Eine fesselnd geschriebene Einführung in den akuellen Forschungsstand der Hirnforschung

Manfred Spitzer ist Professor für Psychiatrie an der Universität Ulm, wo er die Psychiatrische Universitätsklinik leitet. Er studierte Medizin, Psychologie und Philosophie in Freiburg. Nach den Promotionen in Medizin (1983) und Philosophie (1985) sowie dem Diplom in Psychologie (1984) und einer Weiterbildung zum Facharzt für Psychiatrie prägten zwei Gastprofessuren an der Harvard-Universität und weitere Forschungsaufenthalte in den USA seine wissenschaftliche Arbeit an der Schnittstelle von Neurobiologie, Psychologie und Psychiatrie, bevor er an der Psychiatrischen Universitätsklinik in Heidelberg Oberarzt wurde und 1997 nach Ulm ging. Sein mit über 100 Publikationen umfangreiches wissenschaftliches Werk wurde 1992 mit dem DGPN-Duphar-Forschungspreis der Deutschen Gesellschaft für Psychiatrie und Nervenheilkunde ausgezeichnet.

Wie funktioniert das Gehirn? Wie schaffen es Milliarden von Nervenzellen, Denken, Lernen, Fühlen und Handeln hervorzubringen? Warum spielen Kinder, und warum lernen sie schneller als ältere Menschen? Unter welchen Bedingungen lernt man gut? Was kann im Kopf schiefgehen, und wie können sich hieraus Konzentrations- und Gedächtnisstörungen, Autismus, Schizophrenie oder Wahn entwickeln?

Dieses Buch bietet eine verständliche Einführung in die Grundlagen, Prinzipien und Anwendungen neuronaler Netzwerke, die auf intuitive Weise unter Verzicht auf mathematische Darstellung vermittelt werden. Einsichten über das Gehirn und seine Form sind äußerst praktisch und brisant: Sie ändern die Art, wie wir über Lernen, Denken und Handeln, über Kinderlieder und Kindergärten, Schulen und Altenheime, über Fernsehprogramme und Computerspiele, Prediger und Politiker und nicht zuletzt auch über Geisteskrankheit und seelische Gesundheit denken.

Wer gern mehr über das Gehirn wissen möchte, dem empfehlen wir: Manfred Spitzer, Geist im Netz.

Fit For Fun

... eine fesselnd geschriebene Einführung in den aktuellen Forschungsstand der Hirnforschung...

Bild der Wissenschaft

Sigmund Freud war ein Pionier in dem Gebiet, das heute mit "Neuronale Netze" bezeichnet wird. ... In "Geist im Netz" bringt uns der Psychiater Manfred Spitzer zurück zu diesen Wurzeln und fragt, inwieweit neue Fortschritte und Modelle eine fundierte Grundlage bieten, um die Rätsel menschlicher Erfahrung erklären zu können. ... Eine neue Sprache, Geist und Psyche zu fassen, kommt heute durch die Naturwissenschaften auf ...

Nature (zur englischen Übersetzung)

ISBN 3-8274-0572-6

Inhalt

Vorwort

iii

1.	Einführung	1
	Einhundert Jahre Netzwerke	3
	Netzwerke auf der Intensivstation	7
	Aufklärung!	10
	Gehirn versus Computer	12
	Fazit	15

Teil I:

Grundlagen

17

2.	Neuronen im Verbund	19
	Neuronen als Schaltstellen der Informationsverarbeitung	21
	Ein einfaches Netzwerk zur Mustererkennung	23
	Arbeitsteilung durch Parallelverarbeitung	28
	Spracherwerb durch Kinder und Netzwerke	30
	Computersimulationen höherer geistiger Leistungen	34
	DECtalk versus NETtalk	35
	Beethoven, Karajan, Sony und das menschliche Genom	37
	Fazit	39
3.	Lernen	41
	Assoziationen und Hebbsches Lernen	42
	Lernende Synapsen	44
	Exkurs: Glutamat und das Molekül des Jahres 1992	48
	Angeleitetes Lernen	52
	Lernkonstante und Lebensalter	56
	Warum Kinder spielen	61
	Computermodelle und biologische Neuronen	63
	Fazit	67
4.	Vektoren im Kopf	69
	Vektoren	70
	Codes	70
	Symbole versus Vektoren	73
	Codes als Optimierungsproblem	76
	Vektorpopulationen und Populationsvektor	77
	Lernenden Neuronen zuschauen	86
	Fazit	92

Teil II:

Funktionsprinzipien neuronaler Netze

93

5.	Karten im Kortex	95
	Zur Anatomie der Großhirnrinde	95
	Selbstorganisierende Eigenschaftskarten	103
	Kortikale Topographie	115
	Biologisches Beispiel: Die Hörrinde der Fledermaus	118
	Vernetzte Karten: Modularität	121
	Fazit	123
6.	Zwischenschichten	125
	Das ausschließende Oder	126
	Abstraktion und Typenbildung	129
	Lernen durch Fehlerrückmeldung	133
	Zwischenschichten im Kopf	134
	Autismus	142
	Fazit	146
7.	Neuroplastizität	148
	Künstliche Ohren	148
	Neuroplastizität im Tierversuch	153
	Wichtigkeit des Input	155
	Phantome und amputierte Netzwerke	160
	Rauschen	168
	Der Kortex spielt die erste Geige	177
	Therapeutische Relevanz: Plastisches Sprachverständnis	179
	Neuroplastizität und Denken	181
	Fazit	182
8.	Rückkopplung	183
	Jeder mit jedem: Hopfield-Netzwerke	184
	Attraktoren	186
	Akustische Halluzinationen	188
	Elman-Netzwerke	189
	Arbeitsgedächtnis	191
	Interaktion von Gehirnreifung und Lernen	197
	Fazit	204

Teil III:

Anwendungen

207

9.	Wissen speichern	209
	Statische Regeln versus dynamische Prozesse	209
	Piaget und Entwicklungsphasen	211
	Gedächtnis	214
	Wettlauf gegen den Verfall	220
	Ein Netzwerkmodell der Alzheimerschen Erkrankung	223
	Fazit	228
10.	Semantische Netzwerke	229
	Verstehen und Sprechen	230
	Assoziationen: Was uns warum einfällt	233
	Reime, Ermüdung und Aufmerksamkeit	237
	Assoziative Netzwerke	243
	Selbstorganisierende semantische Netzwerke	247
	Sprache wird gebraucht	254
	Bedeutungskarten im Kopf	256
	Assoziationen in Netzwerken vermessen	264
	Fazit	267
	Postscript zu Aschaffenburg und Jung	268
11.	Der kranke Geist	272
	Die Geburt der Schizophrenie	273
	Verrücktheit und Wahnsinn	275
	Gestörter Zugriff zu gespeicherten Bedeutungen	277
	Um eine Ecke gedacht: Indirekte Assoziationen	281
	Was Sprechpausen über das Sprechen verraten	285
	Dopamin, Neuromodulation, Signal und Rauschen	289
	Zwischenergebnis	299
	Bedeutungsströme: EEG und Semantik	301
	Arbeitsgedächtnis und assoziatives Gedächtnis	304
	Metaphern und Konkretismus	308
	Wahn	311
	Fazit	315
12.	Gedanken und Eindrücke	317
	Was sind Modelle?	318
	Computermodelle von Emotionen?	322
	Temperament, Charakter und Persönlichkeit	325
	Was Kindern gut tut	328
	Psychotherapie	331
	Gebrauchsanweisung für Ihr Gehirn	334

Glossar	337
Literatur	349
Index	375

Manfred Spitzer ist Professor für Psychiatrie an der Universität Ulm, wo er die Universitätsklinik für Psychiatrie und das Transferzentrum für Neurowissenschaften und Lernen (ZNL) leitet. Er studierte Medizin, Psychologie und Philosophie in Freiburg. Nach den Promotionen in Medizin (1983) und Philosophie (1985) sowie dem Diplom in Psychologie (1984) und einer Weiterbildung zum Facharzt für Psychiatrie prägten zwei Gastprofessuren an der Harvard-Universität und ein weiterer Forschungsaufenthalt an der University of Oregon seine wissenschaftliche Arbeit an der Schnittstelle von Neurobiologie, Psychologie und Psychiatrie, bevor er an der Psychiatrischen Universitätsklinik in Heidelberg Oberarzt wurde und 1997 nach Ulm ging. Sein mit über 100 Publikationen umfangreiches wissenschaftliches Werk wurde 1992 mit dem Forschungspreis der Deutschen Gesellschaft für Psychiatrie und Nervenheilkunde und 2002 mit dem Preis der Cogito-Foundation zur Förderung der Zusammenarbeit von Geistes- und Naturwissenschaften ausgezeichnet.

Vorwort

Wie funktioniert das Gehirn? Wie schaffen es Milliarden von Nervenzellen, Gedanken, Gefühle oder Handlungen hervorzubringen? Warum spielen Kinder, und warum lernen sie schneller als ältere Menschen? Unter welchen Bedingungen lernt man gut? Was kann schiefgehen beim Wahrnehmen, Denken, Lernen und Handeln?

Wir befinden uns in der Mitte der Dekade des Gehirns. Die letzten zehn Jahre haben im Bereich der Neurowissenschaft und Neuroinformatik eine Fülle von Erkenntnissen gebracht, die es erlauben, Fragen wie diese in einem einheitlichen Bezugsrahmen zu untersuchen. Dieser Bezugsrahmen ist die Neurophysiologie von Nervenzellen (Neuronen) und die Theorie des Zusammenwirkens von Neuronen. Sie arbeiten im Verbund, als Netzwerk.

Wie funktionieren aus Neuronen aufgebaute Netze? Wie ist es möglich, daß sie höhere und höchste geistige Leistungen vollbringen? Welche Prinzipien liegen der Funktionsweise von Netzwerken zugrunde? Im ersten Teil des Buches wird in die Grundlagen neuronaler Netzwerke eingeführt. Danach werden im zweiten Teil einige wichtige durch Computersimulationen neuronaler Netzwerke gewonnene Entdeckungen beschrieben. Im dritten Teil werden Anwendungen von Netzwerkmodellen vorgestellt, die ein neues Licht auf gesunde oder krankhafte seelische Zustände werfen. Die gewonnenen Einsichten ändern unser Selbstverständnis und unsere Einstellung zu den Mitmenschen.

Wozu soll ein Sachbuch über neuronale Netze gut sein? Ist das nicht ein viel zu kompliziertes Thema? Ja und nein. Es gibt gute Gründe, ein solches Buch zu schreiben. Der wichtigste ist der, daß in jüngster Zeit viele sehr wichtige Entdeckungen auf diesem Gebiet gemacht wurden. Hinzu kommt, daß diese Entdeckungen nicht nur ein paar Wissenschaftler, sondern uns alle angehen, denn sie betreffen unser Denken, Fühlen und Handeln. Gerade als Psychiater ist man darüber erstaunt, wie viel Computermodelle bereits heute zum Verständnis auch der scheinbar subjektivsten seelischen Zustände beitragen können. Die Neurowissenschaft und die Neuroinformatik können heute durchaus plausibel machen, warum ein zweijähriges Kind eher Kinderlieder und eher nicht moderne Musik hören sollte oder warum sich ältere Menschen in neuer Umgebung oft besonders schlecht zurechtfinden.

Es erscheint zunächst kaum zu glauben, daß eine mathematische Theorie die Art, wie wir über Denken, Lernen und Handeln, über Kindergärten, Schulen oder Altenheime, über Fernsehprogramme, Predigten oder Politiker und nicht zuletzt über Konzentrationsstörungen, Kreativität oder Wahnsinn denken, grundlegend verändern kann. Genau dies ist jedoch die Überzeugung, aus der heraus dieses Buch geschrieben wurde. Ich denke, daß die bereits heute vorliegenden Erkenntnisse für alle Menschen wichtig sind und alle angehen. In dem Buch geht es vor allem um Ihr Gehirn, Ihr Denken, Lernen und Handeln, Ihre Kinder, unsere Gemeinschaft.

Nicht nur der Laie, sondern auch der Fachmann hat Mühe, die Erkenntnisse aus Wissenschaft und Forschung zu überblicken: Je besser man sich informiert, desto deutlicher werden die Lücken. Mit dem Lesen einer wissenschaftlichen Arbeit erwacht meist der Wunsch, zehn weitere zu lesen, und bei vielen der zehn geht dies so weiter. Im Fall von Neurobiologie, Psychologie, Psychiatrie und Neuroinformatik kommt hinzu, daß die Informationen verstreut über die verschiedensten Bücher und Zeitschriften vorliegen. Hier soll das Buch Abhilfe schaffen für Ärzte, Psychologen, Lehrer und alle diejenigen, die noch nicht die Fähigkeit zum Wundern über die Welt und zum Nachdenken über sich selbst verloren haben.

Das Buch läßt sich auf verschiedene Weise lesen. Am liebsten wäre es mir, Sie würden es zweimal lesen: Das erste Mal zur groben Orientierung, das zweite Mal wegen der Details. Vieles wird sicherlich erst in der Gesamtsicht richtig deutlich, weswegen ein zweites Durchgehen lohnen dürfte. Denjenigen, die ganz rasch einen leichten Einstig suchen und besonders an der Sprache interessiert sind, sei empfohlen, einfach mit Kapitel 10 anzufangen oder mit der Gebrauchsanweisung fürs Gehirn in Kapitel 12.

Nicht selten habe ich versucht, komplexe Sachverhalte durch Abbildungen zu verdeutlichen. Soweit nicht anders vermerkt, wurden die englischen Zitate von mir übersetzt. Bei der Korrektur von Fehlern sowie bei der Verbesserung von Verständlichkeit und Lesbarkeit des Textes haben Verwandte, Freunde und Kollegen sehr geholfen. Ich möchte mich dafür sehr bedanken bei Renate Campos, Margrit Eulenbruch, Heinz Goebel, Gabriele Günthner, Thomas Kammer, Gudrun und Klaus Keller, Markus Kiefer, Sabine Maier, Sabine Kubesch, Manfred Neumann, Eduard Schenck, Martin Schuster, Susanne Spitzer, Ion-Olimpiu Stamatescu, Friedrich Uehlein und Matthias Weisbrod. Mein besonderer Dank gilt Frau Katharina Neuser-von Oettingen vom Spektrum Akademischer Verlag, die durch Anregungen und konstruktive Kritik wesentlich zum Gelingen des Buchprojekts beigetragen hat. Für die verbliebenen Fehler und unausgemerzten Klippen bin allein ich selbst verantwortlich.

Meine Forschungsarbeiten wurden in den vergangenen acht Jahren unterstützt von der Alexander-von-Humboldt Stiftung, der Deutschen Forschungsgemeinschaft, der Stiftung der Deutschen Gesellschaft für Psychiatrie und Nervenheilkunde sowie der National Alliance for Research in Schizophrenia and Depression (USA). Den Verantwortlichen dieser Institutionen gilt mein Dank. Das Buch wäre nicht geschrieben worden ohne die gute Arbeitsatmosphäre an der Heidelberger Klinik, für die Prof. Dr. Christoph Mundt nach Kräften sorgt.

Das Buch ist meinen Kindern gewidmet. Ich habe an und von ihnen viel gelernt. Was ich meiner Frau verdanke, kann ich nicht in Worte fassen.

Heidelberg, im März 1996

Manfred Spitzer

Wo immer man das mit vielen Abbildungen versehene Buch aufschlägt, man wird durch eine Fülle neuer Erkenntnisse bereichert, die sich stets im Kontext einer wissenschaftshistorischen Entwicklung sehen.
fachbuchjournal, Mai 2010
Wer gern mehr über das Gehirn wissen möchte, dem empfehlen wir: Manfred Spitzer, Geist im Netz.
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(...) eine fesselnd geschriebene Einführung in den aktuellen Forschungsstand der Hirnforschung (..).
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Sigmund Freud war ein Pionier in dem Gebiet, das heute mit 'Neuronale Netze' bezeichnet wird. (...) In "Geist im Netz" bringt uns der Psychiater Manfred Spitzer zurück zu diesen Wurzeln und fragt, inwieweit neue Fortschritte und Modelle eine fundierte Grundlage bieten, um die Rätsel menschlicher Erfahrung erklären zu können. (...) Eine neue Sprache, Geist und Psyche zu fassen, kommt heute durch die Naturwissenschaften auf (...).
Nature (zur englischen Übersetzung)