Die spannendsten Fragen der Psychologie betreffen das menschliche Gehirn, den Sitz der Intelligenz und des Bewusstseins: Was passiert im Gehirn, wenn Menschen Angst haben? Wie funktioniert das Denken? Wo werden Erinnerungen gespeichert? Mit diesen und weiteren Fragen beschäftigen sich die kognitiven Neurowissenschaften.
Kognitive Neurowissenschaften – Definition Psychologie
Das Interesse an Psychologie, der Erforschung des menschlichen Erlebens, Verhaltens und zugehöriger Abläufe im Gehirn ist in den letzten Jahren – auch dank neuer technischer Möglichkeiten – enorm gestiegen. Dadurch entstanden viele neue Forschungsdisziplinen, die kognitiven Neurowissenschaften sind eine davon.
Die kognitiven Neurowissenschaften beschäftigen sich mit den neuronalen Mechanismen, die den menschlichen kognitiven Fähigkeiten zugrunde liegen.
Unter neuronalen Mechanismen versteht man im weitesten Sinne die Funktionen der Signalübertragung im Gehirn durch Nervenimpulse.
Die kognitiven Fähigkeiten oder Kognition umfassen alle Prozesse der Informationsverarbeitung, wie Wahrnehmen, Denken und Entscheiden.
Das bedeutet, die kognitiven Neurowissenschaften erforschen, wie die Signalübertragung zwischen menschlichen Nervenzellen (Neuronen) im Gehirn funktioniert und welche Gehirnareale mit welchen kognitiven Fähigkeiten in Zusammenhang stehen.
Affektive und kognitive Neurowissenschaften – Psychologie
Die kognitiven Neurowissenschaften und die Psychologie waren lange Zeit zwei verschiedene Wissenschaften. Sie wurden aufgrund ihrer jeweiligen Komplexität und unterschiedlicher Herangehensweisen weitgehend unabhängig voneinander erforscht.
Erst seit ein paar Jahren werden kognitive Neurowissenschaften und Psychologie dank zunehmender Erkenntnisse und neuer Forschungsmethoden zunehmend vernetzt. Dabei entstehen immer mehr verwandte Disziplinen. Die folgende Tabelle stellt Dir die wichtigsten verwandten Disziplinen vor:
| Disziplin | Definition |
| Kognitive Psychologie | Die kognitive Psychologie oder Kognitionspsychologie ist eine Teildisziplin der Psychologie und der Kognitionswissenschaften. Sie beschäftigt sich mit der empirischen Erforschung der menschlichen Kognition.Die Kognitionspsychologie gewinnt ihre Erkenntnisse in erster Linie auf Grundlage beobachtbaren menschlichen Verhaltens, von dem Rückschlüsse auf interne kognitive Prozesse gezogen werden. |
| Kognitionswissenschaft | Die Kognitionswissenschaft beschäftigt sich mit der menschlichen Kognition, also Informationsverarbeitungsprozessen. |
| Kognitive Neuropsychologie | Die kognitive Neuropsychologie beschäftigt sich mit dem Einfluss von Hirnverletzungen auf kognitive Fähigkeiten. Die kognitive Neuropsychologie ist also ein Teilgebiet der kognitiven Neurowissenschaften und stellt gleichzeitig eine Schnittstelle zwischen kognitiven Neurowissenschaften und Kognitionspsychologie dar. |
| Affektive Neurowissenschaften | Unter affektiven Neurowissenschaften versteht man die Erforschung neuronaler Mechanismen, die emotionalen Prozessen zugrunde liegen. Sie sind ein Teilgebiet der kognitiven Neurowissenschaften. |
| Soziale kognitiven Neurowissenschaften | Die sozialen kognitiven Neurowissenschaften sind ebenfalls ein Teilgebiet der kognitiven Neurowissenschaften. Sie untersuchen neuronale Mechanismen, die mit Prozessen der sozialen Kognition (z. B. Ich-Identität, zwischenmenschliche Interaktion und Kommunikation) in Zusammenhang stehen. |
Neuronale Mechanismen, kognitive Fähigkeiten – Untersuchungsmethoden
Die kognitiven Neurowissenschaften untersuchen neuronale Mechanismen von kognitiven Fähigkeiten. Es wird also untersucht, was im Gehirn passiert, wenn Menschen Reize in ihrer Umgebung wahrnehmen, diese verarbeiten und Entscheidungen über Handlungen treffen. Aber wie genau untersucht man so etwas?
Ein Reiz ist die Menge an physikalischen oder chemischen Eigenschaften, die die Umgebung eines lebenden Systems oder des Körpers beeinflussen. Wenn Du mehr darüber erfahren möchtest, schau Dir die Erklärung zum "Reiz Reaktions Schema" an!
Die Untersuchungsmöglichkeiten der kognitiven Neurowissenschaften haben sich in den letzten Jahren dank neuer technologischer Methoden extrem gewandelt. Die wichtigsten Methoden der Forschung lernst Du im Folgenden kurz kennen.
Funktionelle Bildgebung
Die funktionelle Bildgebung zeichnet sich dadurch aus, dass Aktivitäten oder Prozesse des menschlichen Körpers abgebildet werden. Sie untersucht also, was (z. B. neuronale Mechanismen) in einem bestimmten Organ (z. B. im Gehirn) passiert. Im Gegensatz dazu bildet die anatomische Bildgebung (z. B. ein Röntgenbild) ein Organ einfach nur ab, wie es in einem bestimmten Moment ist.
Funktionelle Prozesse können etwa Aktivitäten des Stoffwechsels oder der Durchblutung bestimmter Organe sein. Von diesen werden Rückschlüsse auf die Funktion der untersuchten Organe (z. B. bestimmte kognitive Fähigkeiten) gezogen. Die beiden wichtigsten Verfahren der funktionellen Bildgebung für die kognitiven Neurowissenschaften sind die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) und die Positronen-Emissions-Tomographie (PET).
Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT)
Die funktionelle Magnetresonanztomografie (fMRT) ist eine Erweiterung der Magnetresonanztomografie (MRT). Die Magnetresonanztomografie wird oft als "Hirnscan" bezeichnet und ist heute die zuverlässigste Methode, um ein Bild des menschlichen Gehirns (oder anderer Organe) zu erzeugen.
Vereinfacht erklärt funktioniert ein MRT so: Der Kopf wird in einem sogenannten MRT-Scanner in ein sehr starkes Magnetfeld gelegt, nach dem sich die Atomkerne im Gehirn ausrichten. Je nachdem, wie sich die Atomkerne in diesem Magnetfeld verhalten, können Rückschlüsse auf das jeweilige Gewebe gezogen werden. Daraus wird ein Bild abgeleitet, das die verschiedenen Gewebearten in unterschiedlichen Grautönen darstellt.
Dein Körper besteht zum Großteil aus Wasser (H2O) und damit aus vielen Wasserstoffatomen. Diese bestehen aus einem positiv geladenen Proton und einem negativ geladenen Elektron und reagieren daher durch entsprechende Ausrichtung auf Magnetfelder.
Auch wenn es vielleicht gruselig klingt, dass sich Atome in Deinem Gehirn nach einem magnetischen Feld ausrichten – das MRT gehört zu den sichersten bildgebenden Verfahren der modernen Forschung. Es ist nicht-invasiv, das bedeutet, dass nichts in den Körper eindringt (wie Strahlen oder ein Kontrastmittel). Das Verfahren ist also deutlich weniger gefährlich oder gesundheitsschädlich als invasive Verfahren wie Röntgen.
Gefährlich wird es allerdings, wenn Metallteile am oder im Körper vorhanden sind, denn diese werden von dem Magneten angezogen und können zu Verletzungen führen. Daher erfolgt vor einem Scan immer eine ausführliche Aufklärung und gründliche Überprüfung auf Metallteile.
Außerdem ist ein MRT-Scanner sehr laut, eine längere Untersuchung kann also durchaus zu Kopfschmerzen oder einem leichten Tinnitus führen. Diese Nebenwirkungen sollten aber i. d. R. kurze Zeit nach der Untersuchung wieder verschwinden, ohne bleibende Schäden zu hinterlassen.
Beim funktionellen MRT machen Forschende der kognitiven Neurowissenschaften sich die Tatsache zunutze, dass sauerstoffreiches und sauerstoffarmes Blut unterschiedliche magnetische Eigenschaften haben. Wenn man also sehr viele Bilder hintereinander erstellt, kann man Durchblutungsänderungen im Gehirn erkennen, welche einen Hinweis darauf geben, welche Teile des Gehirns gerade aktiv sind.
In einer Studie der kognitiven Neurowissenschaften beobachtet man nun zuerst, wie aktiv das Gehirn im Ruhezustand ist (also wenn eine Person einfach mit offenen Augen im MRT-Scanner liegt). Im zweiten Schritt bekommt die Person eine kognitive Aufgabe (beispielsweise einfache Matheaufgaben). Durch die Veränderung der Gehirnaktivität, die in diesem Schritt sichtbar wird, kann man Rückschlüsse darauf ziehen, welche Bereiche im Gehirn für das Lösen einer Matheaufgabe zuständig sind. Das folgende Beispiel zeigt Dir eine wichtige Gehirnfunktion, die mittels fMRT-Studien entdeckt wurde:
Als Amygdala oder Mandelkern bezeichnet man eine kleine, aber essenzielle Struktur tief im Zentrum unseres Gehirns. In fMRT Studien konnte man beobachten, dass die Amygdala unter anderem bei Emotionen aktiv ist. Eine besonders wichtige Rolle spielt sie bei der Angst.
Dies konnte man zeigen, indem man Versuchspersonen im fMRT-Scanner verschiedene Bilder zeigte, die entweder neutral waren (z. B. eine Blume) oder Angst hervorrufen sollten (z. B. die Mündung eines Revolvers, ein zähnefletschender Hund, eine große Schlange oder Spinne). Bei den angstauslösenden Bildern war die Amygdala deutlich aktiver, als bei den neutralen Bildern.
Über die Aktivierung der Amygdala (neuronaler Mechanismus) können also Rückschlüsse auf die kognitiven Fähigkeiten (Emotionen) gezogen werden, für die sie zuständig ist.
- Vorteile: sehr genaue räumliche Auflösung, nicht-invasiv
- Nachteile: kostenintensiv, aufwendige Verarbeitung der Daten, schlechte zeitliche Auflösung
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
Ein weiteres Verfahren der funktionellen Bildgebung ist die Positronen-Emissions-Tomographie (PET). Bei dieser Methode wird eine schwach radioaktive Substanz in den Körper gespritzt, es handelt sich daher um ein sogenanntes invasives (eindringendes) Verfahren. Je nach Gewebeart zerfällt diese Substanz unterschiedlich schnell. Bei diesem Zerfall werden Positronen emittiert (ausgesendet), die mithilfe eines speziellen PET-Scanners gemessen werden können.
Da dieses Verfahren kostenintensiv ist und für Menschen eine (geringe) Strahlenbelastung bedeutet, wird das Verfahren nur durchgeführt, wenn der Nutzen die Kosten deutlich überwiegt (beispielsweise bei der Diagnose bestimmter Krebserkrankungen). Für die reine Forschung wird das Verfahren kaum eingesetzt. Forschung an Patient*innen, bei denen das Verfahren zu diagnostischen Zwecken eingesetzt wird, ist allerdings von großem Nutzen für die kognitiven Neurowissenschaften.
- Vorteile: sehr genaue räumliche Bilder
- Nachteile: invasiv (Strahlenbelastung), kostenintensiv, zeitlich wenig akkurat
Elektrophysiologische Verfahren
Elektrophysiologische Verfahren messen die Signale, die im Gehirn entstehen, wenn Nervenzellen elektrische Impulse zur Reizweiterleitung produzieren. Diese elektrische Aktivität kann auf verschiedene Arten an der Schädeloberfläche gemessen werden, beispielsweise mittels Elektroenzephalographie (EEG) oder Magnetenzephalographie (MEG). Beide Verfahren sind nicht-invasiv und für Menschen vollkommen ungefährlich.
Elektroenzephalographie (EEG)
Bei der Elektroenzephalographie (EEG) wird eine Haube mit extrem sensiblen Elektroden auf der Schädeldecke platziert. Die Elektroden messen die winzigen Unterschiede in der elektrischen Aktivität, die entstehen, wenn bestimmte Hirnbereiche mehr oder weniger aktiv sind. Ein Problem beim EEG ist, dass das Gehirn ständig und überall aktiv ist: Es ist schwierig, das durch einen bestimmten Reiz hervorgerufene Signal, das man messen möchte, vom Hintergrundrauschen zu unterscheiden.
Der Reiz muss daher öfter wiederholt werden, um diesen Unterschied ermitteln zu können. Das so erkennbare Signal nennt man ereigniskorreliertes Potential, EKP (oder auf Englisch event-related-potential (ERP)). Ein weiterer Nachteil ist, dass man beim EEG kaum Rückschlüsse ziehen kann, aus welchem Bereich des Gehirns das Signal kommt.
- Vorteile: gute zeitliche Auflösung, nicht-invasiv
- Nachteile: schlechte räumliche Auflösung, nur einfache Reiz-Reaktionsmuster beobachtbar
Magnetenzephalographie (MEG)
Die Magnetenzephalographie (MEG) misst nicht direkt die elektrische Hirnaktivität, sondern die Magnetfelder, die durch diese elektrische Aktivität entstehen. Der Vorteil im Vergleich zum EEG ist, dass die Magnetfelder (im Gegensatz zu den elektrischen Signalen) kaum vom umliegenden Gewebe verfälscht werden. Mittels MEG kann man also sehr direkt und zeitlich exakt (im Millisekundenbereich) die Gehirnaktivität messen. Außerdem ist die räumliche Auflösung beim MEG mittlerweile fast ebenso gut wie beim fMRT.
- Vorteile: hohe zeitliche und räumliche Auflösung, nicht-invasiv
- Nachteil: kostenintensiv
Transkranielle Magnetstimulation (TMS)
Die Transkranielle Magnetstimulation (TMS) gehört zu den sogenannten Stimulationsverfahren. Das bedeutet, hier werden nicht nur Signale gemessen, sondern neuronale Mechanismen direkt von außen stimuliert. Bei der TMS werden Magnetspulen, die ein starkes magnetisches Feld erzeugen, sehr nah an die Schädeldecke gelegt. Das Magnetfeld ist so stark, dass es die Funktion der betroffenen Hirnregion einschränkt. Es wird sozusagen zeitweise eine Art Läsion erzeugt, also ein bestimmter Teil des Gehirns lahmgelegt.
Eine Läsion ist eine Schädigung oder Zerstörung von Gewebe durch Verletzung oder Krankheit.
Anschließend kann man beobachten, welche kognitiven Funktionen dadurch eingeschränkt sind. Im Umkehrschluss bedeutet das, dass die gelähmte Region eine Rolle bei der eingeschränkten kognitiven Funktion spielt. Das folgende Beispiel verdeutlicht das:
Versuchspersonen sollen einfache Matheaufgaben lösen. Bei der Hälfte der Versuchspersonen wird währenddessen ein bestimmter Teil des Gehirns mittels TMS gelähmt. Diese Hälfte schneidet bei den Aufgaben deutlich schlechter ab. Der gelähmte Teil scheint also eine wichtige Rolle beim Lösen von Matheaufgaben zu spielen.
- Vorteil: Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge beobachtbar
- Nachteile: geringe räumliche Auflösung, funktioniert nicht in allen Hirnbereichen gleich gut, bei zu schnellen magnetischen Impulsen besteht die Gefahr eines Krampfanfalles (bei den in der Forschung üblichen Impulsen besteht diese Gefahr jedoch nicht)
Kognitive Neurowissenschaften - Das Wichtigste
- Die kognitiven Neurowissenschaften beschäftigen sich mit den neuronalen Mechanismen, die den menschlichen kognitiven Fähigkeiten zugrunde liegen.
- Unter neuronalen Mechanismen versteht man im weitesten Sinne die Funktionen der Signalübertragung im Gehirn durch Nervenimpulse.
- Die kognitiven Fähigkeiten oder Kognition umfassen alle Prozesse der Informationsverarbeitung, wie Wahrnehmen, Denken und Entscheiden.
- Die kognitiven Neurowissenschaften gehören zu den Kognitionswissenschaften und weisen Überschneidungen mit der kognitiven Psychologie auf.
- Zu den wichtigsten Untersuchungsmethoden der kognitiven Neurowissenschaften gehören die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT), die Positronen-Emissions-Tomographie (PET), die Elektroenzephalographie (EEG), die Magnetenzephalographie (MEG) und die Transkranielle Magnetstimulation (TMS).
Nachweise
- Eysenck & Keane (2020). Cognitive psychology: A student’s handbook. Routledge.
- Karnath & Thier, ed. (2012). Kognitive Neurowissenschaften: 28 Tabellen. Springer.
- Schröger & Koelsch (2013). Affektive und kognitive Neurowissenschaft. Hogrefe.
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