Wie funktioniert unser Gedächtnis?

Schon lange haben Forscher nach dem Sitz des Gedächtnisses gefahndet. Dabei kamen allerlei merkwürdige Vorstellungen auf. In den 50er und 60er Jahren beispielsweise versuchte man, sogenannte "Gedächtnismoleküle" nachzuweisen. Erinnerung sollte nach dieser Theorie in Form verschiedenster Eiweißstoffe im Gehirn existieren. Einer der Anhänger dieser Richtung, der Neurophysiologe James McConnell, stellt einige recht ausgefallene Experimente an: Er brachte Plattwürmern bei, Licht zu meiden. Taten sie es, so zerkleinerte McConnell sie in einem Mixer und verfütterte sie an Artgenossen, die dann angeblich auch das Licht mieden. Die New York Times titelte daraufhin: "Verspeisen Sie Ihren Professor".

Mc Connells aufsehenerregender Versuch ging später als Irrtum in die Wissenschaftsgeschichte ein. Bis in die 70er Jahre war die Theorie der Großmutterzelle aktuell. Danach sollte eine Erinnerung, zum Beispiel die an die eigene Großmutter, in einer einzigen Nervenzelle gespeichert sein. Eine einfache Überlegung widerlegte schließlich diese Idee: Da im Gehirn laufend Nervenzellen absterben, würde es zu einem dauernden Auslöschen von einzelnen Gedächtnisinhalten kommen. Auch die Erinnerung an die Großmutter würde irgendwann einfach ausgeknipst - was offensichtlich nicht der Realität entspricht. Die Theorie konnte sich nicht halten.

Netzwerk Gehirn

Erst in den letzten Jahren haben die Forscher etwas mehr über das Gedächtnis erfahren. Das Speichermedium sind die Nervenzellen des Gehirns und ihre Verbindungen untereinander. Es gibt 100 Milliarden dieser Zellen, und jede einzelne ist mit bis zu 10 000 anderen verbunden. Das Gehirn ist also im Prinzip ein gigantisches Kabelnetz mit mehreren 100 000 Kilometern Länge. Und wie in einem Stromkabel fließt auch entlang der Nervenbahnen Strom. Wird eine Nervenzelle durch einen ankommenden Reiz stimuliert, dann verändert sie innerhalb kürzester Zeit ihren Zustand: Entweder sie wird erregt (sie "feuert", wie man sagt) oder sie wird gehemmt. Wenn eine Zelle feuert, dann werden über Botenstoffe auch die dahinterliegenden Nervenzellen veranlaßt zu feuern.

Was passiert nun, wenn wir uns erinnern, zum Beispiel an unsere Großmutter? Die derzeitige Antwort der Gedächtnisforscher: Ein spezielles Gesicht entspricht im Gehirn einer ganz bestimmten Kombination vieler Nervenzellen, die gemeinsam feuern. Durch die gemeinsame elektrische Aktivität entsteht ein Muster im Gehirn, das die Großmutter repräsentiert. Andere Gesichter, Gegenstände, Telefonnummern - für alles gibt es ein spezielles Muster von Nervenzellen, die gemeinsam aktiv sind.

Warum kann man ein solches Muster manchmal noch nach Jahrzehnten aktivieren? Oder anders gefragt: Was unterscheidet das Kurz- vom Langzeitgedächtnis? Müssen wir uns beispielsweise nur kurzfristig eine Telefonnummer merken, dann verblaßt das entsprechende Muster schnell, weil nur wenige Nervenzellen beteiligt sind und die Verbindung zwischen ihnen sehr locker ist. Demgegenüber vermuten die Wissenschaftler, daß bei dauerhaften Erinnerungen zwei Faktoren entscheidend sind: Erstens sind dann mehr Nervenzellen beteiligt, das Signal ist also stärker. Und zweitens sind die Verbindungen zwischen den beteiligten Nervenzellen wesentlich stärker; denn "wichtige" Erinnerungen werden häufig aktiviert, die ensprechenden Verbindungen werden dadurch stabilisiert.

Die Art der Steuerung dieser Veränderungsprozesse erklärt vielleicht auch manche psychische Störung, etwa Depressionen - siehe dazu "Zuwenig neue Zellen im Hirn - Seepferdchen als Ursache für Depression?"

Erinnerungen sind überall

Erinnerungen sind also immer durch Netzwerke vieler Nervenzellen festgehalten. Ein weiteres Funktionsprinzip des Gedächtnisses: Arbeitsteilung. Beispiel: Die Erinnerung an einen Bleistift. Die Information en über die Farbe, Form und Funktion des Stifts sind an jeweils verschiedenen Orten im Gehirn gespeichert. Sie scheinen den Gehirnregionen zugeordnet zu sein, die auch für die Wahrnehmung der entsprechenden Eigenschaft zuständig sind. So wird die Farbe des Stifts an einem anderen Ort verarbeitet als zum Beispiel die zylindrische Form. Das Gedächtnis funktioniert wie ein Orchester: Die Geigen sind für die Farbe des Stifts zuständig, die Querflöten für die Form, die Pauke für die Funktion. Alle zusammen lassen in Sekundenbruchteilen das Bild des Stifts vor dem geistigen Auge entstehen.

Die Frage ist, woher das Gehirn weiß, daß die verschiedenen Informationen zu ein und demselben Objekt gehören. Einen Dirigenten, der mit seinem Taktstock alles im Griff hat, gibt es nämlich nicht im Gehirn. Die Vermutung der Forscher: Entscheidend ist der Takt, in dem die Nervenzellen feuern. Alle Nervenzellen, die mit der Erinnerung an den Bleistift beschäftigt sind, feuern beispielsweise fünfzigmal in der Sekunde. Andere Zellen, die sich an ein Blatt Papier erinnern, entladen sich nur dreißigmal. So wäre sichergestellt, daß weit auseinanderliegende Informationsdetails zu einem Gesamtbild zusammengefaßt werden können.

Von der Wahrnehmung zum Gedächtnis

Es gibt verschiedene Gedächtnissysteme. Am bekanntesten ist die Einteilung in Kurz- und Langzeitgedächtnis. Weniger bekannt sind die sensorischen Gedächtnissysteme, die es uns ermöglichen, die Umwelt wahrzunehmen. Wenn Sie in einem dunklen Zimmer eine glühende Zigarette hin- und herbewegen, dann werden Sie feststellen, daß diese eine Leuchtspur hinterläßt, mit der man lesbare Wörter in die Luft schreiben kann. 1740 machte sich der schwedische Forscher Segner diesen Effekt zunutze, um zu messen, wie lange die Spur eines mit dem Auge aufgenommenen Eindrucks im Gedächtnis bleibt.

Er befestigte ein glühendes Stück Kohle an einem rotierenden Rad. Wenn sich das Rad sehr schnell drehte, dann konnte er einen vollen Kreis wahrnehmen, da die am Anfang der Drehung entstandene Spur immer noch leuchtete, wenn das Kohlestück wieder am Startpunkt anlangte. Bei einer langsameren Drehung war nur das Teilstück eines Kreises zu sehen, weil die Spur des ersten Abschnitts verblaßt war, bis die Kohle wieder den Ausgangspunkt erreicht hatte. Segner wählte nun eine Geschwindigkeit, mit der gerade noch ein vollständiger Kreis zustande kam und maß die Zeit für eine Umdrehung. Er schätzte sie korrekt auf ungefähr eine Zehntelsekunde.

Dieses optische Gedächtnissystem wird "Ikonisches Gedächtnis" genannt. Seine Dauer kann noch einfacher demonstriert werden:

Spreizen Sie die Finger einer Hand und bewegen Sie sie vor Ihren Augen hin und her. Tun Sie das zuerst ganz langsam: Sie werden feststellen, daß der Hintergrund sich stückweise bewegt, weil die Wahrnehmung immer wieder durch die Finger unterbrochen wird. Jetzt wiederholen Sie den Vorgang sehr schnell. Nun bleibt der Hintergrund stabil und ist höchstens etwas verwischt. Bei der schnellen Bewegung wird die Szene nur ganz kurz unterbrochen, so daß die Information, die Ihr Auge aufnimmt, sich erneuern kann, bevor sie verblaßt.

Einen ähnlichen Gedächtnisvorgang gibt es auch beim Hören. Wenn in einer Zimmerecke ein kurzes, klickendes Geräusch ertönt, können Sie sofort bestimmen, aus welcher Richtung es gekommen ist. Diese Fähigkeit beruht darauf, daß Sie sich bei der Peilung den winzigen Unterschied zwischen der Ankunftszeit des Klickens an jedem Ohr zunutze machen, also eine ähnliche Arbeit ausführen wie ein Sonar. Damit Sie jedoch die geringfügige Zeitdifferenz auswerten können, muß ein System vorhanden sein, welches das erste Klicken bis zur Ankunft des zweiten speichert.

Verlorene Erinnerungen

Bei den bisher erwähnten Gedächtnissystemen war die Frage wichtig, wie lange die Gedächtnisinhalte gespeichert werden. Seit einigen Jahren tritt aber immer mehr in den Vordergrund, was gespeichert wird. Nicht mehr die Zeit, sondern der Inhalt ist der Faktor, mit dem die Wissenschaftler verschiedene Gedächtnissysteme unterscheiden. Daß Inhalte möglicherweise verschieden abgespeichert werden, darauf kamen die Forscher bei der Untersuchung von Menschen, die ihre Erinnerungen teilweise verloren hatten. Diese sogenannten Amnesien werden durch Unfälle oder psychische Belastungen verursacht. Amnestiker haben ganz spezielle Ausfälle: Die meisten können sich nicht mehr an ihre eigene Lebensgeschichte erinnern, sie wissen buchstäblich nicht mehr, wer sie sind. Andere sind plötzlich unfähig, Neues zu lernen.

Fälle wie dieser veranlaßten die Wissenschaftler, das Gedächtnis zu unterteilen: Einerseits gibt es das autobiographische oder wissenschaftlich ausgedrückt das episodische Gedächtnis; dort ist das gespeichert, was zu unserer ganz persönlichen Lebensgeschichte gehört. Allgemeiner: Jede Erinnerung, zu der wir die dazugehörige Zeit und den Ort angeben können.

Andererseits gibt es das Gedächtnis für Gelerntes: In Fällen wie dem oben beschriebenen weiß der Betroffene zum Beispiel, daß der Kilimandscharo in Tansania und Kenia liegt; das hat er gelernt. Daß er selbst schon den Berg bestiegen hat, davon weiß er allerdings nichts mehr, da sein episodisches Gedächtnis ausgefallen ist. Wissenschaftler nennen den Speicher für Gelerntes das semantische Gedächtnis.

Außerdem gibt es noch das sogenannte prozedurale Gedächtnis. Hier sind zum Beispiel Bewegungsabläufe gespeichert wie das Fahrradfahren oder Schwimmen - Gedächtnisinhalte, die weitgehend unbewußt sind und so gut wie nie durch Unfälle zerstört werden.

Zuguterletzt gibt es noch ein viertes Gedächtnissystem, das völlig unbewußt arbeitet. Auch diesem kamen die Wissenschaftler durch Menschen auf die Spur, deren Erinnerungsfähigkeit gestört war. So zum Beispiel der berühmteste Fall der Neuropsychologie: Ein Patient namens H.M. litt in den fünfziger Jahren unter starken epileptischen Anfällen. In einer Operation entfernte man ihm Teile beider Schläfenlappen. Nach der Operation zeigte sich, daß der Patient die Fähigkeit verloren hatte, neue Eindrücke zu speichern. H.M. begrüßte Bekannte, als sähe er sie zum erstenmal; eine halbe Stunde nach dem Mittagessen wußte er nicht mehr, ob er etwas zu sich genommen hatte, geschweige denn was; über Todesfälle in der Familie war er jeden Tag aufs neue geschockt. Bei Gedächtnistests zeigte sich jedoch, daß auch Patienten wie H.M. noch bestimmte Arten von Information bleibend aufnehmen können.

Die Annahme eines fünften Gedächtnissystems, des impliziten Gedächtnisses, konnte hingegen nicht in allen Untersuchungen eindeutig bestätigt werden. Wie Thomas Krüger und Britta Hofmann in einer aufwendigen Untersuchung bei Gummibärchen zeigen, kann allerdings keine Dissoziation zwischen der direkten und der indirekten Testbedingung gefunden werden.

Die Aufgabe: Aus den folgenden Graphiken so früh wie möglich den Ozeandampfer zu erkennen. Wenn man den Versuch wiederholt, stellt sich ein Lerneffekt ein: Das Bild wird immer früher erkannt - erstaunlicherweise nicht nur von Gesunden, sondern auch von Patienten wie H.M., die scheinbar keine neuen Informationen speichern können. Zeigt man ihnen aber zwischen den Sitzungen das vollständige Bild, dann können sie sich nicht daran erinnern, es jemals gesehen zu haben.

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Ein Blick ins Gedächtnis

Für die Wissenschaft ist die Frage interessant, wo sich die verschiedenen Gedächtnissysteme im Gehirn befinden. Nach einer neuen Theorie des Kanadiers Endel Tulving, der sogenannten HERA-Theorie (Hemispheric Encoding and Retrieval Asymmetry), existiert beim episodischen Gedächtnis eine Art Arbeitsteilung zwischen linker und rechter Gehirnhälfte: Danach werden nach Zeit und Raum benennbare Erinnerungen in der linken Hälfte des Großhirns eingeprägt. Das Abrufen der Erinnerungen geschieht dagegen in der rechten Hälfte. Solche Erkenntnisse gewinnen die Forscher mit moderner Technik: Mittels der Positronen-Emissions-Tomographie können sie dem Gehirn quasi bei der Arbeit zuschauen, ohne es zu verletzen. Dabei wird der Versuchsperson ein radioaktives Kontrastmittel gespritzt, das sich im Gehirn ansammelt - und zwar überall dort, wo es gerade besonders aktiv ist. Die radioaktiven Signale registriert ein spezielles Empfangsgerät und wandelt sie in Bilder um. Durch Amnestiker wie Thomas M. können die Wissenschaftler überprüfen, ob die HERA-Theorie stimmt: Da sie von seiner Familie Details über sein Vorleben wußten, konfrontierten sie ihn während einer PET-Untersuchung mit diesen Erinnerungen. Wie erwartet zeigten sich keine Signale auf der rechten Seite, da bei Thomas M. diese Erinnerungen nicht mehr zugänglich waren. Anders bei nicht-geschädigten Versuchspersonen: Befragt man sie nach intensiven Erlebnissen aus ihrer Kindheit und ruft diese Erinnerungen in einer PET-Untersuchung zurück, dann zeigen sich deutliche Signale auf der rechten Seite des Großhirns. Persönliche Erinnerungen werden anscheinend in der rechten Gehirnhälfte gespeichert.

Besonders kurios sind auch neueste Erkenntnisse über Kanarienvögel: diese verlieren im Herbst ihre Singkunst, weil Nervenzellen, die zwei bestimmte Zentren im Hirn verbinden, absterben. Doch bald danach wachsen neue Neuronen nach, bis die Kananenvögel im Frühling wieder singen können!