Was ist Bewusstsein? - Túnel de la Ciencia

The World of Senses
Im Reich der Sinne
006
What individual differences make us unique?
Wo liegen unsere Wurzeln?
What is consciousness?
How do seeing and hearing, feelings and memories originate?
What are our origins? Wie sind Sprache und Kultur entstanden?
How did language and culture come into being?
Wie entstehen Sehen und Hören, Gefühle und Erinnerungen?
Welche individuellen Unterschiede machen uns einzigartig?
Was ist Bewusstsein?

Max Planck Institute for Brain Research, Frankfurt (Main)
Max Planck Institute for Developmental Biology, Tuebingen

Science Tunnel Hanover 2000 - 2004 | Foto: www.wia04.de, Oliver Wia, Berlin

006
The World of Senses
Im Reich der Sinne
Introduction
Einführung
Die Fähigkeit, mit einer komplexen Sprache kommunizieren und über die eigene Ge schichte
und Zukunft aktiv nachdenken zu können, macht uns Menschen einzigartig. Doch wie
hat sich unser Gehirn entwickelt, wo liegt der Ursprung der Sprache und der kogniti ven
und kulturellen Fähigkeiten des Menschen? Forscher wollen in den nächsten Jahren
wichtige Aspekte der Menschwerdung aufklären.
Die Eigenschaften einzelner Nervenzellen sind heute gut erforscht. Doch wenn wir denken,
riechen, fühlen, Pläne schmieden oder lernen, laufen in unserem Gehirn äußerst
komplexe Vorgänge ab, die erst durch das Zusammenspiel von vielen Neuronen in unterschiedlichen
Hirnarealen zustande kommen. Welche materiellen Prozesse gehen mit den
geistigen Prozessen einher? Neue bildgebende Verfahren ermöglichen es, das Gehirn bei
der Produktion kognitiver Leistungen zu beobachten und zu verfolgen, welche Hirnareale
wann aktiviert sind. Doch wie entsteht im Gehirn aus den unterschiedlichen Informationen
ein Abbild der Welt?
Immer komplexere kognitive Prozesse und Strukturen rücken in den Blickpunkt der
Forschung: Wie können wir Gesichter erkennen und unterscheiden, wie wird Sprache
im Gehirn verarbeitet? Ferner: Wie hängen individuelle Unterschiede bei Lernen und
Intelligenz mit Variationen im Gehirn zusammen? Wieweit können diese Unterschiede auf
eine unterschiedliche genetische Ausstattung zurückgeführt werden? Weitere Fortschritte
sollen neue integrative Methoden bringen, die von den Forschern jetzt entwickelt werden,
um weit verzweigte neurale Netzwerke sowie die Entwicklung der funktionellen
Organisation im Gehirn beobachten zu können. So sollen smarte Agenzien und die funktionelle
Kernspintomographie es ermög lichen, Konzentrationsänderungen von Ionen und
Molekülen sichtbar zu machen, die an Signalprozessen beteiligt sind.
The abilities to communicate with complex language and to think actively about one’s
own history and future make us as humans unique. But how did our brain develop, what
is the origin of language and that of cognitive and cultural human skills? In the coming
years, researchers want to throw light on important aspects of human evolution.
Properties of individual nerve cells are already well researched today. However, when we
think, smell, feel, make plans, or learn, extremely complex processes are at work in our
brain; these processes require the interaction of many neurons in different brain areas.
Which material processes accompany the mental ones? New imaging methods make it
possible to observe the brain as it produces cognitive results and to trace which brain
areas are activated at which times. But how does the brain use the different information
to produce an image of the world?
Research is focusing on more and more complex cognitive processes and structures:
how do we recognize and distinguish faces and how is language processed in the brain?
Furthermore, what is the connection between individual differences in learning and intelligence
with variations in the brain? How far can these differences be traced to a different
genetic background? Additional progress should result in new integrative methods that
researchers are currently developing, to allow observation of the extensively branched
neural networks and the development of functional organization in the brain. The goal
is for smart agents and functional MRIs to make it possible to see changes in ion and
molecular concentration, both of which are involved in signaling processes.

006
The World of Senses
Im Reich der Sinne
Facts and Figures
Daten und Fakten
Sensors for the World Evolution has equipped us with highly-sensitive senses. Around
10 photons on the retina are sufficient to create the impression of a las t ing point of light.
Our hearing reacts to fluctuations in air pressure, which is regis tered as a sound signal.
Under optimal conditions, we can perceive oscillations in the eardrum of a hundredth of
a nanometer, less than the diameter of a hydrogen atom. The most sensitive sensor in
humans is the sense of smell: in the nose there are about 20 to 30 million olfactory cells,
each covered in up to 20 tiny sensory hairs. We can distinguish between around 10,000
different smells; the aroma of coffee alone contains more than 600 signals.
Sensoren für die Welt Die Evolution hat uns mit hochsensiblen Sinnen aus ge stattet:
Rund 10 Photonen reichen auf der Retina aus, um den Eindruck eines dauer haften
Lichtpunkts zu erzeugen. Unser Gehör reagiert auf Schwankungen des Luftdrucks, die es
als Schallsignale registriert. Unter günstigen Umständen nehmen wir noch Auslenkungen
des Trommelfells von einem Hundertstel Nanometer wahr, weniger als der Durchmesser
eines Wasserstoff-Atoms. Der feinste Sensor des Menschen ist sein Geruchssinn: In der
Nase befinden sich ungefähr 20 bis 30 Millionen Riechzellen, von denen jede mit bis zu
20 Sinneshärchen besetzt ist. Etwa 10.000 Gerüche können wir unterscheiden, allein der
Duft des Kaffees enthält gut 600 Signale.
Foto: www.bettyindustries.de, Philipp Brinkmann, Berlin

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The World of Senses
Im Reich der Sinne
Theme 6.1.1
Thema 6.1.1
THE ORIGINS OF MAN
DIE WURZELN DES MENSCHEN
1
Development of Human Speech In accordance with
the latest studies of the skull of a homo erectus child,
early man did not have the ability to speak. After birth,
his brain did not have sufficient time to grow and mature
in order to develop cognitive skills, such as complex
speech.
Entwicklung der menschlichen Sprache Nach neuesten
Untersuchungen am Schädel eines Homo erectus-Kindes
verfügte der frühe Mensch noch nicht über die Fähigkeit
zu sprechen. Nach der Geburt verblieb für Wachstum und
Reifung seines Gehirns nicht genug Zeit, um kognitive
Fähigkeiten, wie eine komplexe Sprache, zu entwickeln.
3
No Common Descendents As Neanderthal man and
early modern man lived at approximately the same
time, it was thought for a long time that they may have
pro created to produce common offspring. The latest
DNA studies, however, reveal that there was no DNA
exchange.
Keine gemeinsamen Nachkommen Da der Neandertaler
und der frühe, moderne Mensch etwa zur selben
Zeit lebten, war lange unklar, ob sie nicht gemeinsame
Nachkommen gezeugt haben. Neueste DNS-
Untersuchungen zeigten jedoch keinen DNS-Austausch.
Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology, Leipzig
Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology, Leipzig
2
Chimpanzees’ Nutcracker Workshop Researchers are
today using archaeological methods to search for clues
in the past of chimpanzees. In their search, they have
unearthed tools used by the primates more than 100
years ago to crack nuts.
1
2 3
Nussknacker-Werkstatt von Schimpansen Forscher
begeben sich heute mit archäologischen Methoden auch
auf Spurensuche in die Vergangenheit von Schimpansen.
Dabei fanden sie Werkzeuge, die von den Primaten
schon seit mehr als 100 Jahren zum Knacken von
Nüssen genutzt werden.
Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology, Leipzig

006
The World of Senses
Im Reich der Sinne
Theme 6.1 video
Thema 6.1 video
1
1 2
Virtual Human Whether we are acting in
the theater or playing music – even the
activities that are unfolding in our brain
at the time can be rendered visible today
with the help of magnetic resonance
imaging. In combination with new techniques
in computer animation, the ›virtual
violinist‹ was created, a modern version
of the legendary ›transparent human‹
from the German Hygiene Museum.
Film sequences of Heike Janicke, first
violin for the Dresden Philharmonic, who
plays the first twenty bars of a Bourrée
from the Partita I in H minor by Johann
Sebastian Bach, served as a model.
Virtueller Mensch Ob wir Theater
spielen oder Musik machen – auch die
dabei in unserem Gehirn ablaufenden
Aktivitäten kann man heute mithilfe der
Magnetresonanz-Tomographie sichtbar
machen. In Kombination mit neuen
Techniken der Computeranimation ist
die ›virtuelle Geigerin‹ entstanden,
eine moderne Version des legendären
›gläser nen Menschen‹ aus dem Deutschen
Hygienemuseum. Vorbild waren
Film aufnahmen von Heike Janicke,
Kon zert meisterin der Dresdner Phil har -
mo niker, die die ersten zwanzig Takte
einer Bourrée aus der Partita I in h-Moll
von Johann Sebastian Bach spielt.
interActive Systeme, Marburg
Max Planck Institute for Human Cognitive and Brain Sciences,
Leipzig and Munich
Spitzengeräte der Bildgebung
er mög lichen Einblicke ins Hirn Das
Zusammenspiel der Nervenzellen im
Gehirn und die Regelkreise, die dem
Menschen komplizierte Denkvorgänge,
Empfindungen und ein persönliches
Erleben ermöglichen, sind außer ordentlich
komplex. Forscher der Max-Planck-
Gesellschaft versuchen daher, mithilfe
neuester bildgebender Verfahren die
Grundlagen der informationsverarbeitenden
Prozesse zu verstehen. Sie gehen
davon aus, dass man Depressionen,
Schizophrenien und Demenzen besser
verstehen und leichter behandeln kann,
wenn man erst die Vorgänge im gesunden
Gehirn durchschaut.
Max Planck Institute for Brain Research, Frankfurt am Main
2
Top Imaging Devices Allow Insights
into the Brain The interaction of the
nerve cells in the brain and the regulatory
circuit that enable complicated thought
processes, sensations and personal experience
in humans is extraordinarily complex.
Consequently, Max Planck Society
researchers are harnessing leading edge
imaging methods to try to understand the
foundations of information-processing
processes. The scientists assume that a
better comprehension of the processes
in the healthy brain will enable enhanced
treatment of depression, schizophrenia
and dementia.

006
The World of Senses
Im Reich der Sinne
T h e m e 6 . 2 .1
Thema 6.2.1
COGNITION AND BEHAVIOR
KOGNITION UND VERHALTEN
1 3
Skilful Pilots Flies are world champions in movement
perception: they skillfully evade our swift movements
to be rid of them and correct their flight path as soon
as sudden obstacles appear in their way. This requires
a complex calculation of all stimuli received by the brain
through the eyes. By injecting two different fluorescent
colorants, Max Planck neurobiologists have succeeded
in rendering the forwarding of stimuli visible.
Geschickte Piloten Fliegen sind Weltmeister im
Bewegungssehen: Gekonnt weichen sie unseren Ab wehrschlägen
aus und korrigieren ihre Flugbahn sofort, wenn
plötzlich Hindernisse auftreten. Dies erfordert eine
komplexe Verrechnung aller Reize, die das Gehirn von
den Augen erhält. Durch Injektion zweier unterschiedlich
fluoreszierender Farbstoffe konnten Max-Planck-
Neurobiologen die Reizweiterleitung sichtbar machen.
Max Planck Institute of Neurobiology, Martinsried
Hole or Dent? Let’s assume that light comes from the
above left; we consequently regard the upper part of
the image as a hole and the right as a dent. However, if
the light comes from the bottom right, the interpretation
is reversed. However, for most observers, this second
interpretation is much more difficult to see as our everyday
perception is geared towards light from above. If the
image is turned upside down, the hole – dent interpretation
is reversed.
Loch oder Beule? Nimmt man an, das Licht kommt von
links oben, so interpretieren wir das obere Teilbild als Loch
und das untere als Beule. Kommt das Licht jedoch von
rechts unten, dreht sich die Interpretation um. Doch diese
zweite Interpretation ist für die meisten Betrachter viel
schwieriger zu sehen, da unsere Alltagswahrnehmung auf
Licht von oben getrimmt ist. Dreht man das Bild auf den
Kopf, kehrt sich die Interpretation Loch – Beule um.
Max Planck Institute for Biological Cybernetics, Tuebingen
Figure: U. S. Geological Survey
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2
How Do We Perceive? What happens in the brain when
we look at a pattern and ask whether we find it beautiful?
And what happens if we ask whether this pattern is
symmetrical? Scientists at the Max Planck Institute for
Human Cognitive and Brain Sciences have shown that
this involves the activity of very different networks in the
brain, although we see the same things in both cases.
Wie nehmen wir wahr? Was geschieht im Gehirn,
wenn wir ein Muster betrachten und uns fragen, ob
wir es schön finden? Und was, wenn wir uns fragen,
ob dieses Muster symmetrisch ist? Wissenschaftler
des Max-Planck-Instituts für Kognitions- und Neurowissenschaften
konnten zeigen, dass dabei ganz verschiedene
Netzwerke im Gehirn aktiv sind, obwohl
wir in beiden Fällen dasselbe sehen.
Max Planck Institute for Human Cognitive and Brain Sciences, Leipzig
4
World-Travelers Have a Good Memory Weighing in at
just fifteen grams, when they migrate, garden warblers
cover distances of more than 10,000 kilometers each
year. They always look for the same site of rest and
wintering, although they travel alone and cannot learn
from experienced older birds. Researchers now show
that the migratory bird has a long-term memory of at
least one year.
Weltreisende haben ein gutes Gedächtnis Mit
ihren gerade einmal fünfzehn Gramm legen die Gartengrasmücken
jedes Jahr beim Vogelzug Wegstrecken von
mehr als 10.000 Kilometer zurück. Dabei suchen sie immer
dieselben Rast- und Wintergebiete auf, und das, obwohl
sie allein ziehen, also nicht von erfahrenen Altvögeln lernen
können. Forscher zeigten jetzt, dass der Zugvogel über ein
Langzeitgedächtnis von mindestens einem Jahr verfügt.
Max Planck Institute for Ornithology, Seewiesen

006
The World of Senses
Im Reich der Sinne
Theme 6.2.2
Theme 6.2.2
1
1 2
3
The Evolution of Hearing We tend to forget that earlier
forms of life did not have the ability to hear. The sense
of hearing developed indirectly and, over the course
of more than 400 million years, has undergone many
functio nal changes. Researchers are endeavoring to
comprehend the interplay between new development
and functional change. Figure: a hair cell on the surface
of a zebrafish larva.
Die Evolution des Hörens Selten machen wir uns
bewusst, dass frühere Lebensformen die Fähigkeit
zum Hören noch gar nicht besaßen. Der Hörsinn
ist auf Umwegen entstanden und hat im Laufe von
mehr als 400 Millionen Jahren viele Funktionswechsel
erfahren. Forscher versuchen das Wechselspiel von
Neuentwicklung und Funktionsänderung nachzuvollziehen.
Im Bild: eine Haarsinneszelle auf der Ober fläche
einer Zebrafischlarve.
Max Planck Institute of Neurobiology, Martinsried
2
Unlocking the Secret of the Immune Gene’s Scent
Female mice and stickleback recognize the immune
gene of a potential partner by its scent alone. A female
stickle back prefers the male whose immune gene would
combine with hers to produce offspring with an optimum
immune defense system. Scientists have now discovered
that it is possible to use peptides, namely small
protein fragments that represent a natural ›blue phase‹
of immune genes, to manipulate the attraction of male
sticklebacks.
Duftbotschaft der Immungene entdeckt Bereits am
Geruch erkennen Maus- oder Stichlingsweibchen die
Immungene eines möglichen Partners. So bevorzugt ein
Stichlingsweibchen das Männchen, dessen Immungene
zusammen mit ihren eigenen dem Nachwuchs die optimale
Immunabwehr bieten. Wissenschaftler haben jetzt entdeckt,
dass man mit Peptiden, kleinen Eiweißbruchstücken, die
eine natürliche ›Blaupause‹ von Immungenen darstellen, die
Attraktivität von Stichlingsmännchen manipulieren kann.
Max Planck Institute of Limnology, Ploen
Max Planck Institute of Immunobiology, Freiburg
3
Bones in the Ear under Genetic Control When living
beings move, their sense of balance contributes to
spatial orientation. The organ of equilibrium in the ear
of vertebrates contains small bones, so-called otoliths,
that amplify vibrations and transmit them to the sensory
cells in the ear. Researchers have identified the gene
that controls the correct crystallization of the bones in
the ear. If the gene product in the otoliths is missing, its
form changes from spherical to star-shaped, resulting
in impaired balance. This proves for the first time that a
protein can hinder the growth of a crystal and also influence
its lattice structure.
Ohrsteinchen unter genetischer Kontrolle Wenn Lebewesen
sich bewegen, hilft ihnen ihr Gleich gewichts sinn,
sich im Raum zu orientieren. Das Gleichge wichts organ
im Ohr der Wirbeltiere enthält kleine Ohrsteinchen, so
genannte Otolithe, die Schwingungen verstärken und an
die Sinneszellen im Ohr weiterleiten. Forscher haben das
Gen entdeckt, das die korrekte Auskristallisierung der
Ohrsteine steuert. Fehlt das Genprodukt in den Otolithen,
verändert sich ihre Form von kugel- zu sternförmig und
Gleichgewichtsstörungen sind die Folge. Damit gelang
erstmals der Nachweis, dass ein Protein das Wachstum
eines Kristalls hemmen und zudem dessen Gitterstruktur
beeinflussen kann.
Max Planck Institute for Developmental Biology, Tuebingen
ESRF – The European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble/France

006
The World of Senses
Im Reich der Sinne
Theme 6.2.3
Thema 6.2.3
1 2
Library of Babel Identity is closely interwoven with
speech. In many parts of the world, however, very little
consideration is paid to this fact. Some 6,500 languages
are currently spoken worldwide, but fewer than 100 of
them have an official status. The remaining 6,400 languages
are as good as meaningless from both an economic
and political point of view. It is a tremendous
loss for many people, however, if a language dies out
and there is no one left who understands the language
of their childhood. Cautious estimates assume that by
the end of the 21st century there will only be 3,250
languages remaining, about half of the present number.
The DobeS project (Documentation of Endangered
Languages) is aiming to preserve this valuable cultural
heritage.
Bibliothek von Babel Identität hat mit Sprache zu
tun. Doch das ist in vielen Teilen der Erde alles andere
als selbstverständlich. Rund 6.500 Sprachen werden
momentan weltweit gesprochen, wenig mehr als
100 davon haben einen offiziellen Status. Die übrigen
6.400 Sprachen sind in wirtschaftlicher wie politischer
Hinsicht so gut wie bedeutungslos. Für die Menschen
jedoch ist es ein immenser Verlust, wenn eine Sprache
ausstirbt und es eines Tages niemanden mehr gibt,
der die Sprache ihrer Kindheit versteht. Vorsichtige
Schätzungen gehen davon aus, dass es zum Ende des
21. Jahrhunderts nur noch 3.250 Sprachen geben wird,
also rund die Hälfte. Dieses wertvolle kulturelle Erbe zu
bewahren, ist Ziel des Projekts DobeS – Dokumentation
bedrohter Sprachen.
Speech Gene Found? In humans, mutations in the
so-called FOXP2 gene lead to specific problems with
articulation and the understanding of speech. This gene
apparently has a central function in the development of
the ability to speak. Numerous bird species acquire their
patterns of singing in the same way as humans learn to
speak. Studies also revealed that zebra finches have an
almost identical version of this gene.
Sprachgen gefunden? Mutationen im so genannten
FOXP2-Gen führen bei Menschen zu spezifischen Sprachproblemen
bei Artikulation und Sprachverständnis. Offensichtlich
besitzt dieses Gen eine zentrale Funktion bei der
Entwicklung der Sprachfähigkeit. Zahlreiche Vogelarten
lernen ihre Gesangsmuster ähnlich wie Menschen das
Sprechen. Untersuchungen ergaben denn auch, dass
Zebrafinken eine nahezu identische Version dieses Gens
besitzen.
Max Planck Institute for Molecular Genetics, Berlin
Duke University, Durham/USA
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Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology, Leipzig
Max Planck Institute for Psycholinguistics, Nijmegen/Netherlands
Volkswagen Foundation, Hanover

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The World of Senses
Im Reich der Sinne
Theme 6.2 video
Thema 6.2 video
1
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Master of the Senses Although bats are
colorblind, they see in ultraviolet light –
for example, that wavelength that is emitted
at night by the petals of some plants.
In addition to this world that is invisible
to us, bats also use their sense of smell
in order to construct a spatial memory
of their environment. In experiments,
researchers have shown that bats unerringly
fly to productive flowers and use
these as landmarks.
Meister der Sinne Fledermäuse sind
zwar farbenblind, sie sehen aber im
ultravioletten Licht – jener Wellenlänge,
die zum Beispiel von den Blütenblättern
mancher Pflanzen in der Nacht abgegeben
wird. Außer dieser für uns nicht
sichtbaren Welt nutzen Fledermäuse
ihren Geruchssinn, um ein räumliches
Gedächt nis ihrer Umgebung aufzubauen.
In Experimenten haben Forscher gezeigt,
dass Fledermäuse zielsicher ergiebige
Blüten anfliegen und diese als Landmarken
benutzen.
Max Planck Institute for Ornithology, Seewiesen
Ludwig Maximilian University, Munich
2
Dogs and Humans Share the Same
Learning Processes Small children learn
the names of things not only by means
of explicit explanations, but also by themselves,
inferring the names of objects
by exclusion, which is referred to as fast
mapping. In this process, they conclude
the name of the thing that they do not
know from the existing and known
objects. Max Planck researchers were
able to show that dogs also have this
capability. This means that this must have
developed independently of the capability
of generating these acoustic signals
themselves.
Hunde und Menschen lernen gleich
Klein kinder lernen die Bezeichnung von
Dingen nicht nur durch explizite Erläute
rung, sondern auch, indem sie sich
die Bezeichnung von Gegenständen im
Ausschlussverfahren, dem so genannten
›fast mapping‹, selbst erschließen. Dabei
folgern sie die Bezeichnung für die ihnen
unbekannten Dinge aus den vorhandenen
und bekannten Gegenständen. Max-
Planck-Forscher konnten nun zeigen, dass
auch Hunde über diese Fähigkeit verfügen.
Diese muss sich also unabhängig von der
Fähigkeit, diese akustischen Signale selbst
hervorzubringen, entwickelt haben.
Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology, Leipzig
3
The Neuronal Structures of the Sense
of Smell Using new optical methods
that are being developed and refined
by Max Planck Society researchers, the
activity of many neurons during information
processing in the intact brain can be
visualized. In this way, Max Planck scientists
found structures, so-called glome r-
uli, in the olfactory bulbs of mice in which
synapses are enlarged. After being stimulated
with an aroma, the activity of the
glomeruli can be measured. Analysis of
such activity patterns is providing information
about how odor information is
coded in the brain.
Die neuronalen Strukturen des
Geruchssinns Durch neue optische
Verfahren, die in der Max-Planck-Gesellschaft
entwickelt und verfeinert werden,
kann man die Aktivität vieler Neuronen
während der Informationsverarbeitung im
intakten Gehirn sichtbar machen. Auf diese
Weise fanden Max-Planck-Wissenschaftler
im Riechkolben der Maus Strukturen, so
genannte Glomeruli, in denen Synapsen
angereichert sind. Nach Stimulation mit
einem Geruchsstoff lässt sich die Aktivität
der Glomeruli messen. Die Analyse solcher
Aktivitätsmuster gibt Aufschluss, wie
Ge ruchs information im Gehirn codiert wird.
Recognizing is More Than Seeing The
dream of intelligent computers – already
reality in science fiction films – is actually
still just a utopian vision. Although
computers are superior to their human
architects in some areas, they fall short
in others: for example, in seeing and
recognizing objects. Researchers are
examining how our visual system calculates
form and movement of objects
from two-dimensional depictions.
Computer animation shows that ambiguities
in the image interpretation are not
resolved until the object – the ball –
throws a shadow.
Erkennen ist mehr als Sehen Der Traum
von intelligenten Computern – in Sciencefiction-Filmen
bereits Realität – ist tat sächlich
noch Utopie. Denn obwohl Computer
ihren menschlichen Erbauern in einigen
Bereichen überlegen sind, hapert es
anderswo: etwa beim Sehen und Er kennen
von Gegenständen. Forscher untersuchen,
wie unser Sehsystem Form
und Bewegung von Objekten aus zweidimensionalen
Abbildungen berechnet.
Die Computeranimation zeigt, dass sich
Mehrdeutigkeiten in der Bildinterpretation
erst auflösen, wenn das Objekt – der Ball –
einen Schatten wirft.
Max Planck Institute for Biological Cybernetics, Tuebingen
Max Planck Institute for Medical Research, Heidelberg

006
The World of Senses
Im Reich der Sinne
T h e m e 6 . 3 .1
Thema 6.3.1
WINDOW TO THE BRAIN
FENSTER INS HIRN
1
How Are Movements in the Brain Perceived? Detecting
and interpreting movement in the environment can be
crucial to survival. Most studies to date have employed
electrophysiological techniques in order to analyze
the reaction of individual neurons. To date, however,
almost nothing has been known about the behavior of
cell groups or of whole neuronal networks. Max-Planck
researchers have now employed functional core-spin
tomography to study the cortical activities in the perception
of movement, and to identify the neuronal populations
involved.
Methodenmix hilft bei Eingrenzung des Infarktvolumens
Bei akutem Schlaganfall muss genauestens
zwischen irreversibel geschädigten und funktionell
gestörten, aber morphologisch noch intakten
Hirnregionen unterschieden werden. Dabei kommt die
Magnetresonanztomografie (MRT) zum Einsatz. Der Vergleich
mit zeitgleich gewonnenen Daten der Positronen-
Emissions-Tomografie, einer sehr genauen, aber aufgrund
ihrer Komplexität nicht überall einsetzbaren Technik, hilft bei
der Weiterentwicklung der MRT-Methode.
Max Planck Institute for Neurological Research, Cologne
1
2 3
Wie werden Bewegungen im Gehirn wahr genom men?
Aufspüren und Interpretation von Bewegung in der
Um ge bung kann für das Überleben eines Individuums
ent schei dend sein. Die meisten Studien bedienten
sich bisher elektrophysiologischer Techniken, um die
Reaktion einzelner Neuronen zu analysieren. Hingegen
wusste man bislang fast nichts über das Verhalten
von Zellgruppen oder ganzen neuronalen Netzwerken.
Max-Planck-Forscher haben nun mittels funktioneller
Kernspintomographie die kortikalen Aktivitäten bei der
Wahrnehmung von Bewegung untersucht und daran
beteiligte neuronale Populationen identifiziert.
Max Planck Institute for Biological Cybernetics, Tuebingen
2
Methods Mix Helps Reduce Infarct Volume When a
patient suffers an acute stroke, it is necessary to accurately
differentiate between the regions of the brain
that have suffered irreversible damage and those that
are functionally impaired but still morphologically intact.
This is where magnetic resonance tomography (MRT)
comes into its own. Comparison with data that have
been obtained at the same time using positron-emission
tomography, a highly accurate technology that is not in
widespread use due to its complexity, helps in the further
development of the MRT method.
3
What Are We Aware of When We Sleep? Whether
thoughts or perceptions, intentions or movements
– all brain activity leaves an electrical trace. Medicine
has been using this electrical noise for decades for
diagnostic purposes in combination with electro en cephalo
grahpy (EEG). With the help of EEG and functional
magnetic resonance tomography, scientists at the Max
Planck Institute of Psychiatry are studying how our brain
reacts to environmental stimuli during different sleep
phases.
Was nehmen wir wahr, wenn wir schlafen? Ob
Gedan ken oder Wahrnehmungen, Absichten oder
Bewegungen – alle Leistungen des Gehirns hinterlassen
eine elektrische Spur. Dieses elektrische Rauschen
nutzt die Medizin schon seit Jahrzehnten für diagnostische
Zwecke mit der Elektroenzephalographie (EEG).
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Psychiatrie
untersuchen mithilfe von EEG und funktioneller Magnetresonanztomographie,
wie unser Gehirn in ver schie denen
Schlafphasen auf Umweltreize reagiert.
Max Planck Institute of Psychiatry, Munich

006
The World of Senses
Im Reich der Sinne
Theme 6.3.2
Thema 6.3.2
1 2
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Stacked Images of the ›Wires‹ in the Brain Serial blockface
scanning electron microscopy (SBFSEM) is the complicated
name of a new technology developed at the Max
Planck Institute for Medical Research. With this method,
scientists are able to show even the smallest axonal
paths with a diameter of often less than a thousandth
of a millimeter. Scientists use an electron microscope
in combination with a cutter. A photograph is taken of
each of the discs cut by this microtome that are about 50
nanometers thick. The result is a stack of digital images
that produces a spatial image of the brain tissue studied.
Gestapelte Bilder der ›Drähte‹ im Gehirn Serielle
Rasterelektronenmikroskopie der Blockoberfläche (Serial
Block-face Scanning Electron Microscopy, kurz SBFSEM),
so der komplizierte Name einer am Max-Planck-Institut
für medizinische Forschung entwickelten neuen Technik.
Mit dieser Methode können die Wissenschaftler selbst
kleinste Nervenfortsätze mit einem Durchmesser von oft
weniger als einem zehntausendstel Millimeter darstellen.
Dazu verwenden die Forscher ein Elektronenmikroskop
und kombinieren es mit einem Schnittapparat. Jede der
von diesem Mikrotom geschnittenen etwa 50 Nanometer
dicken Scheiben wird fotografiert. So entsteht ein digitaler
Bilderstapel und daraus ein räumliches Abbild des untersuchten
Gehirngewebes.
Max Planck Institute for Medical Research, Heidelberg
Looking Inside the Brain How can damage to the brain
be diagnosed as accurately as possible without risk to
the patient? New developments in nuclear-spin tomography
enable, for the first time, the study of bundled
neurofibers, offering new possibilities without surgical
intervention. The figure shows two of the largest fiber
tracts in the human brain. The color represents the threedimensional
directional information of the neurofibers.
Red corresponds to an orientation of the paths from right
to left, blue marks the direction from top to bottom, and
green is for the neurofibers that run from the front to the
back of the brain.
Blick ins Innere des Gehirns Wie können Schädigun g-
en des Gehirns möglichst exakt und für den Patienten
risikolos diagnostiziert werden? Neue Möglichkeiten,
die keinen operativen Eingriff erfordern, bietet eine
noch junge Variante der Kernspintomographie, die
erstmals die Untersuchung gebündelter Nervenfasern
ermöglicht. Abgebildet sind zwei der größten
Nervenfaserverbindungen des menschlichen Gehirns.
Die Farbgebung erfasst die dreidimensionale Richtungsinformation
der Nervenfasern. Dabei entspricht rot einer
Orientierung der Bahnen von rechts nach links, blau
markiert die Richtung von oben nach unten und grün
gilt für Nervenfasern, die im Gehirn von vorn nach
hinten verlaufen.
Max Planck Institute for Biophysical Chemistry, Goettingen

006
The World of Senses
Im Reich der Sinne
Theme 6.3.3
Thema 6.3.3
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Like a Bursting Star The new method of multiquantum
microscopy that works with infrared light has been used
to render processes in the living, light-sensitive retina
visible at high resolution. It is now possible to show that
certain movement stimuli are already evaluated in special
retina cells in the eye, the so-called ›starburst‹ cells.
The cells consist of extremely thin dendrites whose activity
could hardly be detected with methods employed to
date.
Wie ein zerberstender Stern Mit der neuen Multi quanten-Mikroskopie,
die mit Infrarotlicht arbeitet, ist es
gelungen, Prozesse in der lebenden, lichtempfindlichen
Retina mit hoher Auflösung sichtbar zu machen. So lässt
sich zeigen, dass bestimmte Bewegungsreize bereits
in speziellen Retinazellen im Auge errechnet werden,
den ›starburst‹-Zellen. Die Zellen bestehen aus dünnsten
Dendriten, deren Aktivität mit bisherigen Methoden
kaum zu erkennen war.
Max Planck Institute for Medical Research, Heidelberg
University of Washington, Seattle/USA
Microscopy in the Living Brain Two-photon fluorescence
microscopy has become one of the most
important methods in the study of living tissue. For
the first time, it can now be used to carry out optical
measurements in the intact brain. By applying optically
amplified ultra-short pulses, Max-Planck researchers
have succeeded in honing the method and looking
even deeper into the cerebral cortex.
Mikroskopie im lebenden Hirn Die Zwei-Photonen-
Fluoreszenzmikroskopie hat sich zu einer der wichtigsten
Methoden entwickelt, um lebendes Gewebe zu untersuchen.
Mit ihrer Hilfe konnte man erstmals optische
Messungen im intakten Gehirn durchführen. Max-Planck-
Forschern ist es durch die Anwendung optisch verstärkter
Ultrakurzzeitpulse gelungen, die Methode zu verfeinern und
noch tiefer in die Hirnrinde hineinzuschauen.
Max Planck Institute for Medical Research, Heidelberg

006
The World of Senses
Im Reich der Sinne
Theme 6.3 video
Thema 6.3 video
1
Combined Insights Into Brain Functions
Using new techniques, researchers have
succeeded in exa mining signal transmission
between neurons in the brain in a
combination of electrode discharges and
functional magnetic resonance imaging.
This allowed them to prove for the
first time that oxygen saturation in the
blood (BOLD signal) can actually be used
for precise measurements of changes
in neuron activity. Their discovery: fMRI
tracks down those areas of the brain that
are processing information that stem
from a stimulus, and not neurons that
discharge as a direct response to this
stimulus.
Kombinierter Scharfblick auf Gehirnfunktionen
Mit neuartigen Techniken
ist es Forschern gelungen, die Signalübertragung
zwischen Neuronen im
Gehirn in einer Kombination aus Elek trodenableitungen
und funktio neller Magnetresonanztomographie
zu untersuchen.
Damit konnten sie erstmals nachweisen,
dass mit der Sauerstoffsättigung im Blut
(BOLD-Signal) tatsächlich Veränderungen
der Neuronenaktivität exakt gemessen
werden. Ihre Entdeckung: fMRT spürt
jene Gehirnareale auf, die Informationen
verarbeiten, die von einem Stimulus herrühren,
und nicht Neuronen, die sich
als direkte Antwort auf diesen Stimulus
entladen.
Max Planck Institute for Biological Cybernetics, Tuebingen
2
A Look Into the Intact Brain Two-photon
microscopy, developed by scientists
at the Max Planck Institute for Medical
Research, allows high-resolution fluorescent
imaging of the intact cerebral cortex
for the first time. These images supply
knowledge on the interaction of different
neuronal cells. Consequently, researchers
are able to demonstrate in experiments
how astrocytes, a special type of neuroglial
cells, enclose the blood vessels and
capillaries in the brain with their extensions.
Blick ins intakte Hirn Die Zwei-
Photonen-Mikroskopie, entwickelt von
Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts
für medizinische Forschung, ermöglicht
erstmals hochauflösende Fluoreszenzaufnahmen
der intakten Großhirnrinde.
Diese Bilder liefern Erkenntnisse über
das Zusammenspiel verschiedener neuronaler
Zellen. So konnten die Forscher in
Experimenten zeigen, wie Astrozyten,
eine spezielle Art von Gliazellen, mit ihren
Fortsätzen die Blutgefäße und -kapillaren
im Gehirn umschließen.
Max Planck Institute for Medical Research, Heidelberg
3
A Look Into the Neuronal Coordinating
Points Without the need for contrast
medium or an operation, magnetic resonance
imaging (MRI) enables a view of
what remains concealed to X-rays: the
soft body parts, such as tissue and inner
organs. In brain research, a further deve l-
opment, functional MRI (fMRI), represented
a breakthrough: one benefit of this
technology is that it allows resear chers to
detect where the brain is working when
it thinks. For the first time, scientists can
experimentally examine how our coordinating
points function during learning.
Blick in die neuronale Schaltzentrale
Die Magnetresonanztomografie (MRT)
macht ohne Kontrastmittel oder Operation
sichtbar, was mit Röntgenstrahlen verborgen
bleibt: die weichen Körperteile,
wie Gewebe und innere Organe. Für
die Hirnforschung war besonders eine
Weiterentwicklung, die funktionelle MRT
(fMRT), ein Durchbruch: Mit dieser Technik
können Forscher unter anderem erkennen,
wo das Gehirn arbeitet, wenn es denkt.
Damit eröffnete sich der Wissenschaft
erstmals die Möglichkeit, experimentell zu
untersuchen, wie unsere Schaltzentrale
beim Lernen funktioniert.
Max Planck Institute for Brain Research, Frankfurt am Main
4
Positron Emission Tomography Modern
imaging methods, such as Positron Emission
Tomography (PET), are capable of
depicting molecular disease processes.
The characteristics of certain brain
tumors can be visualized, such as the
characteristic of increased formation of
amino acid transporters, for instance,
which leads to increased absorption of
amino acids. Visualization is particularly
important when planning further treatment,
as the tumors that are examined
grow deep into the brain structures. PET
supplies data on the exact dimensions
of such tumors, and is therefore vital for
planning surgery.
Positronen-Emissions-Tomographie
Moderne bildgebende Verfahren wie die
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
können molekulare Krankheitsprozesse
darstellen. So kann die Eigenschaft
bestimm ter Hirntumore visualisiert werden,
etwa die, vermehrt Aminosäuretransporter
zu bilden, was zu einer erhöhten Aufnahme
von Aminosäuren führt. Die Visualisierung
ist besonders wichtig für die weitere
Behandlungsplanung, da die untersuchten
Tumore tief in die Gehirnstrukturen hineinwachsen.
PET liefert Daten über die exakte
Ausdehnung eines solchen Tumors
und ist daher für die Planung operativer
Eingriffe von Bedeutung.
Max Planck Institute for Neurological Research, Cologne

006
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Im Reich der Sinne
Participating Institutes and Partners
Beteiligte Institute und Partner
Research Institutes
Forschungsinstitute
Max Planck Institute for the History of Arts, Florence, Italy
Bibliotheca Hertziana – Max Planck Institute for Art History, Rome, Italy
Max Planck Institute of History, Goettingen
Max Planck Institute for the History of Science, Berlin
Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology, Leipzig
Max Planck Institute for Brain Research, Frankfurt (Main)
Max Planck Institute for Biological Cybernetics, Tuebingen
Max Planck Institute for Human Cognitive and Brain Sciences, Leipzig and Munich
Max Planck Institute for Neurological Research, Cologne
Max Planck Institute of Psychiatry, Munich
Max Planck Institute for Psycholinguistics, Nijmegen, Netherlands
Eberhard Karls University of Tuebingen
Fraunhofer Institute for Digital Media Technology, Ilmenau
International Research Schools
Internationale Graduiertenschulen
IMPRS for Comparative Legal History, Frankfurt am Main
Graduate School of Neural & Behavioural Sciences, Tuebingen
IMPRS Human Origins, Leipzig
IMPRS for the Life Course: Evolutionary and Ontogenetic Dynamics, Berlin
European Projects and Networks
Europäische Forschungsprojekte und Netzwerke
Joint-Action Science and Technology (JAST)
Abnormal Proteins in the Pathogenesis of Neurodegenerative Disorders (APOPIS)
This area is supported by
Dieser Bereich wird unterstützt durch
Max Planck Institute for Biophysical Chemistry, Goettingen