In der heutigen Informationsgesellschaft, in der wir ständig mit einer Flut von Daten konfrontiert sind, ist die Fähigkeit unseres Gehirns, relevante Informationen herauszufiltern und unwichtige zu ignorieren, von entscheidender Bedeutung. Dieser Artikel beleuchtet die faszinierenden Mechanismen, die es unserem Gehirn ermöglichen, Sinneseindrücke zu filtern, Aufmerksamkeit zu lenken und bewusste Wahrnehmung zu gestalten.
Informationsverarbeitung im Gehirn: Ein Überblick
Die Informationsverarbeitung im Gehirn ist ein komplexer Prozess, der es uns ermöglicht, Daten und Informationen aus der Umwelt aufzunehmen, zu verarbeiten, zu speichern und darauf zu reagieren. Dieser Prozess umfasst die Wahrnehmung von Sinneseindrücken, die Filterung und Interpretation dieser Eindrücke, das Speichern relevanter Informationen im Gedächtnis sowie das Abrufen und Verarbeiten dieser Informationen zur Lösung von Problemen, zur Entscheidungsfindung und zur Interaktion mit der Umwelt.
Schlüsselschritte der Informationsverarbeitung
Die Informationsverarbeitung lässt sich in mehrere Schlüsselschritte unterteilen:
- Wahrnehmung: Die Aufnahme von Informationen erfolgt durch unsere Sinne - Sehen, Hören, Riechen, Schmecken und Tasten. Das Gehirn filtert und interpretiert dann 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.
- 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 Gehirns
Das Gehirn ist das zentrale Organ für die Informationsverarbeitung. Es besteht aus Milliarden von Nervenzellen, die miteinander verbunden sind und komplexe neuronale Netzwerke bilden. Diese Netzwerke ermöglichen es dem Gehirn, Informationen zu verarbeiten und zu speichern. Verschiedene Bereiche des Gehirns sind für verschiedene Aspekte der Informationsverarbeitung verantwortlich. Zum Beispiel ist der präfrontale Cortex, der sich hinter der Stirn befindet, wichtig für die Planung, Entscheidungsfindung und Impulskontrolle. Der Hippocampus, eine Struktur im Inneren des Temporallappens, spielt eine Schlüsselrolle beim Gedächtnis und Lernen. Die sensorischen Bereiche des Gehirns, wie der visuelle Cortex und der auditive Cortex, verarbeiten Informationen aus den Sinnesorganen.
Selektive Wahrnehmung: Das Gehirn als Filter
Wahrnehmung ist immer selektiv: Das Gehirn entscheidet ständig, welche Informationen wichtig genug sind, um ins Bewusstsein vorgelassen zu werden. Ein Großteil der Informationen, die permanent von den Sinnesorganen ins Gehirn strömen, wird nicht bewusst verarbeitet. Komplexe Mechanismen filtern die eingehende Sinnesinformation und gestalten das Bild der Welt, das in unseren Köpfen entsteht.
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Der Nucleus raphe dorsalis: Ein zentraler Filter
Forscher der Charité - Universitätsmedizin Berlin haben gemeinsam mit Kollegen der Harvard University in Cambridge einen zentralen Filter für Sinneseindrücke im Gehirn identifiziert. Dieser Filter hebt wichtige Eindrücke hervor und sorgt dafür, dass man weniger wichtige Informationen vergisst oder gar nicht erst bewusst registriert. Ein kleines Nervengebiet im Hirnstamm, der sogenannte Nucleus raphe dorsalis, ist für diese wichtige Aufgabe zuständig. Dieser Bereich des Gehirns, der auch Raphekern genannt wird, besteht aus relativ wenigen Nervenzellen, die aber durch Nervenfortsätze mit dem gesamten Gehirn in Verbindung stehen. Somit kann er alle Eindrücke erfassen, die durch Sehen, Fühlen, Hören und Riechen im Gehirn ankommen.
Serotonin als moduliatorischer Botenstoff
Erstmals gelang es den Forschern um Dr. Petzold, die Einflüsse des Botenstoffs Serotonin, der vom Nucleus raphe dorsalis gebildet wird, auf den Verarbeitungsprozess von Sinnesinformationen direkt zu messen. Sie beobachteten das Gehirn von Mäusen mit einem Spezialmikroskop, das die Aktivität der Nervenzellen sichtbar macht. „War viel Serotonin in dieser Gehirnregion vorhanden, so führte dies bei den Mäusen zu einer Verminderung bestimmter Sinneseindrücke, wogegen ein niedrigerer Serotoningehalt die Sinnesinformation verstärken konnte“, erklärt Dr. Petzold.
Implikationen für die Behandlung von Schmerzen und psychischen Erkrankungen
Aus neurologischer Sicht liefern diese Ergebnisse interessante Hinweise für eine mögliche Behandlung von Schmerzen. Der Nucleus raphe dorsalis könnte neben der Beeinflussung normaler Sinneseindrücke auch verstärkend oder dämpfend auf das Schmerzsystem wirken, beispielsweise bei Migränekopfschmerzen. Auch bei Patienten mit Schizophrenie vermuten die Forscher, dass eine falsche Steuerung des Serotoningehalts entscheidend zur Krankheit beiträgt. Sie könne zu einer weniger gefilterten Wahrnehmung von Sinneseindrücken und somit eventuell zu Halluzinationen führen.
Neuronale Mechanismen der Aufmerksamkeitslenkung
Wie unser Gehirn wichtige von unwichtigen Wahrnehmungen trennt, ist eine der großen Fragen der Neurobiologie. Wie gelingt es uns, im Stimmengewirr einer Party einer einzelnen Person zuzuhören oder beim Überqueren einer Straße blitzschnell auf ein plötzlich auftauchendes Auto zu reagieren? Unser Gehirn filtert ununterbrochen Informationen und sortiert aus, was gerade nicht zählt.
Gamma-Band-Schwingungen als Gatekeeper
Ein Team der Universität Bremen hat gezeigt, dass dabei nicht nur der Inhalt einer Botschaft entscheidend ist, sondern auch ihr exakter Zeitpunkt. Nur wenn ein Nervensignal im richtigen Moment ankommt, erreicht es die nächste Schaltstelle im Gehirn. Ein Forschungsteam um Eric Drebitz von der Universität Bremen hat gezeigt, dass die Gamma-Band-Schwingungen im Gehirn die Gatekeeper dafür sind, welche Signale Nervenzellen weiterleiten.
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Das Hemmsystem als Filter
Bei jeder Aktivität im Gehirn werden Signale von einer zur nächsten Nervenzelle weitergegeben. Dabei prasseln oft bis zu tausend auf eine einzelne Zelle ein. Damit daraus ein präzises Signal entsteht, besitzt das Gehirn ein ausgeklügeltes Hemmsystem. Wissenschaftler um Prof. Dr. Stefan Remy vom Deutschen Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen und der Universität Bonn zeigen, dass dieses System wie ein Filter wirkt, der nur die wichtigsten Impulse durchlässt.
Starke und schwache Dendriten
Die Wissenschaftler untersuchten Nervenzellen des Hippocampus. Das ist eine Gehirnregion, die eine entscheidende Rolle bei der Gedächtnisbildung spielt. Eingehende Signale gehen als erregende Signale in die Nervenzelle ein. Dort werden sie in verästelten Zellfortsätzen, den Dendriten verarbeitet, und selektiv an nachgeschaltete Zellen weitergeleitet. In ganz bestimmten Dendriten, den „starken Dendriten“, werden eingehende Signale besonders gut verstärkt. An „schwachen“ Dendriten ist eine Weiterleitung nur in ganz bestimmten Phasen möglich. „Starke“ Dendriten leiten vor allem synchrone erregende Signale sehr präzise und verlässlich weiter. Dabei können sie sich jeglicher Hemmung entziehen. Sie stellen so sicher, dass bestimmte, möglicherweise für Lernen und Gedächtnis besonders relevante Signale, zuverlässig weitergeleitet werden. Signale, die die Nervenzelle über „schwache“ Dendriten empfängt, können nur in Phasen schwacher Hemmung weitergegeben werden. Dabei können sie sich verändern und zu „starken“ Dendriten werden.
Gehirnwellen und bewusste Wahrnehmung
Max-Planck-Forscher haben zur Aufklärung der Frage beigetragen, welche Mechanismen am Werk sind, wenn das Bewusstsein umschaltet. Anhand der Gehirnwellen im präfrontalen Cortex, einem Bereich der Großhirnrinde, der für komplexe Verhaltensweisen wie Entscheidungsfindung und Problemlösung wichtig ist, lassen sich die Wechsel in der Wahrnehmung vorhersagen. Gehirnwellen sind im gesunden Gehirn immer präsent; sie entstehen dadurch, dass Gruppen von Neuronen ihre Aktivität synchronisieren.
Langsame Schwingungen als Türhüter
Die Ergebnisse der Forscher stellen eine weitverbreitete neurowissenschaftliche Auffassung in Frage. Im primären visuellen Cortex, wo die visuellen Rohdaten zuerst ankommen, sind manche Neuronen ausschließlich für Informationen aus einem der beiden Augen zuständig. Bislang führten Forschende die Wahrnehmungswechsel darauf zurück, dass diese Neuronen miteinander im Wettstreit liegen und um Aufmerksamkeit konkurrieren. „Man glaubte lange, dass die Impulse einzelner Neuronen ausschlaggebend für bewusste Wahrnehmung seien“, sagt Abhilash Dwarakanath. „Doch nun stellt sich heraus, dass die langsamen Schwingungen größerer Gehirnregionen die eigentliche Arbeit erledigen; sie entscheiden als Türhüter, welche Sinnesinformation Zugang zu unserem Bewusstsein bekommt.“
Multisensorische Integration und Flexibilität
Wissenschaftler der Universität Bielefeld haben erforscht, in welchen Bereichen des Gehirns Sinnesreize flexibel integriert werden. Dazu haben sie drei mögliche Modelle getestet. Während verschiedene Sinnesreize im ersten Modell komplett getrennt verarbeitet werden, werden sie im zweiten Modell automatisch kombiniert. Die dritte Variante ist schließlich das Modell der „kausalen Inferenz“: Verschiedene Sinnesreize werden nur dann kombiniert, wenn sie nicht räumlich oder zeitlich voneinander entfernt sind.
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Unterschiedliche Verarbeitungsstufen
Das Ergebnis der Studie: Die drei Modelle passen jeweils zu unterschiedlichen Bereichen des Gehirns und damit auch zu unterschiedlichen Stufen der Verarbeitung. Auf der niedrigsten Stufe werden die Informationen getrennt in der Seh- und der Hörrinde abgebildet. Danach werden sie im Parietallappen - das ist der obere Teil des Gehirns - automatisch kombiniert. Erst auf einer höheren Verarbeitungsstufe liest das Gehirn die Informationen aus den vorherigen Stufen aus und filtert bei Bedarf störende Sinnesreize. Diese Flexibilität in der Wahrnehmung wird in speziellen Arealen des Frontallappens verortet, die für abstraktere Denkprozesse zuständig sind.
Selektive Synchronisation und Aufmerksamkeit
Man nimmt an, dass selektive, rhythmische Synchronisation zwischen Populationen von Nervenzellen eine dynamische Weiterleitung visueller Information erlaubt. Durch geeignete Ableitmethoden kann man bei diesen Populationen oft eine rhythmische Änderung ihrer Aktivität feststellen. Durch die rhythmische Aktivität der Nervenzellen ergeben sich zeitliche Fenster, in denen eintreffende Information effektiver aufgenommen werden kann als außerhalb dieser Fenster. Die Frequenz der rhythmischen Aktivität liegt im sogenannten Gamma-Band, also im Bereich zwischen 30 - 70 Hertz.
Experimentelle Überprüfung der CTC Hypothese
Um die oben genannte CTC Hypothese experimentell zu überprüfen, wurde ein Projekt durchgeführt, bei dem die Hirnaktivität gleichzeitig in mehreren visuellen Arealen mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung abgeleitet wurde. Nicht-invasive Methoden wie die Elektroenzephalographie oder Magnetenzephalographie bieten zwar eine hohe zeitliche, aber nur eine begrenzte räumliche Auflösung. Daher wurden spezielle Gitterelektroden mit mehreren Ableitpunkten entwickelt, die direkt auf die Hirnoberfläche von Rhesusaffen gelegt werden können.
Ergebnisse der Studie
Die Ergebnisse dieser Studie sprechen für die CTC Hypothese: Die Stärke der Aktivität beider Populationen in V1 blieb gleich, unabhängig davon, auf welchen Stimulus der Affe seine Aufmerksamkeit lenkte. Interessanterweise galt das Gleiche auch für die Population in V4. Dies bedeutet, dass beide Populationen in V1 die Zielpopulation in V4 in gleicher Weise aktivieren. Erstaunlicherweise ergab sich aber ein Unterschied in der Synchronisierung beider Areale. Richtete der Affe seine Aufmerksamkeit auf den Stimulus, der von der Population V1a repräsentiert wurde, synchronisierte diese mit der V4 Population, während zwischen V1b und V4 keine Kohärenz bestand. Genau das umgekehrte Bild zeigte sich, wenn der Affe seine Aufmerksamkeit auf den Stimulus richtete, der von der Population V1b repräsentiert wurde.
Störungen der Filterfunktion und ihre Auswirkungen
Unwichtige Reize gelangen normalerweise erst gar nicht ins Bewusstsein. Bei vielen Schizophrenie-Patienten ist dieser Prozess gestört - ein Hinweis darauf, wie wichtig der Filter im Gehirn ist. Um die Filterfunktionen des Gehirns zu verstehen, werden die Forscher sehr viele Regionen des Gehirns nach Hinweisen durchforsten.
Schnelle Reaktionen sind entscheidend
"Man muss daran denken, dass der Filter nur dann Sinn macht, wenn er unglaublich schnell reagiert. An den Stationen, wo die erste Information ins Gehirn gelangt - zum Beispiel die Information über die Ohren, die in den Schläfenlappen und den Scheitellappen gelangt - dort an der Stelle muss direkt etwas passieren, denn sonst wird unser Gehirn mit einer Vielzahl unnötiger Informationen überflutet. Tatsächlich ist dort ein Teil dieser Filterfunktionen." Doch auch an einem zweiten Ort im vorderen Gehirnabschnitt gibt es eine Struktur, die großen Einfluss auf Entscheidungsprozesse hat.
Medikamentöse Behandlungsmöglichkeiten
Ein Ziel der Suche nach dem Filter im Gehirn seien neue medikamentöse Behandlungsmöglichkeiten für psychisch Kranke, für Schizophrene. "Man weiß, dass zum Beispiel bei Filterfunktionen für die ganz schnellen Vorgänge eine bestimmte Überträgersubstanz mit großer Wahrscheinlichkeit eine Rolle spielen wird. Diese Substanz kann man medikamentös beeinflussen, und manche Patienten machen das sogar indirekt: Sie rauchen sehr viel. Dieser Rezeptor spricht auch auf das Nikotin an. Schizophrene, die rauchen, fühlen sich einfach sehr viel wohler - allerdings mit negativen Aspekten, mit schneller Gewöhnung.
Gedächtnis und Informationsfilterung
Unser Gehirn arbeitet stets auf Hochtouren, denn es sortiert, filtert und speichert Erlebnisse, Eindrücke und Erfahrungen im Gedächtnis ab. 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. Drei verschiedene Gedächtnisbereiche sind im Gehirn für das Lernen von Bedeutung: das Ultrakurzzeitgedächtnis, das Arbeits- oder Kurzzeitgedächtnis und das Langzeitgedächtnis.
Die Bedeutung von Konzentration und Relevanz
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.
Konsolidierung und Langzeitgedächtnis
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.
Einflussfaktoren auf die Informationsverarbeitung
Verschiedene Faktoren können die Effizienz und Genauigkeit der Informationsverarbeitung beeinflussen. Dazu gehören:
- 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.
Gedächtnistraining und körperliche Aktivität
Wir können unser Gedächtnis aber auch trainieren. Eine wichtige Rolle bei Erkrankungen spielt Bewegung: Das Gehirn profitiert bereits von leichter körperlicher Aktivität. Körperliche Aktivität wirkt sich in nahezu allen untersuchten Hirnregionen deutlich bemerkbar. 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 wurde unter anderem beim Hippocampus beobachtet, der als Schaltzentrale des Gedächtnisses gilt.
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