Unser Gehirn ist ein faszinierendes Organ, das ständig Informationen aufnimmt, verarbeitet und speichert. Diese Fähigkeit ermöglicht es uns, aus Erfahrungen zu lernen, uns an Ereignisse zu erinnern und auf neue Situationen angemessen zu reagieren. Doch wie genau funktioniert die Speicherung von Informationen im Gehirn? Welche Mechanismen sind daran beteiligt, und warum vergessen wir manche Dinge, während andere uns ein Leben lang begleiten?
Die Grundlagen der Informationsverarbeitung im Gehirn
Die Informationsverarbeitung im Gehirn ist ein komplexer Prozess, der mehrere Schlüsselschritte umfasst:
Wahrnehmung: Die Aufnahme von Informationen durch unsere Sinne (Sehen, Hören, Riechen, Schmecken und Tasten). Das Gehirn filtert und interpretiert diese sensorischen Eingaben, um eine Repräsentation der äußeren Welt zu erstellen.
Aufmerksamkeit: Nicht alle eingehenden Informationen werden gleichzeitig verarbeitet. Die Aufmerksamkeit spielt eine entscheidende Rolle dabei, welche Informationen priorisiert werden und welche ignoriert werden. Dieser Prozess ist entscheidend für die Selektion und Fokussierung auf relevante Informationen.
Gedächtnis: Die verarbeiteten Informationen werden im Gedächtnis gespeichert, wo sie für zukünftige Abrufe verfügbar sind. Das Gedächtnis ist in verschiedene Typen unterteilt, darunter das sensorische Gedächtnis, das Kurzzeitgedächtnis und das Langzeitgedächtnis, die jeweils unterschiedliche Funktionen haben und zusammenarbeiten, um Informationen zu speichern und abzurufen.
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Denken und Problemlösen: Diese Phase beinhaltet das Verarbeiten und Analysieren der gespeicherten Informationen, um Probleme zu lösen, Entscheidungen zu treffen und Schlussfolgerungen zu ziehen. Hier kommen kognitive Prozesse wie das logische Denken, das Abstraktionsvermögen und die Problemlösungsfähigkeiten zum Einsatz.
Handlungsplanung und Ausführung: Schließlich erfolgt die Umsetzung der getroffenen Entscheidungen und Schlussfolgerungen in Handlungen oder Verhaltensweisen.
Die Rolle des Hippocampus und der Amygdala
Die Schaltzentrale für unser Gedächtnis ist der Hippocampus. Dort werden alle Sinnesreize und Erlebnisse gefiltert und an die verschiedenen Hirnregionen geschickt. Informationen, die unser Gedächtnis möglichst lange behalten möchte, werden im Langzeitgedächtnis abgelegt. Sind vor allem Emotionen beteiligt, dann besteht die Chance, dass wir diese Sinneseindrücke besonders lange im Gedächtnis behalten: Emotionale Momente werden über das limbische System gefiltert, das aus Hippocampus und Amygdala besteht. Deshalb können wir uns so gut an die erste große Liebe erinnern.
Besonders belastende Ereignisse werden in unserem Gehirn anders gespeichert. Die Schaltzentrale des Gedächtnisses, der Hippocampus, wird durch den Stress außer Gefecht gesetzt. Die Amygdala übernimmt die Verarbeitung, denn sie reagiert auf Angst und Furcht.
Die verschiedenen Arten des Gedächtnisses
Das Langzeitgedächtnis wird in mehrere Gedächtnisformen unterteilt, die unterschiedliche Inhalte abspeichern:
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Deklaratives Gedächtnis: Besteht aus persönlichen Erinnerungen (episodisches Gedächtnis) und dem Faktenwissen (semantisches Gedächtnis).
Nicht-deklaratives Gedächtnis: Beinhaltet Fertigkeiten wie Laufen, Schreiben oder Fahrradfahren, aber auch erlernte Ängste oder Konditionierungen.
Neben dem Langzeitgedächtnis gibt es das Arbeitsgedächtnis, das Inhalte kurzzeitig speichert, etwa beim Lösen von Rechenaufgaben.
Synaptisches Tagging: Wie das Gehirn wichtige Informationen markiert
Unser Gehirn speichert täglich unzählige Informationen. Die Speichereinheiten für diese Informationen finden sich in den Synapsen, also in den feinen Verästelungen, über die sich die Nervenzellen im Gehirn miteinander vernetzen. Jede einzelne Zelle verfügt über bis zu 10.000 dieser winzigen Äste. Sobald wir Informationen verarbeiten, verändern sich diese. Wenn bestimmte Informationen nun in das Langzeitgedächtnis überschrieben werden sollen, bedeutet das, dass sich die entsprechenden Synapsen dauerhaft verändern müssen. Im Zellkern setzt sich dazu ein Mechanismus in Gang, der über die dortigen Gene bestimmte Proteine ausschüttet. Wie aber „wissen“ die zentral produzierten Proteine, welche Synapsen dauerhaft verstärkt werden sollen? Und wie kommen Sie an die richtige Stelle?
Martin Korte und Shreedharan Salikumar haben am Institut für Zoologie der TU Braunschweig beobachtet, wie die betroffenen Bereiche der Synapsen zu diesem Zweck auf raffinierte Weise auf sich aufmerksam machen. Sie produzieren einen Marker (engl. „tag“), der dafür sorgt, dass die notwendigen Proteine nur an eben diesen markierten Synapsen wirksam sind. Durch das „synaptic tagging“ müssen Proteine aus dem Zellkern nicht mehr gezielt an die richtige Stelle transportiert werden, sondern sie können in eine größere Funktionseinheit „geschickt“ werden. Ihre Wirkung entfalten sie nur an der richtigen Stelle. „Das Gehirn hängt auf diese Weise gleichsam einen Wimpel mit der Aufschrift ‚bitte verarbeiten und behalten‘ an die eintreffenden Signale,“ erläutert Prof. Martin Korte.
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NogoA: Ein Protein, das Erinnerungen stabilisiert
Ein medizinisches Rätsel kam Andrea Delekate, Marta Zagrebelsky, Stella Kramer und Prof. Martin Korte vom Institut für Zoologie der Technischen Universität Braunschweig sowie dem schweizer Hirnforscher Prof. Martin E. NogoA ist ein Protein, das das Wachstum von Nervenzellen hemmt. Es kommt im Körper nur im Zentralen Nervensystem, also im Gehirn und im Rückenmark, vor - und kann eine fatale Wirkung entfalten. Wenn Nervenstränge, zum Beispiel in der Hand, verletzt werden, kann sich das Gewebe in der Regel regenerieren. Wird aber, wie nicht selten bei Motorradunfällen, das Rückenmark verletzt, sorgt dieses Protein dafür, dass die Nerven sich nicht wieder miteinander vernetzen.
Die Forscher konnten nachweisen, dass das NogoA sowohl die Funktion als auch die Struktur von Nervennetzen stabilisiert, und auf diese Weise hilft, Erinnerungen zu speichern. Es schreibt also in bestimmten Stellen des Gehirns die Funktionalität von neuronalen Netzten fest und schützt sie vor weiteren Änderungen.
Neuronale Mechanismen: Das Gehirn erstellt drei Kopien für eine einzelne Erinnerung
Ein Team um Flavio Donato vom Biozentrum der Universität Basel hat einen tieferen Einblick in die Vorgänge im Hippocampus bei Mäusen gewonnen und gezeigt: Das Gehirn erstellt drei Kopien für eine einzelne Erinnerung. Sie fanden heraus, dass ein einziges Erlebnis parallel in mindestens drei verschiedenen Gruppen von Neuronen gespeichert wird. Die drei Kopien oder Gedächtnisspuren unterscheiden sich vor allem darin, zu welchem Zeitpunkt des Abrufs sie relevant sind und wie leicht sie sich verändern lassen.
- »Junge« Neurone unterstützen demnach den Abruf kurz nach dem Erwerb der Erinnerung. Diese Erinnerungsspur ist anfangs sehr stark und verblasst mit der Zeit.
- Die zweite Erinnerungskopie in spät entstandenen Neuronen dienen vorzugsweise dem Abrufen nach kurzer Zeit. Ihre Gedächtniskopie ist anfangs sehr stark, wird aber mit der Zeit schwächer - die hier abgespeicherten Erinnerungen sind daher erst sehr präsent, verblassen aber schnell.
- Wenn wir uns hingegen erst nach langer Zeit an ein Ereignis erinnern, werden dabei die frühen Neuronen aktiv. Deren Gedächtniskopie ist jedoch kaum mehr veränderbar und daher weniger anfällig für nachträgliche Verfälschungen.
Dornfortsätze: Die Grundlage für assoziatives Lernen
Die Veränderbarkeit neuronaler Signalübertragung ist eine der herausragenden Eigenschaften des Gehirns und wird von Neurowissenschaftlern als zelluläre Grundlage für das menschliche Gedächtnis angesehen. Dies ist besonders einleuchtend, wenn man assoziatives Gedächtnis verstehen möchte. Dabei gilt es, Informationen, die auf den ersten Blick nichts miteinander zu tun haben, aufzunehmen, zu verknüpfen und als sinnvollen Zusammenhang zu speichern. Solche Verknüpfungen (oder Assoziationen) liegen auch den komplexesten Denkvorgängen zugrunde.
Während die Tiere lernten, ihre Augen nach der Tasthaarberührung zu schließen, um den Luftstoß aufs offene Auge zu vermeiden, haben die Hirnforscher starke Umbauvorgänge der Dornfortsätze beobachtet. Es wurden im Mittel 15 Prozent der Dornfortsätze abgebaut, je länger der Lernprozess voranschritt und je besser war die individuelle Lernleistung der Maus. Ein Hinweis auf die hohe räumliche Präzision der Assoziationsprozesse ist es, dass der Dornfortsatzumbau nur an dem Punkt der Großhirnoberfläche stattfand, wo der sensorische Eingang des fraglichen Tasthaares war.
Einflussfaktoren auf die Informationsverarbeitung
Verschiedene Faktoren können die Effizienz und Genauigkeit der Informationsverarbeitung beeinflussen:
Aufmerksamkeit: Die Fähigkeit, sich auf relevante Informationen zu konzentrieren, ist entscheidend für eine effektive Informationsverarbeitung. Ablenkungen und Überlastung können die Aufmerksamkeit beeinträchtigen und die Leistung verringern.
Emotionen: Emotionen können die Art und Weise beeinflussen, wie wir Informationen verarbeiten und erinnern. Positive Emotionen können beispielsweise das Gedächtnis und die kognitive Leistung verbessern, während negative Emotionen sie beeinträchtigen können.
Erfahrung und Expertise: Erfahrung und Fachwissen in einem bestimmten Bereich können die Informationsverarbeitung verbessern, da sie das Gedächtnis und die Fähigkeit zur Problemlösung stärken.
Gesundheit und Wohlbefinden: Körperliche Gesundheit, ausreichender Schlaf und eine ausgewogene Ernährung können die kognitive Funktion unterstützen, während Krankheit, Schlafmangel und Stress sie beeinträchtigen können.
Gedächtnisstörungen und ihre Ursachen
Menschen mit Gedächtnisstörungen fällt der Blick in die Vergangenheit schwer, denn bestimmte Erinnerungen werden nicht mehr in ihrem Gedächtnis gespeichert. Sie können zum Beispiel eine Person, die sie gerade kennengelernt haben, kurz darauf nicht mehr wiedererkennen. Je nachdem, welche Hirnregion nicht mehr arbeitet, gehen Erinnerungen verloren.
Hyperthymestisches Syndrom (HSAM): Das Phänomen des Nicht-Vergessens
Es gibt Menschen, die können sich an jeden Tag ihres Lebens erinnern: Wo sie waren, was sich ereignet hat - sie vergessen nichts. Vermutlich gibt es weltweit rund 60 Personen mit diesem sogenannten hyperthymestischen Syndrom (HSAM). Andreas Papassotiropoulos und sein Team von der Uni Basel vermuten schon lange, dass die Ursache dieses Nicht-Vergessens auf molekularer Ebene zu finden ist. Die Sequenzierung der DNA von Menschen mit hyperthymestischen Syndrom lieferte den Beweis: Ein Gen ist dafür verantwortlich, dass Vergessen an den Schnittstellen der Nervenzellen blockiert wird.
Möglichkeiten zur Verbesserung der Gedächtnisleistung
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Gedächtnisleistung zu verbessern:
Gehirntraining: Lernprogramme können helfen, das Gedächtnis auf Trab zu halten.
Bewegung, Schlaf und Ernährung: Viel Bewegung, ausreichend Schlaf und eine gesunde Ernährung können vor Demenzerkrankungen und vor Vergessen schützen. Diese einfachen Mitteln sorgen für eine bessere Durchblutung des Gehirns und für ein besseres Gedächtnis.
Neues lernen: Eine Umgebung mit viel Anregung hält das Gedächtnis jung. Neurowissenschaftler vermuten, dass es ähnlich wirkt, wenn wir immer wieder Neues lernen. Damit können wir unser Gedächtnis fit halten.
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