalb eines Nerven ansprechen k?nnen. Sie dienen dann als Kanal zum Gehirn. Wissenschaftler an der Universit?t Utah haben im Fr?hjahr 2005 bei Amputationspatienten bereits Phantom-Gef?hle wie Ber?hrung oder Druck hervorgerufen, indem sie einzelne Fasern der Nerven stimulierten.

    Cyberorgane mit Gef?hl

    Bei vom Hals an abw?rts Gel?hmten kommen die Signale aus dem Gehirn allerdings nicht mehr in den Nervenenden an. Zudem wird es kaum m?glich sein, die Bursts so genau aufzuschl?sseln, dass feinmotorische Abstimmungen der Bewegungsabl?ufe m?glich sind.

    ?Direkt im Gehirn sind die Signale dagegen ausgebreitet wie auf einer Landkarte?, sagt Smagt. Um Menschen ohne Arme wieder das Schreiben zu erm?glichen, scheint deshalb die Hirnsonde die beste L?sung zu sein ? auch wenn bis dato k?nstliche Sinneseindr?cke noch nie direkt zur?ck ins Gehirn gespeist wurden. Das soll am besten per Funk geschehen ? denn Kabel und Stecker, die bei Matthew Nagle w?hrend des ersten Tests des Implantats noch Kopf und Prothese verbanden, w?ren Patienten wohl kaum dauerhaft zumutbar, meint Smagt.

    Allerdings reichen bisher weder Hirnsonden noch Nervenelektroden f?r die vollst?ndige Steuerung einer Prothese aus. Wenn der Mensch denkt ? etwa: ?ich will ein Glas in die Hand nehmen?, hilft deshalb ein Prozessor bei der Feinsteuerung. ?Das ist vergleichbar mit der Rolle des Kleinhirns bei gesunden Menschen, das die unbewusste Feinmotorik von Bewegungen ?bernimmt?, sagt Smagt.

    Wenn der Roboterarm des DLR 2007 fertig ist, soll er zun?chst in den USA getestet werden, da es f?r die Gehirnsonde in Europa noch keine Zulassung gibt. Der Einsatz der Cyberhand ist Ende 2006 in einer Klinik in Rom geplant.

    Die 80 Mikrometer gro?en Elektroden des IBMT werden dabei mit einer Nadel durch den knapp zwei Millimeter breiten Nerv im Unterarm eingef?delt werden. Eine Operation, die kaum l?nger als eine halbe Stunde dauert und jederzeit wieder r?ckg?ngig gemacht werden kann, versichert Koch.

    Gef?hle in einer k?nstlichen Hand w?ren dann ein weiterer Schritt in der Neuroprothetik, die bereits heute mit Implantaten in Augen oder Ohren Menschen zumindest teilweise ihre verlorenen Sinne zur?ckgeben kann. Wohlgemerkt teilweise, sagt Koch: ?Bis sie mit einer k?nstlichen Hand Klavier spielen k?nnen, werden sicherlich noch 50 Jahre vergehen.?

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  • Lauschangriff auf das Gehirn

    Lauschangriff auf das Gehirn

    Wie weit k?nnen wir in die menschliche Gedankenwelt vordringen und ist ein Datenschutz f?r das Gehirn erforderlich?

    Neue Verfahren der Hirnforschung erlauben es Forschern, bisher ungeahnte Schl?sse ?ber geistige Prozesse zu ziehen. Dabei liegen Schwerpunkte darauf, Bewusstseinsinhalte zu entschl?sseln und Computer oder gar k?nstliche Prothesen per Gedankenkraft zu steuern. Da die Methoden in den intimsten Bereich der menschlichen Psyche vordringen, m?ssen sie auch in einer ethischen und ?ffentlichen Diskussion auf ihre Alltagstauglichkeit ?berpr?ft werden.

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    http://www.heise.de/tp/r4/artikel/25/25256/1.html