Dem Gedächtnis auf der Spur

Weitgehend akzeptiert ist es, zwischen folgenden Gedächtnisarten zu unterscheiden:

Daneben nutzen Wissenschaftler noch andere Einteilungen:

Wie verändern sich Neuronen und ihre Kontaktstellen beim Lernen?

Lernen geschieht an den Kontaktstellen der Nervenzellen, den Synapsen. Dort wandeln sich elektrische Signale in chemische Signale um, indem Botenstoffe freigesetzt werden – abgesondert aus kleinen Bläschen, den synaptischen Vesikeln. Die Botenstoffe überwinden den Spalt zwischen den Nervenzellen und binden an Rezeptoren der Empfängerzelle, was letztlich wieder elektrische Signale erzeugt.

Die synaptische Übertragung kann sowohl aufseiten der Senderzelle als auch aufseiten der Empfängerzelle auf vielfältige Art und Weise abgewandelt werden, beispielsweise indem ein elektrisches Signal mehr Botenstoffe freisetzt oder indem der Botenstoff auf mehr Rezeptoren trifft. Bei einer Lernerfahrung verändert sich die Übertragungsstärke der Synapse, also die Effizienz, mit der ein gesendetes elektrisches Signal die Empfängerzelle erregt.

Das ist das grobe Bild. Hirnforscher arbeiten ständig daran, es zu verfeinern. So hat kürzlich ein Forschungsteam des Institute of Science and Technology Austria und des Max-Planck-Instituts für multidisziplinäre Naturwissenschaften die molekularen Mechanismen der Gedächtnisbildung an den Moosfaser-Synapsen im Hippocampus von Mäusen untersucht. Diese Synapsen ändern aufgrund von Reizen ihre Aktivität und Struktur und helfen dem Hippocampus, Informationen korrekt zu verarbeiten. Die Forscher nutzten ein Arsenal modernster Analysemethoden und konnten so unter anderem nachweisen, dass sich bei der Signalverarbeitung zwei Proteine namens Ca_v2.1 und Munc13–1 neu anordnen und um einige Nanometer enger zusammenrücken. Ca_v2.1 ist Teil der Kanäle, durch die Calciumionen in den synaptischen Spalt einströmen, was die Freisetzung der Botenstoffe auslöst. Munc13–1 gibt Hinweise, wann die Botenstoffe zur Freisetzung aus den synaptischen Vesikeln bereit sind.

Kurzzeitiges Erinnern erfordert nur eine kurzzeitige Änderung der Übertragungsstärke, dagegen geht Verstärkung über lange Zeiträume mit kleinsten anatomischen Veränderungen einher. Beispielsweise entstehen an haarfeinen Verzweigungen der Nervenzellen pilzartige Strukturen, dendritische Dornen, die gezielt auf Kontaktpartner zuwachsen. Diese Dornen unterscheiden sich erheblich darin, ob und wie schnell eine Verbindung hergestellt wird. Ob die Verbindung bleibt oder ob sich der Dorn zurückbildet, hängt von der Häufigkeit weiterer Signale ab.

Hinterlässt Erfahrung Spuren im Gehirn?

Das Gedächtnis gleicht einer Wachstafel, in die Erfahrungen eingekerbt werden – so dachte schon der griechische Philosoph Platon. Anfang des 20. Jahrhunderts machten sich dann Lashley und andere Hirnforscher mit Tierversuchen auf die Suche nach Gedächtnisspuren – lange Zeit vergeblich. Gefunden hat diese oft auch als Engramme bezeichneten Spuren schließlich 2012 ein Team um den japanischen Molekularbiologen Susumu Tonegawa. Die Forscher ließen gentechnisch veränderte Mäuse in einem Käfig herumlaufen, der klar wiedererkennbare Merkmale besaß, und traktierten sie dann mit milden Stromschlägen an den Pfoten. Aufgrund des veränderten Genoms produzierten die Nervenzellen im Hippocampus der Tiere ein für blaues Licht empfindliches Protein, während sie eine Erinnerung an diesen Ort aufbauten.

Anschließend setzten die Forscher die Mäuse in einen anderen Käfig, in dem es keine Stromschläge gab. Zugleich lenkten sie über eine implantierte Diode blaues Licht in den Hippocampus der Tiere. Dadurch aktivierten sie ausschließlich die Nervenzellen, die beim Erkunden des ersten Käfigs aktiv gewesen waren. Denn nur diese hatten die lichtempfindlichen Proteine produziert. Für die Mäuse war klar: Wenn diese Zellen aktiv sind, wird es schmerzhaft. Obwohl sie sich in einer anderen Umgebung befanden, „erinnerten“ sie sich an die Stromschläge und erstarrten angstvoll. Die Experimente bewiesen, dass die spezielle Erinnerung an die Stromschläge in einem Netzwerk von Nervenzellen im Gehirn gespeichert ist und gezielt wieder abgerufen werden kann.

Solche optogenetischen Verfahren, mit denen die japanischen Wissenschaftler Engramme sichtbar machten, schädigen Wohlbefinden und Gesundheit der Versuchstiere. Beim Menschen sind solche Eingriffe verboten. Stattdessen kann man Menschen mit Elektroenzephalografie (EEG) oder funktioneller Magnetresonanztomografie (fMRT) näher untersuchen. „Da findet man zwar keine Muster synaptischer Verbindungsstärken einzelner Nervenzellen, aber spezifische Verteilungsmuster der neuronalen Aktivität“, erklärt Axmacher. „Dieses Verteilungsmuster ist einzigartig für ein bestimmtes Ereignis.“ Beim Erinnern kehren die Aktivitätsmuster zurück, die beim ursprünglichen Ereignis auftraten.

Wann prägt sich ein Ereignis dauerhaft ein?

Entscheidend ist, wie bedeutsam das Ereignis wahrgenommen wird. Neben dem Neuigkeitswert spielen Gefühle eine große Rolle: An positive und negative Erfahrungen erinnert man sich besser als an neutrale. Ein normaler Arbeitstag bleibt kaum jahrelang im Gedächtnis, ein Heiratsantrag oder ein Autounfall schon. „Die Kopplung zwischen der Amygdala, einem Emotionszentrum des Gehirns, und dem Hippocampus führt dazu, dass Gedächtnisspuren verstärkt gebildet werden“, sagt Axmacher.

Ein Reiz durchläuft im Gehirn mehrere Verarbeitungsschritte: von der ersten Wahrnehmung bis zur sachlichen Bewertung. Am Anfang werden die Sinneseindrücke oft nur für Millisekunden festgehalten und dann diejenigen Reize an das Kurzzeitgedächtnis weitergeleitet, die bedeutsam erscheinen. Ansonsten käme es angesichts Hunderttausender von Reizen, die jede Sekunde auf unsere Sinnesorgane treffen, zur Informationsüberflutung. Für die unterschiedlichen Sinne gibt es passende sensorische Speicher in der Großhirnrinde.

Im Kurzzeitgedächtnis bleiben die Informationen Sekunden bis Minuten erhalten. Sie werden nur weiterverarbeitet, wenn sie Aufmerksamkeit erhalten. Hier spielt der Frontallappen eine wesentliche Rolle, aber auch andere Hirnregionen wie der Schläfenlappen sind beteiligt. Um ein Ereignis langfristig im episodischen oder im autobiografischen Gedächtnis abzuspeichern, müssen die Verbindungen zwischen bestimmten Netzwerken von Nervenzellen gestärkt werden. Der Hippocampus steuert diese Prozesse. Zudem gelangen nur mit seiner Hilfe deklarative Gedächtnisinhalte in die Großhirnrinde, wo sie sich in ähnliche Erinnerungen einklinken.

Die Forschung ergänzt dieses Wissen ständig mit weiteren Details. Nur ein Beispiel von vielen: Ein Forschungsteam aus Freiburg, Bonn, Oxford und New York zeichnete die Aktivität einzelner Nervenzellen im Gehirn von Epilepsiepatienten auf, während diese eine Gedächtnisaufgabe am Computer lösten. „In einer virtuellen Welt mussten sich die Probanden an die Orte verschiedener Objekte erinnern“, beschreibt Lukas Kunz von der Universitätsklinik Bonn den Versuch. Es zeigte sich, dass verschiedene Typen von Nervenzellen aktiv werden: Manche reagierten auf Objekte, andere auf Orte. Der Austausch zwischen diesen Typen war erhöht, wenn sich die Probanden an den richtigen Ort und das richtige Objekt erinnerten. Gleichzeitig traten im Hippocampus sogenannte Ripples auf, sehr schnell schwingende Gehirnwellen. „Ripples könnten wichtig für die Verbindung von verschiedenen Arten von Nervenzellen und die Bildung komplexer Gedächtnisse sein“, so Kunz.

Funktioniert das Gedächtnis wie ein Computerspeicher?

Es scheint naheliegend, das Kurzzeitgedächtnis mit dem Arbeitsspeicher eines Computers und das Langzeitgedächtnis mit einer Festplatte zu vergleichen. Die Unterschiede beginnen jedoch schon damit, dass die synaptische Übertragungsstärke beim Speichervorgang viele Werte annehmen kann, während der Computer nur Nullen und Einsen speichert. „Die Vorstellung vom Gedächtnis als fotografischer Speicher ist auch deshalb zu einfach, weil die Gedächtnisinhalte beim Abruf auf eine veränderte Welt treffen“, sagt Axmacher. Man erkenne beispielsweise einen Menschen mit neuer Frisur oder wenn er geschminkt ist, immer noch als denselben. Die Hirnforschung sammelt zudem immer mehr Hinweise zu Erinnerungen, die sich von Gedächtnisabruf zu Gedächtnisabruf unterscheiden. Sie werden üblicherweise immer abstrakter, wenn sie sich im Langzeitgedächtnis verfestigen.

Wie erinnert man sich an ein traumatisches Erlebnis?

„Man kann sich bis zu einem gewissen Grad aussuchen, welche Aspekte eines Ereignisses man erinnert – damit verbundene Sinneseindrücke, Gefühle oder die zeitlichen und räumlichen Zusammenhänge“, erläutert Axmacher. Nach traumatisierenden Erlebnissen kann diese Fähigkeit verloren gehen. „Patienten, die an einer posttraumatischen Belastungsstörung leiden, erleben eine Erfahrung immer wieder auf gleiche Weise. Das ist sozusagen der krankhafte Extremfall eines Gedächtnisses, das wie ein Speicher funktioniert.“

Ein Team um Axmacher untersuchte, welche Spuren traumatische Erfahrungen im Gehirn hinterlassen. Sie zeigten 22 Probanden verstörende und neutrale Filmclips, etwa von einem Unfall und einer Autofahrt. Nach dem Betrachten sollten die Probanden in einer Ruhephase an nichts Bestimmtes denken. Drängte sich eine Erinnerung auf, signalisierten sie dies. Während Filmvorführung und Ruhephase beobachteten die Forscher das Gehirn mit fMRT.

Das Ergebnis: Die verstörenden Filmszenen riefen gegenüber den neutralen Clips eine höhere Aktivität in den sensorischen Arealen hervor. Außerdem waren die Aktivitätsmuster dort auf eine Weise verändert, die nahelegt, dass ähnliche sensorische Reize leicht Erinnerungen an das traumatische Ereignis auslösen können. Die Aktivität in Hirnarealen, in denen eher die Interpretation von Erinnerungen gespeichert wird, war dagegen verringert.

Bei Erinnerungen an verstörende Ereignisse wurden nicht nur die sensorischen Hirnareale reaktiviert, sondern auch Gedächtnisspuren im anterioren cingulären Kortex, der für die Verarbeitung von Angst und Emotionen bedeutsam ist. „Unsere Ergebnisse stützen die Vorstellung, dass bei der posttraumatischen Belastungsstörung eine sensorische Überaktivität und eine mangelnde Integration in das semantische Gedächtnis vorliegt“, sagt Axmacher. Eine Therapie sollte nicht versuchen, die Erinnerung an das belastende Ereignis zu löschen, sondern die Art ändern, wie es erinnert wird – weg vom sensorischen Aspekt, hin zu einer abstrakteren Erinnerung.

Welchen evolutionären Vorteil hat es, sich an länger zurückliegende Ereignisse erinnern zu können?

Wenn man auf eine heiße Herdplatte gefasst hat, wird man das aufgrund der schmerzhaften Erfahrung künftig vermeiden. Der Nutzen dieser Lernerfahrung ist offensichtlich. Diese Art von Gedächtnis besitzen auch Tiere. Doch anders als diese, greift der Mensch auch auf seine Erinnerungen zurück, um Zukunftspläne zu schmieden. So kann die Erinnerung, dass die Eltern dank eines Eigenheims im Alter finanziell abgesichert waren, den Plan zum Hauskauf fördern. Oder bei der Reiseplanung führt die Erinnerung an die letzte Reise dazu, mehr warme Kleidung einzupacken. Einige Psychologen und Neurowissenschaftler sprechen von mentalen Zeitreisen, also der Fähigkeit, mit dem geistigen Auge in Vergangenheit und Zukunft zu blicken.

„Es hat sich herausgestellt, dass Gedächtnis und Voraussicht viele Gemeinsamkeiten haben und dass eine Beeinträchtigung des einen mit einer Beeinträchtigung des anderen einhergeht“, schrieb ein Autorenteam um Thomas Suddendorf 2023 in einem Beitrag für die BBC. Der Psychologe von der australischen University of Queensland sieht die Funktion der mentalen Zeitreise darin, in der Gegenwart kluge Entscheidungen für die Zukunft zu treffen. In einem viel zitierten wissenschaftlichen Artikel von 2007 zeigt er sich überzeugt, dass „die Entstehung der mentalen Zeitreise in der Evolution ein entscheidender Schritt zum heutigen Erfolg des Menschen war“. ■