Wie viel Information kann das Gehirn pro Tag aufnehmen? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler und Laien gleichermaßen. Die Antwort ist komplex und hängt von vielen Faktoren ab. Das menschliche Gehirn ist ein faszinierendes Organ, dessen Funktionsweise noch immer nicht vollständig verstanden ist. Es ist in der Lage, enorme Mengen an Informationen zu speichern und zu verarbeiten, doch wie viel genau, ist schwer zu beziffern.
Die Speicherkapazität des Gehirns: Eine Schätzung
Früher schätzte man die Speicherkapazität des menschlichen Gehirns auf 20 MB bis maximal 100 MB ein, später auf ca. 400 MB bis 1 GB. Heutzutage wird die Kapazität auf bis zu 1 Petabyte geschätzt. Das entspricht 1.000.000 Gigabyte oder ungefähr 200.000 hochauflösenden Hollywoodfilmen. Es ist jedoch wichtig zu betonen, dass dies nur eine Schätzung ist. Niemand kann die tatsächliche Speicherkapazität des Gehirns genau bestimmen.
Die Schwierigkeit liegt darin, dass das Gehirn Informationen anders verarbeitet und speichert als ein Computer. Computer arbeiten digital mit binären Codes (0 oder 1), während das Gehirn auf der Basis von synaptischen Verbindungen arbeitet, deren Funktionsweise von der Wissenschaft noch nicht logisch erklärt werden kann. Das Gehirn besteht aus etwa 100 Milliarden bis einer Billion Nervenzellen, die über Synapsen miteinander verbunden sind. Jede Nervenzelle kann im Schnitt 1.000 bis 10.000 Verbindungen zu anderen Nervenzellen haben. Die Aktivität der Nervenzellen ist abgestuft, sie können in verschiedenen Intensitäten feuern.
Wie das Gehirn Informationen verarbeitet
Ein Großteil der Aktivität im Gehirn dient dazu, Reize zu filtern und zu verarbeiten. Nicht jede Aktivität führt zur Speicherung von Informationen. Es ist unklar, wie viel Leistung in die Verarbeitung von Information und wie viel in die Informationsspeicherung geht. Wir verarbeiten eine Menge Information, die wir gleich wieder vergessen, die also nicht einmal ins Kurzzeitgedächtnis gelangt.
Hirnforscher können immer noch nicht genau sagen, wie das Gedächtnis funktioniert. Was genau passiert im Gehirn, wenn wir ein Gesicht erkennen oder uns erinnern, wie die Hauptstadt von Botswana heißt? Werden da einfach eine bestimmte Menge an Synapsen aktiv oder liegen Gedächtnisinhalte auch in Form chemischer Verbindungen vor? Und auf wie viel Informationen greifen wir wirklich zurück, wenn uns die Antwort auf eine Frage einfällt?
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Die Rolle der Synapsen
Lernen findet an den Synapsen statt, den Orten, an denen die elektrischen Signale von einer Nervenzelle zur nächsten übertragen werden. Neurowissenschaftler haben herausgefunden, dass Synapsen die Effektivität der Übertragung variieren können. Dieses Phänomen wird als synaptische Plastizität bezeichnet. Eine Synapse kann durch einen Vorgang namens Langzeitpotenzierung (LTP) verstärkt werden, indem sie mehr Botenstoff ausschüttet oder mehr Botenstoffrezeptoren bildet. Die Übertragung von Signalen kann aber nicht nur verstärkt oder abgeschwächt werden, sie kann auch überhaupt erst ermöglicht oder völlig gekappt werden. Synapsen können selbst im erwachsenen Gehirn noch komplett neu gebildet oder abgebaut werden. An wenigen Stellen wie zum Beispiel im Riechsystem können sogar zeitlebens neue Nervenzellen gebildet werden.
Die Stärke, mit der Signale zwischen Nervenzellen übertragen werden, wird laufend angepasst. Vereinfacht könnte man sich vorstellen, dass die Signalübertragung verstärkt wird, wenn das Gehirn etwas speichert - und abgeschwächt wird, wenn es vergisst. Ohne die Plastizität würde dem Gehirn seine Lernfähigkeit fehlen.
Die Bedeutung des Lernens
Mit dem Lernen verhält es sich wie mit dem Sport: Je mehr eine bestimmte Fähigkeit gefordert wird, desto effektiver wird sie erledigt. Wer beispielsweise Taxi fährt, muss sich gut orientieren und Routen merken können. Durch die tägliche Arbeit wird so das Ortsgedächtnis immer besser. Das hinterlässt auch Spuren im Gehirn, zum Beispiel im Gehirn Londoner Taxifahrer: Forscher haben herausgefunden, dass in ihrem Gehirn der Hippocampus - ein für das Ortsgedächtnis zentrale Region im Gehirn - über die Jahre größer wird. Offenbar braucht ein derart trainiertes Orientierungsvermögen auch mehr Raum!
Die 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.
Die Verschaltung des Gehirns
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. 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.
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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. Bei Menschenaffen hingegen sind diese Nervenfasern zeitlebens schwach ausgebildet. 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.
Forschungsmethoden und Modellorganismen
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.
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: Zuletzt haben sie 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. 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. 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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Synaptisches Tagging: Wie das Gehirn wichtige Informationen markiert
Unser Gehirn speichert täglich unzählige Informationen. Die Speichereinheiten für diese Informationen finden sich in den Synapsen, also in den feinen Verästelungen, über die sich die Nervenzellen im Gehirn miteinander vernetzen. Jede einzelne Zelle verfügt über bis zu 10.000 dieser winzigen Äste. Sobald wir Informationen verarbeiten, verändern sich diese. Wenn bestimmte Informationen nun in das Langzeitgedächtnis überschrieben werden sollen, bedeutet das, dass sich die entsprechenden Synapsen dauerhaft verändern müssen.
Martin Korte und Shreedharan Salikumar haben am Institut für Zoologie der TU Braunschweig beobachtet, wie die betroffenen Bereiche der Synapsen zu diesem Zweck auf raffinierte Weise auf sich aufmerksam machen. Sie produzieren einen Marker (engl. „tag“), der dafür sorgt, dass die notwendigen Proteine nur an eben 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.
NogoA: Ein Protein, das Erinnerungen stabilisiert
Um Muster erkennen und Erfahrungen behalten zu können, benötigen wir nicht nur ein sehr flexibles Nervensystem. 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 Netzten fest und schützt sie vor weiteren Änderungen.
Die Wissenspyramide: Von Daten zu Weisheit
Die Frage, wie Wissen entsteht, ist sehr vielschichtig. Es gibt ein Modell, das nennt sich Wissens- beziehungsweise Informationspyramide, und das veranschaulicht, wie aus Informationen Wissen generiert wird. Die Pyramide beschreibt, dass Informationen aus Daten bestehen, die sich wiederum aus Zeichen zusammensetzen. Als Zeichen verstehen wir zum Beispiel Zahlen, Symbole und Buchstaben. Ordnet man diese an, entstehen Daten, wie zum Beispiel Wörter oder Zahlenfolgen. Setzt man diese in einen Kontext, erhalten sie eine Bedeutung und werden zu Informationen. Diese ergeben mit unseren Erfahrungen, Wertvorstellungen und Fachkenntnissen verknüpft dann unser Wissen.
Unser Gehirn ist ein sehr faszinierendes und komplexes Organ. Durchschnittlich kann es bis zu 100 Billionen Informationsbestandteile speichern. Das Beeindruckende dabei ist noch nicht mal unbedingt die große Datenmenge, die gespeichert werden kann, sondern dass die Informationen auch wiedergefunden werden, und das mitunter in recht kurzer Zeit. Unser Gedächtnis wird gebildet, indem unser Gehirn Lernerfahrungen und Erlebnisse verarbeitet. Die aufgenommenen Informationen werden in verschiedene Anteile aufgespalten und in den dafür zuständigen Bereichen des Gehirns gespeichert. Durch zahlreiche Nervenzellen, die Netzwerke bilden, bleiben die Informationsanteile miteinander verknüpft.
Mythen und Fakten über das Gehirn
Es gibt viele Mythen über das Gehirn, die sich hartnäckig halten. Hier sind einige Beispiele:
- Mythos: Wir nutzen nur 10 Prozent unseres Gehirns.
- Fakt: Dieser Mythos ist falsch. Wir nutzen unser ganzes Gehirn. Jede Schädigung führt in der Regel zu einer Einschränkung.
- Mythos: Kopfschmerzen sind Gehirnschmerzen.
- Fakt: Obwohl alle Schmerz-Wahrnehmungen ans Gehirn gemeldet und dort verarbeitet werden, kann das Organ selbst keine Schmerzen empfinden. Bei Kopfschmerzen schmerzen die Blutgefäße der Hirnhaut.
- Mythos: Wir können nur begrenzt Informationen speichern.
- Fakt: Verglichen mit einem Computer hätten wir eine Speicherkapazität von schätzungsweise 2,5 Millionen Gigabyte. Während unser Kurzeitgedächtnis nur wenig Platz hat, kann unser Langzeitgedächtnis unbegrenzt Informationen aufnehmen. Alle dort gespeicherten Erinnerungen bleiben erhalten, selbst wenn wir sie vergessen haben. Vergessen bedeutet nur, dass wir auf die Informationen nicht mehr zugreifen können.
- Mythos: Erinnerungen trügen nicht.
- Fakt: In den Erinnerungen wird vor allem abgespeichert, was mit großen Emotionen verbunden war. Doch entsprechen die Erinnerungen nicht immer dem, was tatsächlich passiert ist. Hirnforscher haben herausgefunden, dass die Menschen ihre Erinnerungen meist verschönern und bei jedem Abruf etwas variieren, weil die Situation des letzten Abrufs Einfluss darauf nimmt.
- Mythos: Kreuzworträtsel und Sudokus helfen, geistig fit zu bleiben.
- Fakt: Zwar gilt grundsätzlich auch fürs Gehirn: Wer rastet, der rostet. Doch der Trainingseffekt, den viele sich von Kreuzworträtseln oder Sudokus versprechen, lässt sich nicht nachweisen. Rätsel fragen altes Wissen ab, Denkarbeit sollte jedoch anstrengen und Routinen sprengen, damit sie das Gehirn fit hält. Ein Musikinstrument, eine Sprache oder Tänze zu lernen senkt das Demenzrisiko viel nachhaltiger.
Tipps für ein fittes Gehirn
- Regelmäßiges Training: Nur durch ständiges Üben bleiben die Nervenverbindungen in unserem Gehirn dauerhaft bestehen. An Gedächtnisinhalte erinnern wir uns umso leichter, je öfter wir sie wiederholen. Wenn wir Inhalte immer wieder mit neuen Umgebungsbedingungen oder in einem anderen Kontext verknüpfen, bleiben sie uns ebenfalls besser im Gedächtnis.
- Ausreichend Pausen: Es ist sehr wichtig, dem Gehirn regelmäßige Pausen zu gönnen. Sauerstoff- und Wasserzufuhr spielen eine große Rolle, genauso wie eine ausgewogene Ernährung zum Beispiel zur ausreichenden Versorgung mit Omega-3 -Fettsäuren und B-Vitaminen.
- Mehrere Sinne einbeziehen: Wir lernen besonders effektiv, wenn wir möglichst viele Sinne miteinbeziehen. Hören wir etwas nur, erinnern wir uns an rund 20 Prozent. Sehen und hören wir etwas, bleiben davon bis zu 50 Prozent im Gedächtnis. Wenn wir etwas hören, sehen, wiederholen und selbst weiterverarbeiten, können wir uns an bis zu 92 Prozent erinnern.
- Stress vermeiden: Ein wenig Stress lässt uns besser lernen, doch lernen unter Druck führt eher zum Gegenteil.
- Neues lernen: Eine Umgebung mit viel Anregung hält das Gedächtnis jung. Wir können unser Gedächtnis fit halten, indem wir immer wieder Neues lernen.