Unser Gehirn ist ein bemerkenswertes Organ, das ständig Informationen verarbeitet, filtert und speichert. Es ermöglicht uns, Erfahrungen zu sammeln, zu lernen und uns an Ereignisse zu erinnern. Aber wie genau funktioniert dieser komplexe Prozess? Wie speichert das Gehirn Informationen, und wie holen wir diese Informationen wieder hervor? Dieser Artikel beleuchtet die verschiedenen Aspekte der Informationsspeicherung im Gehirn und gibt Einblicke in die neuesten Forschungsergebnisse.
Die Arbeitsweise des Gehirns: Neuronale Netze und synaptische Plastizität
Im Gegensatz zu einer Computerfestplatte, die Informationen in Form von Nullen und Einsen speichert, verändert das Gehirn bei jeder Informationsverarbeitung die Verknüpfungen zwischen den Nervenzellen. Dieses Netzwerk von Nervenzellen, auch neuronales Netz genannt, ist bei jedem Menschen einzigartig. "Wenn wir uns etwas merken, dann ändert sich wirklich physiologisch unser Gehirn." Diese Veränderungen in den neuronalen Verbindungen werden als synaptische Plastizität bezeichnet und sind die Grundlage für Lernen und Gedächtnis.
Beim Lernen werden Informationen aus der Umwelt im Gedächtnis in abrufbarer Form gespeichert. Dies geschieht durch die Verstärkung bestimmter Synapsen, an denen die Signalübertragung erleichtert wird. Manchmal bilden sich beim Lernen neue Synapsen, oder nicht mehr gebrauchte Synapsen werden abgebaut.
Die verschiedenen Gedächtnisbereiche: Ultrakurzzeit-, Kurzzeit- und Langzeitgedächtnis
Das Gehirn verfügt über verschiedene Gedächtnisbereiche, die für unterschiedliche Arten der Informationsspeicherung zuständig sind:
Ultrakurzzeitgedächtnis: Dieses Gedächtnis speichert Informationen nur für sehr kurze Zeit, etwa zwei Sekunden. Es dient dazu, die vielen verschiedenen Sinneseindrücke, die wir jeden Augenblick wahrnehmen, herauszufiltern. Nur relevante Informationen gelangen ins Kurzzeitgedächtnis.
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Arbeits- oder Kurzzeitgedächtnis: Hier werden Informationen bis zu 20 Minuten gespeichert. In diesem Bereich des Gedächtnisses werden Informationen verarbeitet. Um das Gelernte länger zu behalten, ist es hilfreich, kurze Pausen einzulegen und das Gelernte zu wiederholen.
Langzeitgedächtnis: Dieses Gedächtnis speichert Informationen über einen längeren Zeitraum, manchmal sogar ein Leben lang. Der Prozess, bei dem Informationen vom Kurzzeit- ins Langzeitgedächtnis übergehen, wird als Konsolidierung bezeichnet. In dieser Phase ist das Gedächtnis jedoch auch sehr störanfällig.
Die Vielfalt des Langzeitgedächtnisses: Prozedural, perzeptuell, semantisch und episodisch
Das Langzeitgedächtnis lässt sich in verschiedene Subsysteme unterteilen, die jeweils für unterschiedliche Arten von Informationen zuständig sind:
Prozedurales Gedächtnis: Dieses Gedächtnis speichert einmal gelernte Bewegungsabläufe, wie zum Beispiel Fahrradfahren.
Perzeptuelles Gedächtnis: Dieses Gedächtnis hilft uns, Personen wiederzuerkennen, auch wenn sie sich äußerlich verändert haben.
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Semantisches Gedächtnis: Dieses Gedächtnis speichert alle Informationen, die wir im Laufe unseres Lebens erworben haben, wie zum Beispiel Fremdsprachen und Wissensinhalte.
Episodisches Gedächtnis: Dieses Gedächtnis bewahrt unsere autobiographischen Erlebnisse, sowohl gute als auch schlechte Erinnerungen. An prägende Momente erinnern wir uns ab dem dritten Lebensjahr.
Emotionen und Erinnerungen: Eine enge Verbindung
Emotionen spielen eine wichtige Rolle bei der Speicherung von Informationen im Gedächtnis. 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. 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. "Ganz wichtig für das Gedächtnis ist ein Bereich des Gedächtnisses, den man das limbische System nennt. Und das limbische System besteht aus dem Hippocampus und der Amygdala.
Die Dynamik der Erinnerung: Wie das Gehirn Erinnerungen verändert und speichert
Forschende der Universität Basel haben herausgefunden, dass der Hippocampus, eine Hirnregion, die für das Lernen verantwortlich ist, ein einziges Ereignis gleichzeitig in mindestens drei verschiedenen Gruppen von Neuronen abspeichert. Diese drei Erinnerungskopien unterscheiden sich darin, wie leicht sie sich verändern lassen und an neue Erfahrungen angepasst werden können. Neuronen, die früh in der Entwicklung entstehen, speichern ein Ereignis langfristig, aber ihre Gedächtniskopie ist anfangs schwach. Im Laufe der Zeit wird die gespeicherte Erinnerung jedoch immer stärker. Im Gegensatz dazu ist die Gedächtniskopie desselben Ereignisses, die von den spät entwickelten Neuronen erstellt wird, anfangs sehr stark, verblasst aber mit der Zeit. Die drei unterschiedlichen Erinnerungskopien helfen, sich zu orientieren.
Synaptic Tagging: Wie das Gehirn wichtige Informationen markiert
Die Forschergruppe von Prof. Martin Korte an der TU Braunschweig hat herausgefunden, dass betroffene Bereiche der Synapsen einen Marker produzieren, der dafür sorgt, dass die notwendigen Proteine nur an 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.
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NogoA: Ein Protein, das Erinnerungen stabilisiert
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. 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 Netzen fest und schützt sie vor weiteren Änderungen.
Inhalt und Kontext: Getrennte neuronale Bibliotheken für ein flexibles Gedächtnis
"Wir haben uns daher gefragt: Bildet unser Gehirn Inhalt und Kontext getrennt ab, um ein flexibleres Gedächtnis zu ermöglichen? Und wie verbinden sich diese getrennten Informationen, wenn wir uns bestimmte Inhalte entsprechend dem Kontext merken müssen?", sagt Erstautor Marcel Bausch von der Universität Bonn. Die Auswertung ergab: Während der Betrachtung der Bilder feuerten zwei weitgehend getrennte Neuronengruppen im Gehirn der Testpersonen. Eine Gruppe von Hirnzellen, Inhalts-Neuronen getauft, reagierte auf spezifische Bilder unabhängig von der Aufgabe oder dem Kontext. "Diese Arbeitsteilung erklärt wahrscheinlich die Flexibilität des menschlichen Gedächtnisses. Denn das Gehirn kann dasselbe Konzept in unzählig vielen neuen Situationen wiederverwenden, ohne für jede einzelne Kombination ein spezialisiertes Neuron zu benötigen, indem es Inhalt und Kontext in getrennten „neuronalen Bibliotheken“ aufbewahrt", sagt Bausch.
Die Kapazität des Gehirns: Eine Schätzung
Wie viel Information kann das Gehirn speichern? Das kann man kaum abschätzen. Man kann allenfalls eine untere Grenze angeben, die sich vielleicht bei 1.000 Gigabyte bewegt. Aber auch diese Angabe ist im Grunde eine ziemlich willkürliche Schätzung. Das Problem ist, dass das Gehirn Information deutlich anders verarbeitet als ein Computer. Anders als bei Computerschaltkreisen gilt hier nicht das Prinzip: Strom fließt oder fließt nicht bzw. Nervenzelle feuert oder feuert nicht. Vielmehr ist hier die Aktivität abgestuft; die Nervenzellen können in verschiedenen Intensitäten feuern. Das nächste Problem ist, dass nicht jede Aktivität im Gehirn bedeutet, das Information gespeichert wird - ein Großteil der Aktivität dient ja einfach nur dazu, Reize zu filtern, zu verarbeiten. Schließlich verarbeiten wir eine Menge Information, die wir gleich wieder vergessen, die also nicht mal ins Kurzzeitgedächtnis geht.
Gedächtnistraining und körperliche Aktivität: Wege zur Verbesserung der Gedächtnisleistung
Wir können unser Gedächtnis aber auch trainieren. Eine wichtige Rolle bei Erkrankungen spielt Bewegung: In der Bevölkerungsstudie Rheinland Studie standen Untersuchungen des Gehirns im Fokus. Basierend auf diesen Daten kam das Deutsche Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen e. V. (DZNE) in weiteren Untersuchungen 2022 zu dem Schluss, dass das Gehirn bereits von leichter körperlicher Aktivität profitiert. "Wir konnten zeigen, dass sich körperliche Aktivität in nahezu allen untersuchten Hirnregionen deutlich bemerkbar machte. 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 haben wir unter anderem beim Hippocampus beobachtet, der als Schaltzentrale des Gedächtnisses gilt.