Gedächtnis und Gehirnareale: Eine Reise durch die Speicherzentren des Gehirns

Wo und wie das Gehirn Gedächtnisinhalte festhält, ist eine der interessantesten Fragen der Neurowissenschaften. Unser Gehirn ist ein komplexes Netzwerk, das ständig Informationen aufnimmt, verarbeitet und speichert. Wie aus neuen Erlebnissen dauerhafte Erinnerungen entstehen, ist erst ansatzweise bekannt. Das Gedächtnis ist die Fähigkeit, sich an Dinge, Menschen und Ereignisse zu erinnern und die Voraussetzung für jedes Verhalten, das aufgrund von Erfahrung über vorausgegangene Eindrücke und Erlebnisse das gegenwärtige und zukünftige Verhalten steuert. Im Vergleich zur Festplatte eines Computers speichert unser Gehirn nicht Null und Eins, sondern bei jeder Informationsverarbeitung verändert sich die Verknüpfung der Nervenzellen im Gehirn. Dieses sogenannte neuronale Netz ist bei jedem Menschen unterschiedlich.

Die verschiedenen Gedächtnisbereiche

Drei verschiedene Gedächtnisbereiche sind im Gehirn für das Lernen von Bedeutung:

• das Ultrakurzzeitgedächtnis,
• das Arbeits- oder Kurzzeitgedächtnis
• das Langzeitgedächtnis.

Jeden Augenblick sind alle Sinne aktiv und unser Gehirn muss die vielen verschiedenen Informationen aus einem großen Angebot an Eindrücken herausfiltern. Wir riechen, hören, sehen, schmecken und fühlen. Mit diesen unterschiedlichen Sinnen nehmen wir Informationen auf. Nur für gerade mal zwei Sekunden bleibt das Wahrgenommene im Ultrakurzzeitgedächtnis, wird dann verworfen oder gelangt ins Kurzzeitgedächtnis. Deshalb ist es so wichtig, wenn eine Information gespeichert werden soll, dass wir uns nur auf eine Sache konzentrieren. Wenn wir einen Text verstehen und behalten wollen und gleichzeitig einen Film verfolgen, dann wird keine der beiden Inhalte vollständig gespeichert. Nur der Inhalt, der die volle Konzentration bekommt, wird festgehalten. Diese Information muss dazu noch relevant sein, erst dann kann sie die nächste Stufe erreichen: Das Arbeits- oder Kurzzeitgedächtnis. Im Kurzzeitgedächtnis werden Informationen bis zu 20 Minuten gespeichert. Danach werden sie gelöscht, um den Platz für Neues freizugeben. Möchten wir das Gelernte länger behalten, hilft es nun eine kurze Pause einzulegen, da unsere Konzentration auf eine Sache nicht so lange ausreicht. Gerade beim Vokabel lernen hilft es, um die neuen Wörter zu behalten, dazwischen immer Pausen einzulegen und dann alles nochmal zu wiederholen. Dann ist die Chance größer, das Wissen im Langzeitgedächtnis zu verankern. Wenn Informationen in die dritte Stufe, ins Langzeitgedächtnis übergehen sollen, dann beginnt der Prozess der Konsolidierung. Will man etwas langfristig speichern, ist es besonders notwendig, das Gelernte sich erst einmal setzen zu lassen. Es ist eine Phase, in der unser Gedächtnis allerdings auch sehr störanfällig ist und Informationen schnell vergessen kann.

Langzeitgedächtnis: Deklaratives und nicht-deklaratives Gedächtnis

In das Langzeitgedächtnis kommen alle wichtigen Informationen, die es wert sind, aufgehoben zu werden und die das Kurzzeitgedächtnis sonst zum „Überlaufen“ bringen würden. Diese Form von Gedächtnis ist im Allgemeinen gemeint, wenn wir von Gedächtnis sprechen. Der Umfang des Langzeitgedächtnisses ist von Mensch zu Mensch sehr verschieden - es umfasst nicht nur den aktiven und passiven Wortschatz unserer Muttersprache, sondern auch alle Erinnerungen, Daten, Fakten, gelerntes Wissen und den erworbenen Wortschatz fremder Sprachen. Im Langzeitgedächtnis wird alles gespeichert, das aufgrund vielfacher Wiederholungen oder mit einem starken emotionalen Gehalt auf lange Sicht behalten werden soll.

Das Langzeitgedächtnis wird unterteilt in deklaratives und nicht deklaratives Gedächtnis:

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• Deklaratives Gedächtnis (explizites Gedächtnis): Mediziner bezeichnen jenen Teil, der explizite, also bewusste, sprachlich abrufbare Inhalte speichert. Es wird weiter unterteilt in:

  • Episodisches Gedächtnis (autobiographisches Wissen, also 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. Diese sind dem Bewusstsein nicht direkt zugänglich und deshalb auch nicht sprachlich abrufbar. Es gehören dazu beispielsweise hochgradig automatisierte Fertigkeiten wie Autofahren, Radfahren, Skifahren oder das Binden der Schnürsenkel (prozedurales Gedächtnis). Das Muster der Gesichtserkennung findet im perzeptuellen Gedächtnis statt.

Erlebnisse, Wissensinhalte oder Erfahrungen können dabei unbewusst oder bewusst wieder hervorgeholt werden. Das prozedurale Gedächtnis hilft uns, dass wir uns an einmal gelernte Bewegungsabläufe automatisch erinnern und sie immer wieder hervorholen können. Fahrradfahren müssen wir zum Beispiel nur einmal erlernen und können dann ohne nachzudenken immer wieder darauf zurückgreifen. Das perzeptuelle Gedächtnis hilft uns Personen wieder zu erkennen, die wir lange nicht mehr gesehen haben. Obwohl sie sich äußerlich verändert haben, mit einer neuen Frisur oder einer anderen Haarfarbe, werden wir uns trotzdem an sie erinnern. Denn unser Gedächtnis verfügt über die Fähigkeit, die einmal gelernte Muster wieder abzurufen und zu ergänzen. Das semantische Gedächtnis wiederum speichert alle Informationen, die wir im Laufe unseres Lebens erworben haben. Dazu zählen Fremdsprachen und Wissensinhalte. Das episodische Gedächtnis bewahrt unsere autobiographischen Erlebnisse. Diese können gute, aber auch schlechte Erinnerungen beinhalten. Sie sind meist als bewusste Informationen gespeichert. An prägende Momente erinnern wir uns ab dem dritten Lebensjahr. Erst im Alter von drei Jahren ist das Gehirn so weit entwickelt, dass es Informationen im episodischen Gedächtnis speichert. Erlebnisse aus der Kindergartenzeit sind meist die ersten Erinnerungen. Was davor passiert ist, daran kann man sich nicht bewusst erinnern. Das ist abhängig von Entwicklungsprozessen des Gehirns, die sich nacheinander aufbauen und erst im Erwachsenenalter abgeschlossen sind. Erinnerungen an die erste Liebe werden wir nie vergessen. Mit einem Reiz aktivieren wir das ganze Netz an Neuronen, d.h. Nervenzellen, die miteinander verbunden sind. Sind damit noch Emotionen verknüpft, dann verweilen diese Informationen besonders lange im Gedächtnis. An die erste große Liebe und an den ersten Kuss wird man sich lange erinnern. Emotionale Momente bleiben deshalb länger im Gedächtnis gespeichert und sie sind mit dem Erinnern eng verbunden. Wenn zu diesen emotionalen Ereignissen noch Gerüche hinzukommen, dann werden die Erinnerungen besonders lange behalten.

Die Rolle des Hippocampus und anderer Hirnareale

Lange galt der Hippocampus als ein Gedächtniszentrum im Gehirn, in dem Erinnerungen dauerhaft abgelegt werden. Der Hippocampus wird von Gedächtnisforschern seit den späten 1950er Jahren intensiv untersucht, als der berühmte Patient „H.M.“ nach einer operativen Entfernung dieser Hirnregion die Fähigkeit verloren hatte, neue Erinnerungen zu bilden. Henry Molaison, abgekürzt H. M., ist ein berühmter Name in der Gedächtnisforschung. Um seine epileptischen Anfälle zu lindern, wurden dem Amerikaner in den 1950er Jahren große Teile des Hippocampus entfernt - eine Gehirnregion, die maßgeblich an Lern- und Gedächtnisvorgängen beteiligt ist. Er litt seitdem unter schweren Gedächtnisausfällen und konnte sich an neu Erlerntes meist nicht mehr erinnern.

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. Der Hippocampus spielt eine entscheidende Rolle beim Entstehen, Speichern und Abrufen deklarativer Erinnerungen. Der Hippocampus ist einer der ersten Areale, die von der Alzheimer-Krankheit befallen werden. Der Hippocampus ist die Pforte zum Papez'schen Schaltkreis. Er erhält entschlüsselte sensorische Informationen aus den jeweiligen Sinnesbereichen in den Hirnlappen. Die Informationen wandern weiter durch den Fornix zu den Mamillarkörpern, dem Thalamus und weiter zum Gyrus Cinguli.

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Neue Erkenntnisse zur Rolle des Neokortex

Welche Rolle dagegen der Neokortex für das Gedächtnis spielt und wie diese beiden Regionen miteinander interagieren, war weitgehend unbekannt. In seiner neuen Studie versetzte das Forscherteam Probanden am Bildschirm in ein virtuelles Labyrinth, in dem diese versteckte Gegenstände finden mussten. Je länger sich die Versuchspersonen durch das Labyrinth bewegten, desto besser lernten sie seinen Aufbau und die Positionen der Gegenstände kennen. Während die Studienteilnehmer diese räumliche Lernaufgabe durchführten, wurde ihre Hirnaktivität mittels Magnetresonanztomografie aufgezeichnet. Um die Hirnareale für das räumliche Gedächtnis zu identifizieren, bedienten sich die Forscher eines Tricks: In einem Teil des Experiments war das Labyrinth unveränderlich, dadurch konnten die Teilnehmer nach und nach eine räumliche Repräsentation im Gedächtnis aufbauen. In einem zweiten Teil veränderte sich das Labyrinth ständig, sodass die Probanden nichts wiedererkennen oder lernen konnten. „Der Vergleich der Tomografiebilder aus diesen beiden Labyrinthen offenbart, welche Hirnregionen zur Bildung des räumlichen Gedächtnisses beitragen“, erklärt Svenja Brodt, Doktorandin am Graduate Training Centre of Neuroscience und Erstautorin der Studie. „Wir waren überrascht, dass die Aktivität des Precuneus, einer Region im hinteren Neokortex, mit dem Lernen kontinuierlich anstieg, wohingegen die Aktivität im Hippocampus kontinuierlich abfiel“, sagt sie. Auch die Kommunikation zwischen beiden Regionen habe im Laufe des Lernens immer weiter abgenommen. „Mit diesen Ergebnissen können wir nachweisen, dass sich die langfristigen, neokortikalen Gedächtnisspuren bereits beim ersten Eintreffen neuer Informationen ausbilden“, sagt Dr. Monika Schönauer, die die Studie federführend geleitet hat. Dies sei verblüffend. Forscher seien bislang davon ausgegangen, dass dieser Prozess sehr langsam vonstattengehe und sich über Wochen oder Monate hinzöge. Professor Steffen Gais ergänzt: „Sehr erstaunlich ist auch, dass der Hippocampus schon nach so kurzer Zeit nicht mehr am Lernen beteiligt ist.“ Die Zahl der Lernwiederholungen habe offenbar einen entscheidenden Einfluss darauf, wie schnell sich ein langfristiges und stabiles Gedächtnis im Neokortex ausbildet. „Im Precuneus bildet sich eine eigenständige Gedächtnisrepräsentation aus.

Weitere beteiligte Hirnareale

• Amygdala: Limbische Struktur, die an vielen Hirnfunktionen beteiligt ist, darunter Emotion, Lernen und Gedächtnis. Die Amygdala speichert Erinnerungen mit emotionalem Gehalt. Der basolaterale Schaltkreis ist für die emotionale Bewertung von Informationen zuständig. (Die Amygdala ist weiterhin mit dem Hypothalamus und mit dem Hirnstamm verbunden.
• Cerebellum (Kleinhirn): Bewegungssteuerung. An diesem Lernvorgang ist neben dem Hippocampus und der Großhirnrinde als wichtigen Lern- und Gedächtniszentren auch das Kleinhirn beteiligt, das die notwendige Bewegung des Augenlids koordiniert.
• Gyrus cinguli: Spielt eine Rolle bei der Entwicklung des bewussten emotionalen Erlebens.
• Fornix: Eine arche-typische Struktur, die den Hippokampus mit anderen Teilen des limbischen Systems verbindet.
• Medulla oblongata: Beinhaltet die Zentren für lebenswichtige Funktionen wie Herzschlag, Atmung, Blutdruck und Schlucken.
• Limbisches System: Eine Gruppe miteinander verbundener Strukturen, die Emotion, Lernen und Gedächtnis vermitteln. Ganz wichtig für das Gedächtnis ist ein Bereich des Gedächtnisses, den man das limbische System nennt. Und das limbische System besteht aus dem Hippocampus und der Amygdala.
• Parahippokampaler Gyrus: Ein wichtiger verbindender Weg im limbischen System. Außerdem sind mediale Teile des Temporallappens mit dem parahippocampalen Cortex aktiviert.
• Pons: Beinhaltet Zentren zur Kontrolle lebenswichtiger Funktionen wie Atmung und Herz-Kreislauf-System. Sie ist auch an der Koordination der Augenbewegung und dem Gleichgewicht beteiligt.
• Thalamus: Eine wichtige Verbindungsstation zwischen Sinnen und Hirnrinde (die äußere Schicht des Gehirns besteht aus Scheitel-, Hinterhaupts-, Frontal- und Schläfenlappen).

Die Großhirnrinde als Speicherort für Assoziationen

Mazahir T. Hasan vom Max-Planck-Institut für medizinische Forschung in Heidelberg und José Maria Delgado-Garcìa von der Universität Pablo de Olavide in Sevilla haben herausgefunden, dass Erinnerungen an miteinander verknüpfte Sinneswahrnehmungen in der Großhirnrinde liegen und nicht im Hippocampus, wie in den meisten Lehrbüchern beschrieben. „Wir gehen deshalb davon aus, dass der Hippocampus als Entscheidungsinstanz dient und Informationen über die Umwelt an die Großhirnrinde weiterleitet, wo Sinneswahrnehmungen miteinander verknüpft werden. Dass die Großhirnrinde der Ort ist, wo das Gehirn Assoziationen dauerhaft speichert, widerlegt die gängige Lehrmeinung über die Speicherung von Erinnerungen. Mit ihren Ergebnissen präsentieren Hasan und Delgado-Garcìa ein völlig neues Modell für die Organisation des Gedächtnisses. Die Forscher ergänzen damit frühere Erkenntnisse von Kollegen am Max-Planck-Institut für medizinische Forschung. Im Juli 2012 hatten Rolf Sprengel und Peter Seeburg entdeckt, dass Mäuse auch ohne NMDA-Rezeptoren im Hippocampus räumliche Zusammenhänge lernen und speichern können.

Die Speicherung von Informationen erfolgt dort, wo sie primär verarbeitet werden. In der rechten Hirnhälfte werden eher episodisch-autobiographische Erinnerungen gespeichert, in der linken Hirnhälfte eher semantisches Wissen. Gesichter und Objekte werden eher in temporalen Arealen gespeichert, Objektpositionen in parietalen Arealen, Sprachreize in frontalen Broca-Arealen und Wernicke-Arealen, motorische Abläufe im motorischen Areal des Frontallappens. Außerdem ist der linke Temporallappen eher bei der Verarbeitung von Sprachlauten und des Sprachgedächtnis beteiligt, der rechte Temporallappen dagegen bei der Verarbeitung von Musik und dem nicht-sprachlichen Gedächtnis. Beim Abruf von episodischen Erinnerungen ist der rechte dorsolaterale und mediale Frontalcortex aktiviert. Das Priming erfolggt unabhängig von Prozessen, die das deklarative Gedächtnis vermitteln. Dabei sind vor allem neokortikale Areale des Temporallappens und Okzipitallappens aktiviert.

Genetische Faktoren und synaptische Plastizität

Die Wissenschaftler haben das Lernverhalten genetisch veränderter Mäuse untersucht, bei denen sogenannte NMDA-Rezeptoren ausschließlich in der motorischen Hirnrinde ausgeschaltet sind. NMDA-Rezeptoren binden den Neurotransmitter Glutamat an den Synapsen und werden aktiv, wenn gleichzeitig mehrere Signale an einer Synapse einlaufen. Sie sind die zentralen molekularen Elemente von Lernvorgängen, indem sie dazu beitragen, die Signalübertragung an Synapsen zu verstärken oder abzuschwächen. Auch in der motorischen Hirnrinde funktioniert diese sogenannte synaptische Plastizität ohne die NMDA-Rezeptoren nicht mehr, wie die neue Studie zeigt. Die Mäuse sollten in Verhaltenstests lernen, einen Ton mit einem darauf folgenden schwachen elektrischen Reiz des Augenlids zu verknüpfen. Als Reaktion auf den Reiz schließen die Tiere reflexartig ihr Auge. Nach einer Lernphase schließen die Tiere ihr Auge bereits, wenn sie nur den Ton hören, der den elektrischen Reiz ankündigt. „Ohne NMDA-Rezeptoren in der primären motorischen Großhirnrinde können sich die genetisch veränderten Mäuse dagegen den Zusammenhang zwischen Ton und elektrischem Reiz nicht merken.

Gedächtnisstörungen und ihre Ursachen

Bei Gedächtnisstörungen sind die Merk- oder Erinnerungsfähigkeit beeinträchtigt. Der Auslöser kann zu Beispiel ein Trauma, beispielsweise 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, dann 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 sind aber nicht nur durch Verletzungen möglich, 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 Gedächtnis-Störungen. Bei Schädigungen im Bereich der Amygdala sind mit Emotionen verbundene Gedächtnis-Inhalte gestört. Die Betroffenen können sich nur noch an reine Fakten ohne jeglichen emotionalen Inhalt erinnern.

Die Bedeutung von Bewegung und Gehirntraining

Eine wichtige Rolle bei Erkrankungen spielt Bewegung: In der Bevölkerungsstudie Rheinland Studie standen Untersuchungen des Gehirns im Fokus. Basierend auf diesen Daten kam das Deutsche Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen e. V. (DZNE) in weiteren Untersuchungen 2022 zu dem Schluss, dass das Gehirn bereits von leichter körperlicher Aktivität profitiert. "Wir konnten zeigen, dass sich körperliche Aktivität in nahezu allen untersuchten Hirnregionen deutlich bemerkbar machte. Prinzipiell kann man sagen: Je höher und intensiver die körperliche Aktivität, umso größer waren die Hirnregionen, entweder in Bezug auf das Volumen oder auf die Dicke des Kortex. Das haben wir unter anderem beim Hippocampus beobachtet, der als Schaltzentrale des Gedächtnisses gilt.

Die geistige Leistungsfähigkeit des Gehirns kann durch Gehirntraining gesteigert werden. Ein gutes Gehirntraining verbessert gezielt und individuell die kognitiven Fähigkeiten der Gehirnareale - darunter die Merkfähigkeit, das Denkvermögen und die Konzentration. Damit trägt ein Gehirntraining dazu bei den Alltag leichter zu bewältigen und berufliche Erfolge zu erzielen. Bei der Auswahl eines Trainings ist darauf zu achten, dass es auf wissenschaftlicher Basis erstellt wurde und mit anerkannten Methoden arbeitet. Außerdem sollte das Training personalisiert, motivierend, abwechslungsreich, zielgerichtet und zukunftsorientiert sein. Daher eignet sich am besten ein Gehirntraining, dass anhand von individuellen Schwierigkeitsgraden in den zu absolvierenden Übungen das Gehirn optimal fordert. Werden diese Kriterien erfüllt, sorgt das Gehirntraining ganzheitlich für die Steigerung der kognitiven Fähigkeiten in den Gehirnarealen. Verbesserungen im Alltag werden dann schnell offensichtlich.

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