Das Gedächtnis des Gehirns: Funktion, Prozesse und Bedeutung

Das menschliche Gehirn ist ein faszinierendes Organ, das Sinneswahrnehmungen verarbeitet, Bewegungen koordiniert und komplexe Informationen speichert. Das Gedächtnis, als eine seiner wichtigsten Funktionen, ermöglicht es uns, uns an Dinge, Menschen und Ereignisse zu erinnern und unser Verhalten aufgrund von Erfahrungen zu steuern. Doch wie funktionieren Lern- und Erinnerungsprozesse genau? Und welche Mechanismen spielen dabei eine Rolle?

Die neuronalen Grundlagen des Gedächtnisses

Im menschlichen Gehirn vernetzen sich ungefähr 86 Milliarden Nervenzellen (Neuronen). Diese Neuronen sind über Synapsen miteinander verbunden, die darauf spezialisiert sind, Signale elektrochemisch umzuwandeln und weiterzuleiten. Beim Lernen werden individuell und selektiv erworbene Informationen aus der Umwelt im Gedächtnis in abrufbarer Form gespeichert. Dieser Prozess kann kurzfristig oder langfristig erfolgen, wobei Erfahrungen über längere Zeiträume hinweg aufgebaut und sogar für das ganze Leben gespeichert werden können.

Lernen basiert auf einer spezifischen Verstärkung von bestimmten Synapsen, an denen die Signalübertragung durch biochemische und strukturelle Modifikationen erleichtert wird (Langzeitpotenzierung und synaptische Plastizität). Plastische Synapsen verändern ihre Struktur und ihre Übertragungseigenschaften, was die Grundlage für Lern- und Gedächtnisprozesse bildet. Manchmal bilden sich beim Lernen neue Synapsen, während nicht mehr gebrauchte Synapsen abgebaut werden. Faktoren wie Aufmerksamkeit, Motivation und Belohnung beeinflussen, wie gut wir lernen und uns etwas merken können, wobei wichtige von unwichtigen Informationen getrennt werden.

Es gibt keinen zentralen Ort im Gehirn, an dem Informationen gespeichert werden, aber der Hippocampus spielt eine zentrale Rolle als Schaltstelle für viele Gedächtnisinhalte.

Die verschiedenen Arten des Gedächtnisses

Das Gedächtnis lässt sich in verschiedene Kategorien unterteilen, die sich auf die Zeitspanne beziehen, in der die Gedächtnisinhalte abgerufen werden können:

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• Ultrakurzzeitgedächtnis (sensorisches Gedächtnis): Hier werden Informationen nur für einige Millisekunden bis maximal zwei Sekunden behalten. Es ermöglicht eine erste Informationsverarbeitung und speichert beispielsweise eine neue Telefonnummer, die man hört und ins Telefon eingibt. Neu eintreffende Informationen verdrängen rasch die aktuellen Inhalte.
• Kurzzeitgedächtnis (Arbeitsgedächtnis): Ermöglicht das Abspeichern von Daten über einen Zeitraum von einigen Sekunden bis wenigen Minuten. Hier kann man sich beispielsweise eine nachgeschlagene Nummer kurz merken, bis man sie aufgeschrieben hat. In der ersten Phase nach Aufnahme von Gedächtnisinhalten sind diese noch nicht stabil gespeichert.
• Langzeitgedächtnis: Hier kommen alle wichtigen Informationen, die es wert sind, aufgehoben zu werden und die das Kurzzeitgedächtnis sonst zum „Überlaufen“ bringen würden. Der Umfang des Langzeitgedächtnisses ist von Mensch zu Mensch sehr verschieden und umfasst den aktiven und passiven Wortschatz, Erinnerungen, Daten, Fakten, gelerntes Wissen und den erworbenen Wortschatz fremder Sprachen.

Deklaratives und nicht-deklaratives Gedächtnis

Das Langzeitgedächtnis wird weiter unterteilt in deklaratives und nicht-deklaratives Gedächtnis:

• Deklaratives Gedächtnis (explizites Gedächtnis): Speichert explizite, also bewusste, sprachlich abrufbare Inhalte. Es wird weiter unterteilt in:
  • Episodisches Gedächtnis (autobiographisches Wissen über die eigene Person und die eigenen Erlebnisse)
  • Semantisches Gedächtnis (Schul- oder Faktenwissen über die Welt, unabhängig von der eigenen Erfahrung)
• Nicht-deklaratives Gedächtnis (implizites Gedächtnis): Speichert implizite Inhalte, die dem Bewusstsein nicht direkt zugänglich und deshalb auch nicht sprachlich abrufbar sind. Dazu gehören beispielsweise hochgradig automatisierte Fertigkeiten wie Autofahren, Radfahren oder das Binden der Schnürsenkel (prozedurales Gedächtnis).

Wie funktioniert das Gedächtnis?

Etwa 10 Millionen Signale aus den Sinnesorganen erreichen unser Gehirn in jeder Sekunde, aber nicht alle sind es wert, gespeichert und später erinnert zu werden. Daher erfolgt eine Selektion der Signale, welche die Eindrücke in verschiedene Kategorien einteilt: „bekannt“ und „unbekannt“. Danach entscheidet unser Gehirn, ob die Eindrücke es wert sind, dass wir sie uns einprägen und im Gedächtnis behalten, um sie zu einem späteren Zeitpunkt wieder abrufen zu können.

Es gibt keine klar abgrenzbare Struktur im Gehirn für das Gedächtnis. Vielmehr ist für die Merk- und Erinnerungsfähigkeit ein Netzwerk von Nervenzellen zuständig, die sich über verschiedene Hirnbereiche erstrecken. Bei Gedächtnisprozessen sind daher verschiedene Gehirnbereiche gleichzeitig aktiv.

• Für das prozedurale Gedächtnis sind beispielsweise die Basalganglien, (prä-)motorische und cerebelläre (Kleinhirn-) Strukturen zuständig.
• Für das semantische Gedächtnis und episodische Inhalte sind die Amygdala und der Hippocampus wichtig. Die Amygdala speichert Erinnerungen mit emotionalem Gehalt.
• Für die Verarbeitung des episodischen Gedächtnisses sind frontale und temporale Regionen der rechten Gehirnhälfte zuständig, für die Verarbeitung von Inhalten im semantischen Gedächtnis sind die gleichen Regionen der linken Gehirnhälfte zuständig.
• Der Hippocampus im vorderen medialen Temporallappen ist als Zwischenspeicher für Daten, die in das Langzeitgedächtnis übernommen werden sollen, unerlässlich, um neue Informationen abspeichern zu können.
• Um Gedächtnisinhalte abrufen zu können, ist die Funktionsfähigkeit der Corpora mammillaria (gehören zum Zwischenhirn) von Bedeutung.

Gedächtnisstörungen und ihre Ursachen

Bei Gedächtnisstörungen sind die Merk- oder Erinnerungsfähigkeit beeinträchtigt. Der Auslöser kann beispielsweise ein Trauma, wie ein Unfall, sein. Eine retrograde Amnesie bezeichnet dabei den Gedächtnisverlust für die Zeit vor einem bestimmten Ereignis (wie einem Unfall), eine anterograde Amnesie den Gedächtnisverlust für die Zeit nach diesem Ereignis.

Wenn das Kurzzeitgedächtnis ausfällt, können sich Betroffene nicht an direkt vorausgegangene Gespräche oder Ereignisse erinnern, während ältere Ereignisse, die zum Teil Jahre zurückliegen, genau erinnert werden. Das Kurzzeitgedächtnis nimmt im Alter zunehmend ab. Die Betroffenen konzentrieren sich dann bevorzugt auf lange zurückliegende Ereignisse.

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Gedächtnisstörungen können aber nicht nur durch Verletzungen möglich sein, die von außen (Schädel-Hirn-Trauma) einwirken, sondern auch durch innere Verletzungen wie zum Beispiel Gefäßblutungen bei einem Schlaganfall. Degenerative Veränderungen wie die Alzheimer-Krankheit oder Demenz sind ebenfalls häufige Ursachen für ein gestörtes Gedächtnis. Und nicht zuletzt führen auch Medikamente (Neuroleptika) und Alkohol („Filmriss“ nach einer durchzechten Nacht, Korsakow-Syndrom) zu Gedächtnisstörungen. Bei Schädigungen im Bereich der Amygdala sind mit Emotionen verbundene Gedächtnisinhalte gestört. Die Betroffenen können sich nur noch an reine Fakten ohne jeglichen emotionalen Inhalt erinnern.

Aktuelle Forschung: Ripple-Oszillationen im Hippocampus

Ein Forscherteam aus Berlin, München und Haifa hat neue Erkenntnisse zur Funktion des Hippocampus, einem für die Gedächtnisbildung wichtigen Gehirnareal, vorgelegt. Die Forscher untersuchten dabei zelluläre Mechanismen hochfrequenter Rhythmen, die eine wichtige Rolle bei Gedächtnisprozessen und in veränderter Form möglicherweise auch bei diversen Hirn-Erkrankungen spielen.

Im Rahmen der Gedächtnisbildung arbeitet der Hippocampus als eine Art Zwischenspeicher des Gehirns. In Ruhephasen, wie beispielsweise im Schlaf, werden Informationen, die vorher aufgenommen wurden, verfestigt und zur endgültigen Speicherung in andere Hirngebiete weitergeleitet. Diese Funktion des Hippocampus ist an Rhythmen, sogenannte Oszillationen, gekoppelt. Diese Rhythmen sind den vom Arzt mit einem EEG gemessenen Hirnströmen sehr ähnlich. Das Entstehen dieser Rhythmen setzt ein geordnetes Zusammenwirken einer Vielzahl von Nervenzellen voraus. Die Forschung der letzten Jahre hat gezeigt, dass eine Unterdrückung - oder die Verstärkung - von Gehirn-Oszillationen das Lernen verschlechtern oder verbessern kann.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler konzentrierten sich nun in ihrer Studie auf die sogenannte Ripple-Oszillation, einem mit 200 Hz sehr schnellen Rhythmus, dessen Mechanismen bisher wenig verstanden sind. Dabei untersuchten sie elektrische Ströme in einzelnen Zellen im Hippocampus, die während der Ripple-Oszillation auftreten. „Unsere Ergebnisse zeigen zum ersten Mal direkt, wie erregende und hemmende Impulse während der Ripples auf einer sehr schnellen Zeitskala zusammenwirken“, berichtet Dr. Nikolaus Maier, Neurowissenschaftler an der Charité. Das Verständnis dieser Mechanismen ist nicht nur im Rahmen der Gedächtnisforschung von Bedeutung, sondern auch deshalb, weil eine Veränderung der synchronen Aktivität fatale Folgen haben kann. „Eine Störung der Rhythmen im Hippocampus kann eine mögliche Ursache von krankhaften Zuständen wie Epilepsien, Schizophrenie oder Gedächtnisstörungen im Rahmen der Alzheimer-Erkrankung sein“, erläutert Prof. Dr. Dietmar Schmitz, Sprecher des Exzellenzclusters NeuroCure. Daher bilden die jetzt veröffentlichten Ergebnisse auch eine Basis zur Erforschung künftiger klinisch-therapeutischer Ansätze.

Das Gedächtnis im Alltag: Tipps zur Verbesserung der Merkfähigkeit

Unser Gedächtnis ist im Alltag ständig im Gebrauch, dafür reicht schon ein einziger Sinneseindruck. Alles wird im Gedächtnis aufgenommen, das meiste aber wieder vergessen. Oft funktioniert das ganz automatisch. Wir speichern Informationen in den unterschiedlichen Bereichen unseres Gedächtnisses ab. Um die Merkfähigkeit zu verbessern, können folgende Tipps helfen:

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• Konzentration: Konzentrieren Sie sich auf eine Sache, um zu vermeiden, dass Informationen verworfen werden.
• Relevanz: Stellen Sie sicher, dass die Informationen relevant sind, damit sie die nächste Stufe (Arbeitsgedächtnis) erreichen können.
• Wiederholung: Wiederholen Sie Informationen mehrmals, um sie im Langzeitgedächtnis zu verankern.
• Eselsbrücken: Nutzen Sie Eselsbrücken, um sich Informationen besser zu merken.
• Pausen: Legen Sie beim Lernen Pausen ein, um die Konzentration aufrechtzuerhalten.
• Verknüpfung: Verknüpfen Sie neue Informationen mit bereits gelerntem Wissen.
• Bedeutung: Machen Sie sich die Bedeutung der zu lernenden Information bewusst.
• Rahmenbedingungen: Schaffen Sie beim Lernen ähnliche Rahmenbedingungen wie beim Abruf.
• Bewegung: Regelmäßige körperliche Aktivität kann die Durchblutung des Gehirns verbessern und die Gedächtnisleistung fördern.

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