Nevrovitenskap

Nevrovitenskap (mer sjelden også entall: nevrovitenskap ) er de vitenskapelige forskningsområdene der strukturen og funksjonen til nervesystemet blir undersøkt. På grunn av det store utvalget av metoder som brukes, utføres nevrovitenskapelig forskning av forskere fra mange forskjellige disipliner som fysiologi , psykologi , medisin , biologi , datavitenskap eller matematikk . ^[1] Ofte er det også samarbeid med beslektede vitenskapsområder som informasjonsteknologi , informatikk eller robotikk .

Historie om hjerneforskning

Funn fra tidlig Egypt viser at kirurgiske inngrep i sentralnervesystemet ble utført for 5000 år siden. Omtrent 70 prosent av hodeskallene der det er tegn på slike inngrep, har endret seg biologisk etter operasjonen, noe som indikerer at pasienten overlevde operasjonen i måneder eller år.

Rundt 500 f.Kr. Alkmaion fra Croton sies å ha vært den første som oppdaget optiske nerver og andre sensoriske nerver. Alkmaion utviklet ideen om at nerver er hule og omslutter et medium ( kenon ) som leder det sanseinntrykket til hjernen. Hippokrates of Kos erkjente at hjernen fungerer som sete for sensasjon og intelligens. Rundt 129–216 e.Kr. ble funksjonene til individuelle nervetrakter beskrevet av Galen .

Kunnskap om vest -europeisk hjerneforskning falt bak antikken i middelalderen. Forskningen på det europeiske området omhandlet først og fremst klosterkulturen.

De første seksjonene ble utført under renessansen. Italieneren Giovanni Alfonso Borelli (1608–1679) satte spørsmålstegn ved eksistensen av en gassformig spiritus animalis for første gang. I stedet mistenkte han eksistensen av en væske, succus nerveus , som ble presset inn i ekstremitetene av hule nerver og skulle indusere handlingene i henhold til pneumatiske prinsipper.

Det faktum at elektriske impulser flyter via nerver ble først beskrevet på 1700 -tallet. Et annet viktig funn på 1700 -tallet var at hjernebarken er funksjonelt strukturert. Fra 1800 -tallet og fremover gjorde forskning på hjernens anatomi også raske fremskritt. I det fremdeles unge 21. århundre utvikler nevrovitenskap først og fremst metodisk.

Forskningsfelt

Forskningsfeltet innen nevrovitenskap er rollen til alle slags nervesystemer i den generelle utførelsen av livsprosessene til biologiske organismer.

I detalj handler nevrovitenskapen om analysen av strukturen og funksjonen til de sentrale enhetene i alle nervesystemer, nevronene og andre celletyper, for eksempel glialceller . Det særegne og effektene av nettverksbygging av disse cellene for å danne nevrale nettverk i komplekse nervesystemer blir undersøkt. Eksempler på dette er hule dyrs diffuse nervesystem , taustigenes nervesystem hos leddyr og sentralnervesystemet til virveldyr .

Forskningsretninger innen nevrovitenskapene, som hovedsakelig er opptatt av undersøkelse av strukturen og ytelsen til hjernen til primater (dvs. mennesker og aper ), blir ofte oppsummert i daglig tale som hjerne- eller hjerneforskning .

I tillegg til grunnleggende eksperimentell forskning , forskes det også fra et medisinsk synspunkt på årsakene og mulige kurene for nervesykdommer som Parkinsons , Alzheimers eller demens . Nevrovitenskapene undersøker også kognitiv informasjonsbehandling (nevrale prosesser i persepsjon , tidligere tradisjonelt referert til som " mentale " fenomener) samt opprinnelsen og forløpet til emosjonelle reaksjoner eller brede fenomener som bevissthet og hukommelse .

I de siste tiårene har det vært mange, delvis institusjonelt forankrede, samarbeid mellom nevrovitenskapsmenn og forskere fra andre disipliner, med de nærmeste forholdene til representanter for kognitiv vitenskap , psykologi og sinnsfilosofi .

Disipliner

Nevrovitenskapene unngår forsøket på å dele dem skarpt inn i underområder i henhold til forskjellige kriterier. Det er sant at disiplinene i utgangspunktet kunne klassifiseres i henhold til de mikroskopiske og makroskopiske hierarkinivåene som er vurdert (molekyler, celler, cellestruktur, nettverk, atferd ), men nevrovitenskap har en tendens til å ta et mer funksjonelt perspektiv. Dette betyr at den funksjonelle rollen til et mikroskopisk element for et (makroskopisk) system stort sett blir undersøkt ett eller flere nivåer ovenfor.

Følgende er en mulig grov inndeling av nevrovitenskapene, i henhold til nivåene, i fire forskjellige disipliner:

• Nevrobiologi
• Nevrofysiologi
• Nevropsykologi

Kognitiv nevrovitenskap

Nevropsykoanalyse

• Klinisk-medisinske fag

Nevrobiologi omhandler i hovedsak det molekylære og cellebiologiske grunnleggende i nevrovitenskapene. Andre disipliner som jobber på dette nivået er de nevrovitenskapelige grenene av biokjemi , molekylærbiologi , genetikk og epigenetikk , men også cellebiologi , histologi og anatomi og utviklingsbiologi . Den - kontroversielt diskuterte - plante -nevrobiologien omhandler utvidelse av nevrovitenskapelig kunnskap fra zoologi til å inkludere planter .

Nevrofysiologi er i sentrum for nevrovitenskapene . Selv om fysiologi normalt er en sub-disiplin av biologi, har den en spesiell rolle i nevrovitenskap ved at nevronaktivitet og dermed faller "nervespråk" under nevrofysiologien. Nevrofysiologi kan deles inn i elektrofysiologi og sensorisk fysiologi , men er også nært knyttet til nevrofarmakologi , nevroendokrinologi og toksikologi .

Kognitiv nevrovitenskap inntar en sentral plass på et høyere nivå. Den omhandler de nevrale mekanismene som ligger til grunn for kognitive og psykologiske funksjoner. Så hun er først og fremst interessert i den høyere ytelsen til hjernen så vel som i dens underskudd.

I 2000 ga kjente nevrovitere et internasjonalt samarbeid med psykoanalyse en plattform ved å stifte et eget spesialistsamfunn, som de kalte The Neuropsychoanalysis Association . ^[2]

De klinisk-medisinske emnene omhandler patogenesen , diagnosen og behandlingen av sykdommer i hjernen og inkluderer nevrologi , nevropatologi , nevroradiologi og nevrokirurgi samt biologisk psykiatri og klinisk nevropsykologi .

Metoder

Nevrovitenskapsmetodene varierer i utgangspunktet når det gjelder anvendelighet på mennesker. For å studere det menneskelige nervesystem brukes hovedsakelig ikke-invasive metoder , dvs. metoder som ikke skader systemet. I unntakstilfeller og i dyreforsøk brukes også invasive prosedyrer . Et unntakstilfelle er for eksempel lesjonsstudier, som gir informasjon om lokalisering av funksjoner gjennom en systematisk sammenligning av skadede hjerner. Skaden utføres imidlertid ikke målrettet, men pasienter med hjerneskade eller hjerneslag danner grunnlaget for studien. De viktigste nevrovitenskapelige metodene er listet opp nedenfor.

• Psykofysikk er utelukkende opptatt av å måle hjernens evner som et samlet kompleks i det levende vesenet. Det gir ledetråder til de mange mulighetene et levende vesen har. Psykofysikk bringes ofte sammen med anatomi når man utfører lesjonsstudier. Pasienter med hjerneskader f.eks. B. etter et slag blir sammenlignet med friske mennesker. Sammenligningen av de (psykofysiske) mulighetene til to nevronale systemer med en intakt eller skadet hjerne gjør det mulig å vurdere rollen til det skadede hjerneområdet for evner og evner. Lesjonsstudiene har imidlertid den ulempen at skadens plassering bare kunne bestemmes etter pasientens død. De var derfor veldig kjedelige, men i lang tid dannet de grunnlaget for alle nevrovitenskapelige studier og begrenset hastigheten som nevrovitenskapelig kunnskap ble oppnådd. I deres metodikk spiller aktiviteten til nerveceller ikke en direkte rolle ved at fokuset for studien ikke er nervecellen, men hele det levende vesenets system.
• Med utviklingen av enheter som direkte eller indirekte gir informasjon om hjernens aktivitet, endret også studienes art. Utviklingen av elektroencefalografi (EEG) gjør det mulig å se hjernen indirekte mens den fungerer. Aktiviteten til nerveceller skaper et elektrisk felt som kan måles utenfor skallen. Siden et magnetfelt også forplanter seg ortogonalt til hvert elektrisk felt, kan dette også måles Denne metoden er kjent som magnetoencefalografi (MEG). Begge metodene har det til felles at de gjør det mulig å måle aktiviteten til store celleklynger med høy tidsoppløsning og dermed få informasjon om sekvensen av behandlingstrinn. Den romlige oppløsningen er moderat, men det tillater forskere å få kunnskap om plasseringen og tidspunktet for nevronale prosess trinn i levende mennesker.
• Computertomografi (CT) har gjort det mulig å bestemme plasseringen og omfanget av en lesjon hos en levende pasient. Dette gjorde lesjonsstudier raskere og mer presise, siden hjernen kan skannes umiddelbart etter skade og anatomien til skaden allerede kan gi informasjon om mulige (kognitive) underskudd, som deretter kan studeres målrettet. En annen bivirkning er det faktum at hjernen deformeres fra skade på pasientens død, noe som gjør det vanskelig å bestemme den eksakte anatomi av skaden. Denne deformasjonen spiller ingen rolle i CT i den grad tiden mellom skade og tomografi vanligvis er kort. Dette gjelder også magnetisk resonansavbildning (MRT / MRI, også kjent som magnetisk resonansavbildning). Begge metodene har god til veldig god romlig oppløsning, men tillater ikke å trekke noen konklusjoner om aktiviteten til nerveceller. De representerer fortsettelsen av lesjonsstudiene.
• Funksjonelle studier, dvs. studier som undersøker funksjonen til visse hjerneområder, ble bare mulige når avbildningsmetoder ble utviklet hvis målte signalstyrke endres avhengig av aktiviteten til hjerneområder. Disse metodene inkluderer positronemisjonstomografi (PET), enkeltfotonemisjonstomografi (SPECT) og funksjonell magnetisk resonans tomografi (fMRI / fMRI). De genererer alle et signal med moderat til god romlig oppløsning, men har den ulempen at de er praktisk talt blinde for den tidsmessige sekvensen av nevrale prosesser (i millisekundområdet). En relativt ny metode er ikke-invasiv nær-infrarød spektroskopi , som har god tidsoppløsning, men bare kan se for seg små områder av hjernen. I motsetning til andre funksjonelle metoder kan den imidlertid brukes som en EEG -mobil og i naturlige omgivelser.
• I dyremodellsystemer eller i kliniske studier brukes også invasive metoder som spesifikt endrer egenskapene til nervesystemet eller forårsaker skade eller skader gjennom måling. På globalt nivå endrer spesielt farmakologiske midler egenskapene til nevroner eller andre mekanismer som er relevante for nevronaktivitet, plastisitet eller utvikling. I farmakologisk intervensjon , avhengig av stoffet, kan et hjerneområde påvirkes eller fullstendig ødelegges, eller bare en veldig spesifikk kanal eller reseptortype av den neuronale cellemembranen kan påvirkes i hele hjernen. Den farmakologiske intervensjonen er derfor både en global og en spesifikk funksjonell metode. Psykofysikk, elektrofysiologi eller (post mortem) histologi brukes vanligvis til å måle effekten av intervensjonen.
• Transkranial magnetisk stimulering (TMS) gjør det mulig å slå av områder i hjernen for en kort stund. Selv om det er invasivt, brukes det også hos mennesker ettersom det ikke forventes å forårsake permanent skade. Ved hjelp av et sterkt magnetfelt induseres elektrisitet smertefritt i hele områder av hjernen, hvis aktivitet ikke har noe å gjøre med områdets normale oppgave. Man snakker derfor noen ganger om en midlertidig lesjon . Lesjonens varighet er vanligvis i millisekundområdet og gir derfor innsikt i sekvensen av nevronprosesser. Med repeterende transkraniell magnetisk stimulering (rTMS), derimot, blir områder av hjernen slått av ved gjentatt stimulering i minutter ved å bruke en beskyttende mekanisme i hjernen. Den gjentatte samtidige stimuleringen av hele hjerneområder får hjernen til å tro at et epileptisk anfall er nært forestående. Som en motreaksjon undertrykkes aktiviteten til det stimulerte hjerneområdet for å forhindre at eksitasjonen sprer seg. Den midlertidige lesjonen som er opprettet på denne måten, vedvarer nå i noen minutter. Den romlige oppløsningen er moderat, den tidsmessige oppløsningen er veldig god for TMS og dårlig for rTMS.
• Ved hjelp av elektrisk stimulering av kortikale områder, som med TMS, kan behandlingen av nerveimpulser i visse områder av hjernen kortvarig påvirkes eller slås helt av. I motsetning til TMS åpnes imidlertid skallen for dette formålet (siden det må påføres betydelig sterkere, smertefulle strømmer fra utsiden av skallen) og en elektrode implanteres i et hjerneområde av interesse. Dette gir en mye mer presis romlig bestemmelse av de berørte områdene. Elektrisk stimulering brukes hovedsakelig i nevrokirurgi for å bestemme språksentrene som ikke må bli skadet under operasjoner, men også i dyremodeller for å kunne påvirke nevral aktivitet på kort sikt.
• Elektrofysiologi virker i motsatt retning, som i stedet for å indusere strøm i hjernen måler elektriske signaler fra individuelle celler eller celleklynger. Her skilles det mellom in vivo og in vitro eksperimenter. I in vivo -eksperimenter plasseres elektroder i hjernen til et levende dyr, enten ved å permanent implantere dem (kronisk implantat) eller bare midlertidig i områder av hjernen av interesse (akutt eksperiment). Kroniske implantater gjør det mulig å studere hjernens aktivitet hos et dyr som oppfører seg normalt. In vitro -eksperimenter studerer cellers elektriske aktivitet og utføres ikke på levende dyr, men bare på hjernevev. Vevets aktivitet samsvarer ikke med dyrets normale oppførsel, men teknikker som patch-clamp-teknikken gjør det mulig å trekke mye mer presise konklusjoner om egenskapene til nevronene i et hjerneområde, siden disse kan studeres systematisk .
• Mikroskopi har alltid vært viktig for å studere den morfologiske strukturen i hjernevev. Nyere teknikker, spesielt flerfotonmikroskopi og konfokalmikroskopi, tillater en tidligere ikke tenkt romlig oppløsning. Individuelle nevroner kan måles i 3D og morfologiske endringer kan studeres i detalj. Funksjonelle studier kan også utføres ved bruk av ionefølsomme eller spenningsfølsomme fargestoffer.
• Teoretisk nevrovitenskap prøver å forstå prinsippene og mekanismene som ligger til grunn for utvikling, organisering, informasjonsbehandling og mentale evner i nervesystemet med matematiske modeller. Med teorien om dynamiske systemer brukes tilnærminger fra fysikk og matematikk. Mange problemer kan ikke løses analytisk og må derfor simuleres numerisk. Feltet for beregnings -nevrovitenskap kan forstås som en forskningsgren innen teoretisk nevrovitenskap der datamaskiner brukes til å simulere modeller. Siden dette stort sett er tilfellet, brukes uttrykkene "teoretisk nevrovitenskap" og "beregningsnevrovitenskap" ofte synonymt. ^[1]
• Teknikkene av genetikk tilby ytterligere innen nevrovitenskap på cellenivå. Med deres hjelp kan svært spesifikke gener slettes (f.eks. Knockout -mus ), modifiseres eller implementeres ( f.eks. Gal4 / UAS -system ) i forsøksdyr for å observere deres betydning for nervesystemet. Nesten alle metodene som er oppført ovenfor kan brukes på slike mutanter eller transformanter. En spesialitet er optogenetikk , der genmodifiserte celler kan aktiveres eller hemmes ved bestråling med lys. Det gjør det også mulig å observere aktiviteten til hele populasjoner av visse celletyper under lysmikroskopet. ^[3]

litteratur

• Olaf Breidbach : Materialiseringen av egoet. Om hjerneforskningens historie på 1800- og 1900 -tallet. Suhrkamp, ​​Frankfurt 1997, ISBN 978-3-518-28876-4 (serie: Wissenschaft, 1276).
• Thomas Budde, Sven Meuth: Spørsmål og svar om nevrovitenskapene. Huber, Bern 2003, ISBN 3-456-83929-4 .
• Hans Burkert: Neurobildediktaturet for hjerneforskning. Vernissage, Heidelberg 2009, ISBN 978-3-941812-01-7 .
• Suitbert Cechura, kognitiv hjerneforskning (PDF; 124 kB)-Myte om en vitenskapelig teori om menneskelig atferd, Hamburg 2008, VSA, ISBN 978-3-89965-305-2 .
• David Chalmers : Mind papers. Bibliografi . 18 000 bidrag. [1]
• Brigitte Falkenburg: Myten om determinisme. Hvor mye forklarer hjerneforskning for oss? Springer, 2012, ISBN 3-642-25097-1 .
• Michael Hagner : Homo cerebralis. Endringen fra sjelorganet til hjernen. Insel, Frankfurt 2000, ISBN 3-458-34364-4 .
  • dsb.: Geniale hjerner. Om historien til elite hjerneforskning. 2. utgave München 2007.
  • dsb.: Ånden på jobb. Historiske studier om hjerneforskning. Wallstein, Göttingen 2006, ISBN 3-8353-0064-4 .
• Felix Hasler: Neuromytologi: En brosjyre mot tolkningskraften i hjerneforskning. Transkripsjon, Bielefeld 2012 (3. utgave 2013), ISBN 3-8376-1580-4 .
• Torsten Heinemann: Popular Science: Brain Research Between Laboratory and Talk Show. Wallstein , Göttingen 2012, ISBN 978-3-8353-1073-5 .
• Leonhard Hennen, Reinhard Grünwald, Christoph Revermann og Arnold Sauter: Innsikt og inngrep i hjernen. Samfunnets utfordring gjennom nevrovitenskap. Edition Sigma , Berlin 2008, ISBN 978-3-8360-8124-5 .
• Ulrich Herrmann : Neurodidaktikk. Grunnleggende og forslag til hjernevennlig undervisning og læring. Beltz, Weinheim 2006 (2. utgave 2009), ISBN 978-3-407-25511-2 .
• Peter Janich : Intet nytt menneskebilde: Om språket i hjerneforskning. Suhrkamp, ​​Frankfurt 2009, ISBN 3-518-26021-9 .
• Eric Richard Kandel , James H. Schwartz, Thomas M. Jessel (red.): Nevrovitenskap. En introduksjon. Spektrum, Heidelberg / Berlin / Oxford 1995, ISBN 3-86025-391-3 . Fra engelsk og utvidet til:
  • Essentials of Neural Science and Behavior. Appleton & Lange, Norwalk 1995.
  • Rektorer i nevrovitenskap. 4. utgave. McGraw-Hill, New York 2000, ISBN 978-0-8385-7701-1 .
• Jürgen Peiffer : Hjerneforskning i Tyskland fra 1849 til 1974. Springer, Berlin 2004, ISBN 3-540-40690-5 .
• Guido Rappe : Neuroreligion .
  • Neuroreligion I. Homunculus og følelsene . Projektverlag, Bochum 2016, ISBN 978-3-89733-401-4 .  
  • Neuroreligion II. Hva nevrovitenskap fremdeles ikke kan forklare . Projektverlag, Bochum 2016, ISBN 978-3-89733-405-2 .  
• Ewald Richter : Hvor leder moderne hjerneforskning oss? Duncker & Humblot, Berlin 2005, ISBN 3-428-11786-7 .
• Christine Zunke : Kritikk av hjerneforskning. Nevrofysiologi og fri vilje. Academy, Berlin 2008, ISBN 3-05-004501-9 .
• Antonio Damasio : Mennesket er seg selv: kropp, sinn og fremveksten av menneskelig bevissthet . Pantheon Verlag 2013, ISBN 978-3-570-55179-0 .

Kringkastingsrapporter

• Martin Hubert: Hirnforschung - Das Hypothesengenie - Hjernen som en forutsigelsesmaskin ( manuskript ) , Deutschlandradio , " Wissenschaft im Brennpunkt " fra 19. januar 2014

weblenker

• Nevrovitenskapelig samfunn
• IBRO (International Brain Research Organization)
• Federation of European Neuroscience Societies
• Society for Neuroscience
• Nevrovitenskap på Internett
• Swiss Society for Neuroscience
• Neuroscience Network Basel
• Tverrfaglig senter for nevrovitenskap ved JWG University i Frankfurt
• Eugene M. Izhikevich (red.): Encyclopedia of Computational Neuroscience . I: Scholarpedia . (Engelsk, inkludert referanser)
• Hjerneforskning (PDF; 131 kB), Historical-Critical Dictionary of Marxism , bind 6 / I
• Hjerneforskning og drap. (PDF; 243 kB). Kaiser Wilhelm Institute for Brain Research 1937–1945. Av Hans-Walter Schmuhl . Fra og med 2000. Forskningsprogram “History of the Kaiser Wilhelm Society under National Socialism”, 1.

Individuelle bevis

1. ↑ ^{a b} Trappenberg, Thomas P.: Fundamentals of Computational Neuroscience . 2. utgave. Oxford University Press, Oxford 2010, ISBN 978-0-19-956841-3 .  
2. ^ Nevropsykoanalyse. Hentet 22. mai 2018 (engelsk): "The Neuropsychoanalysis Association er et internasjonalt nettverk av ideelle organisasjoner som støtter en dialog mellom nevrovitenskapene og psykoanalysen."  
3. ^ Deisseroth, Karl: 10 år med mikrobielle opsins innen nevrovitenskap . I: Nature Neuroscience . 18, nr. 9, 2015, s. 1213-1225. doi : 10.1038 / nn.4091 .