Kapitel 2 : Neurowissenschaften

Die wissenschaftliche Erforschung des Nervensystems wird als Neurowissenschaft bezeichnet.

Im Laufe seiner Geschichte hat sich das Gebiet der Neurowissenschaften um eine Vielzahl von Methoden erweitert, die bei der Erforschung des Nervensystems auf verschiedenen Skalen eingesetzt werden. Von molekularen und zellulären Untersuchungen einzelner Neuronen bis hin zur Bildgebung sensorischer, motorischer und kognitiver Prozesse im Gehirn haben sich die Werkzeuge, die Neurowissenschaftlern zur Verfügung stehen, in den letzten Jahrzehnten enorm weiterentwickelt.

Die alten Ägypter führten einige der ersten Forschungen über das Nervensystem durch. Die Trepanation, ein chirurgischer Eingriff, bei dem entweder ein Loch in den Schädel gebohrt oder abgekratzt wird, um Kopfverletzungen oder psychische Störungen zu behandeln oder den Schädeldruck zu verringern, wurde erstmals in der Jungsteinzeit dokumentiert. Die Trepanation wurde durchgeführt, um Kopfverletzungen oder psychische Störungen zu heilen. Laut Manuskripten, die in Ägypten entdeckt wurden und bis ins Jahr 1700 v. Chr. zurückreichen, hatten die alten Ägypter ein gewisses Bewusstsein für die Anzeichen von Hirnverletzungen.

Abulcasis, Averroes, Avicenna, Avenzoar und Maimonides, die während des Mittelalters in der muslimischen Welt tätig waren, skizzierten eine Vielzahl von neurologischen Erkrankungen, die medizinische Hilfe erforderten.

Im Europa der Renaissance leisteten Vesalius (1514-1564), René Descartes (1596-1650) sowie Thomas Willis (1621-1675) und Jan Swammerdam (1637-1680) eine Reihe bedeutender Beiträge auf dem Gebiet der Neurologie.

Die bahnbrechende Forschung von Luigi Galvani in den späten 1700er Jahren ebnete den Weg für zukünftige Untersuchungen der elektrischen Erregbarkeit von Muskeln und Neuronen.

In den ersten fünfzig Jahren des neunzehnten Jahrhunderts war Jean Pierre Flourens ein Pionier auf dem experimentellen Ansatz, lokalisierte Läsionen des Gehirns an lebenden Tieren durchzuführen und über die Folgen zu berichten, die diese Läsionen auf die Motilität, Empfindlichkeit und das Verhalten hatten.

Emil du Bois-Reymond war derjenige, der 1843 als erster den elektrischen Charakter des Nervensignals bewies, Golgi und Ramón y Cajal teilten sich 1906 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin für ihre umfangreichen Beobachtungen, Beschreibungen sowie Klassifikationen von Neuronen, die überall im Gehirn zu finden sind.

Parallel zu diesen Studien führte Paul Broca Studien mit Personen durch, die eine Hirnverletzung erlitten hatten. Seine Ergebnisse zeigten, dass bestimmte Teile des Gehirns für die Erledigung bestimmter Aufgaben verantwortlich sind. Damals wurden die Broca-Ergebnisse als Bestätigung für Franz Joseph Galls Auffassung gewertet, dass Sprache in bestimmten Regionen der Großhirnrinde konzentriert sei, zusammen mit bestimmten psychologischen Prozessen.

Das Wissen über Neuronen und die Funktionsweise des Nervensystems wurde im Laufe des 20. Jahrhunderts präziser und molekularer. So stellten Alan Lloyd Hodgkin und Andrew Huxley 1952 ein mathematisches Modell für die Übertragung elektrischer Signale in Neuronen des Riesenaxons eines Tintenfischs vor, das sie "Aktionspotentiale" nannten. Das Modell, das heute als Hodgkin-Huxley-Modell bekannt ist, beschreibt, wie die Signale initiiert und verbreitet werden, und trug den Titel "Aktionspotentiale". Richard FitzHugh und J. Nagumo vereinfachten das Hodgkin-Huxley-Modell in den Jahren 1961 bis 1962. Dieses Modell ist heute als FitzHugh-Nagumo-Modell bekannt. Im Jahr 1962 entwickelte Bernard Katz ein Modell, das zeigt, wie die Neurotransmission über die Synapsen erfolgt, die die Räume zwischen den Neuronen darstellen. Ab 1966 untersuchten Eric Kandel und seine Mitarbeiter die biochemischen Veränderungen, die in Neuronen während des Lernprozesses und der Erhaltung von Erinnerungen in Aplysia auftreten. Das Morris-Lecar-Modell war eine Kombination aus diesen beiden Modellen, die 1981 von Catherine Morris und Harold Lecar entwickelt wurde. Diese immer quantitativeren Studien führten zur Entwicklung einer Fülle von Modellen biologischer Neuronen sowie von Modellen des Gehirncomputings.

Im Laufe des 20. Jahrhunderts entstanden zahlreiche wichtige neurowissenschaftliche Organisationen als Reaktion auf das wachsende Interesse am Nervensystem. Ziel dieser Organisationen war es, eine Plattform für Neurowissenschaftler aus verschiedenen Bereichen zu schaffen. Zum Beispiel wurde im Jahr 1961 die Internationale Hirnforschungsorganisation gegründet. Die wissenschaftliche Erforschung des Nervensystems hat sich in der zweiten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts stark ausgeweitet, vor allem aufgrund von Entwicklungen in den Bereichen Molekularbiologie, Elektrophysiologie und Computational Neuroscience. Aus diesem Grund sind Neurowissenschaftler heute in der Lage, das Nervensystem in all seinen Facetten zu untersuchen, einschließlich der Frage, wie es organisiert ist, wie es funktioniert, wie es wächst, wie es dysfunktional werden kann und wie es verändert werden kann.

Zum Beispiel ist es heute möglich, ein umfassendes Verständnis der komplizierten Prozesse zu haben, die im Inneren eines einzelnen Neurons ablaufen. Neuronen sind spezialisierte Zellen, die an der Kommunikation beteiligt sind. Sie sind in der Lage, sich mit Neuronen und anderen Arten von Zellen über Synapsen zu verbinden, bei denen es sich um spezialisierte Verbindungen handelt, die es ermöglichen, elektrische oder elektrochemische Impulse von einer Zelle zur anderen weiterzuleiten. Dadurch können sie mit anderen Zelltypen kommunizieren. Ein Axon ist ein langes, dünnes Filament aus Axoplasma, das von vielen Neuronen extrudiert wird. Axone können sich bis in weit entfernte Regionen des Körpers erstrecken und sind in der Lage, elektrische Informationen schnell zu transportieren. An ihren Endpunkten können Axone die Aktivität anderer Neuronen, Muskeln oder Drüsen beeinflussen. Durch die Ansammlung von Neuronen, die sich in unmittelbarer Nähe zueinander befinden und miteinander verbunden sind, entsteht ein Nervensystem.

Es ist möglich, das Nervensystem eines Wirbeltieres in zwei verschiedene Komponenten zu unterteilen: das zentrale Nervensystem, das aus dem Gehirn und dem Rückenmark besteht, und das periphere Nervensystem. Das Nervensystem ist das komplizierteste Organsystem im Körper vieler verschiedener Arten, einschließlich aller Wirbeltiere. Der Großteil der Komplexität des Nervensystems befindet sich im Gehirn. Allein im menschlichen Gehirn gibt es etwa hundert Milliarden Neuronen und hundert Billionen Synapsen. Das menschliche Gehirn besteht aus Hunderten von unterschiedlichen Substrukturen, die in synaptischen Netzwerken miteinander gekoppelt sind, deren Komplexität gerade erst erst entdeckt wurde. Mindestens jedes dritte der rund 20.000 Gene, aus denen das menschliche Genom besteht, wird hauptsächlich im Gehirn exprimiert.

Ein schwieriges Hindernis auf diesem Gebiet ist der Versuch, die dynamische Komplexität des neurologischen Systems zu verstehen. Letztendlich möchten Neurowissenschaftler ein vollständiges Verständnis des Nervensystems haben, einschließlich seiner Funktion, seiner Entwicklung, seiner Funktionsstörung und der Art und Weise, wie es verändert oder korrigiert werden kann. Aus diesem Grund wird die Untersuchung des Nervensystems auf verschiedenen Ebenen durchgeführt, die von der molekularen und zellulären Ebene bis hin zur kognitiven und systemischen Ebene reichen. Die einzelnen Fächer, die im Mittelpunkt des Studiums stehen, verschieben sich im Laufe der Zeit. Dieser Wandel wird durch zwei Faktoren hervorgerufen: einen ständig wachsenden Wissensbestand und die Zugänglichkeit immer fortschrittlicherer technologischer Werkzeuge. Die wichtigsten Faktoren für den historischen Fortschritt waren die Fortschritte in verschiedenen Formen der Technologie. Die Bereiche Elektronenmikroskopie, Informatik, Elektronik, funktionelle Neurobildgebung sowie Genetik und Genomik haben in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht, was ein Schlüsselfaktor für die Beschleunigung des allgemeinen Fortschritts war.

Das sogenannte "Zelltypenproblem", das sich auf die Klassifizierung, Charakterisierung und Identifizierung aller neuronalen und astrozytären Zelltypen in einem Organismus bezieht, ist wahrscheinlich eine der bedeutendsten ungelösten Herausforderungen in den zeitgenössischen Neurowissenschaften. Typischerweise bezieht sich dies auf das Gehirn der Maus, da ein gutes Verständnis des Mäusegehirns als Voraussetzung für ein gutes Verständnis des menschlichen Gehirns angesehen wird.

Das Studium der molekularen Neurowissenschaften versucht grundlegende Probleme zu beantworten, wie z. B. wie Neuronen chemische Signale produzieren und darauf reagieren und wie Axone komplizierte Verbindungsmuster aufbauen. Auf dieser Ebene werden Methoden aus der Molekularbiologie und Genetik eingesetzt, um zu verstehen, wie sich Neuronen entwickeln und wie sich genetische Veränderungen auf biologische Aktivitäten auswirken. Diese Ebene der Forschung wird als "Molekulargenetik" bezeichnet. Darüber hinaus besteht ein erhebliches Interesse an der Morphologie, der molekularen Identität und den physiologischen Merkmalen von Neuronen sowie daran, wie sie mit verschiedenen Verhaltensformen verbunden sind.

In den zellulären Neurowissenschaften werden unter anderem die Methoden untersucht, mit denen Neuronen Nachrichten physiologisch und elektrochemisch interpretieren. Zu diesen Themen gehören die Verarbeitung von Signalen durch Neuriten und Somas sowie die Rolle, die Neurotransmitter und elektrische Impulse bei der Informationsverarbeitung im Inneren eines Neurons spielen. Dendriten sind...