Unser Gehirn ist ein bemerkenswertes Organ, das ständig Informationen aufnimmt, verarbeitet und speichert. Doch wie genau codiert unser Gehirn Gedanken und Erinnerungen, damit wir uns erinnern, lernen und uns in der Welt zurechtfinden können? Die Antwort liegt in einem komplexen System neuronaler Codierung, das verschiedene Strategien nutzt, um Informationen effizient zu repräsentieren und zu verarbeiten.
Das Navigationssystem als Grundlage der Codierung
Neurowissenschaftler wie Christian Doeller haben herausgefunden, dass das Gehirn ein an anderer Stelle bewährtes System zur räumlichen Orientierung nutzt, um Gedanken und Erinnerungen zu codieren. Dieses Navigationssystem, das sich in der Hippocampusformation im Schläfenlappen des Gehirns befindet, besteht aus verschiedenen Zelltypen, die zusammenarbeiten, um eine interne kognitive Karte der Umgebung zu erstellen.
Ortszellen: Die GPS-Koordinaten des Gehirns
Ortszellen, die 1971 von John O'Keefe entdeckt wurden, signalisieren die eigene Position im Raum. Jede Ortszelle ist für einen bestimmten Ort zuständig und feuert, wenn man sich an diesem Ort befindet. So feuert beispielsweise eine Zelle am Schreibtisch, eine andere am Fenster und wieder eine andere an der Tür. Insgesamt gibt es Zehntausende von Ortszellen, die zusammen den gesamten Raum abbilden.
Gitterzellen: Das metrische System des Gehirns
Gitterzellen, die 2005 von May-Britt und Edvard Moser entdeckt wurden, codieren die Struktur der Umgebung. Eine einzelne Gitterzelle feuert an vielen verschiedenen Orten, die aber zusammen ein hexagonales Gittermuster ergeben. Da verschiedene Gitterzellen, versetzt zueinander, unterschiedliche, sich teils überlappende hexagonale Muster erzeugen, kann das Gehirn mit Hilfe von zehntausenden Neuronen dieser Art Distanzen messen und die eigene Orientierung im Raum feststellen.
Weitere räumlich sensitive Zellen
Neben Orts- und Gitterzellen gibt es noch eine ganze Reihe anderer räumlich sensitiver Zellen im Gehirn, die uns beim Navigieren unterstützen. Kompasszellen zeigen die Richtung an, in die der Kopf gedreht ist, Geschwindigkeitszellen codieren die Laufgeschwindigkeit und Grenzzellen die Distanz zu einer Wand. Object vector cells geben an, in welcher räumlichen Position wir uns relativ zu Objekten in unserer Umgebung befinden.
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Kognitive Räume: Die räumliche Codierung von Konzepten
Die Hippocampusformation und das Orts- und Gitterzellsystem werden nicht nur für die räumliche Navigation eingesetzt, sondern auch für völlig andere kognitive Bereiche, wie das Konzeptlernen. Wenn wir Dinge anhand gemeinsamer Eigenschaften gedanklich in Klassen oder Konzepte zusammenfassen, nutzt das Gehirn dafür eine räumliche Codierung. Jede Eigenschaft stellt eine Dimension dar, entlang derer sich ein kognitiver Raum aufspannt. Objekte von ähnlicher Beschaffenheit liegen in dieser mentalen Karte nah beieinander und solche, die sich stark unterscheiden, weit voneinander entfernt.
Soziale Beziehungen als kognitive Karten
Sogar soziale Beziehungen sollen im Gehirn räumlich codiert sein. Genau wie Fahrzeuge kann man auch seine Mitmenschen je nach Eigenschaft und sozialem Verhältnis entlang von Dimensionen anordnen. Bei Kollegen sind es beispielsweise die hierarchische Position im Unternehmen und die Nähe zum eigenen Tätigkeitsbereich, bei Freunden die Enge des Verhältnisses und die Ähnlichkeit der Interessen.
Vorteile der räumlichen Codierung
Das Orts- und Gitterzellsystem hat den entscheidenden Vorteil, dass es komplexe, multidimensionale Informationen in Räumen mit wenigen Dimensionen repräsentiert. So kann das Gehirn sehr viele Elemente und deren Verhältnis zueinander abspeichern. Zugleich ist das System sehr dynamisch und anpassungsfähig. Ursprünglich diente es dazu, dass sich Tiere in ihrer Umgebung zurechtfinden, aber es ist auch nützlich für höhere kognitive Aufgaben, die mit räumlicher Navigation nichts zu tun haben, etwa das Konzeptlernen. Außerdem ermöglicht es dieses Organisationsprinzip, Gelerntes zu generalisieren, also auf neue Situationen zu übertragen, was ebenfalls entscheidend fürs Überleben ist.
Lernen und räumliche Anordnung von Inhalten
Eine räumliche Anordnung von Lerninhalten ist für dieses interne Kartensystem besonders gut geeignet. Wir arrangieren Vokabeln räumlich nach ihrer Bedeutung oder zeichnen komplexe Zusammenhänge grafisch auf, um Beziehungen zu erkennen. Die duale Kodierung, also die Kombination von Sprache und Bildern oder Gesten, gilt beim Lernen als besonders wirksam, da dadurch im Gehirn zusätzliche Verknüpfungen entstehen, die das Verstehen und Erinnern erleichtern.
Neuronale Codierung: Die Sprache des Gehirns
Die neuronale Codierung bezeichnet die Art und Weise, wie neuronale Informationen durch elektrische Signale in Nervenzellen übertragen werden. Diese Signale kodieren Reize und Informationen, die vom Gehirn verarbeitet werden. Einige der wesentlichen Konzepte der neuronalen Codierung umfassen:
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- Feuerrate: Die Häufigkeit, mit der ein Neuron Aktionspotenziale generiert, um die Intensität eines Reizes widerzuspiegeln.
- Spike-Timing: Die zeitliche Struktur der Aktionspotenziale, die zur Erkennung von Mustern verwendet wird.
- Population-Codierung: Die gleichzeitige Aktivierung mehrerer Neuronen, um komplexe Informationen zu kodieren.
Enkodierung, Konsolidierung und Abruf
Der Gedächtnisprozess besteht aus drei Stufen: Enkodierung, Speicherung und Abruf.
- Enkodierung: Die Aufnahme von Informationen, bei der verschiedene Wahrnehmungs- und Aufmerksamkeitsprozesse beteiligt sind. Es gibt akustische, visuelle und semantische Enkodierung.
- Speicherung: Die dauerhafte Ablage der Information im Gedächtnis. Hierbei spielt die Konsolidierung eine wichtige Rolle, bei der kurzandauernde instabile Gedächtnisspuren in stabile und langandauernde Gedächtnisspuren überführt werden.
- Abruf: Der erfolgreiche Wiederauffinden der abgespeicherten Informationen.
Chunking: Informationsklumpen für das Kurzzeitgedächtnis
Während des Enkodierungsprozesses fasst das Gehirn eingehende Informationseinheiten zu größeren bedeutungstragenden Einheiten zusammen, sogenannten Chunks. Diese Chunks werden im Kurzzeitgedächtnis gebildet und auf Basis von semantischem Vorwissen aus dem Langzeitgedächtnis erstellt.
Enkodierspezifität: Der Kontext macht den Unterschied
Nach dem Prinzip der Enkodierspezifität ist das Erinnern an eine Information besser, wenn die Umstände der Speicherung eines Items mit denen beim Abrufs des Items übereinstimmen. Das liegt daran, dass kontextuelle Informationen ebenfalls in der Gedächtnisspur eines Ereignisses abgelegt werden.
Störungen bei der Enkodierung
Störungen bei der Enkodierung oder Enkodierungsfehler beschreiben ein gelegentliches Versagen des Gehirns, eine Gedächtnisverbindung herzustellen. Das bedeutet, dass eine Information niemals gespeichert wurde.
Konsolidierung und Rekonsolidierung
Die Konsolidierung ist der Prozess der Überführung von kurzandauernden instabilen Gedächtnisspuren in stabile und langandauernde Gedächtnisspuren. Dieser Prozess findet vor allem in Ruhephasen, also während des Schlafs, statt. Die Konsolidierung ist kein einmaliger Prozess. Durch Rekonsolidierung können Gedächtnisinhalte modifiziert und verfälscht werden.
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Predictive Coding: Das Gehirn als Vorhersagemaschine
Eine aktuelle Theorie besagt, dass unser Gehirn als Vorhersagemaschine funktioniert, die ständig Modelle der uns umgebenden Welt erstellt, um die plausibelste Erklärung für das, was gerade passiert, vorherzusagen. Dieses Konzept wird als "predictive coding" bezeichnet. Anstatt die Welt passiv wahrzunehmen, generiert das Gehirn ständig Vorhersagen und vergleicht diese mit den tatsächlichen sensorischen Informationen. Wenn es eine Diskrepanz gibt, wird der Vorhersagefehler genutzt, um das interne Modell zu aktualisieren und die Vorhersagen zu verbessern.
Predictive Coding und psychische Störungen
Störungen im prädiktiven Mechanismus können zu verschiedenen psychischen Störungen führen. Menschen mit Autismus haben vermutlich einen schwachen prädiktiven Filter, was zu einer erhöhten Empfindlichkeit gegenüber Reizen aus der Umwelt führt. Am anderen Ende des Spektrums steht die Schizophrenie, die durch einen zu starken prädiktiven Filter gekennzeichnet ist, was zu Halluzinationen und falschen Wahrnehmungen führen kann.
Predictive Coding und Psychedelika
Die Forschung zu psychedelischen Substanzen zeigt, dass diese Substanzen den prädiktiven Filter abschwächen können, der normalerweise unsere Wahrnehmung des täglichen Lebens beeinflusst. Dies ermöglicht es uns, alternative Wahrnehmungen der Welt in Betracht zu ziehen und neue Perspektiven zu gewinnen.
Bedeutung für Lernen und Therapie
Das Verständnis der neuronalen Codierung und des prädiktiven Mechanismus hat wichtige Implikationen für Lernen und Therapie. Eine räumliche Anordnung von Lerninhalten und die Verwendung von dualer Kodierung können das Lernen erleichtern. In der Psychotherapie kann das Konzept des prädiktiven Codings genutzt werden, um Patienten dabei zu helfen, alternative Wahrnehmungsweisen zu entwickeln und gewohnheitsmäßige und starre Zukunftsszenarien zu überwinden.
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