Kognition und Gehirn: Grundlagen unseres Denkens und Handelns

Unser Gehirn, ein bemerkenswert komplexes Organ, bildet das Zentrum unseres Denkens, Fühlens und Handelns. Als integraler Bestandteil des zentralen Nervensystems koordiniert es sämtliche körperlichen und geistigen Prozesse. Es besteht aus Milliarden von Neuronen, die über synaptische Verbindungen miteinander kommunizieren und die Grundlage für Gedächtnis, Lernen, Bewegung und Wahrnehmung bilden.

Was ist Kognition? Definition und Bedeutung

Der Begriff "Kognition" leitet sich vom lateinischen Wort "cognoscere" ab, was so viel wie "erkennen" oder "kennenlernen" bedeutet. Kognition umfasst alle geistigen Prozesse, durch die wir Informationen aufnehmen, verarbeiten, speichern und anwenden. Dazu gehören Funktionen wie Wahrnehmung, Denken, Fühlen, Erinnern und Problemlösen. Kognition kann als das Betriebssystem unseres Geistes betrachtet werden - alles, was wir beobachten, verstehen, planen oder lernen, läuft darüber ab.

Kognitive Prozesse sind nicht immer bewusst. Vieles geschieht automatisch, wie das Erkennen eines bekannten Gesichts oder das Lösen einfacher Rechenaufgaben. Kognition ist zentral für unser tägliches Leben: Sie ermöglicht uns, Aufgaben zu planen, Probleme zu lösen, neue Dinge zu lernen und uns an Erlebnisse zu erinnern. Ohne geistige Fähigkeiten könnten wir unsere Umwelt kaum verstehen oder auf sie reagieren. Auch für die Schule und das Studium ist Kognition entscheidend, da sie den Grundstein für Lernfähigkeit, Konzentration und Kreativität bildet. Kognitive Wissenschaften erforschen zum Beispiel, wie wir Entscheidungen treffen oder warum wir manchmal in Denkfallen tappen.

Die Komponenten der Kognition

Zu den wichtigsten Teilbereichen der Kognition gehören:

• Wahrnehmung: Aufnahme und Interpretation von Sinneseindrücken
• Aufmerksamkeit: Fokussierung auf wichtige Reize
• Gedächtnis: Speicherung und Abruf von Informationen
• Lernen: Dauerhafte Verhaltensänderung durch Erfahrung
• Denken: Analysieren, planen, kreativ sein
• Sprache: Sprechen, Verstehen, Lesen
• Problemlösen: Finden neuer Wege

Jeder Teilbereich arbeitet eigenständig und doch eng mit den anderen zusammen - ähnlich wie Abteilungen in einem Betrieb.

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Kognitive Fähigkeiten im Überblick

Kognitive Fähigkeiten sind vielseitig und umfassen z.B. Aufmerksamkeit (sich auf eine Sache konzentrieren), Gedächtnis (Informationen speichern und abrufen), Wahrnehmung (Sinneseindrücke verarbeiten), Sprache (Sprechen und Verstehen), Denken (logisches Schlussfolgern), Kreativität (neue Lösungen finden) und Problemlösen. Ein einfaches Beispiel: Wenn du im Supermarkt eine Einkaufsliste im Kopf behältst, nutzt du dein Arbeitsgedächtnis. Beim Rechnen im Kopf setzt du logisches Denken und Gedächtnis ein.

Die Bedeutung und Funktion der Kognition

Unsere kognitiven Fähigkeiten dienen nicht nur der Orientierung in der Lebensumwelt, sondern auch der sozialen Eingliederung. Sie stützen sich auf eine ganzheitliche Repräsentation unserer inneren und äußeren Welt, die individuell ist und sich im Zuge der Integration neuer Informationen anpasst und somit verändert. Daneben beinhaltet die Kognition auch unsere Intelligenz, die uns in unterschiedlichem Maße befähigt, Dinge zu verstehen, in Zusammenhänge zu setzen und neue Aufgaben zu lösen.

Das Gedächtnis: Ein zentraler Baustein der Kognition

Das Gedächtnis ist ein zentrales Element der Kognition und funktioniert wie ein komplexes, mehrteiliges Archiv. Es gibt verschiedene Gedächtnisarten:

• Sensorisches Gedächtnis: Ultrakurze Speicherung sensorischer Eindrücke
• Kurzzeit- und Arbeitsgedächtnis: Vorübergehende Speicherung und Verarbeitung von Information
• Langzeitgedächtnis: Dauerhafte Speicherung von Wissen, Erlebnissen und Fertigkeiten

Das Langzeitgedächtnis lässt sich weiter unterteilen in:

• Deklaratives Gedächtnis: Fakten
• Prozedurales Gedächtnis: Automatisierte Handlungen

Erinnern bedeutet, gespeicherte Informationen wieder abzurufen, zum Beispiel für eine Prüfung. Um sich langfristig etwas zu merken, hilft es, Informationen zu wiederholen und mit bereits Bekanntem zu verbinden.

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Wie das Gehirn lernt und erinnert

Ungefähr 86 Milliarden Nervenzellen vernetzen sich in einem menschlichen Gehirn. Die Neurone sind über Synapsen miteinander verbunden, die darauf spezialisiert sind, Signale elektrochemisch umzuwandeln und weiterzuleiten. Beim Lernen werden individuell und selektiv erworbene Informationen aus der Umwelt im Gedächtnis in abrufbarer Form gespeichert. Dies geschieht manchmal nur kurzfristig, manchmal auf Erfahrungen aufbauend, auch über längere Zeiträume hinweg, zum Teil sogar für das ganze weitere Leben. Lernen basiert dabei auf einer spezifischen Verstärkung von bestimmten Synapsen, an denen die Signalübertragung durch biochemische und strukturelle Modifikationen erleichert wird (Stichworte sind hier Langzeitpotenzierung und synaptische Plastizität). Plastische Synapsen verändern hierbei ihre Struktur und ihre Übertragungseigenschaften, was die Grundlage für Lern- und Gedächtnisprozesse ist. Manchmal bilden sich beim Lernen neue Synapsen oder nicht mehr gebrauchte Synpasen werden abgebaut. Wie gut wir lernen und uns etwas merken können, ist dabei von Faktoren wie Aufmerksamkeit, Motivation und Belohnung abhängig. Dabei werden wichtige von unwichtigen Informationen getrennt. Im Gehirn gibt es keinen zentralen Ort, an dem Informationen gespeichert werden, aber der Hippocampus ist eine zentrale Schaltstelle für viele Gedächtnisinhalte.

Die Plastizität des Gehirns: Lernen als lebenslanger Prozess

Bis vor wenigen Jahren galt unter Wissenschaftlern als ausgemacht: Das Gehirn eines Erwachsenen verändert sich nicht mehr. Heute weiß man jedoch, dass das Gehirn bis ins hohe Alter laufend umgebaut wird. Manche Neurobiologen vergleichen es sogar mit einem Muskel, der trainiert werden kann. Die Vorstellung, dass das Gehirn ein Leben lang lernfähig bleibt, ist aus wissenschaftlicher Sicht unbestritten. Anders hätte der Mensch die vielfältigen Herausforderungen, denen er im Laufe eines Lebens begegnet, auch gar nicht bewältigen können. So können wir bis ins hohe Alter eine Fremdsprache und Yoga lernen, uns Gesicht und Stimme eines neuen Arbeitskollegen merken oder den Weg zu einer neuen Pizzeria. Neurowissenschaftler haben herausgefunden, dass Synapsen die Effektivität der Übertragung variieren können. Man bezeichnet dieses Phänomen auch als synaptische Plastizität. So kann eine Synapse durch einen Vorgang namens Langzeitpotenzierung (LTP) verstärkt werden, indem sie mehr Botenstoff ausschüttet oder mehr Botenstoffrezeptoren bildet. So wissen Neurowissenschaftler heute, dass Synapsen selbst im erwachsenen Gehirn noch komplett neu gebildet oder abgebaut werden können. An wenigen Stellen wie zum Beispiel im Riechsystem können sogar zeitlebens neue Nervenzellen gebildet werden. Es ist also nicht übertrieben, wenn man sagt: Unser Gehirn gleicht zeitlebens einer Baustelle. Stärkung und Schwächung, Auf- und Abbau - die Stärke, mit der Signale zwischen Nervenzellen übertragen werden, wird laufend angepasst. Etwas vereinfacht könnte man sich also vorstellen, dass die Signalübertragung verstärkt wird, wenn das Gehirn etwas speichert - und abgeschwächt wird, wenn es vergisst. Ohne die Plastizität würde dem Gehirn folglich etwas Fundamentales fehlen: seine Lernfähigkeit. Mit dem Lernen verhält es sich wie mit dem Sport: Je mehr eine bestimmte Fähigkeit gefordert wird, desto effektiver wird sie erledigt.

Seine Plastizität hilft dem Gehirn zudem, Schäden zumindest teilweise zu reparieren. Sterben beispielsweise bei einem Schlaganfall Nervenzellen ab, können benachbarte Hirnregionen die Aufgaben des betroffenen Gebiets zum Teil übernehmen. Am Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften haben Forscher herausgefunden, dass das Gehirn so die Schäden nach einem Schlaganfall zum Teil kompensieren kann.

Kognitive Entwicklung im Lebensverlauf

Das Potenzial für kognitive Fähigkeiten ist angeboren und entfaltet sich durch viel Anregung und Lernerfahrung im Kindesalter. Bei Geburt sind erst rudimentäre Ansätze zu beobachten, die größten Entwicklungsschritte machen Kinder innerhalb des ersten Lebensjahres. Sie können ihre Sinnesorgane immer besser nutzen und erste Ansätze zum abstrakten Denken entstehen. Beides erlaubt ein zunehmend zielgerichtetes Handeln. Die selektive Aufmerksamkeit, also die Fähigkeit, sich auf etwas zu konzentrieren und andere Reize auszublenden, ist von Geburt an vorhanden, kann aber erst ab etwa neun Monaten willentlich gesteuert werden. Danach entwickelt sie sich noch über Jahrzehnte weiter. Bereits vor dem ersten Geburtstag beginnen die Kinder, Sprache zu verstehen und versuchen sich selbst in der Sprachproduktion. Die Entwicklung der Kognitionen erreicht ihren Höhepunkt im jüngeren Erwachsenenalter, der Altersgipfel variiert je nach betrachteter Komponente. Unsere geistigen Fähigkeiten nehmen nach dem jeweiligen Peak zwar langsam ab, lassen sich aber durch regelmäßige Benutzung trainieren und somit oft langfristig erhalten.

Kognitive Störungen und neurologische Erkrankungen

Nicht immer funktionieren kognitive Prozesse reibungslos. Kognitive Störungen betreffen das Denken, Erinnern oder Verarbeiten von Informationen. Bekannte Beispiele sind die Demenz (z.B. Alzheimer-Krankheit), Aufmerksamkeitsstörungen (wie ADHS), Gedächtnisstörungen (Amnesie) und Wahrnehmungsstörungen (Agnosie). Auch Depressionen können das Denken verlangsamen. Wichtig: Nicht jede Vergesslichkeit ist eine Störung! Erst wenn die Alltagsbewältigung stark beeinträchtigt ist, spricht man von einer kognitiven Störung. Einschränkungen der Kognition sind ein typisches Symptom vieler psychischer Erkrankungen. Bei Demenzen stellt der Verlust der wichtigen Kognition “Gedächtnis” das Kernsymptom dar. Bei der Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätsstörung (ADHS) gehört Unaufmerksamkeit, also die Deregulation der Kognition “Aufmerksamkeit”, zum Störungsbild. Betroffene von Schizophrenie oder Depressionen leiden häufig ebenfalls unter Einschränkungen ihrer geistigen Fähigkeiten, etwa der Wahrnehmung, Motivation oder Sprache. Sie sind häufig vorübergehender Natur und kommen episodisch vor.

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Einige neurologische Erkrankungen, die mit kognitiven Beeinträchtigungen einhergehen können, sind:

• Demenz: Eine allmähliche Abnahme der kognitiven Fähigkeiten, die oft mit Gedächtnisverlust und Beeinträchtigungen im Denkvermögen einhergeht. Man unterscheidet zwei verschiedene Formen von Demenz: die degenerative Form mit Alzheimer-Krankheit, Frontotemporaler Demenz sowie Lewy-Body-Demenz und die vaskuläre Form, verursacht durch Durchblutungsstörungen im Gehirn.
• Parkinson-Syndrom: Eine degenerative neurologische Erkrankung des Gehirns, bei der bestimmte, dopaminbildende Zellen geschädigt werden. Der Mangel an Dopamin, verursacht durch das Absterben der Substantia nigra, ist also im Wesentlichen für die verlorene Kontrolle der Muskeln und in der Folge auch für alle anderen Symptome der Parkinson-Erkrankung verantwortlich. Typische Symptome sind: symptomatische Bewegungsarmut, Muskelsteifigkeit und Ruhezittern.
• Multiple Sklerose: Eine Autoimmunerkrankung, die die Schutzschicht um die Nervenfasern (Myelinscheiden) im Gehirn und Rückenmark herdförmig schädigt und zu vielfältigen neurologischen Symptomen führt.
• Schlaganfall: Eine plötzliche Unterbrechung der Durchblutung des Gehirns, die entweder infolge eines Gefäßverschlusses (Hirninfarkt) oder durch eine Hirnblutung zu neurologischen Defiziten führen kann.
• Gehirntraumen: Wie zum Beispiel ein Schädel-Hirn-Trauma, das durch eine Verletzung des Schädelknochens und/oder des Gehirns entsteht.

Kognitives Training und Verbesserung der Gehirnleistung

Kognitive Fähigkeiten lassen sich trainieren wie Muskeln: Durch gezielte Übungen werden Bereiche wie Gedächtnis, Aufmerksamkeit oder Kreativität gestärkt. Hilfreich sind Gedächtnistraining (z.B. Zahlen merken), Strategiespiele (z.B. Schach), Lesetraining oder das Erlernen neuer Fertigkeiten (neue Sprache, Musikinstrument). Wichtig ist dabei die Abwechslung - je vielseitiger die Aufgaben, desto besser. Auch Bewegung, gesunder Schlaf und ausgewogene Ernährung fördern die Kognition. Praktisch für die Schule: Versuche, Lerninhalte mit eigenen Worten zu erklären oder Mindmaps zu zeichnen. Kognitives Training, also das aktive, regelmäßige, intensive Herausfordern kognitiver Funktionen, stellt eine wirksame Therapieoption für viele psychiatrische und neuropsychiatrische Erkrankungen dar. Damit lassen sich die geistigen Fähigkeiten in vielen Fällen verbessern, was sich allgemein positiv auf den Genesungsprozess auswirken kann. Aber auch Gesunde profitieren von einem Gehirntraining, denn durchschnittlich funktionierende Kognition lässt sich durch viel Üben verbessern. Somit kann vermutlich sogar demenziellen Erkrankungen vorgebeugt oder deren Beginn verzögert werden . Die Gehirnübungen von NeuroNation wurden auf der Grundlage aktueller neurowissenschaftlicher Erkenntnisse erstellt. Sie sprechen nicht nur beide Gehirnhälften an, sondern durch multimodale Übung auch verschiedene geistige Prozesse. Zudem orientiert sich die Auswahl der Übungen am persönlichen Fortschritt, um einen Gewöhnungseffekt und damit eine Stagnation zu vermeiden, wie sie etwa beim Klassiker Kreuzworträtsel auftritt.

Kognition in der Psychologie und Verhaltenstherapie

Erst in der Mitte des vergangenen Jahrhunderts begannen Psycholog:innen, sich intensiver mit der Kognition zu beschäftigen. Dem vorausgegangen war eine Welle von Interesse am reinen Verhalten der Menschen, meist ohne dabei die Rolle des Gehirns und den freien Willen des Menschen mitzubetrachten . Diese Denkweise des sogenannten “Behaviorismus” wurde in den 50er Jahren von den neuen Methoden und Ansätzen der Kognitionspsychologie weitgehend ersetzt. Heutzutage wird Kognition meist interdisziplinär neurowissenschaftlich erforscht. Dabei spielen neue bildgebende Verfahren eine zentrale Rolle, denn sie können Prozesse im Gehirn in zunehmend hoher Qualität darstellen, was bisherige Annahmen, die aus Verhaltensbeobachtungen abgeleitet wurden, untermauern oder widerlegen kann. Anwendung finden die Erkenntnisse der Kognitionspsychologie unter anderem in der modernen Verhaltenstherapie.

Forschung und Zukunftsperspektiven

Wissenschaftler erforschen an verschiedenen Max-Planck-Instituten, wie das Gehirn und seine Nervenzellen plastisch bleiben. Ein weiteres wichtiges Forschungsfeld ist die Verschaltung innerhalb des Gehirns. Das menschliche Gehirn lässt sich nach verschiedenen Kriterien untergliedern. Entwicklungsgeschichtlich beispielsweise besteht es wie das aller Wirbeltiere aus dem End-, Zwischen-, Mittel-, Hinter- und Markhirn, auch als Tel-, Di-, Mes-, Met- und Myelencephalon bezeichnet. Anatomisch fallen besonders die Bereiche ins Auge, die als Groß-, Zwischen- und Kleinhirn (Cerebellum) bezeichnet werden, sowie der Hirnstamm. Besonders auffällig ist die zum Endhirn gehörende sogenannte Großhirnrinde, der sogenannte Kortex. Sie ist im Laufe der Evolution so stark gewachsen, dass sie fast das gesamte Gehirn umgibt. Die Großhirnrinde ist Sitz vieler höherer geistiger Fähigkeiten. Einzelne Bereiche haben dabei unterschiedliche Aufgaben. So sind manche Areale darauf spezialisiert, Sprache zu verstehen, Gesichter zu erkennen oder Erinnerungen abzuspeichern. In der Regel ist aber keine Region allein für eine bestimmte Fähigkeit verantwortlich, sondern nur im Zusammenspiel mit anderen. Welche Gehirngebiete miteinander verbunden sind, untersuchen Wissenschaftler mithilfe der sogenannten Magnetresonanztomografie (MRT). Mit dieser Technik können sie die zu Fasersträngen gebündelten Fortsätze von Nervenzellen sichtbar machen, die die Areale der Großhirnrinde miteinander verbinden. Auf diese Weise haben Sprachforscher beispielsweise eine für das Sprachvermögen zentrale Gehirnregion entdeckt: den sogenannten Fasciculus Articuatus. Ohne dieses Nervenfaserbündel können Kleinkinder keine komplexen Sätze bilden und verstehen. Dies gelingt erst, wenn diese Verbindung genug entwickelt ist. Auch bei Schimpansen haben Forschende den Fasciculus Articuatus entdeckt. Bei diesen ist er aber schwächer ausgebildet als beim Menschen. Folglich schaffen die Tiere es trotz jahrelangen Trainings nicht, selbst einfachste Sätze zu bilden - und das, obwohl andere erforderliche Hirnareale sowie anatomische Voraussetzungen zum Sprechen durchaus vorhanden sind. Mit einer Variante dieser Technik, der sogenannten funktionellen Magnetresonanztomografie, können Wissenschaftler zwischen aktiven und nicht aktiven Gehirnregionen unterscheiden. Damit haben sie viel über den Aufbau und die Funktionsweise des Gehirns gelernt. So haben Max-Planck-Forscher aus Leipzig herausgefunden, warum bei Menschen, die stottern, ein Ungleichgewicht zwischen der Hirnaktivität von linker und rechter Großhirnhälfte auftritt: Innerhalb des überaktiven rechten Netzwerkes haben sie eine Faserbahn entdeckt, die bei den Betroffenen deutlich stärker ausgebildet ist, als bei Menschen ohne Sprechprobleme. Je stärker der sogenannte Frontale Aslant Trakt ist, desto stärker stottert ein Mensch. Einen exakten Schaltplan des Gehirns lässt sich jedoch mit der MRT-Technik nicht erstellen, dafür ist die Genauigkeit der Methode nicht hoch genug. Schließlich sitzen bis zu 10.000 Synapsen auf einer Nervenzelle, 100 Billionen sind es insgesamt. Dies zeigt, wie dicht das Kommunikationsnetz im Gehirn ist. In diesem Netz können einerseits benachbarte Nervenzellen miteinander verknüpft sein, andererseits auch Zellen, die weit voneinander entfernt sind. Die Wissenschaftler entwickeln deshalb neue Methoden, mit denen sie das Konnektom entschlüsseln können. Als Modellfälle dienen ihnen dafür Mäuse: Sie haben zum Beispiel die Verschaltung von Bereichen der Netzhaut des Auges sowie der Großhirnrinde aufgeklärt und herausgefunden, dass Nervenzellen im sogenannten entorhinalen Kortex der Großhirnrinde wie ein Transistor organisiert sind: Bevor eine Nervenzelle eine andere Zelle aktivieren kann, kontaktiert sie eine hemmende Zelle und wird so in ihrer eigenen Aktivität behindert. Anhand solcher Schaltpläne wollen Wissenschaftler lernen, wie das Gehirn funktioniert. An Max-Planck-Instituten arbeiten sie bereits heute daran, die Prinzipien der Informationsverarbeitung aufzuklären. Derzeit konzentrieren sie sich auf einfacher aufgebaute Gehirne, die weniger Nervenzellen und -fasern besitzen als das Gehirn des Menschen. Mäuse sind ein solcher Modellfall für Neurowissenschaftler. Sie besitzen als Säugetiere ein ähnlich aufgebautes und funktionierendes Gehirn wie der Mensch. Trotz aller Ähnlichkeit zum Gehirn des Menschen gibt es natürlich auch Unterschiede. So haben Forschende des Max-Planck-Instituts für Hirnforschung entdeckt, dass der Mensch ein dichtes Netz aus hemmenden Interneuronen besitzt, die mit anderen Interneuronen in Verbindung stehen. Mäuse haben dies in dieser Form nicht. Die Forschenden wollen nun die Funktion dieses Netzwerks herausfinden. Eine Möglichkeit ist, dass ein solches hemmendes Netzwerk hilft, Sinneseindrücke länger im Arbeitsgedächtnis zu halten.

Modellorganismen in der Hirnforschung

Noch einfacher aufgebaut und leichter zu untersuchen ist das Gehirn von Zebrafischen und ihrer Larven. So besitzt das Gehirn einer Fischlarve nicht nur lediglich 100.000 Nervenzellen und damit eine Million Mal weniger als das des Menschen, es ist auch noch nahezu völlig transparent. Wissenschaftler können deshalb ohne operativen Eingriff mit ihren Mikroskopen ins Gehirninnere blicken. An diesem vergleichsweise einfach aufgebauten Gehirn können Forschende viel über die Arbeitsweise des Fischgehirns lernen und dabei Rückschlüsse auf die Abläufe im menschlichen Gehirn ziehen. Auch Wirbellose können ein Modell für Neurowissenschaftler sein. Ihre Nervenzellen sind zwar sehr klein, dadurch kann ihre Aktivität nicht so leicht gemessen werden. Dafür lassen sich wegen der vergleichsweise einfacheren Architektur die Prinzipien von Verschaltungen zur Wahrnehmung und Verarbeitung von Umweltreizen analysieren. So können Forscher anhand des Gehirns von Fruchtfliegen lernen, wie der Geruch von Nahrung die Fortpflanzung beeinflusst. Durch die Analyse des Sehsystems von Schmeißfliegen wollen sie herausfinden, wie die Insekten Bewegungen so unglaublich schnell wahrnehmen können. Selbst ein so einfach aufgebauter Organismus wie der Fadenwurm C.

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