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Hirnforschung, was kannst du? : Die Aufmerksamkeit, die wir verdienen

  • -Aktualisiert am

Roboter heute – morgen Chefs. Bild: dpa

Unser Auge kann ein einzelnes Lichtteilchen erfassen, aber die Welt, die es uns zeigt, ist eine sehr spezielle. Wie wir die Welt wahrnehmen, und wo die Grenzen sind, schildert der Göttinger Hirnforscher Stefan Treue.

          Wie alle Organismen erleben wir die Interaktion mit unserer Umwelt als Wechselspiel von Wahrnehmung und Handlung. Wahrnehmung ist dabei eine essentielle Voraussetzung für die Auswahl sinnvoller Handlungen. Je leistungsfähiger die Wahrnehmung ist, desto eher kann ein Organismus in einer Umwelt überleben und sich fortpflanzen. Dieser Vorteil war und ist die evolutionäre Triebfeder für die Hochentwicklung von Sinnessystemen.

          Die Erkenntnis der zentralen Rolle von Wahrnehmung besteht nicht erst, seit wir wissen, dass unser Nervensystem Ergebnis eines komplexen Evolutionsprozesses ist. Schon lange vor Darwin hat sich die Philosophie Gedanken über Wahrnehmung als Abbildungsprozess unserer Umwelt und über die sich daraus ergebenden Konsequenzen gemacht. Platons Höhlengleichnis ist dafür ein Paradebeispiel. Verfasst etwa 370 v. Chr., setzt es sich mit der erkenntnistheoretischen Frage auseinander, was wir über unsere Umwelt wissen (können) und inwieweit die in diesem Prozess inhärenten Beschränkungen unsere Erkenntnisfähigkeit begrenzen.

          Seitenblick auf eine Menschenhirnhälfte beim Ausführen einer Aufmerksamkeitsaufgabe. Im Kernspintomographen weisen gelde Fläche auf erhöhte, blaue auf erniedrigte Aktivität hin.
          Seitenblick auf eine Menschenhirnhälfte beim Ausführen einer Aufmerksamkeitsaufgabe. Im Kernspintomographen weisen gelde Fläche auf erhöhte, blaue auf erniedrigte Aktivität hin. : Bild: Columbia University Medical Center

          Das Gleichnis zeichnet uns als Gefangene unseres Wahrnehmungsapparats. Es verdeutlicht, dass uns für unsere Wahrnehmung immer nur eine (interne) Repräsentation unserer externen Umwelt zur Verfügung steht. Doch in welchem Zusammenhang steht diese innere Repräsentation mit der externen Umwelt? Selbst im Idealfall, in dem die interne Repräsentation ein präzises Abbild unserer Umwelt ist, unterliegt dieses Abbild trotzdem Einschränkungen, Unvollkommenheiten und möglicherweise sogar systematischen Fehlern.

          Das Plantonsche Höhlengleichnis steht dabei nur am Anfang einer langen philosophischen Tradition, darüber nachzudenken, wie wir zu wahrer Erkenntnis über unsere physikalische Welt kommen können, wenn uns immer nur eingeschränkte Abbilder zur Verfügung stehen. Die Neurowissenschaften nehmen hier eine biologische Perspektive ein. Denn unser Wahrnehmungsapparat ist keine zufällige Spielerei, sondern dient einem handfesten und sehr realen Zweck, nämlich dem Überleben des Individuums. Die Natur hat daher das Problem der Übereinstimmung oder Nichtübereinstimmung von physikalischer Wirklichkeit und Wahrnehmung, also unserer internen Repräsentation dieser Wirklichkeit, auf ihre ganz eigene, sehr pragmatische Weise gelöst.

          Zum Vergleich das Hirn eines Rhesusaffen: Die Areale, die bei Aufmerksamkeit aktiviert werden, unterscheiden sich zum Menschenhirn.
          Zum Vergleich das Hirn eines Rhesusaffen: Die Areale, die bei Aufmerksamkeit aktiviert werden, unterscheiden sich zum Menschenhirn. : Bild: Columbia University Medical Center

          Als Lebewesen sind wir das Ergebnis einer viele Millionen Jahre andauernden Evolution. In diesem Prozess haben sich jene Varianten von Organismen erfolgreich behauptet, das heißt zahlreicher fortgepflanzt, deren Wahrnehmungsapparat ihnen beim Überleben geholfen hat. Organismen mit Nervensystemen, die Wahrnehmungen erzeugten, die weniger mit der realen Umgebung zu tun hatten, waren in ihrem Fortpflanzungserfolg eingeschränkt, und so konnten sich diese Mutationen nicht durchsetzen. Geblieben und sich weiterentwickelt haben sich diejenigen Varianten von Sinnessystemen, denen eine besonders gute Übereinstimmung zwischen der Umwelt und der eigenen Wahrnehmung gelang. Diese Sicht auf die Menschheitsfrage nach dem, was wir wissen (können), wird auch als evolutionäre Erkenntnistheorie bezeichnet.

          Einzelne Lichtteilchen wahrnehmbar

          Unter dem unnachgiebigen Selektionsdruck der Evolution haben sich im Laufe der Zeit viele Hochleistungssinnessysteme herausgebildet. Wie effektiv dieser Prozess zur Ausbildung beeindruckender Spitzenleistungen geführt hat, zeigt sich auch am visuellen System des Menschen. So lässt sich nachweisen, dass unter idealen Bedingungen noch ein einzelnes Photon, also die physikalisch kleinste Lichtmenge, von unseren Augen erfasst und gesehen werden kann. Trotz dieser hohen Empfindlichkeit sind wir in der Lage, uns auch an Situationen großer Helligkeit (auf einem Schneefeld in der Sonne) anzupassen, obwohl die dortige Helligkeit millionenfach höher als bei einem Spaziergang im Mondschein ist.

          Diese Leistungsfähigkeit der Sinnesorgane ist eine hervorragende Grundlage für eine ebenso leistungsfähige Wahrnehmung. Sie stellt uns aber auch vor ein Luxusproblem. Die Nervensysteme, welche die von diesen Sinnessystemen aufgenommene und weitergeleitete Information verarbeiten müssen, sehen sich einer enormen Flut von sensorischen Daten ausgesetzt. Um dieser Herausforderung gerecht zu werden, hat die Evolution eine Reihe von Teillösungen entwickelt. Kompressionsprozesse und Arbeitsteilung spielen dabei eine besonders prominente Rolle.

          Bild: reuters

          Schon in den ersten Schritten der Informationsverarbeitung in Sinnessystemen stellt sich das Problem anatomischer Kapazitätsbeschränkungen. So stehen für die Weiterleitung der von den 120 Millionen Photorezeptoren unserer Netzhaut aufgenommenen Informationen an das Gehirn nur etwa eine Million Nervenfasern zur Verfügung. Um hier möglichst wenige der soeben mühsam gesammelten Daten zu verlieren, ist die Netzhaut nicht nur eine dicht gepackte Ansammlung hochsensibler Sensoren, sondern auch ein Verarbeitungsnetzwerk, dessen Hauptaufgabe die sinnvolle Datenkompression ist. So werden besonders aussagekräftige Informationen (über Kanten, also lokale Wechsel in der Struktur unserer visuellen Umwelt) auf Kosten weniger aussagekräftiger Informationen (homogene Flächen in der Umwelt) extrahiert, verstärkt und selektiv weitergeleitet. So erzeugt die Netzhaut einen anatomischen Auswahlprozess zur bevorzugten Weiterleitung wichtiger Informationen, nicht unähnlich den Algorithmen, mit denen sich die Datenmenge vieler Musik-CDs für den Speicherplatz eines MP3-Players komprimieren lässt.

          Das Auge als Mustersinnesorgan

          Bei Untersuchungen der Verarbeitung visueller Informationen in der Großhirnrinde hat sich eine ausgeprägte Arbeitsteilung gezeigt. So werden die verschiedenen Aspekte visueller Signale (Farbe, Form, Bewegung etc.) nicht nur von auf jeweils einen oder wenige dieser Aspekte spezialisierten Nervenzellen verarbeitet, sondern diese Nervenzellen sind zudem in getrennten kortikalen Arealen konzentriert. Diese Areale sind anatomisch so miteinander verknüpft, dass sich zwei Aneinanderreihungen bilden und damit die anatomische Grundlage von zwei Informationsverarbeitungsbahnen, deren detaillierte Fähigkeiten und Aufgaben ein zentrales Forschungsfeld der Neurowissenschaften darstellen.

          Es lässt sich also feststellen, dass die neurophysiologische Grundlage der internen Repräsentation unserer Umwelt Nervenzellen in unserer Großhirnrinde sind, die für Teilaspekte der physikalischen Eigenschaften der Umweltreize (wie deren Position, Farbe, Form, Bewegung) spezialisiert sind. Durch ihre hohe Selektivität werden die einzelnen Nervenzellen nur von einer jeweils sehr spezifischen Kombination von Eigenschaften angeregt. Die Zellen stellen also Filter dar, deren Aktivierung nach dem sogenannten „Prinzip spezifischer Stimulusenergien“ („labeled line code“) als Nachweis für die Präsenz der entsprechenden Reize in der Umwelt interpretiert werden können und eine interne Repräsentation dieser Reize darstellen.

          Welche zentrale Aufgabe erfüllen solche Hochleistungssinnessysteme für den jeweiligen Organismus? Die Antwort erscheint offensichtlich: Die Aufgabe eines Sinnessystems ist es, dem Organismus ein möglichst vollständiges und korrektes Abbild der Umwelt zur Verfügung zu stellen.

          Wann ist ein Abbild der Umwelt korrekt?

          Bei der Korrektheit unserer internen Repräsentation geht es um die Übereinstimmung zwischen objektiv erfassbaren Parametern unserer Umwelt und unserer dazugehörigen Wahrnehmung. Ein einfaches Beispiel einer solchen Übereinstimmung wäre, zunächst einen leeren und dann einen gefüllten und damit schweren Koffer zu heben. Da der volle Koffer einen stärkeren Druck auf die Handflächen ausübt, wird er als schwerer wahrgenommen als der leere Koffer. Hier entsteht somit eine gute Übereinstimmung zwischen dem physikalischen Parameter (Druck auf die Handfläche) und der internen Repräsentation (Gewicht).

          Prof. Stefan Treue, Direktor des Göttinger Primatenzentrums.
          Prof. Stefan Treue, Direktor des Göttinger Primatenzentrums. : Bild: Privat

          Anders sieht es bei einer scheinbar vergleichbaren Situation im visuellen System aus. Ein graues Kleidungsstück wird im Halbdunkel ebenso als grau wahrgenommen wie im strahlenden Sonnenschein, obwohl die in den beiden Situationen abgestrahlte Lichtmenge sich um ein Vielfaches unterscheidet. Hier fehlt also die Übereinstimmung zwischen dem physikalischen Parameter (abgestrahlte Lichtmenge) und der internen Repräsentation (Grauwert).

          Bilderflut aus dem Gehirn. Mit digitalisierten Autoradiogrammen kann man einen dreidimensionalen Hirnatlas erzeugen, der verschiedene Hirnareale und deren Organisation zeigt.
          Bilderflut aus dem Gehirn. Mit digitalisierten Autoradiogrammen kann man einen dreidimensionalen Hirnatlas erzeugen, der verschiedene Hirnareale und deren Organisation zeigt. : Bild: Katrin Amunts

          Wie lässt sich diese eklatante Fehlrepräsentation eines so grundlegenden Parameters unserer Umwelt wie die von einem Objekt abgestrahlte Lichtmenge mit den oben skizzierten sonstigen Höchstleistungen unseres visuellen Systems vereinbaren? Dies gelingt, wenn man sich klarmacht, dass für den evolutionären Selektionsdruck im engeren Sinn nicht die physikalische Eins-zu-eins-Korrektheit der Abbildung unserer Umwelt relevant ist, sondern die Relevanz für das Überleben. Dazu gehören vor allem die Eigenschaften der Objekte unserer Umwelt. Das ist aber nicht die von ihnen abgestrahlte absolute Lichtmenge, denn diese ist direkt von den Beleuchtungsbedingungen abhängig, sondern es sind die Reflexionseigenschaften der Objektoberfläche, also der Anteil des einfallenden Lichts, der von der Oberfläche zum Betrachter reflektiert wird.

          Diese Reflektivität steht dem visuellen System nicht als direkte Information zur Verfügung, sondern lässt sich nur über eine komplexe Auswertung der gesamten Lichtverhältnisse in der jeweiligen Situation abschätzen. Diese Fähigkeit hat das visuelle System entwickelt und in einer so automatisierten Form umgesetzt, dass wir diesen Prozess weder bewusst erleben noch abschalten können. Diese Nachteile werden durch die Vorteile eines solchen Systems in der alltäglichen Analyse von überlebensrelevanten Sinnesinformationen offenbar mehr als aufgewogen.

          Dieses einfache Beispiel zeigt eindrücklich, dass eine - im strengen physikalischen Sinne - korrekte Repräsentation der Umwelt nicht das primäre Maß für die Qualität von Sinnessystemen ist.

          Unvollständige innere Repräsentation

          Nun zur Vollständigkeit unserer internen Repräsentation. Diese scheint offensichtlich gegeben, jedenfalls erleben wir bei einem gesunden Sehsinn keine Ausfälle im Gesichtsfeld, also unvollständige Repräsentationen. Eine quantitative Untersuchung der Vollständigkeit unserer Wahrnehmung ist aber schwierig. Ein Ansatz, der sich in den letzten Jahren herausgebildet hat, ist es, Änderungen in der physikalischen Umwelt unter kontrollierten experimentellen Bedingungen zu erzeugen und zu überprüfen, ob diese Änderungen von Versuchspersonen wahrgenommen werden. Wenn wir über eine vollständige interne Repräsentation unserer Umwelt verfügen, dann sollten wir entsprechend kleine Änderungen in unserer Umwelt bemerken. Im Internet finden sich viele Beschreibungen solcher Versuchsansätze mit den dazugehörigen Bildern oder Filmsequenzen. In all diesen Versuchen wird deutlich, dass es unter geeigneten Versuchsbedingungen außerordentlich schwierig und entsprechend selten ist, dass die Versuchsteilnehmer die zum Teil umfangreichen Änderungen in ihrer sensorischen Umwelt bemerken. Daraus und aus einer großen Zahl verwandter Beobachtungen lässt sich schließen, dass unsere interne Repräsentation große Teile unserer Umwelt nur skizzenhaft enthält, auch wenn wir uns dessen nicht bewusst sind.

          Wahrnehmung erzeugt also keine genaue Eins-zu-eins-Abbildung unserer Umwelt. Vielmehr scheint es darum zu gehen, eine Repräsentation zu erzeugen, die sich auf verhaltens- und damit überlebensrelevante Informationen konzentriert. Irrelevante Aspekte werden unterdrückt und eine Repräsentation erzeugt, die etwa Objekteigenschaften extrahiert, selbst auf Kosten von anderen, direkteren Maßen der physikalischen Umwelt.

          „Besitzergreifung des Geistes“

          Nach diesem Exkurs in die Frage nach der genauen Rolle von Sinnessystemen und dem evolutionären Selektionsdruck, der sie geformt hat, lohnt sich ein Blick zurück auf das Luxusproblem der Reizüberflutung. Der wohl bedeutendste Mechanismus, mit dem hochentwickelte Nervensysteme dieses Problem bewältigen, ist die Aufmerksamkeit.

          Die zentrale Rolle von Aufmerksamkeit für die Wahrnehmung ist schon lange erkannt. So schrieb William James, ein bedeutender amerikanischer Psychologe, schon 1890: „Jeder weiß, was Aufmerksamkeit ist. Es ist die Besitzergreifung des Geistes in klarer und lebendiger Form durch eine von vielen scheinbar gleichzeitig möglichen Objekten oder Gedankengängen. Fokussierung, Konzentration des Bewusstseins sind seine Essenz. Aufmerksamkeit impliziert die Abwendung von einigen Dingen, um mit anderen effektiver umgehen zu können.“

          Bereits William James hatte damit die Kernaufgabe von Aufmerksamkeit identifiziert, nämlich die selektive Konzentration von Verarbeitungsressourcen auf den kleinen Anteil der einströmenden Daten, die einem Organismus in der momentanen Situation relevant erscheinen, und der gleichzeitigen Reduktion (oder vollständigen Elimination) der Verarbeitung irrelevanter Daten.

          Aber wie interagiert Aufmerksamkeit als ein internes, von unserem Gehirn gesteuertes System mit der Verarbeitung von externen Sinnesinformationen? Nach einer langen Geschichte der Untersuchung von Aufmerksamkeitsphänomenen mittels psychologischer Methoden, können wir jetzt auf eine Dekade mit einer großen Anzahl von Untersuchungen der physiologischen Grundlagen dieses zentralen Aspekts von Wahrnehmung blicken.

          Grundlage des Fortschritts sind die inzwischen technisch sehr ausgefeilten Methoden zur direkten Untersuchung der Aktivität einzelner Nervenzellen in Organismen, die während dieser Messungen Aufmerksamkeitsaufgaben ausführen. Diese Untersuchungen werden üblicherweise in Rhesusaffen durchgeführt, weil sie ein dem Menschen sehr ähnliches Nervensystem haben und in der Lage sind, komplexe Aufmerksamkeitsaufgaben auszuführen. Die dabei erzielten Ergebnisse haben sich als essentiell für ein grundlegendes Verständnis der neuronalen Grundlagen von Wahrnehmung erwiesen.

          Arbeitsteilung der Zellen

          Wie oben erläutert, beruht die interne Repräsentation von Sinnesreizen auf der schon erläuterten Arbeitsteilung von Nervenzellen, die spezifisch auf verschiedene Aspekte sensorischer Reize reagieren. Eine solche Zelle zeigt zum Beispiel eine Präferenz für eine bestimmte Farbe und reagiert auf einen Sinnesreiz dieser Farbe. Eine andere Nervenzelle im selben Areal der Großhirnrinde reagiert entsprechend auf die Anwesenheit einer anderen Farbe, während eine Zelle in einem anderen Areal auf eine visuelle Bewegung nach rechts reagiert, ohne dass die Farbe des Reizes die Reaktion der Zelle beeinflusst.

          Diese sensorischen Präferenzen der Zellen sind aber nicht der alleinige Faktor, der über die Reaktion dieser Nervenzellen auf visuelle Reize bestimmt. Vielmehr zeigen Aktivitätsmessungen aus der Großhirnrinde, dass diese Zellen in ihrer Reaktion auch die Verhaltensrelevanz eines Reizes in Form der auf ihn gerichteten Aufmerksamkeit berücksichtigen. So steigt die Sensitivität, also die Reaktion auf einen gegebenen Reiz an, wenn dieser Reiz beachtet wird. Gleichzeitig präsentierte Reize, die nicht beachtet werden, lösen dagegen schwächere Reaktionen in den Nervenzellen aus. Dieser Effekt lässt sich bereits in den frühesten visuellen Verarbeitungsarealen der Großhirnrinde nachweisen. Er nimmt dann mit jedem Verarbeitungsschritt, also in der Kaskade hintereinandergeschalteter Verarbeitungsareale zu, bis dann in Arealen des Frontallappens die sensorischen Qualitäten gegenüber der Verhaltensrelevanz, also der Frage, ob ein Reiz beachtet oder unbeachtet ist, völlig zurücktreten.

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          Was findet die Mehrheit wirklich gut? Gerade in sozialen Netzwerken kann das Bild der herrschenden Meinung schnell täuschen. : Bild: dpa

          Das führt dazu, dass ein beachteter Reiz in den Sinnesarealen der Großhirnrinde zu einer stärkeren Reaktion und damit einer besseren internen Repräsentation führt als ein unbeachteter Reiz. Das physiologische Korrelat von Aufmerksamkeit ist damit ein Selektionsprozess. Dieser verstärkt die Verarbeitung all derjenigen Reize in unserer Umwelt, deren Eigenschaften (Position, Farbe, Bewegungsrichtung) mit dem momentanen Aufmerksamkeitszustand übereinstimmen. Als Kehrseite dieser Verstärkung reduziert sich die Verarbeitung der Reize, für die diese Übereinstimmung nicht gegeben ist. Die beschriebenen physiologischen Aufmerksamkeitsprozesse erfüllen damit genau die Anforderungen, die William James in seinem obigen Zitat herausgearbeitet hat.

          Diese Interaktion zwischen der Sensorik und der Aufmerksamkeit heißt aber auch, dass in einem gewissen Umfang die sensorische Stärke und die Ausrichtung von Aufmerksamkeit gegeneinander abgewogen werden können. So nehmen wir einen starken, aber unbeachteten Reiz ähnlich wahr wie einen deutlich schwächeren, aber beachteten Reiz. Die interne Repräsentation unserer Umwelt ist also von Anfang an eine Kombination aus der externen Signalstärke und der Bedeutung, die einem Reiz vom Organismus zugewiesen wird. Eine rein sensorische Repräsentanz unserer Umwelt scheint es in unserem Nervensystem nicht zu geben. Dies führt uns zurück zu dem evolutionären Selektionsvorteil einer internen Repräsentation der Umwelt, die sich vor allem auf die überlebenswichtigen Informationen konzentriert.

          Wie wird Aufmerksamkeit gesteuert?

          Wie oben erläutert, muss diese Repräsentation weder vollständig noch im physikalischen Sinne korrekt sein. Wir können nun ergänzen, dass wir auch davon profitieren, wenn sie durch Aufmerksamkeit verstärkte und durch die Abwesenheit von Aufmerksamkeit abgeschwächte Aspekte enthält. Damit hat sich der Kreis geschlossen, in dem die moderne Forschung einerseits Platos Erkenntnis von dem Abbildungscharakter unserer Wahrnehmung bestätigt im Rahmen der evolutionären Erkenntnistheorie, aber auch eine Erklärung anbietet, warum diese Abbildung im engen Zusammenhang steht zur physikalischen Umwelt. Wie sich damit zeigt, hat die moderne Hirnforschung vielfältige Erkenntnisse erbracht, wie unser Nervensystem uns eine hocheffiziente und auf relevante Informationen konzentrierte Wahrnehmung ermöglicht.

          Auch wenn die Forschung der letzten Jahrzehnte unser Verständnis über die Rolle der Aufmerksamkeit bei der Wahrnehmung weit vorangebracht hat, so bleiben doch wichtige Fragen noch unbeantwortet. Erkenntnisse über die Steuerungsmechanismen des fein austarierten Aufmerksamkeitssystems werden helfen, die Brücke von der Grundlagenforschung zur medizinischen Anwendung zu schlagen. Solche Fortschritte sind die Voraussetzung für therapeutische Verbesserungen, von denen viele Patienten mit neurologischen, neurodegenerativen und psychiatrischen Erkrankungen, bei denen das Aufmerksamkeitssystem in Mitleidenschaft gezogen ist, schließlich irgendwann profitieren sollen.

          Prof. Dr. Stefan Treue hat nach dem Studium in Deutschland und den Vereinigten Staaten ist der Autor im Jahr 2001 Direktor des Deutschen Primatenzentrums in Göttingen und Professor für kognitive Neurowissenschaften und Biopsychologie an der Universität Göttingen geworden. Sein Forschungsschwerpunkt ist das Verständnis der neuronalen Basis visueller Wahrnehmung bei Menschen und anderen Primaten. 2010 wurde er für seine Arbeiten auf dem Gebiet der neurobiologischen Aufmerksamkeitsforschung mit dem Leibniz-Preis der DFG ausgezeichnet.

          Die Vortragsreihe

           Die Vortragsreihe “Hirnforschung, was kannst du im Bereich ..?“ ist eine Initiative der Gemeinnützigen Hertie-Stiftung in Zusammenarbeit mit der Frankfurter Allgemeinen Zeitung. Die Erwartungen an die Neurowissenschaften, aber auch die Versprechungen der Hirnforschung selbst sind hoch. Aber was kann sie wirklich? In dieser Artikelserie stellen wir die Frage nach Erfolgen und Möglichkeiten, aber auch Rückschlägen und Grenzen der modernen Neurowissenschaften in gesellschaftlich interessierenden Bereichen. Basierend auf einer Vortragsreihe, die in Frankfurt von der Gemeinnützigen Hertie-Stiftung als größtem privaten Förderer der Hirnforschung organisiert wird, publizieren wir in losen Abständen Beiträge führender Hirnforscher zu Themen wie Sprache, Technik, Wirtschaft, Krankheit, Kunst, Denken, Musik, Bewusstsein, Gefühle, Schule, Gedächtnis und Psyche.

          Quelle: F.A.Z.

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