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4.8.2017

Wie der Stoff ins Gedächtnis gelangt

Alles, was wir lernen, wird im Gehirn in Form von Neuronennetzen gespeichert­ - Damit die sich bilden, ist vor allem eines nötig: häufige Wiederholung

Wie lernen wir? Wie speichert das Gehirn? Und wie werden Informationen zu sinnvollen Inhalten zusammenfügt? (© picture alliance / empics )


Wie kommt das alles in unseren Kopf? Und wieso bleibt es darin? Die englischen, Vokabeln? Die Winkelfunktionen Sinus, Kosinus, Tangens aus dem Mathematik­ unterricht? Die Bewegungsabläufe für Chopins Klavieretüden?

Nicht, dass Wissenschaftler die verblüffende Fähigkeit des menschlichen Gehirns, sich Fakten und alltägliche Episoden zu merken und Jahre später wieder aufzurufen, schon genau verstanden hätten. Dazu hat das Netz der Erinnerung sich bislang als zu komplex, zu unübersichtlich, zu wandelbar erwiesen. Aber immerhin: Psychologen, Neuro- und Molekularbiologen haben einige Knoten und Fäden, aus denen sich das Lerngeflecht knüpft, zu fassen bekommen.

Entscheidende Einsichten verdanken die Gedächtnisforscher einem Kronzeugen namens Henry Molaison, in die Wissenschaftsgeschichte eingegangen als Patient H. M. Nachdem Ärzte Molaison 1953 wegen epileptischer Anfälle große Teile des mittleren Schläfenlappens entfernt hatten, war dieser außerstande, sich Neues zu merken. Informationen, die er hörte oder sah, blieben allenfalls einige Minuten haften. Andererseits war H. M. durchaus in der Lage, neue motorische Fähigkeiten zu lernen. So trainierte er erfolgreich, einen fünf­ zackigen Stern zu zeichnen, wobei er seine Hand und die Figur nur im Spiegel sah. Auch konnte er sich gut an Ereig­nisse aus seiner Jugend erinnern.

Aus dem Fall von Henry Molaison zogen die Forscher den Schluss: Es gibt nicht nur ein Gedächtnis, sondern unser Lern- und Erinnerungsvermögen beruht auf mehreren Modulen: Aber wo befindet sich nun der deklarative Langzeitspeicher, und wie gelangen Vokabeln, Rechenregeln und Geschichts­daten dorthin? Zunächst müssen sie durch den "Flaschenhals" des Arbeits­gedächtnisses. Brüten wir über eng­lischen Wörtern, feuern Nervenzellen im präfrontalen Cortex, also der Großhirn­rinde hinter der Stirn, sowie im parieta­len Cortex über den Ohren. Dank dieses kurzfristigen Merkpuffers können wir mit Informationen im Geist jonglieren, können etwas durchdenken, Assozia­tionen mit bereits Bekanntem herstellen. Allerdings ist die Kapazität des Speichers begrenzt: Er fasst gleichzeitig lediglich sieben plus/minus zwei Informations­brocken. Und erlischt spätestens nach einigen Minuten.

Das "Seepferdchen" lenkt

Das Langzeitgedächtnis dagegen vermag fast unerschöpfliche Informationsmengen zu bewahren. Als unabdingbar für den Transfer von Fakten und Erlebnissen in dieses Dauerarchiv hat sich vor allem eine Region im Schläfenlappen unseres Gehirns erwiesen; im medialen Teil des Temporallappens liegt der Hippocampus, eine kleine Struktur, die ihren Namen wegen der Ähnlichkeit mit einem Seepferdchen trägt. Eben diese Struktur hatten die Neurochirurgen bei Patient H. M. herausgeschnitten.

Der Hippocampus speichert Erinnerungen nun nicht selbst, sondern diese sind über die Großhirnrinde weit verteilt. Die Informationen lagern dort, wo sie ursprünglich auch verarbeitet wurden: visuelle Eindrücke im Sehcortex, Sprach­informationen in den Spracharealen, akustische Daten in der Hörrinde.

Aber welche Aufgabe hat der Hippo­campus bei der Langzeitspeicherung? So ganz klar ist das noch nicht. Nach einer gängigen Vorstellung legt er eine Art Index der verstreuten Erinnerungs­elemente an und sorgt dafür, dass jedes Mal, wenn eine Facette der Erinnerung erneut aktiviert wird, das gesamte Ereig­nis wieder aufgerufen wird. Gerade so, als ob in einem Orchester eine Klarinette ein Stück anspielt und dann der Diri­gent - das wäre der Hippocampus - alle Instrumente einstimmen lässt.

Mit jedem Aufruf verstärken sich die Verbindungen zwischen den Speicher­plätzen in der Großhirnrinde, bis sie eines Tages so kräftig sind, dass der Hippocampus nicht mehr gebraucht wird. Das Erinnerungs-Ensemble spielt dann von allein auf.

Der Schlüssel für die feste Veran­kerung heißt daher: ständige Wieder­holung. Schulisch gesprochen: üben, üben, üben.

Das Gehirn setzt diese Strategie syste­matisch ein: Es rekapituliert Neuronen­aktivitäten, in denen neue Informationen codiert sind, wieder und wieder - bevor­zugt im Schlaf, wenn neue Eindrücke die Archivierung nicht stören können. Das haben Forscher bei Versuchen mit Ratten herausgefunden. Bei den Nagern feuerten Zellen im Hippocampus und in der Sehrinde während des Schlafssynchron nach dem gleichen Muster wie Stunden zuvor beim Erkunden eines Labyrinths. Inzwischen spricht einiges dafür, dass das Gehirn auch ruhige Momente im Wachzustand, etwa wäh­rend des Fressens, nutzt, um sich Gelerntes erneut zu vergegenwärtigen. Eine Reihe von Experimenten belegt die außerordentliche Bedeutung der Nachtruhe auch beim Menschen: Wenn Neuropsychologen Probanden, die tagsüber Wortpaare gelernt hatten, nachts den Schlaf raubten, störten sie die Dauerarchivierung beträchtlich.

Der Gefühlsturbo

Weniger Wiederholung bedarf es, wenn Informationen emotional gefärbt sind, uns persönlich berühren. Die bestandene Führerscheinprüfung, der erste Kuss, die Schulabschlussfeier - sie werden mit vielen Details rasch im Gedächtnis verankert.

Das liegt an der Amygdala, einer emotionalen Schaltstelle des Gehirns, die als Speicherturbo wirkt. Von hier erstrecken sich viele Nervenfasern direkt zum Hippocampus und modu­lieren dessen Wirken. Deshalb behalten wir Vokabeln leich­ter, wenn wir mit ihnen ein persönliches Ereignis verbinden, wir die französi­schen Worte etwa in einer Mail an unsere Brieffreundin benutzen. Und die im Mathematikunterricht behandelten Winkelfunktionen bleiben eher haften, wenn wir das Klassenzimmer verlassen, zur nächsten Kirche marschieren und dort in einer genau gemessenen Entfernung den Winkel bestimmen, unter dem wir die Turmspitze sehen. Und aus den Daten die Höhe des Turms errechnen.

Die Anatomie der Erinnerung ist das eine. Aber wie funktioniert der Informa­tionsspeicher auf der Ebene der Zellen und Moleküle? Maßgeblich beigetragen zur Aufklärung dieser Mechanismen haben die Versuche des Medizin-Nobel­ preisträgers Eric Kandel mit der Meeres­schnecke Aplysia.

Die Tiere reagieren auf einen Reiz, etwa einen Stromstoß, indem sie ihre Kiemen einziehen. Schon nach einem einzelnen Schock funktioniert der Reflex schneller. Aplysia hat bereits gelernt. Der Reiz, so stellte sich heraus, löst in Nervenzellen eine Sensibilisierung aus: Eiweißstoffe werden chemisch verän­dert, als Folge reagieren Synapsen, die Kontaktstellen zu anderen Neuronen, doppelt und dreifach empfindlich.

Laufen keine weiteren Impulse ein, klingt die Empfindlichkeitssteigerung nach wenigen Minuten wieder ab. Wiederholt sich der Lernreiz mehr­fach, setzt er umfangreiche Umbauten in Gang: Über komplexe Signalkaskaden aktiviert die Zelle Gene, produziert neue Proteine. Vorhandene Synapsen vergrö­ßern sich und sogar neue wachsen. Chemische Anhängsel auf dem Erbgut, sogenannte epigenetische Marker, sorgen vermutlich dafür, dass die neuen Synapsen auch erhalten bleiben.

Unbewusste Eleganz

Das Konzept hinter all dem: Eine Erinnerungsspur beruht auf neuen und stärkeren Verknüpfungen in einem Netz von Nervenzellen, auf einem freieren Informationsfluss in dem Neuronen­ensemble. Über die Größe eines solchen Netzes, streiten die Forscher. Manche gehen von Millionen Zellen aus, andere glauben, bereits einige Zehntausend reichten, um einen Begriff - ein Gesicht, einen Ort, eine Zahl - zu repräsentieren.

Nach der gleichen molekularen Logik funktioniert das prozedurale Gedächtnis. Das Archiv für Fertigkeiten wie den Aufschwung am Reck und das Klavier­ spielen stützt sich allerdings auf andere Gehirnareale als die deklarative Erinne­rung. Beteiligt sind die für Motorik zuständigen Regionen der Großhirn­rinde, die tiefer im Gehirn liegenden Basalganglien sowie das an der Schädel­ basis untergebrachte Kleinhirn.

Typisch ist: Anfangs benötigen wir für die Tastenfolge auf dem Klavier noch volle Konzentration, mit der Zeit werden die Bewegungen flüssiger und mehr und mehr unbewusst. Die Aktivität im Gehirn verschiebt sich von der Großhirnrinde in die anderen Areale. Und am Ende stört es sogar, wenn wir bewusst auf den Bewegungsablauf achten.
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Klaus Bachmann

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