Lernen und die Ausbildung des Gedächtnisses sind Prozesse, die nicht strikt von der Psychologie und der Soziologie abgegrenzt werden können. Nichtsdestotrotz widmet sich dieser Beitrag explizit um die (Neuro)Physiologie von Lernen und Gedächtnis. Dazu gehört das Verstehen der Zusammenhänge zwischen dem Erfahren und dem Abspeichern des Erlernten, wie das Gehirn mit „unnützem“ Wissen umgeht und wie ein Säugling beginnt, seine Umgebung zu begreifen.
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Bild: “Illustration from Anatomy & Physiology” von Anatomy & Physiology, Connexions Web site. Lizenz: CC-BY 3.0


Was ist Lernen?

Das Wort lernen ist von seinem Wortursprung mit „lehren“ und „List“ verwandt. Einen Schritt weitergedacht bedeutet lernen auch einer Spur nachzugehen. Daraus lässt sich ableiten, dass das Lernen ein Prozess ist, der dem Erlangen von Erkenntnissen dient. Das Lernen ist die Voraussetzung, damit das Gedächtnis gemachte Erfahrungen abspeichern und in das Handeln einfließen lassen kann, um Vorteile zu erlangen und Schaden abzuwenden.

Synapsenbildung

Lernprozesse im ersten Lebenshalbjahr sind maßgeblich für die Ausbildung des Nervensystems. Dazu tragen auch Umweltreize und Erfahrungen bei, die für die Ausbildung neuer Synapsen sorgen und bestehende synaptische Verbindungen verbessern. Derartige Veränderungen werden als Neuronale Plastizität bezeichnet, unabhängig davon, ob sie auf physiologischen oder neuroanatomischen Voraussetzungen beruhen.

Wie lernen Kinder?

Schon in der Schwangerschaft werden die meisten Gehirnzellen ausgebildet. Bei der Geburt können die Nervenzellen aber noch nicht miteinander kommunizieren, da keine Verbindung zwischen ihnen besteht. In den ersten drei Lebensjahren wachsen diese Verbindungen. Das geschieht über die Ausbildung von Dendriten, die den Zellen ermöglichen Informationen aufzunehmen. Außerdem kommt es zur Bildung von synaptischen Verbindungen, die für eine Weiterleitung der Informationen erforderlich sind. Das Ausmaß dieser Verbindungen liegt deutlich über dem tatsächlichen Bedarf. So ist es später leichter möglich, dort Anpassungen vorzunehmen, wo sie benötigt werden.

Lernfähigkeit von Säuglingen

Säuglinge reagieren stark auf Reize. Auch das ist ein wichtiger Hinweis darauf, dass der Lernprozess in Gang gesetzt ist. Diese Reize sind zudem notwendig, damit die Entwicklung des Gehirns überhaupt möglich ist. Im Umkehrschluss bedeutet das, dass ein Säugling in einer reizarmen Umgebung in seiner Entwicklung gehindert wird.

In dieser Entwicklungsphase unterscheidet sich die Fähigkeit zur Differenzierung von Gesichtern und Stimmlauten von den Fähigkeiten Erwachsener. Sie ist besser ausgeprägt und ermöglicht dem Säugling die Unterscheidung zwischen engen Bezugspersonen, Vertrauten und Fremden. Durch die erste Prägung auf das persönliche Umfeld verliert das Baby ein gewisses Maß an Flexibilität bei seinen geistigen Fähigkeiten, dafür werden die Lernprozesse aber gezielter. Diese Entwicklung findet im ersten Lebenshalbjahr statt.

Wie arbeitet das Gehirn?

Das Gehirn steuert sich weitgehend selbst und kommuniziert über Neuronen. Die Entwicklung und die daraus resultierenden Möglichkeiten sind aber abhängig von Umwelt- und Sinnesreizen. Eine Verbindung besteht dennoch zum Rückenmark. Das Gehirn verarbeitet die aufgenommenen Wahrnehmungen, die auch miteinander vernetzt werden. Dabei greift es auf im Gedächtnis abgespeicherte Erfahrungen zurück. Die meisten Eindrücke werden jedoch unterdrückt. Das Gehirn unterscheidet bei den zu verarbeitenden Eindrücken beim Lernprozess nach:

  • Relevanz
  • Neuigkeitswert
  • Bedeutung
  • Sinnhaftigkeit
Bild: “Parts of a Neuron” von philschatz.de. Lizenz: CC BY 4.0

Bild: “Parts of a Neuron” von philschatz.de. Lizenz: CC BY 4.0

Bedeutung von Emotionen beim Lernen

Kognition und Emotion spielen beim Lernen eine wichtige Rolle. Dabei dienen Empfindungen als somatische Marker, die die Prozesse des Verarbeitens, Speicherns und der Erinnerung beeinflussen. Zum Lernen gehört auch, dass besonders häufig genutzte neuronale Bahnen stärker werden. Das führt dazu, dass sie länger und vor allem schneller genutzt werden.

Lernen als Auf- und Abbau im Gehirn

Der Lernprozess beginnt mit der Auseinandersetzung mit äußeren Einflüssen. Lernen führt zu Veränderungen im Gehirn, die in vier Bereiche unterteilt werden können. Dazu gehört das Expanding, das Tuning, das Re-Constructing und das Pruning.

Beim Expanding werden die Anzahl und Stärke der neuronalen Verbindungen verbessert, indem bestehende Informationen vernetzt und aufgebaut werden. Das Tuning beschreibt die Erstellung neuer Zusammenhänge. So werden die neuronalen Verbindungen verbessert. Im Rahmen des Re-Constructing kommt es zu einem Umlernen. Dabei werden bestehende Lernergebnisse (motorische Muster, aber auch routinierte Prozesse) durch neue ersetzt, die besser geeignet sind. Dieser Prozess ist zeitintensiv und anstrengend. Das Pruning beschreibt die Rückbildung von neuronalem Potential, das nicht oder nur wenig genutzt wird. Das kann dazu führen, dass sich die Verbindungen so verändern, dass sie nicht mehr aktiviert werden können.

Das Lernen wird unterschieden in:

  • Intentionales Lernen
  • Individuelles Lernen
  • Kollektives Lernen
  • Körperliches Lernen
  • Soziales Lernen

Bedeutung der sozialen Interaktion und der Bewegung

Der Mensch braucht die soziale Interaktion. Das gilt auch für das Gehirn. Spiegelneurone im Gehirn sorgen dafür, dass nötige kognitive Orientierungsmuster sich überhaupt entwickeln können. Auch die Bewegung ist wichtig für die Gehirnleistung. Das gilt vor allem für die ersten Lebensjahre.

Lokalisation von Lern- und Gedächtnisprozessen

Cerebellum

Bild: “Cerebellum (rot dargestellt)” von Database Center for Life Science(DBCLS). Lizenz: CC-BY-SA-2.1

Temporallappen

Bild: “Temporallappen (rot dargestellt)” von Database Center for Life Science(DBCLS). Lizenz: CC-BY-SA-2.1

Das motorische Lernen ist in den Neuronen in Cerebellum und den Basalganglien lokalisiert. Das deklarative Gedächtnis befindet sich im Medialen Temporallappen. Kommt es zu einer Läsion des Hippocampus, ist eine anterograde Amnesie die Folge. Das bedeutet, dass neue Informationen nicht mehr abspeicherbar sind.

Gedächtnissysteme

Das prozedurale Gedächtnis befindet sich im Striatum, als Bahnung wird der Neurocortex genutzt. Das assoziative Lernen findet bei emotionalen Vorgängen in der Amygdala und bei motorischen Vorgängen im Zerebellum statt, das nicht assoziatives Lernen erfolgt in Habituation und Sensitivierung (beides durch Reflexkreise).

Hebb’sche Regel

Wenn ein Axon des Neurons A nahe genug an einem Neuron B liegt, sodass Neuron B wiederholt oder anhaltend von Neuron A erregt wird, so wird die Effizienz von Neuron A für die Erregung von Neuron B durch Wachstumsprozesse oder ein Stoffwechseländerung in beiden oder einem der beiden Neurone erhöht. Das bedeutet, dass erfahrungsbedingte Veränderungen im Nervensystem von bestimmten Bedingungen abhängig sind.

Gedächtnisbildung und der Papez-Kreislauf

Limbisches SystemFür die Gedächtnisbildung ist der Papez-Kreislauf von großer Bedeutung. Er befindet sich im Zentrum des limbischen Systems. Das limbische System liegt oberhalb des Hirnstamms und ist bei allen Säugetieren vorhanden. Es ist wichtig für das Sozialverhalten, Fürsorge, Liebe, Angst und das Lernen durch Nachahmen.

Papez-Kreislauf

Per Definition handelt es sich beim Papez-Kreislauf um eine Neuronenkette, die nach ihrem Entdecker James Papez benannt wurde. Die Funktionen im Papez-Kreislauf für die Gedächtnisleistungen sind noch nicht vollständig erforscht. Die Annahme, dass dort Ärger und Wut gesteuert werden, gilt aber inzwischen als überholt, seit man erkannt hat, dass der Kreislauf sehr viel komplexer ist, als noch von Papez selbst angenommen.

Heute wird davon ausgegangen, dass der Papez-Kreislauf der Speicherung von Gedächtnisinhalten dient. Hier kommt es daher zur Überführung von Inhalten aus dem Primärgedächtnis (Kurzzeitgedächtnis) in das Sekundärgedächtnis (Langzeitgedächtnis) oder das Tertiärgedächtnis (eigenständiger Teil des Langzeitgedächtnisses).

Der Papez-Kreislauf findet folgendermaßen statt:  Hippocampus → Fornix → Mamillarkörperchen im Hypothalamus (Corpora mamillaria) → cingulärer Cortex → Hippocampus

Papez Kreislauf

Die verschiedenen Gedächtnisformen

Modell des menschlichen Gedächtnisses

Bild: “Modell des menschlichen Gedächtnisses” von de.wikipedia. Lizenz: CC BY-SA 2.0 DE

Der Fachgebegriff für Gedächtnis und Erinnerung lautet mnestische Funktion. Wichtige Dinge sind leichter in Erinnerung zu behalten als Ereignisse, die keine Rolle spielen. Positive Erfahrungen werden besonders gut im Gedächtnis bleiben. Darüber hinaus fallen Erinnerungen in positiver Grundstimmung leichter. Im Umkehrschluss ist das Erinnern erschwert in Phasen von Müdigkeit oder Trauer.

Nicht alle Erinnerungen sind erklärbar

Der Mensch verfügt über ein deklaratives Gedächtnis (explizites Gedächtnis) und ein prozedurales Gedächtnis (implizites Gedächtnis). Was das deklarative Gedächtnis speichert, kann wiedergegeben werden, denn der Mensch ist sich der Erfahrung bewusst. Die Erinnerungen aus dem prozeduralen Gedächtnis hingegen sind ohne direkte Erinnerung. Dennoch fließen sie in das Verhalten ein. Ein klassisches Beispiel dafür ist das Erlernen einer Sprache.

Ultrakurzeitgedächtnis (sensorisches Gedächtnis)

Im Ultrakurzzeitgedächtnis empfangen die Sinnesorgane einen Reiz, der in Form einer neuronalen Erregung nachschwingt. Dieser Prozess liegt unter einer Sekunde. Die Wahrnehmung kann über das Auge oder über das Ohr erfolgen. Die kurze Erinnerung über das Auge wird als Icon bezeichnet, die Erinnerung über das Ohr heißt Echo und erlischt ebenso schnell. Nur Reize, die in das Kurzzeitgedächtnis gelangen, können Bestand haben, denn das Ultrakurzzeitgedächtnis verfügt über keine Speichermöglichkeiten.

Primärgedächtnis

Erinnerungen im Primärgedächtnis sind so lange abrufbar, wie der Mensch sich mit dem Geschehen befasst. Wird das unterbrochen, geht auch die Erinnerung verloren. Dauerhaft abrufbar sind die Erlebnisse nur, wenn sie in das Langzeitgedächtnis überführt werden. Es wird davon ausgegangen, dass das Kurzzeitgedächtnis die Durchgangsstelle für Erlebnisse in das Langzeitgedächtnis ist.

Offenbar ist der Hippocampus in der Großhirnrinde daran beteiligt. Das zeigt sich auch dadurch, dass Schäden am Hippocampus nur noch Kurzzeiterinnerungen ermöglichen. Eine andere Bezeichnung für das Primärgedächtnis ist „labiles Gedächtnis“, da es sehr störanfällig ist. Eine Ablenkung genügt und schon ist das Erlebte oder Gehörte vergessen. Für die Vorgänge ist Kalzium von großer Bedeutung.

Langzeitgedächtnis

Für das Abspeichern von Informationen im Langzeitgedächtnis ist wichtig, dass die abzuspeichernden Informationen wiederholt werden. Gut nachvollziehbar ist dieser Prozess beim Erlernen von komplexen Bewegungsabläufen, z. B. bei einer neuen Sportart.

Der Lernprozess im Gehirn

Auch für das Lernen ist der Hippocampus von großer Bedeutung. Es gibt eine Verbindung zwischen Nervenzellen und dem neuronalen Mechanismus, bei dem es sich vermutlich um das physiologische Substrat des Lernens handelt. Dieses physiologische Substrat besteht aus ständigen elektrophysiologischen, morphologischen und molekularen Veränderungen an Nervenzellen. Damit Inhalte lange verfügbar sind, ist die LTP der erforderliche Prozess. Dabei handelt es sich um die Langzeitpotenzierung (long-term potentiation). LTP macht es möglich, dass es über Zeiträume, die Wochen anhalten können, zu Reizung der afferenten Axone kommt, wie auch einem stärkeren Ca-Einstrom.

Das Erlernte ist aus dem Langzeitgedächtnis parallel und lebenslang abrufbar. Die Prozesse im Langzeitgedächtnis laufen unter dem Einfluss des Neurotransmitters Glutamat (Glutaminsäure) ab.

Pathologie der Gedächtnisleistung

Das hochkomplexe System rund um Lernen und Gedächtnisleistung ist anfällig für Störungen. Treten hier Anomalien auf, muss im Rahmen der Differentialdiagnose mit größter Sorgfalt vorgegangen werden. Das liegt auch daran, dass schon Verschiebungen im Mineralhaushalt Störungen verursachen können, die den Eindruck einer Erkrankung erwecken können (zum Beispiel Kalzium-Mangel). Hinzu kommt, dass demente Erkrankungen zunehmen, was auch der steigenden Lebenswartung zuzuschreiben ist. Derzeit ist von 1,5 Millionen Demenzerkrankten in Deutschland auszugehen.

Amnesie

Eine Amnesie ist eine Gedächtnisstörung, bei der der Patient nicht mehr auf Gedächtnisinhalte zugreifen kann. Der Begriff stammt aus dem Griechischen und setzt sich zusammen aus a für ohne und mnémē für Gedächtnis.  Sie ist keine eigenständige Erkrankung, sondern Symptom einer Erkrankung oder Folge einer Einwirkung auf das Gehirn. Dieser Einfluss kann von außen oder auch von innen erfolgt sein.

Auch das Abspeichern von Erlebtem und Erlerntem ist bei einer Amnesie nicht möglich. Das kann alle Gedächtnisinhalte betreffen oder Teile, z. B. aus einer bestimmten Lebensphase. In den meisten Fällen ist der Patient eher in der Lage, sich an lang zurückliegende Ereignisse zu erinnern, als an Geschehnisse, die sich erst vor kurzer Zeit zugetragen haben. Es gibt verschiedene Formen der Amnesie, die aber nicht strikt voneinander getrennt werden können. Folgende Formen sind von Bedeutung:  Retrograde Amnesie, globale Amnesie, transiente globale Amnesie, kongrade Amnesie, psychogene Amnesie.

Alzheimer

Bei Alzheimer kommt es zu einem Untergang der Nervenzellen. Das kann zur Folge haben, dass das Gehirn um bis zu 20 % schrumpft. In der Folge ist die Weiterleitung von Informationen gestört. Auch die Verarbeitung von Eindrücken ist nicht mehr in vollem Umfang möglich. Zeitgleich kommt es zur Ablagerung abnormer Eiweißbruchstücke. Besonders betroffen sind von Alzheimer die Bereiche des Gehirns, die für die Verarbeitung von Informationen und die Gedächtnisleistung benötigt werden.

Links ein gesundes Gehirn, rechts das eines Alzheimererkrankten

Links ein gesundes Gehirn, rechts das eines Alzheimererkrankten

Alles über die psychologische und soziologische Sicht zu Lernen und Gedächtnis finden Sie hier.

Beliebte Prüfungsfragen zur Physiologie von Lernen und Gedächtnis

Die Lösungen befinden sich unterhalb der Quellenangaben.

1. Was trifft auf das Kurzzeitgedächtnis zu?

  1. Ist etwa eine Stunde abrufbar
  2. Leitet alle Informationen in das Langzeitgedächtnis über
  3. Ist auf die Funktionstüchtigkeit des Hippocampus angewiesen
  4. Speichert die wichtigsten Informationen
  5. Nimmt keine Informationen aus dem Ohr auf

2. Welche Aussage trifft zu?

  1. Neugeborene müssen Nervenzellen erst noch ausbilden
  2. Neugeborene haben noch keine Verbindungen zwischen den Nervenzellen
  3. Die Verbindung zwischen den Nervenzellen bildet sich mit dem 3. Lebensjahr aus
  4. Die Ausbildung der Verbindung ist starr und unveränderbar
  5. Dendriten sorgen für die Weiterbildung von Informationen im Gehirn

3. Das Gehirn verarbeitet Informationen, nach:

  1. Menge
  2. Erfahrung
  3. Sinnhaftigkeit
  4. Persönlichem Eindruck
  5. Der Dauer des Verbleibs im Kurzzeitgedächtnis

Quellen

Wie lernt der Mensch? Mentale Stärke gegen Digitale Demenz von Manfred Spitzer via hamburg-messe.de

Unser Gedächtnis via Ruhr Uni Bochum

Die Chemie des Lernens via © [werner stangl]s arbeitsblätter

Der Hippocampus via dasgehirn.info

Gehirnentwicklung und frühkindliches Lernen von Maria Klatte via Universität Kaiserslautern Fachbereich Sozialwissenschaften

Die Häufigkeit von Demenzerkrankungen via Deutsche Alzheimer Gesellschaft

Begriffsdefintion „Lernen“ via © [werner stangl]s arbeitsblätter

Gedächtnis via spektrum.de

Wie ‘lernt‘ unser Gehirn?“ Neurowissenschaftliche Befunde zum Lernen von Prof. Dr. Heinz Schirp via bezreg-arnsberg.nrw.de

Lernen und Gedächtnis via Uni Giessen

Lernen und Gedächtnis via Uni Bonn

Lösungen zu den Fragen: 1C, 2 B, 3 C



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