Das menschliche Gehirn ist ein komplexes Organ, das Sinneswahrnehmungen verarbeitet, Bewegungen koordiniert, Verhaltensweisen steuert und komplexe Informationen speichert. Es ermöglicht uns, zu lernen, uns zu erinnern und Erfahrungen zu sammeln. Doch wie genau funktionieren diese Prozesse? Dieser Artikel beleuchtet die verschiedenen Aspekte der Gehirn- und Gedächtnisfunktion, von den grundlegenden Mechanismen der Informationsspeicherung bis hin zu den Faktoren, die unsere Gedächtnisleistung beeinflussen.
Die Bausteine des Gehirns: Nervenzellen und Synapsen
Ungefähr 86 Milliarden Nervenzellen, auch Neuronen genannt, bilden das Netzwerk des menschlichen Gehirns. Diese Neuronen sind durch Synapsen miteinander verbunden, spezialisierte Kontaktstellen, die Signale elektrochemisch umwandeln und weiterleiten. Beim Lernen werden Informationen selektiv erworben und im Gedächtnis in abrufbarer Form gespeichert. Dieser Prozess basiert auf der Verstärkung bestimmter Synapsen, an denen die Signalübertragung durch biochemische und strukturelle Modifikationen erleichtert wird. Stichworte hierbei sind 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 benötigte Synapsen abgebaut werden.
Die verschiedenen Gedächtnisspeicher
Um effizient zu funktionieren, ist das Gedächtnis in verschiedene Bereiche aufgeteilt. Jeder dieser Bereiche ist für eine bestimmte Aufgabe ausgelegt, und das Verständnis dieser Bereiche hilft, die Merkfähigkeit zu verbessern. Informationen müssen die Bereiche chronologisch passieren, wobei nach Wichtigkeit gefiltert wird. Während das Ultrakurzzeitgedächtnis noch sehr viele Informationen aufnimmt, kommen im Langzeitgedächtnis nur die absolut wichtigsten Dinge an. Vereinfacht wird je nach Dauer der Informationsspeicherung zwischen dem Ultrakurzzeitgedächtnis (auch sensorisches Gedächtnis genannt), dem Kurzzeitgedächtnis (auch Arbeitsgedächtnis genannt) und dem Langzeitgedächtnis unterschieden.
Das Ultrakurzzeitgedächtnis und das sensorische Gedächtnis
Das Ultrakurzzeitgedächtnis, auch sensorisches Gedächtnis genannt, ist die unmittelbare Schnittstelle zwischen unseren Sinnesorganen und dem Gehirn. Unsere Eindrücke, wie sehen, riechen, schmecken oder hören, werden hier kurzzeitig gespeichert. Hier werden weitaus mehr Informationen als bei anderen Gedächtnistypen aufgenommen, allerdings verfallen diese auch sehr schnell wieder. Durch das sensorische Gedächtnis ist es uns beispielsweise möglich, Dinge zu wiederholen, die wir kurz zuvor in einem Gespräch erfasst haben. Irrelevante Informationen werden schnell wieder verworfen, für uns relevante Informationen werden an das Arbeitsgedächtnis weitergeleitet. Das sensorische Gedächtnis speichert Informationen wie Gerüche, Töne oder Bilder für Millisekunden bis Sekunden.
Das Kurzzeit- und das Arbeitsgedächtnis
Der Begriff Kurzzeitgedächtnis wurde in der Wissenschaft von dem Begriff Arbeitsgedächtnis abgelöst. Im allgemeinen Sprachgebrauch ist aber dennoch oft vom Kurzzeitgedächtnis die Rede. Im Kurzzeitgedächtnis werden Informationen bis zu 30 Sekunden lang gespeichert. Wird die aufgenommene Information als wichtig erkannt, gelangt diese danach in das Langzeitgedächtnis. Vom Gedächtnis als unwichtig eingeschätzte Informationen werden vergessen. Das Kurzzeitgedächtnis agiert vor allem als Zwischenspeicher. Wir benötigen es beispielsweise, um gerade Erlebtes zu verstehen oder um Situationen einschätzen zu können. Das Arbeitsgedächtnis speichert Informationen für etwa 20-45 Sekunden.
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Das Langzeitgedächtnis
Informationen, die im Langzeitgedächtnis abgespeichert wurden, können über einen sehr langen Zeitraum gespeichert werden. Hier werden vor allem Wissen, gelernte Fähigkeiten oder prägende Ereignisse abgespeichert. Auch Erinnerungen aus dem Langzeitgedächtnis können vergessen oder verlernt werden. Diese lassen sich aber schneller wieder auffrischen, da die neuronalen Verbindungen nicht vollständig abgebaut werden, sondern sich lediglich zurückbilden. Die Kapazität dieses Bereichs ist unbegrenzt. Die eigentliche Hürde, um Wissen aufzunehmen, liegt also darin, dem Gedächtnis zu vermitteln, welche Informationen es speichern soll. Das Langzeitgedächtnis ist das dauerhafte Speichersystem des Gehirns und speichert Informationen über Jahre, teilweise sogar lebenslang.
Wie das Gehirn Erinnerungen codiert
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. Wenn wir uns etwas merken, dann ändert sich wirklich physiologisch unser Gehirn. 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. Das Muster der Gesichtserkennung findet im perzeptuellen Gedächtnis statt. Wenn wir Informationen abspeichern und wieder abrufen, dann sind ganz unterschiedliche Gedächtnisbereiche aktiv. 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.
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Der Hippocampus: Eine zentrale Schaltstelle für das Gedächtnis
Im Gehirn gibt es keinen zentralen Ort, an dem Informationen gespeichert werden, aber der Hippocampus ist eine zentrale Schaltstelle für viele Gedächtnisinhalte. Ein wichtiger Gehirnbereich für die Bildung des Gedächtnisses ist der Hippocampus, der im Schläfenlappen des Großhirns liegt. Er ist Teil des limbischen Systems, das eine wichtige Rolle bei der Verarbeitung von Emotionen und der Entstehung von Erinnerungen spielt.
Spontane Wiederholungen fördern die Gedächtnisbildung
Eine Studie des Deutschen Zentrums für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) und der Universität Bonn hat gezeigt, dass neuronale Erregungsmuster, die mit bestimmten Gedächtnisinhalten zusammenhängen, spontan wiederkehren können, während sich das menschliche Gehirn im Ruhezustand befindet. Diese Wiederholungen tragen dazu bei, dass sich Erinnerungen verfestigen und dauerhaft abgespeichert werden.
In der Studie führten die Forscher um Nikolai Axmacher einen Gedächtnistest mit Probanden durch und erfassten gleichzeitig deren Hirnaktivität mit Hilfe der funktionellen Magnetresonanz-Tomographie (fMRT). Die Probanden sollten verschiedene Bilder mit einer zuvor gezeigten räumlichen Position verbinden. Die Ergebnisse zeigten, dass die Gedächtnisleistung der Probanden mit der Häufigkeit korrelierte, mit der sich Hirnmuster wiederholten, die bei der ursprünglichen Vorführung der Bilder auftraten. Je häufiger ein Aktivitätsmuster auftrat, desto genauer konnte ein Proband das zugehörige Bild markieren.
Die Studie deutet darauf hin, dass sich neuronale Muster spontan wiederholen können und dass sie die Bildung dauerhafter Gedächtnisinhalte fördern. Sie zeigt außerdem, dass Momente der Entspannung die Gedächtnisleistung im Allgemeinen fördern können.
Faktoren, die die Gedächtnisleistung beeinflussen
Wie gut wir lernen und uns etwas merken können, ist von Faktoren wie Aufmerksamkeit, Motivation und Belohnung abhängig. Dabei werden wichtige von unwichtigen Informationen getrennt. Auch Emotionen oder Stress beeinflussen unsere Lernfähigkeit. Zu Vergesslichkeit können unterschiedliche Einflüsse führen. Wassermangel, Stress oder zu wenig Schlaf wirken sich negativ aus. Außerdem baut das Gehirn ab dem 30. Lebensjahr wieder ab, was die Merkfähigkeit verschlechtern kann. Mit zunehmendem Alter lassen Gedächtnis und Konzentration häufig nach. In gewissem Maße ist das ganz normal und liegt an der sich im Alter verringernden Durchblutung des Gehirns. Grund sind Alterungsprozesse im Körper, zum Beispiel Ablagerungen in den Gehirngefäßen (Arterienverkalkung oder Atherosklerose), die die Blutversorgung der Gehirnzellen beeinträchtigen. In Folge werden weniger Sauerstoff und Nährstoffe zu den Gehirnzellen transportiert. Auch freie Radikale, also aggressive Sauerstoffverbindungen, die während verschiedener Stoffwechselprozesse entstehen, können die Leistungsfähigkeit der Nervenzellen beeinträchtigen. Man geht davon aus, dass ca. 10 - 15 % der Menschen ab 65 Jahren zumindest von leichteren Gedächtnis- und Konzentrationsstörungen betroffen sind. Nachlassende Leistungen von Gedächtnis, Aufmerksamkeit und Konzentration im Alter entwickeln sich oft langsam, was manchmal das Erkennen erschwert.
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Gedächtnistraining und körperliche Aktivität
Ein effektives Gedächtnistraining kann helfen, den Abbau der Gedächtnisleistung zu entschleunigen. Auch Sport ist gut, weil er die Durchblutung des Gehirns fördert. Bestimmte Dinge machen das Gedächtnis hingegen so schlapp wie Pudding: Zu viel fernsehen, weil man dabei kaum denken muss, oder manche Computerspiele, denn dabei wird das Gedächtnis mit Tausenden von Bildern bombardiert, die es gern aufnimmt, weil sie Spaß machen. Eine wichtige Rolle bei Erkrankungen spielt Bewegung: Das Gehirn profitiert bereits von leichter körperlicher Aktivität. Je höher und intensiver die körperliche Aktivität, umso größer sind 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.
Unser Gedächtnis ist kein Computer
Zuerst wurde angenommen, unser Gedächtnis sei so unbestechlich wie ein Computer. Ein Computer speichert Dateien nüchtern ab, wie er sie bekommt. Unser Gedächtnis ist da etwas weniger kompetent. Unsere Erinnerung gleicht eher einem unvollständigen Puzzle, die Lücken werden unterbewusst durch Raten ausgefüllt. Keine Erinnerung ist also genau so passiert, wie wir diese in unserem Kopf gespeichert haben. Sondern wir füllen Sie mit einem Muster aus, welches aus früheren Erfahrungen entsteht. So bleibt jedem also eine etwas andere Erinnerung zur gleichen Situation im Kopf. Unser Gedächtnis spielt manchmal ganz schön verrückt, wenn es versucht, Lücken zu schließen und nicht abgespeicherte Informationen zu ergänzen. Dabei können unbewusst Falschaussagen entstehen, von deren Wahrheitsgehalt man generell überzeugt ist, aber die notwendige Information nicht abgespeichert hat. So kann schnell bei einer Unfallbeschreibung aus einem blauen Auto, ein rotes Auto werden. Oder wir erinnern uns an eine bestimmte Situation und blicken durch eine rosarote Brille. Das ist auch der Grund, warum wir oft nostalgisch auf unsere Jugend zurückblicken. Der Rückblick kann sich im Laufe des Lebens jedoch wieder verändern. Ein Abgleich mit der Gegenwart kann die guten Erlebnisse ebenso zu schlechten verwandeln. Erinnerungen prägen den Menschen, deshalb ist die Persönlichkeit eines Menschen immer individuell - selbst wenn das Gedächtnis zum Beispiel aufgrund einer Demenzerkrankung nachlässt. Bestimmte Informationen sind trotzdem gespeichert. Auch wenn man sich nicht mehr an seinen Namen erinnern kann, bleiben Erinnerungen vorhanden, die unbewusst abrufbar sind.
Flexibilität des Gedächtnisses durch getrennte Verarbeitung von Inhalt und Kontext
Menschen besitzen die bemerkenswerte Fähigkeit, sich an dieselbe Person oder dasselbe Objekt in völlig unterschiedlichen Situationen zu erinnern. Wir unterscheiden mühelos ein Abendessen mit einem Freund von einem geschäftlichen Treffen mit demselben Freund. Tief in den Gedächtniszentren des Gehirns reagieren spezifische Zellen, sogenannte Konzeptneuronen, auf diesen Freund, unabhängig davon in welcher Umgebung er auftaucht. Das Gehirn muss diesen Inhalt jedoch mit dem Kontext kombinieren können, um eine nützliche Erinnerung zu bilden.
Bonner Forschende nutzten die elektrische Aktivität einzelner Neuronen im Gehirn von Menschen mit medikamentenresistenter Epilepsie, denen zu rein diagnostischen Zwecken Elektroden im Hippocampus und umliegenden Hirnregionen implantiert wurden. Dabei wurden ihnen Bildpaare gezeigt, die sie anhand unterschiedlicher Fragestellungen vergleichen mussten. Das Forschungsteam analysierte über 3.000 Neuronen und identifizierte zwei weitgehend getrennte Nervenzellgruppen: Inhalts-Neurone feuerten als Reaktion auf spezifische Bilder (z. B. einen Keks), unabhängig von der Aufgabe. Kontext-Neurone feuerten als Reaktion auf spezifische Aufgabenkontexte (z. B. die Frage „Größer“), unabhängig vom gezeigten Bild. Im Gegensatz zu Nagetieren kodierten nur sehr wenige Neuronen beides gleichzeitig. Die Verbindungen zwischen ihnen verstärkten sich im Laufe des Experiments: Das Feuern eines Inhalts-Neurons begann, die Aktivität eines Kontext-Neurons einige zehn Millisekunden später vorherzusagen. Es schien, als würde das ‘Keks’-Neuron lernen, das ‘Größer?’-Neuron anzuregen. Dies geschieht im Sinne eines Torwächters für den Informationsfluss, sodass nur der relevante Kontext, welcher zuvor aktiv war, abgerufen wird. Diese Arbeitsteilung erklärt wahrscheinlich die Flexibilität des menschlichen Gedächtnisses.
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