Kognitive Neurowissenschaft

Die kognitive Neurowissenschaft (englisch Cognitive Neuroscience) beschäftigt sich mit den neuronalen Mechanismen, die mit kognitiven Fähigkeiten im Zusammenhang stehen.

Das Feld der kognitiven Neurowissenschaft weist Überschneidungen mit der Kognitionswissenschaft und der kognitiven Psychologie auf. Die Kognitionswissenschaft beschäftigt sich mit bewussten und unbewussten Vorgängen wie z.B. Wahrnehmung, Denken, Urteilen, Gedächtnis, Lernen und Sprache.Ihr Gegenstandsbereich ist allerdings nicht nur die Kognition, sondern auch Emotion, Motivation und Volition. (Quelle) Während die kognitive Psychologie versucht den (menschlichen) Geist zu verstehen (z. B. die Entstehung von Erinnerungen, Gedanken etc.), beschäftigt sich die kognitive Neurowissenschaft mit den zugrundeliegenden neurobiologischen Prozessen. Also untersuchen die kognitive Psychologie und die kognitive Neurowissenschaft verschiedene Aspekte derselben Sache (z. B. Reaktionszeit, funktionelle Bildgebung). Sie beeinflussen sich gegenseitig, da ein genaueres Verständnis der mentalen Prozesse hilfreich für das Verständnis der zugrundeliegenden Hirnstrukturen ist und umgekehrt.

Die kognitive Neurowissenschaft ist eine recht junge Forschungsrichtung, deren Etablierung zu zahlreichen neuen Erkenntnissen und somit zu einem großen Sprung in der Untersuchung des menschlichen Gehirns führte.

Geschichte der Kognitiven Neurowissenschaft

Historischer Hintergrund

Gegenwärtig entstammen Forscher der kognitiven Neurowissenschaft gewöhnlich einem experimentalpsychologischen, kognitionspsychologischen, biopsychologischen, neurobiologischen, neurologischen, physikalischen oder mathematischen Hintergrund. Folglich sind die verwendeten Methoden vielfältig und umfassen psychophysikalische Experimente und funktionelle Bildgebung, aber auch Methoden der Neurophysiologie, der Neuroinformatik und der Computational Neuroscience. Die kognitive Neurowissenschaft in ihrem heutigen Verständnis hat eine lange Entstehungsgeschichte, welche durch verschiedene philosophische und wissenschaftliche Denkansätze geprägt wurde.

Wissenschaftlicher Hintergrund

→ Hauptartikel: Geschichte der Hirnforschung

Untersuchungen zu den Funktionen des Gehirns ließen sich bereits in der Antike finden, wie beispielsweise bei Galen (ca. 199–129 v. Chr.), der Gehirnverletzungen bei Gladiatoren untersuchte. Viele der antiken Vorstellungen blieben lange unangefochten. Die ersten Ansätze, die der heutigen Auffassung einer funktionellen Gliederung des menschlichen Gehirns entsprechen, entwickelten sich erst im frühen 19. Jahrhundert mit dem Aufkommen der Phrenologie nach Gall und Spurzheim. Viele andere Annahmen der Phrenologie sind zwar mittlerweile widerlegt, die Ansätze zur funktionalen Spezialisierung im Gehirn bleiben jedoch bis heute bestehen.[1]

In den folgenden Jahren wurden Untersuchungen des Gehirns essenzieller Bestandteil in der neurowissenschaftlichen Forschung, beispielsweise bei Forschern wie Broca und Wernicke. Dies führte zur Entdeckung der Funktionen verschiedener Gehirnareale. Besonderer Fokus lag hierbei auf der Untersuchung von Patienten mit Hirnschäden (Hirnläsionen), da hieraus Theorien zur normalen Funktionsweise des Gehirns abgeleitet werden konnten. Die Untersuchung von Hirnläsionen wird als kognitive Neuropsychologie bezeichnet und ist auch heute noch wichtiger Bestandteil der kognitiven Neurowissenschaft [1].

Auch Experimente von Wilder Penfield und Kollegen lieferten weitreichende neue Erkenntnisse in der kognitiven Neurowissenschaft. Anfang des 20. Jahrhunderts führte das Forscherteam zahlreiche Operationen an menschlichen Gehirnen durch, während die Patienten bei Bewusstsein waren. Diese Eingriffe waren schmerzlos, weil im Gehirn keine Schmerzrezeptoren vorhanden sind. Dabei wurde herausgefunden, dass eine elektrische Stimulation spezifischer Gehirnregionen z.B. zu visuellen oder akustischen Erscheinungen oder motorischen Phänomenen führte. Daraus konnte geschlossen werden, dass bestimmte Gehirnregionen für bestimmte Funktionen in der menschlichen Wahrnehmung oder des Verhaltens zentral sind. Somit wurde erstmals eine experimentelle Bestätigung der Annahmen zur funktionalen Spezialisierung im Gehirn geliefert.[1] Neuere Forschungsergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass verschiedene Regionen des Gehirns nur teilweise auf verschiedene Funktionen spezialisiert sind.

Ein weiterer wichtiger Schritt auf dem Weg zum heutigen Verständnis der kognitiven Neurowissenschaft war die Entwicklung der Annahme, dass die Funktionsweise des Gehirns der eines Computers ähnelt (komputationaler Ansatz). Eine frühe Theorie ist das Informationsverarbeitungsparadigma, welches ab den 1950er Jahren an Popularität gewann. Zum Beispiel argumentiert Broadbent, dass Informationen nach einem Stufenparadigma zuerst wahrgenommen werden, dann Aufmerksamkeit erhalten und im Kurzzeitgedächtnis gespeichert werden. Ein expliziteres komputationales Modell, das sich ab den 1980ern entwickelte, war das der neuronalen Netze. Dieses geht davon aus, dass die Informationsverarbeitung über die Interaktion miteinander verbundener neuronaler Knoten stattfindet.[1]

Die Geburt der modernen kognitiven Neurowissenschaften

Auch die Entwicklung neuer Bildgebungstechnologien ab den 1970er Jahren leistete einen bedeutenden Beitrag zur modernen kognitiven Neurowissenschaft. Besonders hervorzuheben ist hierbei die Erfindung des fMRT (funktionelle Magnetresonanztomographie). Das fMRT lieferte die Möglichkeit, die für die kognitiven Neurowissenschaften relevanten Teile des Gehirns zu beobachten, ohne das Gehirn zu schädigen. Schlussendlich führte also diese Kombination der Bildgebungstechnologien mit den Theorien der Kognitionspsychologie zu unserem heutigen Verständnis der kognitiven Neurowissenschaft.[1]

Die Disziplin der kognitiven Neurowissenschaft kann heute als Zusammenschluss der experimentellen Psychologie und der Neurowissenschaften betrachtet werden. Als Begründer dieser zusammengeschlossenen Disziplin können George A. Miller und Michael Gazzaniga gesehen werden. Als ein Vorreiter ist auch Alexander Romanowitsch Lurija anzusehen, der schon viel früher die Verschmelzung der vorgenannten Felder antizipierte und die Neurowissenschaft mit der Psychologie verband.

Philosophischer Hintergrund

Der Ausgangspunkt der kognitiven Neurowissenschaft lässt sich in der ursprünglich philosophischen Diskussion um das Leib-Seele-Problem finden, also der Frage, wie physische Masse (das Gehirn), psychische Erlebnisse erzeugen kann (z. B. Sinneswahrnehmungen). Für dieses Problem haben sich drei Lösungsansätze entwickelt: der Dualismus, die Dual-Aspect-Theory und der Reduktionismus. Die Grundannahme im Dualismus ist, dass Gehirn und Geist zwei vollständig unterschiedliche Phänomene sind. Gemäß der Dual-Aspect-Theory hingegen handelt es sich bei Gehirn und Geist um unterschiedliche Beschreibungen derselben Sache. Eine Analogie dazu aus der Physik ist das Elektron, welches als Welle und als Partikel beschrieben werden kann. Im Reduktionismus wird angenommen, dass geistige Konzepte wie Emotionen, Erinnerungen oder Aufmerksamkeit schlussendlich durch rein biologische Erklärungen (z.B. Neurotransmitter) ersetzt werden. [1]

Aktuelle Forschung widmet sich vor allem dem Verständnis des Gehirns als Netzwerk. Statt einem einzelnen Netzwerk könnten jedoch viele verschiedene Netzwerke bestehen, die je nach Bedarf aktiv sind oder nicht. Somit hätten nicht nur einzelne Hirnregionen spezielle Funktionen, sondern ganze Netzwerke im Gehirn übernehmen diese. Dieser Netzwerkansatz wird aktuell durch Versuche, das menschliche Konnektom abzubilden, veranschaulicht. Das Konnektom ist eine umfangreiche Karte aller Nervenverbindungen im Gehirn auf Makroebene (bis auf den Millimeter genau). Indem die Gehirne tausender Menschen mittels Magnetresonanztomographie untersucht werden, soll es beispielsweise möglich werden, Abweichungen im Konnektom, die mit Erkrankungen zusammenhängen, festzustellen. [QUELLE IN WIKIPEDIA EINFÜGEN —> aktuelle Auflage Ward] Als zentrale Herausforderung für die kognitive Neurowissenschaft kann das Erforschen der Beziehung zwischen Hirnstruktur und Funktionen (z.B. Verhalten) werden. Zusammengefasst gibt es dafür gegenwärtig drei Szenarien: Erstens könnte sich eine direkte eins-zu-eins Zuordnung von Hirnregionen zu Funktionen zeigen. Dies ist aus heutiger Sicht jedoch unwahrscheinlich. Zweitens könnten Hirnregionen zwar spezialisiert sein, jedoch müssten mehrere Regionen für eine Funktion miteinander interagieren. Drittens könnten Hirnregionen kaum spezialisiert sein und Funktionen entstünden durch die Interaktion mehrerer Netzwerke, welche wiederum zum Teil spezialisiert wären. [QUELLE IN WIKIPEDIA EINFÜGEN —> aktuelle Auflage Ward]