Das Gehirn und Lernen: Aufbau, Funktionen und Prozesse

Das Gehirn ist die zentrale Steuereinheit des Körpers und spielt eine entscheidende Rolle bei lebenswichtigen Funktionen, Wahrnehmung, Verhalten und Lernen. Es ist ein komplexes Organ, das aus verschiedenen Teilen besteht, die miteinander interagieren, um unsere Erfahrungen und Fähigkeiten zu formen.Das Gehirn (auch Cerebrum oder Encephalon) übernimmt lebenswichtige Aufgaben, wie die Steuerung von Atmung und Kreislauf. Dazu müssen verschiedene Strukturen zusammenarbeiten.

Aufbau des Gehirns

Das Gehirn befindet sich im Kopf, geschützt durch die knöcherne Schädeldecke und drei Hirnhäute (Meningen). Es geht im Bereich des Hinterkopfs in das Rückenmark über. Das Gehirn besteht aus zwei verschiedenen Gewebeanteilen: der grauen und der weißen Substanz. Die graue Substanz enthält die Zellkörper der Nervenzellen, während die weiße Substanz die Nervenfasern (Axone) enthält. Bei Groß- und Kleinhirn bildet die graue Masse die umhüllende Rinde. Außerdem befindet sie sich in der weißen Substanz. Beim Gehirn befinden sich die Nervenzellkörper also vor allem in den äußeren Bereichen und die Axone liegen im inneren Teil des Gehirns.

Hauptbereiche des Gehirns

Das Gehirn lässt sich in verschiedene Bereiche gliedern, die jeweils spezifische Funktionen haben:

• Großhirn (Cerebrum): Das Großhirn ist das größte Gehirnareal und für höhere Hirnfunktionen wie Denken, Lernen, Gedächtnis, Sprache und bewusste Bewegungen verantwortlich. Um seine Oberfläche noch weiter zu vergrößern, ist es stark gefaltet. Es bildet viele Gehirnwindungen (Gyri), die durch Gräben (Sulci) voneinander getrennt sind. Die Großhirnrinde ist in verschiedene Unterbereiche, sogenannte Gehirn-Lappen, gegliedert. Sie werden entsprechend ihrer Lage Stirn-Lappen, Schläfen-Lappen, Scheitel-Lappen und Hinterkopf-Lappen genannt. In ihnen haben Nervenzellen mit ganz bestimmten Aufgaben ihren Sitz. Man kann heute schon sehr genau sagen, wo sich einzelne Funktionen befinden, z. B.
• Zwischenhirn (Diencephalon): Das Zwischenhirn liegt zwischen dem Großhirn und dem Mittelhirn und ist an der Steuerung von Emotionen, мотивации, Schlaf-Wach-Rhythmus und hormonellen Funktionen beteiligt. Den Thalamus kannst du dir als „Tor zum Bewusstsein“ vorstellen. Seine Funktion ist die Sammlung fast aller Sinneswahrnehmungen und die Weiterleitung an das primär sensorische Rindenfeld im Scheitellappen des Großhirns. Der Hypothalamus kontrolliert den Hormonhaushalt. Damit stellt er sozusagen die Verbindung zwischen Hormon- und Nervensystem dar. Er steuert wichtige Funktionen, wie Schlaf-Wach-Rhythmus, Körpertemperatur und Sexualverhalten. Der Hypothalamus ist verbunden mit der Hypophyse. Sie ist die Hormondrüse am Gehirn.
• Kleinhirn (Cerebellum): Das Kleinhirn liegt unterhalb des Großhirns und hinter dem Hirnstamm. Genau wie das Großhirn, lässt sich auch das Kleinhirn in zwei Hemisphären einteilen. Zwischen den beiden Hälften liegt der Kleinhirnwurm. Das Kleinhirn ist vor allem für das Gleichgewicht, die Koordination von Bewegungen und das motorische Lernen verantwortlich.
• Hirnstamm (Truncus encephali): Der Hirnstamm bildet den untersten Teil des Gehirns und verbindet es mit dem Rückenmark. Er steuert lebenswichtige Funktionen wie Atmung, Herzschlag, Blutdruck und Reflexe. Der Hirnstamm ist für die Verschaltung von Sinneseindrücken verantwortlich. Im Nachhirn überkreuzen sich viele Nervenbahnen unserer beiden Körperhälften.

Weitere wichtige Strukturen

• Limbisches System: Das limbische System ist eine Gruppe von Strukturen im Gehirn, die an der Verarbeitung von Emotionen, мотивации und Gedächtnis beteiligt sind.
• Basalganglien: Die Basalganglien sind eine Gruppe von Strukturen im Gehirn, die an der Steuerung von Bewegungen beteiligt sind.
• Hypophyse: Sie ist die Hormondrüse am Gehirn.
• Thalamus: Der Thalamus ist die wichtigste Schaltstation für Informationen aus den Sinnesorganen.

Nervenzellen und Synapsen

Das Gehirn ist ein gigantisches Netzwerk von Nervenzellen (Neuronen), die über Synapsen miteinander verbunden sind. Die Synapsen sind die Kontaktstellen, an denen die Nervenzellen miteinander kommunizieren. Die Synapsen können dabei nutzungsabhängig optimiert und verändert werden.

Wie funktioniert das Gehirn?

Das Gehirn übernimmt alle lebenswichtigen Funktionen unserer Körpers, wie die Atmung, den Kreislauf oder das Schlaf-Wach-Verhalten. Dazu nimmt das Gehirn alle Informationen von den Organen und aus der Umwelt auf, speichert und verarbeitet sie. Auch komplexe Funktionen wie Denken, Lernen, Emotionen oder Handlungsabläufe werden dort gesteuert. Das Gehirn ist also sehr komplex und übernimmt viele unterschiedliche Aufgaben. Daher gibt es viele verschiedene Gehirnregionen mit speziellen Aufgaben, die zusammen arbeiten müssen. - miteinander verbunden.

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Neuronale Plastizität und Lernen

Die Fähigkeit des Gehirns, sich an neue Erfahrungen anzupassen und zu verändern, wird als neuronale Plastizität bezeichnet. Dieser Prozess spielt eine entscheidende Rolle beim Lernen und Gedächtnis. Durch ständiges Wiederholen werden entsprechende Synapsen verstärkt. Das beantwortet zum Beispiel die Frage „Wie lernt das Gehirn?“. Denn Lernfähigkeit kommt dadurch zustande, dass durch ständiges Wiederholen entsprechende Synapsen verstärkt werden.

Gedächtnis

Unter dem Gedächtnis versteht man die Eigenschaft des Gehirns, Informationen zu speichern und diese als Erfahrungen wieder abzurufen. Die Leistungs- und Speicherfähigkeit des Gehirns wird auch Gehirnkapazität genannt. Je nachdem, wie viel Gehirnkapazität benötigt wird, unterscheidet man verschiedene Gedächtnisstufen.

Es gelangen unzählige Eindrücke über die Sinnesorgane in unser Gehirn. Sie werden als Informationen auf Nervenbahnen von den Sinnesorganen ans Gehirn weitergeleitet und dort in neuronalen Netzen gespeichert. Im Zwischenhirn werden zuerst unwichtige Eindrücke aussortiert und wichtige für maximal zwei Sekunden im Ultrakurzzeitgedächtnis gespeichert. Dazu bedient es sich verschiedener sensorischer Kortexareale, die auf der Großhirnrinde liegen und gleichzeitig aktiv sind. Ein Vorteil des multimedialen Lernens ist daher auch, dass mehrere Bereiche mit einem Lerninhalt konfrontiert werden können, wodurch sich dieser leichter vom Gehirn aufnehmen lässt. Im Anschluss verweilt die neue Information für bis zu 45 Sekunden im Arbeitsgedächtnis, wo man sich z. B. auch eine Telefonnummer für kurze Zeit merken kann, ohne dass sie Anschluss noch einmal abrufbar wäre. Das Kurzzeitgedächtnis kann neue Informationen anschließend für einige Stunden aufrechterhalten. Das geschieht im limbischen System, dem Hippocampus und den angrenzenden Kortexarealen im Temporallappen. Hier werden die Neuronen allerdings nur aktiviert. Es wird keine neue Verbindung von Neuronen gespeichert. Im Langzeitgedächtnis, das den gesamten Kortex durchzieht, werden Informationen längerfristig, also teilweise für Jahre gespeichert. Neue Informationen werden dazu bei bereits vorhandenen Informationen eingespeichert, sie überschreiben oder ersetzen diese. Sie bilden als Neuronenverbindungen einen Teil des gesamten Netzwerks und sind integriert. Durch jedes neue Lernen verändert sich also teilweise die Hirnstruktur. Diese neuronalen Netze sind umso stärker und können schneller arbeiten, je häufiger sie trainiert werden, also je öfter Informationen abgerufen werden. Forscherinnen und Forscher sprechen dabei von „neuronaler Plastizität“, der Fähigkeit von Synapsen, Neuronen und Netzwerken, sich durch Optimierungsprozesse fortlaufend an sich ändernde Anforderungen anzupassen. Wird wiederholt, werden sie stärker.

Entwicklung des Gehirns

Das Gehirn eines Embryos entwickelt sich etwa ab der vierten Schwangerschaftswoche. Dazu bilden sich aus dem vorderen Teil Neuralrohr drei bläschenförmige Erweiterungen aus. Bereits in dieser frühen Entwicklungsphase wird das Gehirn also in unterschiedliche Abschnitte eingeteilt. Aus den drei ersten Bläschen bilden sich das Vorder-, das Mittel- und das Rautenhirn. Im Laufe der Entwicklung gehen daraus dann weitere Hirnbläschen hervor, welche die restlichen Gehirnabschnitte bilden.

Kinder haben in einem Alter bis zu zehn Jahren etwa doppelt so viele Synapsen wie erwachsene Menschen. Danach halbiert sich diese Zahl und ab der Pubertät tritt kaum eine Veränderung in der Zahl der Synapsen auf. Das bedeutet, dass im Kindesalter aufgrund dieser hohen Synapsenzahl eine große Anpassungs- und Lernfähigkeit des Gehirns besteht. Ein weiterer Unterschied liegt in der Merkfähigkeit von Kindern. Babys können Erinnerungen nur bis zu 24 Stunden im Gedächtnis behalten. Mit zunehmenden Alter wächst das Erinnerungsvermögen und die Zeiträume, die erinnert werden können, werden länger. Das Langzeitgedächtnis wird in seiner Form erst ab dem fünften Lebensjahr ausgebildet. Hinzu kommt in diesem Alter die Entwicklung des präfrontalen Kortex, der für die Entscheidungsfindung und das logische Denken wichtig ist. Im Laufe eines Erwachsenenlebens können Strukturen des fertig entwickelten Gehirns teilweise umgebaut bzw. „umfunktioniert“ werden. Wenn z. B. durch Krankheit einige Bereich in ihrer Funktion gestört sind, können andere Bereiche des Gehirns ihre Aufgabe zumindest teilweise übernehmen.

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Energieversorgung und Schutz des Gehirns

Da der Energieverbrauch des Gehirns so hoch und der Stoffwechsel dort so aktiv ist, benötigt es sehr viel Sauerstoff und Glucose (Energielieferant). Denn obwohl das Gehirn nur 2% des Körpergewichts ausmacht, geht ungefähr ein Fünftel unseres gesamten Sauerstoffbedarfs an das Gehirn. Die Durchblutung des Gehirns läuft über zwei große, jeweils in Paaren angelegte Arterien ab. Seitlich am Hals entlang verläuft die innere Halsschlagader (Arteria carotis interna), die aus der Halsschlagader (Arteria carotis communis) entspringt.

Um zu verhindern, dass schädliche Substanzen aus dem Blut in das Gehirn gelangen, gibt es eine Schranke. Die sogenannte Blut-Hirn-Schranke stellt eine Barriere zwischen den Blutgefäßen und den Nervenzellen dar.

Erkrankungen des Gehirns

Das Gehirn kann aber auch durch verschiedene Ursachen in seiner Funktion gestört oder beschädigt werden. Am besten können Schädigungen durch ein Gehirn-MRT festgestellt werden. Bei der Magnetresonanztomographie (MRT) wird der Kopf sozusagen gescannt und ein Bild erstellt. Je nachdem, welcher Bereich des Gehirns beschädigt wird, können ganz unterschiedliche Symptome auftreten.

Einige häufige Erkrankungen des Gehirns sind:

• Schlaganfall: Eine Durchblutungsstörung im Gehirn durch den Verschluss eines Blutgefäßes, die zu Sauerstoffunterversorgung im entsprechenden Gebiet führt.
• Gehirntumor: Es gibt gutartige und bösartige Hirntumore.
• Demenz: Unter Demenz versteht man die Abnahme von Gedächtnis- und Denkleistungen. Eine Art der Demenz ist Alzheimer.
• Parkinson: Bei Parkinson kommt es zum Absterben einer bestimmten Art von Nervenzellen im Gehirn. Dadurch herrscht eine geringere Konzentration des Botenstoffs Dopamin vor.

Lernen und Gedächtnis verbessern

Am besten lernen wir neue Informationen, indem wir in einem Umfeld interagieren, dass äußere und innere Einflüsse betrachtet und ggf. minimiert. Das bedeutet für den Unterricht, dass Lehrkräfte beachten, in welcher Situation die Schülerinnen und Schüler in den Unterricht kommen, z. B. müde, aufgekratzt oder hungrig. Welche Einflüsse aus der Umwelt spielen für die Schülerinnen und Schüler eine Rolle, z. B. wie sind die Temperatur- und Lichtverhältnisse im Klassenzimmer, wie ist das soziale Gefüge der Klasse, gibt es bei Einzelnen Probleme im Elternhaus, und wie kann die Lehrkraft diese ausblenden. Um die Konzentrationsfähigkeit der Lernenden zu stärken, sollten verschiedene Entspannungs- bzw.Kooperativ lernen: Wenn Schülerinnen und Schüler sich im Unterricht gegenseitig Fragestellung sowie Lösungswege erklären, reaktivieren sie ihr verblassendes Wissen und können es so stärken.Den Intervall-Effekt nutzen: Mit dem Intervall- oder Spacing-Effekt werden längere Wiederholungszyklen beim Lernen beschrieben. Dementsprechend sollte ein Thema im Laufe eines Schuljahrs an verschiedenen Punkten immer wieder aufgegriffen werden. Die Lernenden erhalten dadurch die Möglichkeit, das erlernte Wissen immer wieder abzurufen und erneut zu festigen. Eine kurze Auffrischung zum Stundenbeginn oder Hausaufgaben einige Wochen, nachdem das Thema zuletzt aufgegriffen wurde, sind zwei klassische Varianten.Text mit Bild verbinden: Wurde etwas mit mehreren Sinnen gelernt, ist es einfacher wieder abrufbar, als wenn es nur über Text vermittelt wurde. Zur Reaktivierung von Wissen können zu Beginn der Stunde verschiedene Bilder, Fotos oder Zeichnungen für die Schülerinnen und Schüler ausgebreitet werden, denen wichtige Begriffe zur vergangenen Unterrichtseinheit zugeordnet werden sollen.

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