Neue Tests helfen festzustellen, wie viel Patienten im Wachkoma von ihrer Umgebung wahrnehmen.
Neuropsychologen der Universitäten Tübingen und Heidelberg haben eine Serie neuer Tests entwickelt, mit denen sich genauer untersuchen lässt, ob Wachkomapatienten bei Bewusstsein sind. Darüber berichten die Forscher Boris Kotchoubey und Simone Lang in der Ausgabe des Magazins Gehirn&Geist (9/2011).
Wachkoma, Schmerz und Empathie
Im Gegensatz zu bisherigen Verfahren lassen sich mit der neuen Methode auch grundlegende Aspekte des Bewusstseins prüfen, beispielsweise Schmerzempfinden oder ein intaktes Arbeitsgedächtnis. Schon 2009 stellte der britische Neurologe Adrian Owen eine Methode vor, mit der er nachgewiesen hatte, dass eine junge Komapatientin bei Bewusstsein war. Die Frau erhielt im Hirnscanner liegend über Kopfhörer Anweisungen vom Forscher. Anhand der Hirnaktivität konnte Owen erkennen, dass die Betroffene ihn verstanden hatte.
Dieses Verfahren setzt jedoch voraus, dass die Patienten noch in der Lage sind, Sprache zu verstehen. Bewusstsein sei jedoch auch ohne Sprache denkbar, kritisieren Kotchoubey und Lang in Gehirn&Geist. Ihre einfacheren Tests zielen daher auf den Nachweis von Schmerzempfinden oder Gedächtnisleistungen. Insbesondere die Frage, ob die Betroffenen in der Lage sind, Schmerzen zu verspüren, sei von großer Bedeutung. Denn oftmals debattierten Angehörige und Ärzte darüber, ob sie die lebenserhaltenden Maßnahmen abschalten sollten.
Im Wachkoma, auch vegetativer Zustand genannt, haben die Betroffenen zwar meistens die Augen geöffnet, zeigen aber keine äußeren Anzeichen von Bewusstsein. Ursachen sind meist schwere Hirnschäden, die durch Unfälle, Sauerstoffmangel (etwa nach einem Herzstillstand) oder durch Schlaganfälle entstehen können. (Quelle: Gehirn&Geist, September 2011)
„Gott würfelt nicht” ist ein oft zitierter Ausspruch Albert Einsteins, der mit diesem Argument die Quantenmechanik ablehnte. Die Quantenmechanik beschreibt verschiedene Zustände von Elementarteilchen mithilfe von berechenbaren Wahrscheinlichkeiten - einzelne Ereignisse sind dabei nicht mehr präzise vorhersagbar. Einstein zum Trotz ist sie inzwischen ein anerkanntes Teilgebiet der Physik. Oft wird die Quantentheorie aber auch zur Beantwortung weltanschaulicher Fragen und als Grundlage philosophischer und theologischer Hypothesen herangezogen. Diese Praxis hinterfragt die LMU-Wissenschaftlerin Anna Ijjas in ihrem neuen Buch „Der Alte mit dem Würfel”. „Mittlerweile gibt es kaum noch ein metaphysisches Problem, das nicht unter Berufung auf die Quantentheorie angeblich gelöst wurde”, sagt die Theologin und Physikerin Ijjas, die in ihrem Buch untersucht, ob und inwiefern die Quantentheorie für theologische und philosophische Fragestellungen eine Rolle spielen kann. Dazu entwickelte sie eigens eine neue Methodik, anhand derer sie die Verbindung zwischen Quantenmechanik und Metaphysik hinterfragte.
Insbesondere interessierte sie, ob die der Quantenmechanik zugrunde liegende Theorie mit verschiedenen metaphysischen Modellen - wie etwa der Determinismus-Frage - logisch vereinbart werden kann. Anschließend untersuchte Ijjas die Relevanz der Quantenphysik für die Frage nach dem Verhältnis von Gehirn und Bewusstsein, dem Problem der Willensfreiheit und dem Wirken Gottes in der Welt. Dabei zeigt sich für Ijjas, dass zentrale theologische Aussagen mit der Theorie der Quantenphysik durchaus vereinbar sind - ein interdisziplinärer Dialog zwischen Naturwissenschaft und Theologie also möglich und sinnvoll ist. „Ich glaube, Einstein hat sich geirrt”, sagt Ijjas, „das Universum lässt eine gewisse Offenheit der Vorgänge zu. Aber die Quantenphysik gibt keinen Anlass zu glauben, dass die Welt von blindem Zufall regiert wäre. Vielmehr stellt eine kreatürliche Fähigkeit zur eigenen Entscheidung die Norm dar. Gott beschenkt seine Schöpfung mit Freiheit.” (göd) (Quelle:idw)
Ist es möglich, einen Roboterwissenschaftler zu bauen, der neue Erkenntnisse gewinnt? Ein solcher lernfähiger, mit Künstlicher Intelligenz gefütterter Automat muss den gesamten Forschungsprozess beherrschen: Er bildet Hypothesen, testet sie durch eigenständig entworfene und durchgeführte Experimente, interpretiert die Resultate und wiederholt diesen Zyklus, bis er auf neues Wissen stößt. In der Märzausgabe von Spektrum der Wissenschaft präsentiert der Informatiker Ross D. King von der Aberystwyth University in Wales einen Apparat, der all das kann.
Der Roboter heißt Adam, sieht aber einem Menschen gar nicht ähnlich: Adam ist ein automatisches Labor von der Größe eines kleinen Bürozimmers. Die Ausrüstung umfasst unter anderem einen Kühlschrank, Vorrichtungen zum Manipulieren von Flüssigkeiten, Roboterarme, Inkubatoren und eine Zentrifuge – alles automatisiert. Natürlich besitzt Adam auch ein leistungsstarkes Computergehirn, das Schlüsse zieht und die Einzelrechner für die Hardwaresteuerung kontrolliert.
Der Forschungsroboter untersucht, wie einzellige Kleinstlebewesen wachsen, indem er bestimmte Mikrobenstämme und Nährstoffe auswählt und dann mehrere Tage lang beobachtet, wie die Kulturen gedeihen. Der Roboter kann pro Tag rund tausend solche Versuche in Gang setzen. Auf diese Weise erforscht Adam ein wichtiges und gut automatisierbares Gebiet der Biologie, die funktionelle Genomik. Sie untersucht den Zusammenhang zwischen Genen und ihrer Funktion.
Tatsächlich fand Adam einen zuvor unbekannten Zusammenhang zwischen drei Genen der Backhefe und einem bestimmten Enzym. Doch darf man Adam deshalb gleich als Wissenschaftler bezeichnen? Die Maschine ist ein Prototyp, und immer wieder muss ein Techniker eingreifen, um Fehler in der Hardware und Software zu beheben. Auch arbeiten die Softwaremodule ohne menschliche Hilfestellung noch nicht problemlos zusammen. Trotzdem: Adams Vorgehensweise, Hypothesen zu bilden und neues Wissen experimentell zu bestätigen, benötigt keine intellektuelle oder körperliche Anstrengung seitens des Menschen. In diesem Sinne arbeitet er autonom.
Unterdessen hat Kings Team einen zweiten Roboter gebaut: Eva wendet dieselben automatisierten Forschungszyklen wie Adam an, aber diesmal auf das Entwickeln und Testen von Medikamenten. Evas Forschungen konzentrieren sich auf Tropenkrankheiten wie Malaria und Schlafkrankheit. Adams automatische Kollegin hat bereits einige interessante Verbindungen gefunden, die gegen Malaria zu wirken scheinen. King ist überzeugt, dass mit fortschreitender Computertechnik und Künstlicher Intelligenz immer gewieftere Roboterwissenschaftler entstehen werden.
Ob sie jemals zu umwälzenden Erkenntnissen oder immer nur zur Routineforschung fähig sein werden, ist eine Grundfrage über die Zukunft der Naturwissenschaft. Einige Forscher meinen, durch Automatisierung sei keine wissenschaftliche Revolution zu erreichen. Andere behaupten, in hundert Jahren würde der beste Physiker eine Maschine sein. Die Zukunft wird zeigen, wer Recht behält. (Quelle: Spektrum der Wissenschaft, März 2011, Foto: Jem Rowland, Aberystwyth University )
In Europa kehren immer mehr Menschen den etablierten Kirchen den Rücken. Die zunehmende Säkularisierung unserer Gesellschaft bedeutet aber keineswegs, dass spirituelle Erfahrungen nicht mehr zeitgemäß wären – im Gegenteil!
Eine wachsende Zahl von Menschen empfindet die etablierten Religionen als beengend und ausgrenzend. Die katholische Kirche etwa schließt Geschiedene, wenn sie eine neue Partnerschaft eingehen, von den Sakramenten aus, und Homosexualität gilt in vielen Religionsgemeinschaften als problematisch. Das ist für viele Zeitgenossen heute nicht mehr nachvollziehbar.
Die Entfremdung von traditionellen Religionen macht sie aber nicht zu Menschen ohne spirituelles Empfinden, wie das Wissenschaftsmagazin Gehirn&Geist in seiner aktuellen Ausgabe(Heft 3/2011) berichtet. In einer Umfrage von Forschern der Universität Salzburg aus dem jahr 2006 bezeichnete sich nur jeder fünfte Teilnehmer als weder spirituell noch religiös. Was aber bedeutet Spiritualität heute? Verbinden Menschen damit eine besondere Beziehung zu Gott, zum Kosmos oder einfach einen Zustand allgemeiner Harmonie und Ausgeglichenheit?
US-amerikanische Wissenschaftler von der Indiana University bündelten 2004 rund 30 Studien zum Thema. Ergebnis: Spirituelle Menschen empfinden ihr Leben in hohem Maße als sinnvoll, fühlen sich oft mit dem Kosmos und einen höheren Macht verbunden, üben sich in spirituellen Praktiken wie Gebet oder Meditation. Zudem fördert eine spirituelle Orientierung das Wohlbefinden, körperlich wie auch psychisch.
Letzteres belegt auch eine Untersuchung der indischen Psychologen Mojtaba Aghili und G. Venkatesh Kumar von der University of Mysore von 2008. Die Forscher hatten 1500 Landsleute befragt und herausgefunden, dass Glück und Zufriedenheit bei diesen eng mit religiösen und spirituellen Überzeugungen zusammenhing. Ähnliches zeigte eine 2010 veröffentlichte Studie der Psychologin Mira Kammerl an 180 deutschen Probanden: Demnach sind spirituelle Menschen gelassener und entspannen sich nach Stress und Belastungen leichter. Das dürfte unter anderem dazu beitragen, dass sie im Schnitt bessere Herz-Kreislauf-Werte und eine höhere Lebenserwartung aufweisen.
Spirituelle Menschen wenden sich zudem häufiger anderen zu oder engagieren sich etwa für ein pädagogisches oder soziales Projekt. Eine Folge: Sie neigen seltener zu Depressionen, wie die Medizinerin Joanna Maselko von der Temple University in Philadelphia 2009 in einer Studie an knapp 1.000 US-Bürgern nachwies. Individuelle Spiritualität, die dem eigenen Leben Sinn verleiht, schützt Forschern zufolge besser vor Depression als etwa regelmäßiger Kirchgang. (Quelle: Gehirn&Geist, Ausgabe 3/2011)
Selbstorganisierte Prozesse spielen neben Umwelteinflüssen und genetischen Faktoren eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung des Gehirns. Zu diesem Ergebnis kommt ein internationales Team von Forschern, unter anderem aus Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation, des Bernstein Center for Computational Neuroscience und der Universität Göttingen.
Die Gehirne von Frettchen, Spitzhörnchen und Buschbabys zeigen beispielsweise überraschende Ähnlichkeit: So folgt die Anordnung der Nervenzellen in den Sehrinden der Arten folgt exakt demselben Design. Weder frühe Einflüsse der Umwelt noch Vererbung können diesen Befund erklären. Mithilfe eines mathematischen Modells jedoch konnten die Wissenschaftler die Gehirnarchitektur exakt vorhersagen. Es beschreibt, wie sich neuronale Schaltkreise im Gehirn selbstorganisiert entwickeln. (Science, Online-Ausgabe vom 4. November 2010)
Abb. 1Die Vorfahren von Spitzhörnchen (rechts) und Buschbaby (links) gehen seit 65 Millionen Jahren getrennte Wege. Dennoch gleichen sich Details ihrer Sehrinden auf verblüffende Weise. Bild: Wikimedia
Nervenzellen in der Sehrinde reagieren auf definierte Bildelemente wie Kanten und Konturen. Jede Zelle hat dabei eine “Orientierungspräferenz”: Sie ist auf bestimmte Kantenverläufe spezialisiert, wie etwa horizontale, vertikale oder schräge Kanten. Werden Zellen gleicher Spezialisierung mit derselben Farbe eingefärbt, erhält man so eine Karte der Orientierungspräferenz. Das fundamentale Strukturelement dieser Karten, das sich über die Sehrinde tausendfach wiederholt, bezeichnen Forscher als Pinwheel (deutsch: Windrad), denn Gebiete derselben Orientierungspräferenz treffen an einem Punkt zusammen - wie die Flügel eines Spielzeug-Windrades (siehe Abbildung 2).
Während frühere Arbeiten erwartet ließen, dass sich die Verteilung der Windräder in den Sehrinden verschiedener Arten stark unterscheiden, fanden die Forscher eine verblüffende Ähnlichkeit bei Frettchen, Spitzhörnchen und Buschbaby. Ein Erkennungszeichen dieses gleichen Designs ist die Dichte der Windrädchen. Diese und eine große Zahl anderer Merkmale stimmen bei diesen Arten genau überein. Auf einen vererbten genetischen Bauplan lässt sich dies jedoch nicht zurückführen. Denn der letzte gemeinsame Vorfahre von Frettchen, Spitzhörnchen und Buschbaby lebte vor mehr als 65 Millionen Jahren im Zeitalter der Dinosaurier. Die Gehirne hatten also reichlich Zeit, sich verschieden zu entwickeln. Zudem gibt es Säugetiere, die deutlich enger miteinander verwandt sind als die untersuchten Spezies und dennoch verschieden strukturierte Sehrinden aufweisen. Ebenso wenig bietet der Einfluss von Erfahrung auf die frühe Hirnentwicklung eine Erklärung. Die untersuchten Tierarten finden nach ihrer Geburt völlig verschiedene Umweltbedingungen vor.
Abb. 2Karte der Orientierungspräferenz in der Sehrinde eines Frettchens. Zwei Pinwheels (Windrädchen) sind vergrößert. Falschfarbendarstellung der Orientierung (siehe Balken links). Bild: Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation
In empirischen und theoretischen Untersuchungen zeigten die Forscher, dass sich die gleiche Windräderdichte am besten durch Selbstorganisationsprozesse in der Hirnentwicklung erklären lässt. Sobald die Tiere nach der Geburt zu sehen beginnen, bilden sich die Karten der Orientierungspräferenz nach und nach wie von selbst aus. Die mathematische Analyse neuronaler Selbstorganisation zeigte, dass bereits wenige Voraussetzungen ausreichen, um die beobachtete Nervenzellarchitektur hervorzubringen. Zu diesen gehört etwa, dass sich Nervenzellen über weite Distanzen direkt Signale zusenden können. Sind diese und wenige weitere Voraussetzungen erfüllt, stimmen sich die Nervenzellen im Modell während der Hirnentwicklung so aufeinander ab, dass ein so genanntes “quasiperiodisches Muster” ihrer bevorzugten Orientierungen entsteht, ein Muster das sich nie exakt wiederholt.
“Vertraute Beispiele für Selbstorganisationsprozesse sind etwa die La-Ola-Welle begeisterter Zuschauer, die sich bei Sportveranstaltungen über die Stadionränge ausbreitet, oder Stop-and-Go-Wellen im Autoverkehr, die ohne jede äußere Behinderung des Verkehrsflusses spontan auftreten können”, sagt Matthias Kaschube, Lewis-Sigler-Fellow an der Princeton Universität und Erstautor der Studie. Bei diesen Beispielen, wie auch bei allen anderen Selbstorganisationsprozessen, gibt es weder einen versteckten “Lenker”, noch ein verstecktes “Drehbuch”, das die Systemelemente (die Sportfans oder die Verkehrsteilnehmer in obigen Beispielen) dazu zwingt zu tun, was sie tun. Die Bewegung der Elemente resultiert nur aus der Art, wie sie sich gegenseitig beeinflussen.
In den vergangenen Jahrzehnten haben Forscher für viele Systeme der unbelebten Natur ausgearbeitet, wie mathematische Modelle beim Verständnis solcher Selbstorganisationsprozesse helfen können. Wie Fred Wolf, Leiter der Untersuchung und theoretischer Physiker am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen betont, liefern die neuen Ergebnisse nun maßgeschneiderte mathematische Konzepte für das Verständnis der Wechselwirkungen neuronaler Elemente in der Sehrinde.
Quelle: Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation. Originalveröffentlichung: Matthias Kaschube, Michael Schnabel, Siegrid Löwel, David M. Coppola, Leonard E. White & Fred Wolf Universality in the Evolution of Orientation Columns in the Visual Cortex Science, Online-Ausgabe vom 4. November 2010
Wissenschaftler aus Europa, Israel und den USA entwickeln Roboterratten, die bei Rettungsmissionen und Planetenforschung helfen können. Auf der Grundlage der Prinzipien des aktiven Abtastens, das im Tierreich weit verbreitet ist, hat das multinationale Team innovative Tasttechnologien entwickelt, einschließlich der ‘Schnurrhaare’ an Roboterratten.
Welches Geheimnis verbirgt sich hinter den Schnurrhaaren? Warum ist der Tastsinn der Schnurrhaare so viel effizienter als die Fingerspitzen einer durchschnittlichen Person? Nachttiere haben einen ausgeprägten Tastsinn, den sie weit mehr als ihr Sehvermögen einsetzen, um die physischen Informationen in ihrer Umgebung kennenzulernen und aufzunehmen. Zu diesen Tieren zählt beispielsweise die Ratte. Mehrere Gruppen des internationalen Forschungsteams testen die Art und Weise, in der Ratten ihre borstigen Schnurrhaare benutzen, um ihre Umgebung zu erkunden und wie das Gehirn die gesammelten Informationen verarbeitet.
Die Wahrnehmung beginnt in den Neuronen an der Basis der Schnurrhaare, die dann umgehend Signale an das Gehirn übermitteln. Darüber hinaus haben die Experimente gezeigt, dass die Art und Weise wie die Ratte ihre Schnurrhaare einsetzt, vom Kontext abhängig ist.
Der scheinbar einfache Akt des Abtastens eines dreidimensionalen Objekts benötigt drei verschiedene Arten von Codes, wobei jeder Code eine andere Information enthält - die Horizontale, die Vertikale und die Radiale (die Entfernung von der Basis der Schnurrhaare). Je näher sich ein Objekt an der Schnauze befindet, desto höher die Anzahl der Neuroübermittlungen.
Das Ziel dieser Forschungsarbeit ist es einerseits, ein besseres Verständnis des Gehirns zu erzielen, und andererseits die Technologie voranzubringen. Damit gemeint ist, dass Forscher Roboter als experimentelle Werkzeuge einsetzen, indem die Wissenschaftler Schritt für Schritt ein System aufbauen, das dem Gehirn ähnelt. Aus diesem Grund wird biologisches Wissen den Robotikwissenschaftlern ermöglichen effizientere Maschinen zu bauen, damit sie dann in Rettungs- und auch in Suchmissionen unter schlechten Sichtbedingungen eingesetzt werden können. So könnte die grundlegende Erforschung von Tieren zum Wohl des Menschen beitragen. (Quelle: idw, Abb. Roboterratte (c) Weizmann Institute of Science)
Ist es möglich, einen Roboterwissenschaftler zu bauen, der neue Erkenntnisse gewinnt? Ein solcher lernfähiger, mit Künstlicher Intelligenz gefütterter Automat muss den gesamten Forschungsprozess beherrschen: Er bildet Hypothesen, testet sie durch eigenständig entworfene und durchgeführte Experimente, interpretiert die Resultate und wiederholt diesen Zyklus, bis er auf neues Wissen stößt. In der Märzausgabe von Spektrum der Wissenschaft präsentiert der Informatiker Ross D. King von der Aberystwyth University in Wales einen Apparat, der all das kann. 
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