Das menschliche Gehirn ist ein bemerkenswertes Organ, das ständig Informationen aus der Umwelt aufnimmt, verarbeitet und speichert. Dieser komplexe Prozess, der als Informationsverarbeitung bezeichnet wird, ermöglicht es uns, zu lernen, Entscheidungen zu treffen und mit der Welt um uns herum zu interagieren. In diesem Artikel werden wir die verschiedenen Aspekte der Informationsverarbeitung und Speicherung im Gehirn untersuchen, von den ersten sensorischen Eindrücken bis hin zu den komplexen Mechanismen des Langzeitgedächtnisses.
Sensorisches Gedächtnis: Der erste Schritt der Informationsverarbeitung
Das sensorische Gedächtnis fungiert als Schnittstelle zwischen Wahrnehmung und Gedächtnis. Es wird auch als sensorisches Register, Ultrakurzzeitgedächtnis oder ikonisches Gedächtnis bezeichnet. Hier findet die erste Verarbeitung von Reizen statt, nachdem sie aus der Außenwelt aufgenommen wurden. Dieser Prozess läuft unbewusst ab, und nicht jeder Reiz, den unsere Sinne aufnehmen, wird auch bewusst wahrgenommen.
Es handelt sich um kurze, flüchtige Sinneseindrücke dessen, was gerade wahrgenommen wurde, beispielsweise was wir gerade gehört haben. Die Reize werden kurz zwischengespeichert und bei Wichtigkeit an das Kurzzeitgedächtnis weitergegeben. Die einfließende Information wird vor dem Bewusstwerden gefiltert, um eine Reizüberflutung zu vermeiden. Dabei gibt es Unterschiede in der Dauer der Zwischenspeicherung.
Kurzzeitgedächtnis: Der bewusste Zwischenspeicher
Das Kurzzeitgedächtnis (KZG) ist der erste bewusste Teil des Gedächtnisses. Es empfängt Informationen aus dem sensorischen Gedächtnis und dient als Zwischenspeicher für Informationen, die aufrechterhalten, manipuliert oder weiterverarbeitet werden sollen. Informationen können hier aber auch verloren gehen.
Ein Beispiel hierfür ist das Nachschlagen einer Telefonnummer im Telefonbuch. Man wiederholt sie beim Gang zum Telefon, um sie wählen zu können. Die Information wird also aufrechterhalten. Nach der Eingabe der Nummer kann man sich oft nur noch an wenige Zahlen erinnern. Wird man beim Wiederholen der Nummer gestört, kann die Information verloren gehen, da man neuen Input erhält.
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Das Kurzzeitgedächtnis hat eine begrenzte Kapazität von etwa 5-9 Informationseinheiten, die gleichzeitig gehalten werden können. Diese können für wenige Sekunden bis Minuten fortbestehen. Aufmerksamkeit spielt eine wichtige Rolle für die Aufrechterhaltung von Informationen im KZG. Es reagiert empfindlich auf Störungen, wie im obigen Beispiel beschrieben.
Arbeitsgedächtnis: Manipulation und Aufrechterhaltung von Informationen
Wenn Erinnerungen im KZG aufrechterhalten oder manipuliert werden, spricht man vom Arbeitsgedächtnis. Eine Manipulation kann beispielsweise Kopfrechnen sein, da man die einzelnen Komponenten der Rechenaufgabe verbinden muss (2 + 5 = 7).
Das Arbeitsgedächtnis ist in verschiedene Untersysteme untergliedert:
- Phonologische Schleife: Zuständig für die zeitlich begrenzte Speicherung von verbaler Erinnerung. Informationen werden ähnlich wie bei der Wiederholungsschleife eines Tonbandgeräts immer wieder abgespielt. Das innere Sprechen während der Wiederholung ist unerlässlich für die Funktionsweise der phonologischen Schleife und des verbalen Arbeitsgedächtnisses.
- Räumlich-visueller Notizblock: Der geistige Zwischenspeicher für visuelle und räumliche Informationen. Dieser kommt beispielsweise zum Einsatz, wenn wir anhand von Straßenplänen einen Weg beschreiben oder uns einen Gegenstand vorstellen, den wir innerlich drehen.
- Zentrale Exekutive: Eine Art Kontrollinstanz für die phonologische Schleife und den räumlich-visuellen Notizblock. Sie filtert die eingehenden Informationen aus dem sensorischen Gedächtnis nach ihrer Wichtigkeit und leitet sie an die zuständigen Speicher weiter. Sie lenkt auch die Aufmerksamkeit auf die gerade gebrauchte Speicherinstanz und ist für die Manipulation der Information zuständig.
- Episodischer Puffer: Dient als Zwischenspeicher der Informationen für eine weitere Bearbeitung.
Weitere Faktoren, die das Kurzzeitgedächtnis beeinträchtigen können, sind Stress, Angst, Überlastung, Alkohol und Krankheiten wie Depressionen.
Langzeitgedächtnis: Unser unendlicher Speicher
Das Langzeitgedächtnis (LZG) ist unser Speicher für alles, was wir bisher erlebt und gelernt haben. Es bildet das Tor zu unseren Erlebnissen, unserem Wissen und unseren Fähigkeiten. Die Erinnerung an den ersten Kuss ist genauso gespeichert wie die Fähigkeit, einen Salto zu machen.
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Das Langzeitgedächtnis wird in das deklarative (explizite) und das non-deklarative (implizite) Gedächtnis unterteilt.
Deklaratives Gedächtnis: Bewusstes Erinnern von Fakten und Ereignissen
Im deklarativen Gedächtnis werden Erinnerungen gespeichert, die bewusst zugänglich sind und mit Worten beschrieben werden können, wie selbsterlebte Ereignisse und Faktenwissen. Es wird auch explizites oder bewusstes Gedächtnis genannt, da die gespeicherten Inhalte beschrieben (deklariert) werden können und bewusst zugänglich sind.
Es wird unterteilt in das episodische und das semantische Gedächtnis. Eine Gemeinsamkeit der beiden Untersysteme ist die flexible Kommunikation der Erinnerungen.
- Episodisches Gedächtnis: Speichert Erinnerungen an autobiographische Ereignisse, d.h. Situationen, die man selbst erlebt hat und über die man ein hohes Detailwissen hat. Es enthält meist Auskunft über Orte und Zeitangaben.
- Semantisches Gedächtnis: Speichert Faktenwissen über Begriffe, Objekte und Tatsachen. So wissen wir, dass Berlin die Hauptstadt von Deutschland ist und eine reife Banane gelb ist. Fakten sind meist ohne Rahmenbedingungen gespeichert, d.h. wir wissen nicht mehr, wann und wo wir dies gelernt haben.
Non-deklaratives Gedächtnis: Unbewusstes Lernen von Fertigkeiten und Gewohnheiten
Das non-deklarative Gedächtnis umfasst verschiedene Formen des Lernens, die nicht bewusst zugänglich sind:
- Prozedurales Gedächtnis: Speichert Fertigkeiten und Gewohnheiten, die durch Übung erlernt wurden. Dazu gehören sensumotorische Fertigkeiten wie Autofahren oder Tanzen und kognitive Fertigkeiten wie Schachspielen.
- Habituation: Ein Gewöhnungsprozess, bei dem die Reaktion auf einen wiederholten Reiz abnimmt.
- Priming: Eine vorangehende Reizdarbietung verbessert die Fähigkeit, diesen Reiz wiederzuerkennen.
- Klassische Konditionierung: Ein neutraler Reiz wird mit einem Reiz gekoppelt, der ein bestimmtes Verhalten auslöst.
- Operante Konditionierung: Organismen lernen, bestimmte Verhaltensweisen zu zeigen oder nicht mehr zu zeigen, um positive Konsequenzen zu erreichen oder negativen Konsequenzen zu entgehen.
Enkodierung, Konsolidierung und Abruf: Die Prozesse der Gedächtnisbildung
Die Enkodierung ist die Übersetzung der Informationen aus der Außenwelt (oder des Körpers) in einen neuronalen Code, so dass das Gehirn diese Informationen lesen kann.
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Unter Konsolidierung versteht man Prozesse im Gehirn, die zu einer dauerhaften Speicherung von Informationen führen. Dabei werden die Verbindungen zwischen den Nervenzellen, die die zu einer Episode gehörenden Informationen verarbeiten, verstärkt. Dadurch bilden sich Netzwerke von Nervenzellen aus, welche die zu einer Erinnerung gehörenden Informationen gespeichert haben.
Der Abruf von gespeicherten Informationen aus dem Gedächtnis kann bewusst oder unbewusst geschehen. Enkodierungsprozesse beeinflussen den Behaltenserfolg und den Abruf von gelernter Information. Informationen werden besser gespeichert, wenn sie bedeutungsvoll sind. Außerdem hilft es, neue Informationen mit bereits gelerntem Wissen zu verknüpfen, um es leichter abrufen zu können. Weiterhin verbessert sich der Abruf, wenn die Rahmenbedingungen beim Lernen dieselben sind wie beim Abruf.
Die Rolle des Gehirns in der Informationsverarbeitung
Das Gehirn ist das zentrale Organ für die Informationsverarbeitung. Es besteht aus etwa 100 Milliarden Nervenzellen (Neuronen), die über rund 100 Billionen Synapsen miteinander verbunden sind. Diese komplexen neuronalen Netzwerke ermöglichen es dem Gehirn, Informationen zu verarbeiten und zu speichern.
Verschiedene Bereiche des Gehirns sind für verschiedene Aspekte der Informationsverarbeitung verantwortlich:
- Präfrontaler Cortex: Planung, Entscheidungsfindung und Impulskontrolle
- Hippocampus: Gedächtnis und Lernen
- Sensorische Bereiche (visueller Cortex, auditiver Cortex): Verarbeitung von Informationen aus den Sinnesorganen
Einflussfaktoren auf die Informationsverarbeitung
Verschiedene Faktoren können die Effizienz und Genauigkeit der Informationsverarbeitung beeinflussen:
- Aufmerksamkeit: Die Fähigkeit, sich auf relevante Informationen zu konzentrieren.
- Emotionen: Positive Emotionen können 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.
- Gesundheit und Wohlbefinden: Körperliche Gesundheit, ausreichender Schlaf und eine ausgewogene Ernährung können die kognitive Funktion unterstützen.
Künstliche Intelligenz und die Nachbildung des Gehirns
Forschungen zielen darauf ab, die Lern- und Gedächtnisprozesse des menschlichen Gehirns auf technische Schaltungen zu übertragen. Anstatt Supercomputer zu verwenden, soll eine analoge elektrische Schaltung entstehen, die zelluläre Mechanismen in Neuronen und Synapsen nachbildet. Das natürliche Vorbild hierfür ist der Hippocampus.
Kernstück dieses Ansatzes sind Memristoren, Bauteile, deren elektrischer Widerstand vom zeitlichen Verlauf des Stroms abhängt. Damit lassen sich auch Zwischenwerte abspeichern, nicht nur Nullen und Einsen. Zudem bleibt die Einstellung auch ohne Energiezufuhr erhalten.
Die Bedeutung der zeitlichen Abstimmung für die Informationsverarbeitung
Forschende haben herausgefunden, dass der exakte Zeitpunkt, zu dem ein Signal auf aufnahmebereite Nervenzellen trifft, über seine Verarbeitung entscheidet. Aufmerksamkeit nutzt diese Taktung gezielt für die Verarbeitung relevanter Informationen. Ob ein Signal im Gehirn weiterverarbeitet wird, hängt entscheidend davon ab, ob es im richtigen Moment eintrifft - in einer kurzen Phase erhöhter Empfänglichkeit der Nervenzellen.
Mechanische Eigenschaften des Gehirns und ihre Rolle bei der Informationsverarbeitung
Mechanische Eigenschaften des Gehirns spielen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von Verschaltungen und der Entstehung elektrischer Signale. In besonders weichen Regionen des Gehirns bilden sich mehr Synapsen. Neuronen nehmen die Steifigkeit ihrer Umgebung über den mechanosensitiven Ionenkanal Piezo1 wahr.
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