Sind Ihnen bei Ihrer letzten Cocktailparty oder Ihrem letzten Uhrentreffen die Eisbrecher ausgegangen? Ich bin für Sie da. Neben meiner Leidenschaft für alte Armbanduhren bin ich fasziniert von den inneren Funktionen des menschlichen Gehirns und bilde mich darin weiter. In meinem Hauptberuf bin ich Neurowissenschaftler und beschäftige mich mit Entscheidungsfindung, Aufmerksamkeit und deren Beeinflussung durch das Zusammenspiel entfernter Gehirnregionen. Dies wird mein erster Versuch sein, diese beiden Welten - Uhren und Neurowissenschaften - zusammenzubringen. Der Essay wird sich daher weniger auf Vintage Uhren konzentrieren, sondern mehr auf einige Grundlagen der Gehirnfunktion, die für den Uhren-Nerd erklärt werden. Und das ist nicht so esoterisch oder gezwungen, wie es zunächst klingen mag, denn das Gehirn ist von Natur aus sehr rhythmisch und die Kognition (d.h. die Denkprozesse) lässt sich mit der uhrmacherischen Terminologie gut verstehen.
Oktober 18, 2024
Die Uhren des Gehirns - Wie die inneren Uhren unsere Wahrnehmung der Welt prägen
Marcus Siems @siemswatches
Sammler, Autor, Datenanalyst
Vielleicht wissen Sie, dass ich nicht nur eine Leidenschaft für alte Armbanduhren hege, sondern auch von den inneren Funktionen des menschlichen Gehirns fasziniert bin und mich dafür weitergebildet habe. In meinem Hauptberuf bin ich Neurowissenschaftler und beschäftige mich mit Entscheidungsfindung, Aufmerksamkeit und der Frage, wie diese durch das Zusammenspiel entfernter Gehirnregionen beeinflusst werden.
Und ... Trommelwirbel bitte ... dies wird mein erster Versuch sein, die Welt der Uhrmacherei und der Neurowissenschaften zusammenzubringen. Ich denke, dass es da ziemlich viele Synergien geben kann. Ich werde also versuchen, einige Grundlagen der Gehirnfunktion für den Uhrenfreak zu erklären. Und das ist nicht so esoterisch oder gezwungen, wie es zunächst klingen mag, denn das Gehirn ist von Natur aus sehr rhythmisch und die Kognition (d.h. die Denkprozesse) lässt sich mit der uhrmacherischen Terminologie gut verstehen. Und ehrlich gesagt, lassen Sie uns einfach ein bisschen Spaß haben, während wir etwas Neues lernen!
Das Gehirn funktioniert analog zu einem System mit mehreren Uhren. Wie das möglich oder vorteilhaft ist, möchte ich gerne zeigen. Bild mit freundlicher Genehmigung von Freepik.
1) Gehirn-Rhythmen
Ähnlich wie bei Armbanduhren beginnt die Geschichte der 'Gehirnuhren' bereits im frühen 20. Jahrhundert. Vor fast genau 100 Jahren, 1925, leistete der deutsche Neurologe Hans Berger Pionierarbeit bei der Elektroenzephalographie (EEG) Technologie. Das EEG ist heute in Krankenhäusern sowie in neurologischen und psychiatrischen Praxen auf der ganzen Welt gängige Praxis. Kurz gesagt, kann das EEG elektrische Potentiale auf der Kopfoberfläche messen, die durch neuronale Aktivität erzeugt werden: Erhöhte Aktivität der Neuronen führt zu einer Depolarisation - und die Signale 'gehen runter'.
Doch neben scheinbar chaotischer Aktivität beobachtete Berger auch Perioden synchroner neuronaler Aktivität, die Depolarisation und Repolarisation in einer orchestrierten Weise zeigten - der allererste, also 'Alpha'-Rhythmus wurde identifiziert:
Abbildung 1. (Links) Aufbau einer modernen EEG-Kappe mit 64 Ringelektroden. (Rechts) Die Illustration des sogenannten Berger-Effekts: Wenn die Augen geschlossen sind, zeigt sich ein auffälliger Rhythmus bei etwa 10 Hz über die hinteren (Hinterkopf-) Elektroden. Daten und Fotos mit freundlicher Genehmigung des Universitätsklinikums Hamburg Eppendorf.
Der so genannte 'Berger-Effekt' beschreibt den gut reproduzierbaren Befund, dass Sie, wann immer jemand die Augen schließt, ein stabiles und stereotypes Aktivitätsmuster - einen Rhythmus mit etwa 10 Zyklen pro Sekunde - am stärksten an den Elektroden über dem Hinterkopf erkennen können. Und aus eigener Erfahrung kann ich Ihnen sagen, dass dies das am einfachsten zu findende und auch das zuverlässigste Signal ist. Sie bräuchten nur zwei Elektroden und es wird bei praktisch jedem gesunden und wachen Menschen direkt sichtbar sein: Schließen Sie die Augen und der Alpha-Rhythmus ist da, öffnen Sie sie und er ist verschwunden... jedes Mal.
Mit anderen Worten, große Ansammlungen von Neuronen in unserem Hinterkopf arbeiten sozusagen wie ein stabiles Uhrwerk mit 36.000 Umdrehungen pro Minute zusammen. Hier schließt sich zum ersten Mal der Kreis. So kann das Gehirn in manchen Fällen oder für eine gewisse Zeit als kleines Uhrwerk mit einer Spiralfeder, einem Räderwerk und einer Unruh verstanden werden.
Wer hätte gedacht, dass der prominenteste Rhythmus des Gehirns im gleichen Takt tickt wie die alten Hi-Beat-Kaliber von Zenith und Grand Seiko. Foto mit freundlicher Genehmigung von Phillips.
Diese Rhythmen sind auch nicht zufällig oder selten. In den letzten 100 Jahren und insbesondere seit den 1990er Jahren ([hier]) haben Hirnrhythmen eine entscheidende Rolle dabei gespielt, wie wir die Funktion des Gehirns, die Kognition und die Interaktionen zwischen den Gehirnregionen besser verstehen können ([hier] &[hier]). Und wir haben gelernt, dass diese Rhythmen überall vorkommen, mit unterschiedlichen Frequenzen, und dass sie offenbar ein vielseitiger Code sind, um Informationen flexibel weiterzuleiten, wenn sie für eine bestimmte Aufgabe oder ein bestimmtes Verhalten benötigt werden ([hier] &[hier]).
2) Die Zeit diskretisieren - Wie Hirnrhythmen unsere Wahrnehmung prägen
Bevor wir uns zu sehr in die verschiedenen Mechanismen und Erkenntnisse vertiefen, lassen Sie uns mit unserem 10Hz 'Alpha' Rhythmus. Interessanterweise spielt die 10Hz-Oszillation, auch wenn wir sie bei geöffneten Augen nicht so deutlich wahrnehmen - weil sie sich mit anderen Rhythmen vermischt -, immer noch eine wichtige Rolle in unserer visuellen Wahrnehmung ([hier]). Und insbesondere diese Alpha Oszillationen scheinen auch unsere erlebte visuelle Welt zu strukturieren:
Abbildung 2. Schematische Diskretisierung unserer visuellen Erfahrung durch oszillierende Gehirnaktivität. Ob zwei kurze Lichtblitze zu einem verschmelzen (Blitz 1 & 2; orangefarbener Rahmen) oder als zwei Einheiten wahrgenommen werden (Blitz 3 & 4; blauer & grüner Rahmen), scheint von ihrem Timing in Bezug auf die intrinsische Aktivität des Gehirns abzuhängen. Schema modifiziert von Van Rullen (2016), Trends in den Kognitionswissenschaften.
Unser bewusstes Erleben könnte dabei analog zu einer Filmrolle funktionieren. Wenn zwei Bilder kurz hintereinander gezeigt werden, verschmelzen wir sie manchmal miteinander und nehmen sie als eines wahr (wie Flash 1&2; orangefarbener Rahmen) und manchmal haben wir die beiden nacheinander wahrgenommen (Blitz 3&4; blaue & grüne Rahmen)([hier] & [hier]). Ob das eine oder das andere Szenario erlebt wird, scheint davon abzuhängen, wo die beiden Blitze innerhalb der Oszillation auftreten - im selben (verschmolzen) oder in verschiedenen Zyklen (getrennt). Eine Oszillation kann also wie ein Einzelbild in einem Film* verstanden werden.
2a) Diskrete Zeit durch Handbewegung
Lassen Sie uns das mit uhrmacherischen Begriffen umformulieren. Eine Oszillation ist so etwas wie eine Pendelschwingung... und in jeder mechanischen Uhr gibt es ein Pendel, nämlich die Unruh. Die Feder in der Unruh wird ständig gedehnt und zusammengezogen - hin und her. Obwohl die Unruh in ständiger Bewegung ist, nehmen wir aufgrund der Ankerhemmung die Bewegung der Zeiger nur zu diskreten Zeitpunkten wahr. Die Diskretisierung der Gehirnschwingungen ist also (im Geiste) dasselbe wie das Hinzufügen der Ankerhemmung zur Unruh!
Abbildung 3. Schematische Diskretisierung unserer visuellen Erfahrung, analog zum Innenleben eines Uhrwerks. Ob zwei kurze Lichtblitze zu einem verschmelzen (Blitz 1&2; orangefarbenes Zifferblatt) oder als zwei Einheiten wahrgenommen werden (Blitz 3&4; blaues & grünes Zifferblatt), hängt dabei von ihrem Timing in Bezug auf die Zeigerbewegung ab**.
Genau wie im Gehirn digitalisiert also ein Uhrwerk einen konstanten Energiestrom in diskrete Einheiten. Um auf unser Beispiel mit den zwei Blitzen zurückzukommen, würden diese also zu einem Blitz verschmolzen (1&2) oder als zwei wahrgenommen (3&4), je nachdem, ob sich der Zeiger zwischen den Blitzen bewegt.
3) Adaptives Timing - Gehirnrhythmen, die sich an die Umgebung anpassen
Es gibt jedoch einen wichtigen Unterschied zwischen Uhren und Gehirnen: Die Rate/Frequenz ist stabil ein Uhrenkaliber, aber anpassungsfähig für das biologische System... Zum Beispiel können Gehirnrhythmen durch interne Denkprozesse ([hier]) sowie durch kurze Veränderungen in unserer Umgebung ([hier]) schnell moduliert, unterbrochen und neu gestartet - 'zurückgesetzt' - werden:
Abbildung 4. Schematische Darstellung eines ewigen 'Reset' der neuronalen Oszillation als Reaktion auf Veränderungen in der Umgebung. Der 'Reset' beschreibt, dass die Aktivität (farbige Linien), wie auch immer sie vor dem Stimulus (Glühbirne & vertikale gestrichelte Linie) war, danach in einen stereotypen Modus wechselt. Angepasst und modifiziert von Landau et al., 2015, Biologie aktuell.
Aber auch subtilere Schwingungen können sich an die Umweltbedingungen anpassen. Zum Beispiel passt sich die Frequenz an, wenn eine Aufgabe leicht oder sehr schwer ist. Bei einer schwierigen Aufgabe müssen Sie möglicherweise Informationen über mehr 'diskrete Einheiten' abfragen, so dass die Frequenz steigt ([hier]). Dies ist vergleichbar mit der Änderung der Geschwindigkeit Ihres Chronographen, um die Zeit in immer kleineren Einheiten zu messen und so an Präzision zu gewinnen. Wenn Sie hingegen sehr sicher sein müssen, dass ein bestimmtes Ereignis eingetreten ist, integriert das Gehirn die Informationen über längere Zeiträume, so dass die Länge des Oszillationszyklus zunimmt (und damit die Frequenz sinkt) ([hier]). In ähnlicher Weise passt sich die Frequenz des Rhythmus in vorhersehbaren Umgebungen an ([hier]).
4) Was ist von all dem zu halten?
Das ist eine sehr gute Frage... Nun, ich hoffe, dass Sie bei Ihrer nächsten Cocktailparty oder Ihrem nächsten Uhrentreffen ein paar zufällige Eisbrecher darüber fallen lassen können, dass das Gehirn wie ein anpassungsfähigeres, flexibleres, biologischeres Uhrwerk ist. Das Tick-Tick-Tick jeder Zeigerbewegung ist die wahrnehmbare Ausgabe von Energie, die ständig von der Hauptfeder auf die Hemmung übertragen wird. Auf die gleiche Weise wird der ständige Strom von Informationen aus unserer Umgebung in unserem Gehirn in verdauliche Segmente zerlegt und schließlich zu unserer bewussten Erfahrung der Welt.
'Uhr im Kopf' - ein von der KI generiertes Bild. Mit freundlicher Genehmigung von DeepAI.
Aber abgesehen von diesen Informationen - und ich sage das mit einem breiten Lächeln - bin ich mir wirklich nicht sicher, was meine Zielgruppe für diesen speziellen Artikel ist***. Es hat mir sehr viel Spaß gemacht, ihn zu schreiben! ... Aber so nerdig das alles auch erscheinen mag, es ist reine Unterhaltung für wahrscheinlich 99,99999% der potentiellen Leser da draußen. Es ist mein 'schaut mal, wie cool das alles ist' Moment. Und darüber bin ich sehr froh.
Falls es jedoch einen interessierten Leser gibt, der über das Anhäufen von Geld hinaus etwas davon hat Überflüssig Wissen bin ich immer gerne bereit, tiefer in das Thema einzutauchen. Bis dahin: Sie können stolz auf sich sein, denn Sie haben das ENDE erreicht!
* Interessanterweise ist dies auch genau die Art, wie Filme funktionieren: Frames - wie die Glühbirnen 1&2 - kommen und gehen zu schnell, als dass unser Gehirn die Übergänge wahrnehmen könnte, und die Bilder werden zu einem reibungslosen Erlebnis - einem Film.
** Ich muss zugeben: Um die Illustration einfach zu halten, habe ich das Timing zwischen Hemmungsbewegung und Schwingung geändert. In Uhren bewegt sich die Hemmung zweimal pro voller Schwingung, nämlich dann, wenn die Feder entspannt ist (also weder eingeengt noch gedehnt).
*** An meinen Ghostwriter für die Memoiren: Das war vielleicht genau der Moment, in dem ich den Verstand verlor...
Glossar
Kognition: Allgemeiner Begriff für alle höheren/inneren Denkprozesse, die über den frühen sensorischen Input hinausgehen.
Frequenz: Wie viele Schwingungen in einer Sekunde untergebracht werden können, angegeben in Hertz (Hz = 1 / Sekunde). Multiplizieren Sie mit 3.600 und Sie erhalten die uhrmacherische Einheit der Frequenz Vph (Schwingungen pro Stunde).
Neuron: Eine pyramidenförmige Gehirnzelle, die für die direkte elektrochemische Informationsübertragung innerhalb des Gehirns entscheidend ist. Sie sind die Grundlage der Gehirnfunktion.
Oszillation: Ein vollständiger Zyklus einer Auf-Ab-Potentialschwankung. Analog dazu können Sie sich eine vollständige Pendelschwingung von links nach rechts nach links vorstellen.
Rhythmus: Anhaltende oszillierende Aktivität mit einer relativ stabilen Frequenz.
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