Explizites Lernen

Das explizite oder deklarative Lernen erfolgt durch bewusste Aufnahme von Informationen, die im Gegenzug später auch bewusst und aktiv wieder abgerufen werden können. Gespeichert werden im expliziten Gedächtnis sowohl semantische (d.h. Wissens-) Inhalte als auch episodische, d.h. Erinnerungen an vergangene Erlebnisse aus dem eigenen Leben. Der Langzeitspeicher des expliziten Gedächtnisses liegt im Neocortex, d.h. der Großhirnrinde. Der Weg in diesen Langzeitspeicher läuft über Strukturen im Schläfenlappen – insbesondere den Hippocampus – und unterhalb des Cortex liegende Neuronenkreise, die das sogenannte Kurzzeitgedächtnis bilden.

Die Schleifen des Kurzzeitgedächtnisses

Bereits innerhalb der stammesgeschichtlich alten Rindenstruktur des Hippocampus oder – richtiger gesagt – der hippocampalen Formation durchlaufen eingehende Informationen einen Neuronenkreislauf, von dem aus sie in einen größeren Schaltkreis, den Papez-Kreislauf, gelangen. Dieser zieht vom Hippocampus über den Fornix zu den Mamillarkörperchen des Hypothalamus, durch den Thalamus zum Gyrus cinguli und von dort schließlich zurück zum Hippocampus. Anatomisch Interessierte können die neuroanatomischen Details im Kapitel zum Hippocampus bzw. zum Papez-Kreislauf nachlesen. Funktional ist das Ganze in der folgenden Bilderfolge dargestellt.

Abb. 14.4.1: Bilderfolge Kurzzeitgedächtnis: 

Werden die Inhalte, die sich im Kurzzeitgedächtnis befinden, nicht wiederholt oder verstärkt (siehe unten), so verblassen sie in der Regel innerhalb weniger Stunden (maximal 24h) wieder.

Werden die Inhalte jedoch wiederholt und dem Kurzzeitgedächtnis erneut dargeboten, so werden sie innerhalb der Schleife sogar verstärkt. 

Merke: Das Kurzzeitgedächtnis ist kein Chip auf den Informationen kurzfristig eingeschrieben und wieder gelöscht werden, sondern ein Neuronenschaltkreis, in dem bestimmte eingegangene Informationen für eine bestimmte Zeit kreisen und langsam – innerhalb von 24 Stunden – wieder verblassen und schließlich ganz verschwinden, wenn sie nicht wiederholt und verstärkt werden.

Emotionen

Darüber hinaus werden die Informationen durch Emotionen beeinflusst. Positive Emotionen führen zu einer Verstärkung der Lerninhalte im Kurzzeitgedächtnis. Zu den positiven Emotionen zählt zum einen die Motivation, die eine verstärkte gerichtete Aufmerksamkeit bewirkt, die wiederum zu Aktivierungen im Thalamus führt, der dieser Information dann eine größere Wichtigkeit beimisst. Zum anderen spielt das sogenannte Belohnungssystem eine Rolle. Immer, wenn eine Situation oder eine Information besser ist als erwartet, wird dieses System aktiviert. Dabei nimmt insbesondere der Nucleus accumbens aktivierend Einfluss auf die gerade im Kurzzeitgedächtnis befindlichen Inhalte.

Abb. 14.4.2: Bilderfolge Lernen, Motivation und Belohnung ("besser als erwartet"):   

Genau die gegenteilige Situation finden wir bei Angst. Angst ist eine lebenswichtige Funktion. Angstauslösende Reize müssen bevorzugt gelernt werden, da ihre Vermeidung eine Grundlage für das weitere Überleben ist. Findet die Maus z.B. ein neues Futterversteck, trifft dort aber auf einen Fuchs, so ist die Information Ort=Fuchs=Gefahr wichtiger abzuspeichern als die Information Ort=Futter. Ein zweiter Besuch des gleichen Ortes könnte nämlich tödlich enden! Situationen höchster Erregung oder Angst schreiben sich auch beim Menschen rasant ins Gedächtnis ein. Unfall- oder Überfallopfer bekommen dies teils lebenslang zu spüren. Lerninhalte, die wir hingegen bewusst aufnehmen wollen wie mathematische Formeln, Vokabeln oder Begriffsdefinitionen lösen in der Regel selbst keine Angst aus. Was uns in diesem Kontext aber Angst machen kann, sind die Rahmenbedingungen: Prüfungsangst, Versagensangst, die Angst vor dem Lehrer oder oder… Empfinden wir solche Ängste, so blockieren diese – da sie biologisch wichtiger sind – die eigentlichen Lerninhalte, also die, die wir eigentlich lernen wollen.

Abb. 14.4.3: Bilderfolge Lernen und Angst: 

Der Weg in das Langzeitgedächtnis

Wie im Vorherigen deutlich wurde, läuft der Informationsfluss zunächst von den Rindenbereichen – wie der Sehrinde – zu den subkortikalen Gebieten, d.h. dem Hippocampus und den Strukturen des Papez-Kreislaufe, um ins Kurzzeitgedächtnis zu gelangen. Oben wurde aber auch gesagt, dass das Langzeitgedächtnis im Cortex liegt. Damit die Informationen vom Kurz- in das Langzeitgedächtnis gelangen können – ein Prozess, den man Langzeitkonsolidierung oder Gedächtniskonsolidierung nennt –, muss dieser Informationsfluss quasi umgedreht werden: von den subkortikalen Gebieten zurück zum Cortex.

Dies geschieht vornehmlich während des Schlafes. Während des Schlafes, nehmen wir keine – oder nur sehr wenige – Informationen aus der Umgebung auf. Somit gelangen von den Rindenfeldern kaum Erregungen zum Hippocampus und – unterstützt durch veränderte Botenstoffhaushalte während des Schlafes – ist eine Umkehrung des Informationsflusses möglich. Die Lerninhalte können von den subkortikalen Arealen aus zur Langzeitabspeicherung in den Cortex übertragen werden.

Abb. 14.4.4: Bilderserie Langzeitkonsolidierung (Langzeitgedächtnisbildung): 

Das Langzeitgedächtnis ist im gesamten Cortex lokalisiert – sofern man hier dann überhaupt noch von Lokalisierung sprechen kann. Jedoch werden visuelle Inhalte auch primär in der Sehrinde, auditive in der Hörrinde usw. abgelegt. Es ist naheliegend, dass die stabilsten Erinnerungen also die sind, die durch mehrere Kanäle aufgenommen wurden und somit auch an verschiedenen Orten des Cortex gespeichert wurden.

Der Hippocampus als Neuigkeitsdetektor 

Da der Hippocampus über diese Arbeitsweise auch als Neuigkeitsdetektor agiert, ist das bloße Wiederholen immer gleicher Inhalte jedoch wenig effektiv, um stabilere Erinnerungen zu erreichen. Sind die neu eintreffende und die bereits vorhandene und nun wieder reaktivierte Erinnerung identisch, so blockt der Hippocampus die Neubearbeitung ab. Den Inhalt kennt „er“ ja schon und „sieht“ somit keine Notwendigkeit, das Gleiche noch einmal zu bearbeiten (was eigentlich auch eine sehr ressourcensparende und effiziente Strategie ist). Dabei ist es ihm „egal“ wie stabil oder labil diese Erinnerung noch ist.

Abb. 14.4.5: Bilderserie Hippocampus als Neuigkeitsdetektor oder "Die große Langeweile": 

Labilität versus Stabilität 

Im Verlauf dieser Seite wurde immer wieder der Vergleich mit einem Computer erwähnt. Dies ist oft in der Literatur der Fall. Hier sei aber noch einmal betont, dass es mehr Unterschiede als Gemeinsamkeiten zwischen Computern und menschlichen Gehirnen gibt. Bei der Festplatte eines Computers werden die Informationen isoliert nebeneinander eingeschrieben. Bei Bedarf können sie – so gut wie rückstandslos – wieder gelöscht werden. Wer schon einmal die Defragmentierung an seinem Computer genutzt hat, hat ein Bild davon, wie verstreut solche Daten auf der „Platte“ sein können, wie ineffektiv manchmal der Platz genutzt wird (so dass ja auch hin und wieder eine Defragmentierung nötig ist).

Das Gehirn speichert Informationen in Form von Verbindungsstärken zwischen Nervenzellen. Das Gehirn hat etwa 10 bis 14 Millarden Nervenzellen, die jeweils ca. 10.000 Verbindungen zu anderen Nervenzellen unterhalten. Die Zahl der Verbindungen im Gehirn insgesamt und damit die Zahl der bits sei hier einmal ausgespart. Diese Verbindungen haben die Fähigkeit sich in Abhängigkeit ihrer Aktivität zu verändern. Dieses Phänomen nennt man Plastizität. (Wer sich für die zellbiologischen Details interessiert, sei auf das entsprechende Kapitel verwiesen.) Plastizität ist nicht einfach rückgängig zu machen, einen Löschvorgang wie beim Computer gibt es also nicht. Neue Zellverbindungen können immer nur auf Grundlage der vorhandenen geschaffen werden.

Plastizität hat verschiedene Ausprägungen im Gehirn. Im Cortex, dem Langzeitgedächtnis, läuft sie verhältnismäßig langsam ab, benötigt Stunden bis Tage. Dies sorgt für die notwendige Stabilität der Gedächtnisinhalte. Im Hippocampus, dem – salopp gesagt – Antreiber des Kurzzeitgedächtnisses hingegen herrscht hochgradige Plastizität. Der Motor hierfür ist die Zellneubildung, die in einer Region des Hippocampus stattfindet. Dieses Phänomen nennt man Neurogenese. Die Neurogenese treibt die Plastizität hoch, da die neu einwachsenden Nervenzellen „mitreden“ wollen, also nach Integration in das bestehende Netzwerk verlangen. Dadurch zwingen sie ihre Nachbarzellen geradezu zum Umbau. So kommt in das gesamte Netzwerk eine hohe Dynamik und Labilität, die ein schnelles Reagieren auf und Verarbeiten von neu eintreffenden Informationen ermöglicht.

Reaktivierung - Instabilität zu Gunsten größerer Stabilität

Werden Gedächtnisinhalte reaktiviert, d.h. im Zuge einer Erinnerung aufgerufen, so werden sie vom Hippocampus aus dem Cortex heraus wieder abgerufen. Dadurch verlieren sie zunächst ihre Stabilität. Die „alte“ Information wird mit der „neuen“ verknüpft und dann erneut zur Langzeitspeicherung dem Cortex übergeben. Die neu entstehende Gedächtnisspur gleicht nicht mehr exakt der alten (im Cortex werden Inhalte eben nicht wie auf einer Computer-Festplatte nebeneinander, sondern verknüpft „abgelegt“), ist aber durch Reaktivierung und Verknüpfung deutlich stabiler als die vorherige.

Abb. 14.4.5: Bilderserie Reaktivierung und Stabilisierung von Gedächtnisinhalten: 

Konkurrenz 

Verschiedene Punkte wurden angesprochen, die die Aufnahme von Lerninhalten in das Langzeitgedächtnis fördern oder hindern können. Auf einen wichtigen letzten Punkt sei hier noch einmal hingewiesen:

Lernen findet nicht allein in der Schule oder am Schreibtisch statt. Wir lernen immer – im Leben und durch das Leben. Da das Gehirn aber nur wenige Dinge gleichzeitig in die Kurzzeitgedächtnisschleife aufnehmen und in das Langzeitgedächtnis transferieren kann, muss es eine Hierarchie bilden, welche Inhalte die wichtigsten sind und dementsprechend Vorrang haben. Wie oben beschrieben wird diese Hierarchie durch Neuigkeitswert, Bedeutsamkeit und positive oder negative Emotionen bestimmt. Lernen wir also zunächst Vokabeln stur aus dem Buch und ohne Abwechslung, so wandern diese mit viel Müh und Not durchaus zunächst in die Kurzzeitgedächtnisschleife. Sozusagen zur Belohnung gönnen wir uns anschließend einen schönen Videoabend, schauen z.B. Madagaskar (siehe Animation) und gehen dann Schlafen. Der Film erregt unsere Aufmerksamkeit und unsere Emotionen höchstwahrscheinlich deutlich mehr als das sture Vokabelpauken. Und was wird nun – insbesondere direkt vor dem Schlafengehen, also vor dem Langzeitkonsolidierungsprozess – besser im Gedächtnis bleiben???

Abb. 14.4.6: Bilderserie Konkurrenz der Lerninhalte: