Das menschliche Gehirn ist ein komplexes Organ, dessen Fähigkeit, Informationen zu speichern und abzurufen, uns befähigt, aus der Vergangenheit zu lernen und auf neue Situationen angemessen zu reagieren. Erinnerungen sind jedoch nicht einfach statische Archive, sondern dynamische Konstrukte, die sich im Laufe der Zeit verändern und an neue Umstände anpassen müssen. Dieser Artikel beleuchtet, wie das Gehirn Informationen speichert, welche Mechanismen dabei eine Rolle spielen und welche Auswirkungen dies auf unser Gedächtnis hat.
Die Mehrfache Speicherung von Erinnerungen
Forschende der Universität Basel haben herausgefunden, dass das Gedächtnis von einem Ereignis gleich mehrere "Kopien" im Gehirn speichert. Im Hippocampus, einer Hirnregion, die für das Lernen verantwortlich ist, wird ein einziges Ereignis parallel in mindestens drei verschiedenen Gruppen von Neuronen gespeichert.
- Frühe Neuronen: Diese Neuronen entstehen früh in der Entwicklung und speichern ein Ereignis langfristig. Ihre Gedächtniskopie ist anfangs schwach, wird aber im Laufe der Zeit stärker.
- Späte Neuronen: Im Gegensatz dazu erstellen spät entwickelte Neuronen eine anfangs sehr starke Gedächtniskopie, die jedoch mit der Zeit verblasst.
- Mittlere Neuronen: Eine dritte Gruppe von Neuronen, die zeitlich zwischen den frühen und späten Neuronen gebildet werden, speichert eine fast gleichbleibend stabile Kopie - sie stellen also eine Art Kernerinnerung zur Verfügung, mit den wesentlichen Informationen.
Die drei unterschiedlichen Erinnerungskopien unterscheiden sich vor allem darin, wie leicht sie sich verändern lassen bzw. an neue Erfahrungen der Umwelt angepasst werden können. Erinnerungen, die von den späten Neuronen nur kurz gespeichert werden, sind sehr formbar und können umgeschrieben werden. Erinnern wir uns kurz nach einem Erlebnis wieder daran, werden die späten Neuronen aktiv und integrieren neue Informationen in die ursprüngliche Erinnerung. Rufen wir uns das Ereignis erst nach langer Zeit ins Gedächtnis, aktivieren die frühen Neuronen ihre Erinnerungskopie, die jedoch kaum mehr veränderbar ist.
Die Bedeutung der Dynamik für das Gehirn
«Sich zu erinnern, ist für das Gehirn eine enorme Herausforderung und eine beeindruckende Leistung. Einerseits muss es sich an vergangene Ereignisse erinnern, damit wir uns in der Welt, in der wir leben, zurechtfinden können. Andererseits muss es die Erinnerungen an die Veränderungen um uns herum anpassen, damit wir richtige Entscheidungen treffen können», sagt Donato. Beständigkeit durch Dynamik - für das Gehirn ist dies ein heikler Balanceakt, den die Forschenden jetzt etwas besser verstehen.
Synaptische Plastizität: Die Grundlage des Lernens
Was passiert überhaupt, wenn unser Gehirn etwas Neues lernt und speichert? Lernen findet an den Synapsen statt - also den Orten, an denen die elektrischen Signale von einer Nervenzelle zur nächsten übertragen werden. Neurowissenschaftler haben herausgefunden, dass Synapsen die Effektivität der Übertragung variieren können. Man bezeichnet dieses Phänomen auch als synaptische Plastizität. So kann eine Synapse durch einen Vorgang namens Langzeitpotenzierung (LTP) verstärkt werden, indem sie mehr Botenstoff ausschüttet oder mehr Botenstoffrezeptoren bildet. So wissen Neurowissenschaftler heute, dass Synapsen selbst im erwachsenen Gehirn noch komplett neu gebildet oder abgebaut werden können. An wenigen Stellen wie zum Beispiel im Riechsystem können sogar zeitlebens neue Nervenzellen gebildet werden. Es ist also nicht übertrieben, wenn man sagt: Unser Gehirn gleicht zeitlebens einer Baustelle.
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Stärkung und Schwächung, Auf- und Abbau - die Stärke, mit der Signale zwischen Nervenzellen übertragen werden, wird laufend angepasst. Etwas vereinfacht könnte man sich also vorstellen, dass die Signalübertragung verstärkt wird, wenn das Gehirn etwas speichert - und abgeschwächt wird, wenn es vergisst. Ohne die Plastizität würde dem Gehirn folglich etwas Fundamentales fehlen: seine Lernfähigkeit.
Die Rolle des Hippocampus
Der Hippocampus ist eine zentrale Schaltstelle für unser Gedächtnis. 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. Unser Gehirn wählt gezielt aus, was es wirklich behalten möchte.
Die Bedeutung von Emotionen
An emotionale Erlebnisse erinnern wir uns wesentlich besser. Das Gehirn schüttet die Botenstoffe 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.
Wie das Gehirn Informationen Organisiert
Das menschliche Gehirn lässt sich nach verschiedenen Kriterien untergliedern. Entwicklungsgeschichtlich beispielsweise besteht es wie das aller Wirbeltiere aus dem End-, Zwischen-, Mittel-, Hinter- und Markhirn, auch als Tel-, Di-, Mes-, Met- und Myelencephalon bezeichnet. Anatomisch fallen besonders die Bereiche ins Auge, die als Groß-, Zwischen- und Kleinhirn (Cerebellum) bezeichnet werden, sowie der Hirnstamm.
Besonders auffällig ist die zum Endhirn gehörende sogenannte Großhirnrinde, der sogenannte Kortex. Sie ist im Laufe der Evolution so stark gewachsen, dass sie fast das gesamte Gehirn umgibt. Die Großhirnrinde ist Sitz vieler höherer geistiger Fähigkeiten. Einzelne Bereiche haben dabei unterschiedliche Aufgaben. So sind manche Areale darauf spezialisiert, Sprache zu verstehen, Gesichter zu erkennen oder Erinnerungen abzuspeichern. In der Regel ist aber keine Region allein für eine bestimmte Fähigkeit verantwortlich, sondern nur im Zusammenspiel mit anderen.
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Die Rolle von NogoA
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. „Wir wussten bislang, vor allem aufgrund der Forschungsarbeiten von Martin Schwab, wie NogoA funktioniert. Aber wir wussten nicht, warum es existiert. Vor allem die Tatsache, dass das Protein am allermeisten im Hippocampus vorkommt, gab uns Rätsel auf,“ erläutert Martin Korte. „Es findet sich also vor allem in der Hirnregion, die dafür verantwortlich ist, welche Informationen vom Kurz- ins Langzeitgedächtnis überführt werden.“ Um Muster erkennen und Erfahrungen behalten zu können, benötigen wir nicht nur ein sehr flexibles Nervensystem. 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.
Synaptisches Tagging
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.
Gedächtnisstörungen und zukünftige Behandlungen
Die Interaktionen zwischen den verschiedenen Zentren beim Aufbau von Erinnerungen zu verstehen, ist die Basis dafür, in Zukunft Gedächtnisstörungen besser behandeln zu können. Das Verständnis darüber, wie Erinnerungen gespeichert und verändert werden, könne in Zukunft dazu beitragen, ungewünschte Erinnerungen, die unser Leben beeinträchtigen und beispielsweise Traumata oder Angststörungen verursacht haben, abzuschwächen. Bei Schäden im zentralen Nervensystem, wie sie etwa bei einem Schlaganfall auftreten, kann die gezielte Blockade von NogoA die Plastizität fördern und die Rehabilitation unterstützen (also die Veränderlichkeit der neuronalen Netze erleichtern).
Das Gehirn Trainieren und Fit Halten
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.
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