Dein Gehirn ist kein Computer.

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Informationsspeicher Gehirn 

Den Mechanismen des Lernens auf der Spur

Bremsen Computerspiele, Internetsurfen oder Chatten den Lernerfolg bei Schulkindern? Blockieren sie die wichtigen Eingangskanäle? Oder können digitale Medien vielleicht sogar die Motivation und das Gedächtnis der Schüler stärken? Forscher der Ruhr-Universität Bochum haben sich mit diesen Fragen und den dahinter stehenden Mechanismen des Lernens beschäftigt.

Schülerinnen und Schüler sind heute weniger aufmerksam und lernfähig als noch vor Jahren, sagen manche Pädagogen. Das sei ja auch kein Wunder, bei den vielen Ablenkungen: Computerspiele, Internetsurfen oder Chatten stehen hoch im Kurs und machen der Schule Konkurrenz. Aber stimmt das auch? Nach dem Ergebnis einer aktuellen Studie der Bochumer Forscher lautet die Antwort: Nein.

Denn ihrer Ansicht nach ist nicht die Methode, sondern die Motivation der Schlüssel für effektives Lernen: Ob bei aktiver Beteiligung am Schulunterricht oder passivem Lernen am Computer – die Neurowissenschaftler stellen unter beiden Lernbedingungen die gleiche positive Wirkung auf die Gedächtnisbildung fest.

Dieser Befund regt zu Überlegungen an, die digitalen Medien stärker in den Schulunterricht einzubeziehen; entsprechende didaktische Materialien zu entwickeln. In den meisten Schulen Deutschlands hat sich Projektarbeit mit Hilfe von digitalen Informationsquellen etabliert. Andere Länder sind bereits ein Stück weiter. Sie nutzen elektronische Schultafeln und statten ihre Schüler mit iPads aus. Die Devise lautet: „If you can’t beat them, join them“. Wie effektiv diese Strategien sind, sollen in den kommenden Jahren Langzeitstudien belegen.

Inhalt: 

Kontaktstellen als Schlüssel

Was unterscheidet das menschliche Gedächtnis von einem Computer?  

Keine Festplatte

Das Gedächtnis als veränderliches System  

Botenstoffe mischen beim Lernen mit

Die Rolle von Noradrenalin und Dopamin bei der Gedächtnisbildung  

Wie effektiv ist Lernen am Computer?

Ein Rattenversuch mit überraschendem Ergebnis 

Lernen schafft geistige Reserven

Abwechslung und sozialer Kontakt können selbst Alzheimer hinauszögern

Denise Manahan-Vaughan / RUBIN -das Wissenschaftsmagazin der RUhr-Universität Bochum

Stand 20.04.2012

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Kontaktstellen als Schlüssel 

Was unterscheidet das menschliche Gedächtnis von einem Computer? 

Die Fähigkeit eines gesunden Menschen, Neues zu lernen und zu behalten, ist im Verlauf eines Lebens grenzenlos. Wie viel wir verstehen, wird von unserer Intelligenz, aber auch unserer Bildung bestimmt. Das Fantastische ist, dass wir immer wieder Neues lernen können - so lange wir möchten. Wie ist das möglich? Jeder von uns freut sich über die Anschaffung eines neuen Rechners mit mittlerweile gigantischer Speicherkapazität. Die erste Computergeneration besaß eine Speicherkapazität von einigen hundert Kilobyte. Die neuesten auf den Markt kommenden Computer haben mindestens 500 Gigabyte und damit 500 Millionen Kilobyte.

Aber wie groß die Speicherkapazität auch ist, trotzdem wird sie irgendwann erschöpft sein. Bei uns Menschen ist das nicht der Fall. Das liegt teilweise daran, dass das menschliche Gehirn bis zu 100 Milliarden Hirnzellen besitzt. Diese Hirnzellen (Neurone) bilden wiederum insgesamt über 100 Billionen Synapsen, über die sie miteinander kommunizieren. An der Synapse berühren sich die Neurone nicht. Ein Signal wird durch Botenstoffe von einem Neuron zum anderen weitergeleitet. Botenstoffe binden an Rezeptoren und ermöglichen so die Weiterleitung des Signals.

Netzwerkmuster bestimmt Gedächtnis

Diese Kontaktstellen bilden riesige Netzwerke, wodurch Information gespeichert werden kann. Dieses System ermöglicht unsere unbegrenzte Lernkapazität. Ein Computer stellt im Vergleich einfach keine Konkurrenz dar. Aber Synapsen besitzen die Fähigkeit, ihre Kommunikation miteinander zu verbessern oder zu vermindern: Die synaptische Übertragung kann sich dauerhaft verbessern (Langzeitpotenzierung, LTP) oder dauerhaft vermindern (Langzeitdepression, LTD) – ein Phänomen, das „synaptische Plastizität“ genannt wird. LTP und LTD stellen die zellulären Grundlagen der Gedächtnisbildung dar. Wenn alle Synapsen naiv sind und noch nichts gelernt haben, bleibt die Kommunikation beim Alten und es wird keine Information gespeichert.

Wenn sich einige Synapsen im naiven Zustand und andere im potenzierten oder deprimierten befinden, kann ein einmalig zusammengesetztes Netzwerk entstehen. Da jede Synapse entweder unverändert, potenziert oder deprimiert sein kann, ist die Kapazität dieses Netzwerkes, neue Information zu speichern, atemberaubend. Denken wir an eine Weihnachtsbaumbeleuchtung: Mit nur drei Beleuchtungsfarben und 100 Leuchten, die bei Bedarf jede der drei Farben zeigen können – wie viele Farbmuster könnten da entstehen! Und jede Farbkombination kann als ein einmaliges Gedächtnismuster gespeichert werden.

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Keine Festplatte

Das Gedächtnis als veränderliches System 

War ich schon hier? Befinde ich mich in einer bekannten Umgebung oder ist alles neu für mich und muss erforscht werden? In Bruchteilen von Sekunden weiß unser Gehirn, ob zum Beispiel ein Ort bekannt ist oder nicht. Ist er es nicht, prägen wir uns bewusst eine räumliche Konstellation ein, etwa anhand markanter Punkte wie Restaurants, Einkaufsläden oder einem Park. Für diese Informationen entsteht quasi ein neues Gedächtnis im Gehirn – auch episodisches oder autobiographisches Gedächtnis genannt.

Unbewusst oder bewusst

Dieses episodische Gedächtnis ist Teil des deklarativen Gedächtnisse. Dieses umfasst alle Erinnerungen, die wir bewusst abrufen. Dazu gehören sowohl Erinnerungen an Fakten und Tatsachen, als auch Erinnerungen an Ereignisse und Erfahrungen in unserem Leben. Aber in unserem Gehirn sind auch unbewusste, nicht-deklarative Gedächtnisinhalte gespeichert. Sie können wir nicht bewusst abrufen, nachdem wir sie gelernt haben, sie stehen uns aber zur Verfügung. Dazu gehören Fähigkeiten wie Fahrradfahren, Klavierspielen oder ganz einfache Reflexe.

Zuständig für die Einprägung des bewussten Gedächtnisses ist die als Hippocampus bekannte Region des Gehirns. Patienten, denen diese Hirnlappen operativ entfernt wurden, können sich zum Beispiel überhaupt keine neuen Fakten oder Erfahrungen merken. Der Hippocampus ist unser wichtigstes Lernorgan. Ohne ihn können wir keine langanhaltenden deklarativen Erinnerungen bilden. Er ist auch die Struktur, die am schwersten betroffen ist bei gedächtnisschädigenden neurodegenerativen Erkrankungen wie zum Beispiel bei der Alzheimerschen Krankheit und bei Demenz. Seinen Namen hat er wegen seiner einem Seepferdchen (lateinisch Hippocampus) ähnlichen Form erhalten.


Möglich werden unsere bewussten Erinnerungen durch Änderungen bei der synaptischen Übertragung im Gehirn. Dieses Phänomen der synaptischen Plastizität gewährleistet, dass unsere Hirnzellen sich an wechselnde Bedingungen oder Erlebnisse anpassen, aber auch erinnern können. Wenn wir uns etwas langfristig merken möchten, ändert sich die Übertragung der Nervensignale dauerhaft. Aber nichts wird festgeschrieben wie auf einer Computerfestplatte:

Mittlerweile liegen viele Beweise vor, dass jede autobiografische Erinnerung nach dem Abrufen wieder frisch gespeichert wird. Das heißt letzten Endes, dass eine vermeintlich feste Erinnerung, zum Beispiel an Ereignisse unserer 21. Geburtstagsfeier, schon deshalb fehlerhaft sein kann, weil wir bei jedem Abruf das Geschehen ein bisschen modifizieren. Nur deklarative Erinnerungen, die verglichen und überprüft werden können (z.B.: Berlin ist die Hauptstadt von Deutschland), bleiben nach dem Abruf unverändert. Und es gilt der Spruch „use it or lose it“: Erinnerungen und Gelerntes, das wir nicht regelmäßig abrufen, werden zunehmend lückenhaft und werden uns irgendwann verloren gehen.

 

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Botenstoffe mischen beim Lernen mit 

Die Rolle von Noradrenalin und Dopamin bei der Gedächtnisbildung 

Der Schlüssel zum effektiven Lernen ist Motivation. Wenn wir uns langweilen, müde, gestresst oder gar apathisch sind, ist es viel schwieriger, Information zu behalten und zu lernen, als wenn wir wach, entspannt, interessiert und hochmotiviert sind. Botenstoffe wie Noradrenalin, Dopamin, Nikotin und Stresshormone nehmen dabei starken Einfluss auf unsere Lernfähigkeiten.

Ratten im Was-Wo-Wann-Test

Auch Nagetiere besitzen die Fähigkeit zum episodischen Gedächtnis: Sie erinnern, was sie bereits erlebt haben, wo sie etwas erlebt haben und wann sie es erlebt haben. Dieses „Was-Wo-Wann-Gedächtnis“ überprüfte der Doktorand Neal Lemon von der Abteilung für Neurophysiologie der Medizinischen Fakultät der Ruhr-Universität im Verhaltensversuch mit Ratten. Er testete die Auswirkung der Botenstoffe Noradrenalin und Dopamin auf die synaptische Plastizität und auf das Lernen der Tiere.

Diese lernten im Rhythmus von einer fünfminütigen Erkundungszeit und einer sich anschließenden Pause von etwa einer Stunde immer wieder neue Objekte kennen, die jeweils an ganz bestimmten Stellen innerhalb eines Raums platziert waren. Die Tiere zeigten das größte Interesse an einem der zuerst gesehenen Objekte, wenn sich dieses gegen Ende der Testreihe an einer anderen Stelle befand. Sie hatten sich gemerkt, was sie wann und wo gesehen hatten. Eine Hemmung der Rezeptoren für Noradrenalin und Dopamin hemmte bei den Tieren sowohl die synaptische Plastizität als auch das deklarative Lernen. Im Gegensatz dazu stärkte eine Aktivierung des für beide Botenstoffe zuständigen Systems die synaptische Plastizität und damit das Lernen.

Manche Erinnerungen möchten wir gar nicht behalten: Traumatische Erinnerungen von Unfällen, Katastrophen bzw. Kriegserlebnissen führen zu Stresssyndromen, die die Lebensqualität beinträchtigen. Eine gezielte Manipulation der Rezeptoren für Noradrenalin lässt sich daher als Behandlungsstrategie des Posttraumatischen Stresssyndroms nutzen. Lemons Daten zeigen, wie vielversprechend diese Therapien sind.

Mit allen Sinnen lernen

Wenn wir lernen, benutzen wir aber auch unsere Sinnessysteme und unsere Vorerfahrung, um Gedächtnisse zu bilden. Wenn wir unsere Augen schließen und zurückdenken an den Heiligabend im vergangenen Jahr, dann sehen wir vielleicht den geschmückten Weihnachtsbaum, riechen den Geruch des Festessens oder können sogar die Melodie der Weihnachtsmusik abrufen oder das Gefühl, auf der harten Kirchenbank zu sitzen. Was wir gesehen, gerochen, gehört und gespürt haben, trägt zu dieser Erinnerung bei. Diese Sinnesinformation wurde zur Hauptgedächtnisstruktur des Gehirns, dem Hippocampus, transportiert. Durch synaptische Plastizität wurde ein Gedächtnismuster gebildet, dessen Inhalt nicht nur unsere Sinneserlebnisse prägt, sondern auch unsere Gefühle und Erwartungen.

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Wie effektiv ist Lernen am Computer? 

Ein Rattenversuch mit überraschendem Ergebnis 

Bei den traditionellen Unterrichtsstrukturen sitzen Schüler und Schülerinnen gemeinsam in einem Klassenraum und schauen der Lehrerin oder dem Lehrer zu, wenn diese etwas erzählen. Man hört zu, oft schreibt und redet man mit. Nach der Schule gibt es noch Hausaufgaben. Erfahrene Lehrer und Lehrerinnen berichten heute oft, dass nach ihrem Empfinden sowohl die Aufmerksamkeitsspanne als auch das Lernvermögen der Schüler nachgelassen hat im Vergleich zu früheren Generationen. Der Nobelpreisträger Eric Kandel hat bei Nagern und anderen Tierarten gezeigt, dass eine regelmäßige Wiederholung frischer, aber auch älterer gelernter Informationen zu einer bleibenden Erinnerung führt. Was also läuft heutzutage schief?

Blockieren Fernsehen und Computer die Lernkanäle?

Obwohl es Fernsehen auch früher schon gab, leben die heutigen Generationen doch zunehmend in einer digitalen Welt. Direkt nach der Schule wird nicht nur ferngesehen – Computerspiele, Internetsurfen oder Chatten kommen noch hinzu. Möglicherweise konkurrieren diese Erfahrungen mit dem, was am Morgen in der Schule gelernt und dargeboten wurde. Schließlich werden hierfür dieselben Sinnesbahnen benutzt. Pädagogen werden argumentieren, dass eine aktive Beteiligung am Schulunterricht effektiver sein sollte als das passive Lernen vor einem Computer.

Um das zu überprüfen, haben Denise Manahan-Vaughan und ihre Kollegen kürzlich eine Studie durchgeführt. Dabei verglichen sie das Lernvermögen und die synaptische Plastizität bei Nagern einmal unter Bedingungen des aktiven Lernens in anregenden Umgebungen und einmal beim passiven Lernen vor einem Computerbildschirm. Dabei beobachtete die Doktorandin Anne Kemp eine langanhaltende Änderung der synaptischen Plastizität unter beiden Lernbedingungen.

Kein Unterschied zwischen Monitor und echter Erkundung


Das Ergebnis: Die Ratten konnten genauso gut lernen und erinnern, wenn sie die Erinnerungen durch aktives oder passives Lernen gebildet hatten. Die digitale Präsentation der Lerninhalte spielte offenbar keine Rolle. Kemp fand im Hippocampus auch dann eine Veränderung in der Kommunikation der Nervenzellen, wenn sie Ratten neue Umgebungen nur auf dem Monitor präsentierte. Damit konnte sie zum ersten Mal nachweisen, dass eine aktive Erkundung der Umgebung für diesen Lerneffekt nicht erforderlich ist.

Dieser Befund regt zumindest zu Überlegungen an, die digitalen Medien stärker in den Schulunterricht einzubeziehen; entsprechende didaktische Materialien zu entwickeln. In den meisten Schulen Deutschlands hat sich Projektarbeit mit Hilfe von digitalen Informationsquellen wie beispielsweise Wikipedia etabliert. Andere Länder sind bereits ein Stück weiter. Sie nutzen elektronische Schultafeln - über die sich Hausaufgaben täglich direkt an die Eltern schicken lassen - und statten ihre Schüler mit iPads aus. Die Devise lautet: „If you can’t beat them, join them“. Langzeitstudien sollen nun belegen, wie effektiv diese Strategien sind.

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Lernen schafft geistige Reserven 

Abwechslung und sozialer Kontakt können selbst Alzheimer hinauszögern 

 Schon seit langem ist bekannt, dass Sport nicht nur die Muskeln stählt, sondern auch dem Gehirn hilft: Regelmäßige Bewegung ist ein wesentlicher Faktor, um das Gehirn gesund zu halten. Wenn wir uns aktiv bewegen, können sich sogar neue Gehirnzellen bilden. Das wiederum macht das Gehirn belastungsfähiger. Aber Sport allein reicht als Maßnahme nicht aus, um uns dauerhaft eine geistige Reserve zu verschaffen.

Hirnforscher am Salk Institut in den USA haben gezeigt, dass neugeborene Hirnzellen länger bestehen bleiben, wenn Lernen stattgefunden hat. Daher ist es besonders problematisch, wenn Kleinkinder und ältere Menschen unter relativ reizarmen Bedingungen leben: Ihr Gehirn baut im wahrsten Sinne des Wortes ab. Betroffen sind vor allem jene Kleinkinder, die häufig nur den Fernseher als Unterhaltungs- und Bildungsquelle haben, und manche ältere Menschen in Pflegeheimen.

Geselligkeit und Abwechslung hält geistig fit

Die Bochumer Forscher Tanja Novkovic und Arne Buschler haben am Beispiel von Mäusen untersucht, welche Auswirkung ein durch eine abwechslungsreiche Umwelt bereichertes Leben haben kann. Sie verglichen die Lernleistung von Mäusen, die in einem Käfig voller Röhren, Nester Laufräder und unbekannter Objekte lebten mit denen von Tieren in kargen Standardkäfigen. Es zeigte sich, dass sowohl die synaptische Plastizität als auch das Lernen besser werden, wenn die Nager täglich eine neue Umgebung erforschen konnten oder wenn ihnen Spielzeug zur Verfügung stand. Die Auswirkungen waren noch stärker, wenn die Tiere in Gesellschaft lebten - spielen und erkunden unter Freunden ist effektiver.

Diese und andere Befunde stützen die Hypothese eines geistigen Puffers: Die Vorstellung, dass intensives mentales Training geistige Reserven schafft. Nachweislich sind Menschen, die sich ein Leben lang intellektuell und geistig fit halten, zu einer höheren geistigen und kognitiven Plastizität fähig. Ihr Gehirn kann sich besser an veränderte Bedingungen anpassen und auch den Niedergang von Gehirnzellen besser kompensieren. Geistig inaktive Menschen zeigen daher bei Alzheimer mehrere Jahre früher kognitive Ausfallerscheinungen und Gedächtnisstörungen als geistig aktive Personen.

Sich geistig fit halten, kann vermutlich nicht verhindern, an Demenz zu erkranken, wenn dies unser Schicksal ist. Durch eine erworbene höhere Flexibilität des Gehirns wird dieses aber mehr aushalten können, bevor sich die Krankheitssymptome manifestieren. Konkret bedeutet dies, Jahre an aktiver Lebenszeit zu gewinnen. „Use it or lose it“ – dies ist letztlich die Entscheidung.