Wie Informationen im Gehirn verarbeitet werden: Ein umfassender Überblick

Das menschliche Gehirn ist ein bemerkenswertes Organ, das ständig Sinneseindrücke verarbeitet, Bewegungen koordiniert und komplexe Informationen speichert. Dieser Artikel beleuchtet, wie das Gehirn Informationen aufnimmt, verarbeitet und speichert, und untersucht die verschiedenen beteiligten Prozesse und Hirnstrukturen.

Die Grundlagen der Informationsverarbeitung im Gehirn

Die Informationsverarbeitung im Gehirn ist ein komplexer Prozess, der es uns ermöglicht, mit unserer Umgebung zu interagieren, zu lernen und zu handeln. Sie umfasst die Aufnahme von Informationen durch unsere Sinne, die Filterung und Interpretation dieser Eindrücke, das Speichern relevanter Informationen im Gedächtnis sowie das Abrufen und Verarbeiten dieser Informationen zur Lösung von Problemen, zur Entscheidungsfindung und zur Interaktion mit der Umwelt.

Die drei Schritte der Informationsverarbeitung

Die menschliche Informationsverarbeitung lässt sich in drei grundlegende Schritte unterteilen:

1. Aufnahme (Perzeption): Informationen werden durch unsere Sinne aufgenommen.
2. Verarbeitung (Verständnis und Interpretation): Die aufgenommenen Informationen werden verstanden und interpretiert.
3. Reaktion (Handlung oder Speicherung im Gedächtnis): Es erfolgt eine Reaktion in Form einer Handlung oder die Speicherung der Information im Gedächtnis.

Die Rolle des Gehirns

Das Gehirn ist das zentrale Organ für die Informationsverarbeitung. Es besteht aus Milliarden von Nervenzellen (Neuronen), die miteinander verbunden sind und komplexe neuronale Netzwerke bilden. Diese Netzwerke ermöglichen es dem Gehirn, Informationen zu verarbeiten und zu speichern. Verschiedene Bereiche des Gehirns sind für verschiedene Aspekte der Informationsverarbeitung verantwortlich.

• Großhirn: Der größte und älteste Teil des Gehirns, zuständig für die meisten unserer kognitiven Fähigkeiten wie Denken, Lernen und Erinnern. Die Großhirnrinde (Kortex) bedeckt die gesamte Oberfläche des Großhirns und enthält fast drei Viertel aller Nervenzellen des Gehirns. Hier gehen wichtige Sinneseindrücke ein, werden sortiert, bewusst gemacht, gespeichert und sinnvoll miteinander verknüpft.
• Frontalhirn: Der neueste Teil des Gehirns, hauptsächlich für höhere kognitive Funktionen wie Entscheidungsfindung und Sozialverhalten zuständig. Der präfrontale Kortex, der sich hinter der Stirn befindet, ist wichtig für Planung, Entscheidungsfindung und Impulskontrolle.
• Hippocampus: Eine Struktur im Inneren des Temporallappens, die eine Schlüsselrolle beim Gedächtnis und Lernen spielt.
• Sensorische Bereiche: Bereiche wie der visuelle Kortex und der auditive Kortex verarbeiten Informationen aus den Sinnesorganen.
• Kleinhirn: Wichtig für das Gleichgewicht und die Koordination. Gemeinsam mit dem Großhirn steuert es die Muskeln und somit die Bewegungen. Außerdem sorgt es ganz wesentlich mit dafür, dass die Muskel-Spannung des Körpers erhalten bleibt.
• Hirnstamm: Verbindet das Gehirn mit dem Rückenmark. Durch den Hirnstamm verlaufen wichtige Nerven-Bahnen. Sie sorgen dafür, dass eingehende Sinneseindrücke aus dem Körper an das Großhirn weitergeleitet werden. Umgekehrt leiten sie auch Informationen vom Großhirn zu den Nervenzellen des Rückenmarks.

Neuronale Informationsverarbeitung: Die Zellebene

Eine der wichtigsten grundlegenden Einheiten der Informationsverarbeitung im Gehirn ist das Neuron oder die Nervenzelle. Ein Neuron ist eine spezialisierte Zelle, die in der Lage ist, elektrische Signale zu empfangen, zu verarbeiten und weiterzuleiten. Information fließt in einer bestimmten Richtung durch das Neuron, beginnend bei den Dendriten und endend bei den Synapsen.

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Synaptische Verbindungen

Bei der Informationsverarbeitung im Gehirn sind nicht nur die Neuronen selbst, sondern auch deren Interaktionen von großer Bedeutung. Die Verbindungen zwischen den Neuronen - die sogenannten synaptischen Verbindungen - spielen eine wesentliche Rolle bei der Informationsverarbeitung. Synapsen übertragen nicht nur elektrische Signale von einer Nervenzelle zur nächsten, sie können die Intensität des Signals auch verstärken oder abschwächen.

Synaptische Plastizität

Synapsen können die Effektivität der Übertragung variieren. Dieses Phänomen wird als synaptische Plastizität bezeichnet. So kann eine Synapse 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. So wissen Neurowissenschaftler heute, dass Synapsen selbst im erwachsenen Gehirn noch komplett neu gebildet oder abgebaut werden können.

Die Rolle der Axone

Neurowissenschaftler:innen der Charité - Universitätsmedizin Berlin und des Max-Planck-Instituts für biologische Intelligenz haben entdeckt, dass die Aktivität von Aktionspotentialen in den axonalen Verzweigungen der retinalen Ganglienzellen messbar ist. Dem Team um Dr. Kremkow ist es erstmalig gelungen, die Aktivität von Nervenzellen in der Retina und von Signalempfängern im Mittelhirn zeitgleich zu messen. Die räumliche Anordnung der Retina wird quasi eins zu eins in den Strukturen des Mittelhirns übernommen. Neurone im Mittelhirn erhalten einen sehr starken und spezifischen synaptischen Eingang von den retinalen Ganglienzellen, allerdings nur von ein paar wenigen dieser sensorischen Nervenzellen. Diese Verschaltung ermöglicht eine sehr strukturierte und funktionale Verbindung zwischen der Netzhaut des Auges und den entsprechenden Regionen des Mittelhirns.

Gedächtnis: Speicherung von Informationen

Das Gehirn speichert Informationen im Gedächtnis, wo sie für zukünftige Abrufe verfügbar sind. Das Gedächtnis ist in verschiedene Typen unterteilt, darunter das sensorische Gedächtnis, das Kurzzeitgedächtnis und das Langzeitgedächtnis, die jeweils unterschiedliche Funktionen haben und zusammenarbeiten, um Informationen zu speichern und abzurufen.

Die verschiedenen Gedächtnisbereiche

Drei verschiedene Gedächtnisbereiche sind im Gehirn für das Lernen von Bedeutung:

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1. Ultrakurzzeitgedächtnis: Behält Wahrgenommenes für etwa zwei Sekunden.
2. Arbeits- oder Kurzzeitgedächtnis: Speichert Informationen bis zu 20 Minuten.
3. Langzeitgedächtnis: Hier beginnt der Prozess der Konsolidierung, um Informationen langfristig zu speichern.

Prozesse der Informationsspeicherung

Wenn Informationen in die dritte Stufe, ins Langzeitgedächtnis übergehen sollen, dann beginnt der Prozess der Konsolidierung. Will man etwas langfristig speichern, ist es besonders notwendig, das Gelernte sich erst einmal setzen zu lassen. Es ist eine Phase, in der unser Gedächtnis allerdings auch sehr störanfällig ist und Informationen schnell vergessen kann.

Neuronale Mechanismen des Gedächtnisses

Lernen basiert dabei auf einer spezifischen Verstärkung von bestimmten Synapsen, an denen die Signalübertragung durch biochemische und strukturelle Modifikationen erleichtert 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.

Synaptic Tagging

Martin Korte und Shreedharan Salikumar haben am Institut für Zoologie der TU Braunschweig beobachtet, wie die betroffenen Bereiche der Synapsen 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.

Einflussfaktoren auf die Informationsverarbeitung

Verschiedene Faktoren können die Effizienz und Genauigkeit der Informationsverarbeitung beeinflussen. Dazu gehören:

• Aufmerksamkeit: Die Fähigkeit, sich auf relevante Informationen zu konzentrieren, ist entscheidend für eine effektive Informationsverarbeitung. Ablenkungen und Überlastung können die Aufmerksamkeit beeinträchtigen und die Leistung verringern.
• Emotionen: Emotionen können die Art und Weise beeinflussen, wie wir Informationen verarbeiten und erinnern. Positive Emotionen können beispielsweise 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, da sie das Gedächtnis und die Fähigkeit zur Problemlösung stärken.
• Gesundheit und Wohlbefinden: Körperliche Gesundheit, ausreichender Schlaf und eine ausgewogene Ernährung können die kognitive Funktion unterstützen, während Krankheit, Schlafmangel und Stress sie beeinträchtigen können.
• Bewegung: Das Gehirn profitiert bereits von leichter körperlicher Aktivität. Je höher und intensiver die körperliche Aktivität, umso größer sind die Hirnregionen, entweder in Bezug auf das Volumen oder auf die Dicke des Kortex.

Anwendungen der Erkenntnisse über Informationsverarbeitung

Das Verständnis der Informationsverarbeitung im Gehirn hat zahlreiche Anwendungen in verschiedenen Bereichen:

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• Bildung: Entwicklung effektiverer Lernstrategien und Lehrmethoden.
• Klinische Praxis: Behandlung von Sprachstörungen, Verbesserung der Rehabilitation nach Schlaganfällen.
• Künstliche Intelligenz: Entwicklung von Systemen zur maschinellen Spracherkennung.
• Neuropsychologie: Verständnis der Auswirkungen von Gehirnschäden oder neurologischen Störungen auf die Sprachverarbeitung.

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