Lernen und Gedächtnisbildung sind eng miteinander verbundene Prozesse, die sowohl anatomisch als auch physiologisch im Nervensystem verankert sind. Lernen ist der Erwerb von Wissen und die Grundlage für die Speicherung von Informationen im Gedächtnis. Die neuronale Plastizität ist die neurophysiologische Grundlage des Lernens.
Lernen: Aufbau und Abbau im Gehirn
Lernen beinhaltet Aufbau- und Abbauprozesse im Gehirn. Es beginnt mit der Auseinandersetzung mit äußeren Einflüssen. Das Wort Lernen ist etymologisch mit "lehren" und "List" verwandt. Grundlage für das Lernen und die Entwicklung des Nervensystems ist die neuronale Plastizität.
Gedächtnistypen: Speicherzeit und Kapazität
Das Gedächtnis unterscheidet sich je nach Speicherzeit und Kapazität in verschiedene Typen:
- Ultrakurzzeitgedächtnis
- Kurzzeitgedächtnis
- Arbeitsgedächtnis
- Langzeitgedächtnis
Ein wesentlicher Unterschied zwischen diesen Gedächtnisspeichern ist die Dauer der Informationsspeicherung. Inhalte aus dem sensorischen Gedächtnis gehen im Kurzzeitgedächtnis nach ca. verloren. Für die Speicherung von Informationen im Langzeitgedächtnis ist die Wiederholung der Informationen wichtig (Konsolidierung). Dies ist gut nachvollziehbar beim Erlernen komplexer Bewegungsabläufe, z. B. beim Handwerk.
Der Papez-Neuronenkreis: Physiologische Grundlage des Gedächtnisses
Die physiologische Grundlage des Gedächtnisses ist der Papez-Neuronenkreis, der den Übergang von Inhalten vom Kurzzeit- ins Langzeitgedächtnis ermöglicht. Der Papez-Kreis befindet sich im Zentrum des limbischen Systems, das oberhalb des Hirnstamms liegt und bei allen Säugetieren vorhanden ist. Es wird angenommen, dass der Papez-Kreis der Speicherung von Gedächtnisinhalten dient.
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Mnestische Funktion und der Hippocampus
Der Fachbegriff für Gedächtnis und Erinnerung lautet mnestische Funktion. Erinnerungen werden in positiver Grundstimmung leichter abgerufen. Der Hippocampus im medialen Temporallappen spielt eine besondere Rolle beim Lernprozess.
Das Limbische System und Emotionen
Emotionale Momente werden über das limbische System gefiltert, das aus Hippocampus und Amygdala besteht, weshalb wir uns so gut an die erste große Liebe erinnern können.
Gedächtnis und Erinnerung
Das Gehirn ist ein gigantischer Arbeitsspeicher, der immer aktiv ist und auf Hochtouren arbeitet. Alles, was täglich erlebt oder gelernt wird, wird in den mehr als 85 Milliarden Nervenzellen im Gehirn verteilt und gespeichert. Mit einem Reiz aktivieren wir das ganze Netz an Nervenzellen im Gehirn. Diese elektrischen Impulse können sogar in bildgebenden Verfahren gemessen werden.
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.
Verschiedene Gedächtnisregionen
Erinnerungen werden in den verschiedenen Regionen des Gedächtnisses abgelegt. Im prozedualen Gedächtnis ist der Platz für Fähigkeiten, wie Fahrrad- oder Autofahren - motorisches Verhalten, das wir einmal gelernt haben und dann automatisch ausführen können. Andere Erinnerungen, wie Faktenwissen und persönliche Erlebnisse, nehmen wir viel bewusster war. Sie werden im episodischen Gedächtnis gespeichert.
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Selektion von Informationen
Unser Gehirn wählt gezielt aus, was es wirklich behalten möchte. Wenn wir uns erinnern, dann aktivieren wir gespeicherte Informationen aus unserem Gedächtnis .
Negative und traumatische Erinnerungen
An schöne Erlebnisse erinnern wir uns gerne und am liebsten würden wir sie nicht vergessen. Doch was geschieht mit negativen und traumatischen Erinnerungen? Warum können wir sie so schlecht vergessen, auch wenn wir das gerne möchten? Besonders traumatische Erlebnisse tauchen plötzlich auf, ohne einen bestimmten Zusammenhang mit dem Erlebten.
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. Negative Erinnerungen können wir analysieren, das Erlebte hinterfragen und von verschiedenen Perspektiven betrachten. Das hilft, um damit leichter umzugehen. Traumatische Erlebnisse verschwinden nicht, sie treten durch sogenannte Flashbacks unwillkürlich immer wieder auf. Nur eine Therapie kann hier helfen, das Erlebte in den richtigen biografischen Kontext einzuordnen. Mit dem Ziel, sich dann mit weniger Angst daran zu erinnern.
Gedächtnisstörungen und Demenzerkrankungen
Wenn wir verstehen, wie Erinnern und Vergessen funktionieren, dann können zum Beispiel auch Therapien gegen das Vergessen bei Demenzerkrankungen viel erfolgreicher eingesetzt werden.
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. Andererseits gelingt es ihnen, ein Instrument zu lernen, weil die Hirnregion für motorische Fähigkeiten noch funktioniert, aber an das Üben vom Vortag erinnern sie sich nicht mehr. Je nachdem, welche Hirnregion nicht mehr arbeitet, gehen Erinnerungen verloren.
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Hyperthymestisches Syndrom (HSAM)
Es gibt Menschen, die können sich an jeden Tag ihres Lebens erinnern: Wo sie waren, was sich ereignet hat - sie vergessen nichts. Das muss enorm anstrengend und belastend sein. Sie erinnern sich nicht an Fakten, aber detailgenau an autobiografische Erlebnisse. Vermutlich gibt es weltweit rund 60 Personen mit diesem sogenannten hyperthymestischen Syndrom (HSAM).
Ein Gen ist dafür verantwortlich, dass Vergessen an den Schnittstellen der Nervenzellen blockiert wird. Mit ihrer Grundlagenforschung liefern die Molekularwissenschaftler wichtige Erkenntnisse, die auch für die Entwicklung von Medikamenten gegen Demenzerkrankungen hilfreich sind.
Stress und Gedächtnis
Forschende konnten mit dem sogenannten Trier-Social-Stress-Test herausfinden, wie unser Gehirn emotionale Ereignisse speichert und wann wir uns besonders gut daran erinnern. Sie beobachteten die Signalverarbeitung im Gehirn, während den Studienteilnehmern im Magnetresonanztomographen (MRT) einzelne Bilder aus der Situation gezeigt wurden. Tatsächlich konnten die Wissenschaftler in den Hirnregionen der Kontrollgruppe erkennen, dass ihre Erinnerung an einzelne Objekte geringer war. Hingegen zeigten sich bei Probanden aus dem belastenden Setting bereits beim Betrachten einer Kaffeetasse erste Reaktionen.
An emotionale Erlebnisse erinnern wir uns wesentlich besser, betont Oliver T. Wolf, Leiter des Instituts für Neurowissenschaften an der Ruhr-Universität Bochum. Mit seinem Team analysierte er vor allem die Gehirnaktivität in der Amygdala, der Region, die unter anderem für das emotionale Lernen wichtig ist. Bilder der unfreundlichen Prüfer und allein der Kaffeetasse auf dem Tisch lösten Reaktionen in verschiedenen Hirnregionen aus. Die gesamte Situation wurde detaillierter wahrgenommen und selbst die Kaffeetasse allein rief negative Erinnerungen hervor. Denn das Gehirn schüttet die Botenstoffen Noradrenalin und Cortisol aus. Durch diesen Stresszustand wird die Wahrnehmung schärfer und wir erinnern uns viel besser. Wird der Stress jedoch zu groß, dann blockieren die Botenstoffe, Informationen werden nicht mehr weitergeleitet und nicht miteinander verknüpft - wir erinnern uns noch weniger. Fakt ist: Ein wenig Stress lässt uns besser lernen, doch lernen unter Druck führt eher zum Gegenteil.
Gehirn-Computer-Schnittstellen (BCI)
Der Blick ins Gehirn in Verbindung mit maschinellem Lernen gilt als medizinischer und technischer Fortschritt. Besonders Menschen mit körperlichen Einschränkungen hoffen, dass ihnen Gehirnimplantate helfen können. Mit einer Gehirn-Computer-Schnittstelle, einem sogenannten Brain Computer Interface (BCI) schaffen es gelähmte Menschen, nur mit Gedankenkraft einen Roboterarm zu steuern, einen Cursor auf einem Computerbildschirm zu bewegen, oder ein Auto durch eine virtuelle Umgebung zu lenken. Nur mit einer Kopplung von Gehirn und Computer ist das möglich.
Die Entwicklung ist jedoch noch nicht wirklich ausgereift und lange nicht alltagstauglich. Zudem ist der invasive Eingriff, bei dem Elektroden ins Gehirn gepflanzt werden, nicht ungefährlich.
Gedächtnisleistung ohne Hirnchips verbessern
Der Versuch, das Gehirn mit Chips zu tunen, steht vermutlich erst am Anfang. Gleichwohl gibt es bereits nicht-medizinische BCIs zur Fitnesssteigerung, zum Abbau von Stress, oder als Hilfe gegen Konzentrationsprobleme. Diese BCIs steuern kein Computersystem, aber sie arbeiten mit Gehirnströmen oder senden elektrische Impulse. Wir können die elektrische Aktivität unserer Nervenzellen messen und therapeutisch nutzen. Zum Beispiel mit der Neurofeedback-Methode. Mithilfe von Tönen oder Bildern kann diese Methode bei ADHS, einer Aufmerksamkeits-Defizit-Störung, eine bessere Konzentration fördern. Immer mehr Studien belegen den erfolgreichen Einsatz von Neurofeedback.
Wir können unser Gehirn täglich trainieren und fit halten. Lernprogramme dazu findet ihr reichlich. Doch euer Gedächtnis mit Gehirnjogging auf Trab halten, das klappt doch nicht so gut, wie bislang vermutet, betonen der Magdeburger Wissenschaftler Emrah Düzel und seine Kollegin Anne Maass. Bei ihren Forschungen mit sogenannten Super-Agern konnten sie feststellen, dass viel Bewegung, ausreichend Schlaf und eine gesunde Ernährung vor Demenzerkrankungen und vor Vergessen schützen können. Diese einfachen Mitteln sorgen für eine bessere Durchblutung des Gehirns und für ein besseres Gedächtnis.
Wissenschafter der TU Dresden konnten in Tierexperimenten mit Mäusen nachweisen, dass eine Umgebung mit viel Anregung das Gedächtnis jung hält. Prof. Gerd Kempermann und sein Team erklären diesen Zusammenhang mit aktiven Genen, die Nervenzellen im Gedächtnis erneuern und Verbindungen knüpfen. Ihre Beobachtungen auf Menschen zu übertragen gelingt nicht ganz, aber die Neurowissenschaftler vermuten, dass es ähnlich wirkt, wenn wir immer wieder Neues lernen. Damit können wir unser Gedächtnis fit halten.
Entwicklung des Gehirns und Nervensystems
Die Entwicklung von Gehirn und Nervensystem beginnt beim Embryo mit der 3. Schwangerschaftswoche. Bis zum Ende der 8. Woche sind Gehirn und Rückenmark fast vollständig angelegt. In den folgenden Wochen und Monaten wird im Gehirn eine Unmenge von Nervenzellen durch Zellteilung gebildet. Von diesen wird ein Teil vor der Geburt wieder abgebaut. Während der gesamten Schwangerschaft sind die neuronalen Strukturen äußerst empfindlich und damit anfällig gegenüber äußeren Einflüssen. Alkoholkonsum, Rauchen, Strahlung, Jodmangel und bestimmte Erkrankungen der Mutter, wie beispielsweise Infektionskrankheiten können zu einer Schädigung des sich entwickelnden Nervensystems führen. Auch Medikamente sollten nur nach Absprache mit dem Arzt eingenommen werden, um eventuelle negative Auswirkungen auf den Embryo zu verhindern.
Schon im Mutterleib nimmt das Gehirn des Ungeborenen Informationen auf. So geht man davon aus, dass durch das Wahrnehmen der Sprache der Eltern das Erlernen der Muttersprache schon vor der Geburt geprägt wird. Mit der Geburt ist die Entwicklung von Gehirn und Nervensystem noch lange nicht abgeschlossen. Zwar sind zu diesem Zeitpunkt bereits die große Mehrheit der Neuronen, etwa 100 Milliarden, im Gehirn vorhanden, sein Gewicht beträgt dennoch nur etwa ein Viertel von dem eines Erwachsenen. Die Gewichts- und Größenzunahme des Gehirns im Laufe der Zeit beruht auf der enormen Zunahme der Verbindungen zwischen den Nervenzellen und darauf, dass die Dicke eines Teils der Nervenfasern zunimmt. Das Dickenwachstum ist auf eine Ummantelung der Fasern zurückzuführen. Dadurch erhalten sie die Fähigkeit, Nervensignale mit hoher Geschwindigkeit fortzuleiten.
Reflexe und Entwicklung im Säuglingsalter
Beim Säugling stehen zunächst Reflexe im Vordergrund. Dabei werden körpereigene Signale und Umweltreize bereits auf der Ebene des Rückenmarks und des Nachhirns in Äußerungen und Reaktionen umgesetzt. In dieser Phase dient der ganze Körper des Säuglings dazu, grundlegende Bedürfnisse und Empfindungen wie Hunger, Angst und Unwohlsein zum Ausdruck zu bringen. Nach 6 Monaten hat sich das Gehirn soweit entwickelt, dass Babys lernen Oberkörper und Gliedmaßen zu kontrollieren. Im Alter von 2 Jahren haben die meisten Nervenfasern von Rückenmark, Nachhirn und Kleinhirn ihre endgültige Dicke erreicht und damit ihre Ummantelung abgeschlossen. Sie können nun Nervensignale mit hoher Geschwindigkeit hin und her schicken.
Synapsenbildung und Gedächtnisentwicklung bei Kindern
Im Gehirn nimmt die Anzahl der Verbindungen zwischen den Nervenzellen, die Synapsen, in den ersten 3 Lebensjahren rasant zu. In dieser Zeit entsteht das hochkomplexe neuronale Netz, in dem jede Nervenzelle mit Tausenden anderer Neurone verbunden ist. Mit 2 Jahren haben Kleinkinder so viele Synapsen wie Erwachsene und mit 3 Jahren sogar doppelt so viele. Diese Zahl bleibt dann etwa bis zum zehnten Lebensjahr konstant. In den darauffolgenden Jahren verringert sich die Zahl der Synapsen wieder um die Hälfte. Ab dem Jugendalter treten bei der Zahl der Synapsen keine größeren Veränderungen mehr auf. Die große Zahl der Synapsen bei 2 bis 10-Jährigen ist ein Zeichen für die enorme Anpassungs- und Lernfähigkeit der Kinder in diesem Alter. Art und Anzahl der sich formenden und bestehen bleibenden Synapsen hängen mit speziellen erlernten Fertigkeiten zusammen.
Bereits Babys besitzen die Fähigkeit sich zu erinnern. Allerdings bleiben Erlebnisse bei 6 Monate alten Säuglingen lediglich 24 Stunden im Gedächtnis. Sind sie 9 Monate alt, steigt das Erinnerungsvermögen auf 1 Monat an. In den nächsten Monaten und Jahren nehmen diese Erinnerungszeiträume weiter zu. Die Entwicklung eines Langzeitgedächtnisses, das uns erlaubt, Erlebnisse und Erfahrungen, die Jahre zurückliegen, zu erinnern, dauert aber noch einige Zeit. Deshalb gibt es an die ersten drei bis vier Lebensjahre keine Erinnerung und meist nur wenige an das 5. und 6. Lebensjahr.
Mit etwa 6 Jahren setzen weitere wichtige Prozesse ein. Im vorderen Bereich der Großhirnrinde entwickelt sich zunehmend die Fähigkeit zu logischem Denken, Rechnen und „vernünftigem“ bzw. sozialem Verhalten, das sich an Erfahrungen orientiert. Auch die sprachlichen Fähigkeiten und das räumliche Vorstellungsvermögen, für die der hintere Bereich der Großhirnrinde zuständig ist, werden besser. Ab dem 10. Lebensjahr wird das Gehirn dann optimiert. Nur die Nervenverbindungen bleiben erhalten, die häufig gebraucht werden, die übrigen verschwinden.
Neuroplastizität im Alter
Die Fähigkeit des Gehirns, seine Struktur und die Funktionen durch die Bildung von Zellen und Synapsen so zu verändern, dass es sich immer wieder auf Einflüsse von außen einstellen kann, beschreiben Mediziner als Neuroplastizität. Sie lässt sich auch im Alter noch gezielt fördern. Forscher sehen dies als wichtige Voraussetzung dafür, um dem altersbedingten Abbau der Hirnleistung vorzubeugen und geistig fit zu bleiben.
Gehirntraining und geistige Fitness
Forscher haben bereits verschiedene Möglichkeiten entdeckt, wie sich das Gehirn trainieren und die geistige Fitness verbessern lässt:
- Musik: Stimuliert die Hirnnerven und beeinflusst die Ausschüttung von Botenstoffen, die die Neuroplastizität fördern.
- Fremdsprachen: Fördert die Neuroplastizität und kann die Gehirnleistung verbessern - und zwar in jedem Alter.
- Körperliche Aktivität: Begünstigt ein gesundes Gehirn und kann den Alterungsprozess verlangsamen.
Gedächtnisformen
Es gibt verschiedene Gedächtnisformen, die sich in ihren Inhalten und den beteiligten Gehirnstrukturen unterscheiden:
- Autobiographisches (episodisches) Gedächtnis: Speichert einzelne Ereignisse im Lebenslauf.
- Faktengedächtnis (Wissenssystem): Zuständig für Schul- und allgemeine Weltkenntnisse.
- Prozedurales Gedächtnis: Speichert erlernte Bewegungsabläufe und Handlungsstrategien.
- Priming: Vorbewusste Wiedererkennung von Reizen, denen man bereits ausgesetzt war.
Hippocampus: Das "Tor zum Gedächtnis"
Der Hippocampus ist ein Teil des limbischen Systems, das mit der "Erzeugung", der "Archivierung" und dem "Abruf" von Inhalten des Langzeitgedächtnisses zu tun hat. Er ist einer der wenigen Orte im Gehirn, an dem zeitlebens neue Nervenzellen geboren werden. Der Hippocampus ist eine corticale Struktur, die aus plattenartigen Schichten von Nervenzellen besteht. Seine verschiedenen Untereinheiten bestehen wie der übrige Cortex sämtlich aus plattenartigen Schichten von Nervenzellen.
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