Informationsverarbeitung im Gehirn: Ablaufmodelle, Reizübertragung, Störungen

Schlagwörter: Denken, Gehirn, Informationsverarbeitung, Kognition, Reiz

Denken besteht aus unterschiedlichen Teilprozessen. Einer davon ist die Informationsverarbeitung, bei der die Aufnahme, die Speicherung und der Abruf wichtige Schritte für das menschliche Denken darstellen. Hierbei kommen bewusste und unbewusste Prozesse zum Einsatz und die Verarbeitung findet auf mehreren Ebenen statt.

Wie schnell wir Informationen verarbeiten, hängt auch von unserem Alter ab. An der Speicherung von Informationen ist unter anderem der Hippocampus beteiligt. Doch auch Schlaf ist ein wichtiger Faktor, der uns bei der Speicherung von neu erlerntem Wissen hilft.

Wie funktioniert die Informationsverarbeitung?

Bei der Verarbeitung von Informationen kommunizieren die Nervenzellen deines Gehirns miteinander. Die zuständigen Nervenzellen (auch Neurone genannt) befinden sich im am höchsten entwickelten Teil des Gehirns. Dabei handelt es sich um den zerebralen Kortex, welcher den evolutionsgeschichtlich jüngsten Part des menschlichen Gehirns darstellt.

Gleichzeitig ist das der Bereich, an den man im Zusammenhang mit dem Gehirn typischerweise denkt. Denn er bildet die charakteristische Form, welche an die Oberfläche einer Walnuss erinnert.

Viele Informationen kannst du bewusst verarbeiten. Über den eingehenden Input kannst du also bewusst nachdenken. Das ist zum Beispiel beim aktiven Lernen der Fall, wenn du für eine Prüfung paukst. Bei der Informationsverarbeitung finden allerdings nicht nur bewusste Gedanken über die mentalen Inhalte statt. Denn bei der Aufnahme, Verarbeitung und Speicherung neuer Informationen kommen auch unbewusste Prozesse zum Tragen. Das geschieht in der Regel zeitgleich, weshalb auch von einer Parallelverarbeitung die Rede ist. Wie man sich den Ablauf der Informationsverarbeitung vorstellt, erfährst du weiter unten.

Wieso ist Denken als ein Prozess der Informationsverarbeitung zu verstehen?

Denken ist ein kognitiver Vorgang. Zu diesem Vorgang gehört unter anderem auch die Informationsverarbeitung, zu welcher es verschiedene Vorstellungen und Modelle gibt. Denken und Informationsverarbeitung sind demnach eng miteinander verknüpft. Im Allgemeinen besteht das Informationsverarbeitungsmodell aus drei wesentlichen Prozessen: Aufnahme, Speicherung und Abruf von Informationen.

Die Aufnahme von Information wird auch als Enkodieren bezeichnet. Beim Speichern geht es um einen Prozess, bei dem wir Informationen behalten. Um diese anschließen wiederzugewinnen und nutzen zu können, sind wir auf den Abruf der Gedächtnisinhalte angewiesen.

Modell nach Atkinson und Shiffrin

Die Abläufe der Informationsverarbeitung sind sehr komplex. Um es dir besser vorstellen zu können, wollen wir dir das klassische Modell von Atkinson und Shiffrin näherbringen.

Was funktioniert das?
Am Anfang der Informationsverarbeitung steht logischerweise eine Information. Damit sind sämtliche äußeren Reize gemeint. Nehmen wir als Beispiel ein Bild, das du betrachtest. Während du es dir ansiehst, finden bewusste und unbewusste Prozesse statt. Du nimmst über deine Augen visuellen Input auf. Einige Informationen gehen unbewusst direkt ins Langzeitgedächtnis. Sie nehmen sozusagen eine Abkürzung und überspringen einfach die bewussten Prozesse der Verarbeitung. Aber wir gehen jetzt noch etwas genauer auf die bewussten Abläufe ein.

Nachdem der sensorische Input dein sensorisches Gedächtnis erreicht hat, wird hier ausgesiebt. Deine Aufmerksamkeit richtet sich dabei vor allem auf neue und wichtige Informationen. Jetzt kommt die Enkodierung ins Spiel und die neuen Informationen erreichen das Kurzzeitgedächtnis. Hier werden sie durch Wiederholungen aufrechterhalten.

Dieser Prozess wird etwa auch dann deutlich, wenn du dir eine bestimmte Information merken möchtest. Du wiederholst die Information (zum Beispiel die Uhrzeit für die Abfahrt deines Zuges oder Vokabeln) mehrere Male. Mit Hilfe von Wiederholungen gelangen die Informationen schließlich ins Langzeitgedächtnis. Aus diesem können sie anschließend wieder abgerufen und erneut ins Kurzzeitgedächtnis geholt werden. Durch den Abruf von bereits im Langzeitgedächtnis gespeicherten Informationen kannst du diese also wieder für dich nutzbar machen.

Vom Kurzzeit- zum Arbeitsgedächtnis

Hierzu sei gesagt, dass der Begriff des Kurzzeitgedächtnisses nicht ohne Kritik blieb. Die Nutzbarmachung von Informationen führte dazu, dass unter anderem Adam Baddeley den Wandel der Bezeichnung des „Kurzzeitgedächtnis“ in das „Arbeitsgedächtnis“ anstieß.

Im Kurzzeit- beziehungsweise Arbeitsgedächtnis werden Informationen nur für eine kurze Zeit abgelegt. So landen hier zum Beispiel auch vorläufig Telefonnummern, die du dir merken musst, bis du einen Stift zum Notieren gefunden hast. Es heißt, dass im Schnitt etwa sieben Informationen im Arbeitsgedächtnis zwischengespeichert werden. Diese Annahme ist allerdings ebenfalls umstritten. Das Langzeitgedächtnis hingegen dient als Speicher für relativ zeitstabile Gedächtnisinhalte. Es beinhaltet all deine Fertigkeiten, Fähigkeiten und dein angesammeltes Wissen.

Untereinheiten bilden komplexe Prozesse

Was ebenfalls ein erstaunlicher Punkt in Sachen Informationsverarbeitung ist: Jede geistige Leistung ist in Untereinheiten unterteilt. Das gilt nicht nur für das Denken und Erinnern, sondern auch für die Wahrnehmung oder auch die Sprache.

Sprache besteht aus einer Vielzahl von Informationen. Wörter haben unterschiedliche Bedeutungen, fungieren als Informationsübermittler und selbst die Stimmlage einer Person geht mit etlichen Informationen einher: Die Stimmung der Person schwingt darin mit, ihre Einstellung gegenüber einem bestimmten Thema oder auch gegenüber dem Gesprächspartner. All diese Informationen werden beim Denken abgerufen, abgeglichen und erneuert.

Der Vorgang des Lesens mach den komplexen Prozess der Informationsverarbeitung sehr deutlich. Jetzt gerade ist dein Gehirn mit einer Vielzahl von Teilschritten beschäftigt. Das Lesen an sich wirkt vielleicht auf den ersten Blick als untrennbare Einheit, doch es besteht aus verschiedenen Prozessen. Zunächst nimmst du die gesehenen Buchstaben als visuelle Reize auf. Anschließend muss dein Gehirn diese als Buchstaben erkennen und interpretieren, sie zusammensetzen und den Wörtern eine Bedeutung zuschreiben. Außerdem müssen noch alle gelesenen Wörter in einen Zusammenhang zueinander gebracht werden, damit sich der Sinn hinter dem Text überhaupt erst erschließt.

Im Folgenden wollen wir uns die einzelnen Schritte der Informationsverarbeitung noch etwas genauer ansehen.

1. Aufnahme von Informationen als Denkprozess

Unsere Informationsaufnahme ist selektiv. Gleichzeitig nehmen wir bewusst und unbewusst jeden Tag eine unglaubliche Vielzahl von Informationen auf, die unser Gehirn irgendwie verarbeiten und gegebenenfalls abspeichern muss. Eigentlich verläuft sogar ein Großteil der Informationsverarbeitung außerhalb unseres Bewusstseins.

Allerdings funktioniert unsere Informationsverarbeitung auch in zwei Richtungen. Die eine Variante ist die sogenannte Bottom-up-Verarbeitung. Diese ist datengesteuert. Das bedeutet, dass die Analyse der eingehenden Informationen (also der Daten) bei den Sinnesrezeptoren startet und bis zur Integration durch das Gehirn geht.

Anders gesagt funktioniert es so…
Du siehst etwas und interpretierst es anschließend. Andersherum geht es allerdings auch. Dann ist die Rede von der Top-Down-Verarbeitung. Hierbei gehst du bereits mit bestimmten Erwartungen an eine Information heran. Du interpretierst das Gesehene also anhand deiner bisherigen Erfahrungen. Hierbei handelt es sich um einen komplexeren mentalen Prozess als die Bottom-up-Variante.

2. Verarbeitung von Informationen als Denkprozess

Wie schnell wir Informationen verarbeiten können, hängt unter anderem von unserem Alter ab. Von der Kindheit bis zum Alter von 20 Jahren steigt die Geschwindigkeit der Informationsverarbeitung stetig an. Anschließend sinkt sie allerdings wieder. Das macht sich besonders im Alter bemerkbar.

Wo etwa junge Erwachsene noch schnelle Reaktionen zeigen und auch Probleme schneller lösen können, brauchen ältere Menschen ein wenig länger. Das bezieht sich besonders auf Probleme, die mit der Wahrnehmung zu tun haben. Allerdings sind wir dem nicht hilflos ausgeliefert. Sportliche Betätigung hilft nicht nur gegen Übergewicht und Herz-Kreislauf-Erkrankungen, sondern ist auch gut für unser Gehirn. Denn bei körperlicher Bewegung werden Sauerstoff- und Nährstoffzufuhr zum Gehirn erhöht. Das unterstützt die Bildung von Neuronenverbindungen.

Studien zeigten darüber hinaus, dass aerobe Übungen die Wahrscheinlichkeit einer Demenzerkrankung senken können. Zu diesen Trainingsformen gehören beispielsweise langsames Laufen oder Schwimmen.

Tiefe Verarbeitung ist nachhaltiger

Die eigentliche Informationsverarbeitung kann oberflächlicher oder tiefer Art sein. Hier spricht man vom Verarbeitungsniveau. Je tiefer eine Information verarbeitet wurde, desto besser kannst du dich später an sie erinnern. Wie der Name bereits vermuten lässt, findet die Enkodierung bei der oberflächlichen Verarbeitung auf einer sehr einfachen Stufe statt.

Hier ein Beispiel…
Wenn du dir ein Wort nur anhand seiner äußeren Erscheinung merkst, wirst du es recht schnell wieder vergessen haben. Besser erinnern kannst du dich hingegen an ein Wort, das du auf einem tieferen Level verarbeitet hast. Die tiefe Verarbeitung beinhaltet, dass du das Wort (oder eine andere Information) mit einer persönlichen Bedeutung ausgestattet hast. Wenn du einen Text liest und ihn anschließend wiedergeben sollst, wirst du ihn nicht wortwörtlich aufsagen können. Du kannst nur das wiedergeben, was du enkodiert hast. Daher wirst du einen Text auch anderes nacherzählen als eine andere Person. Welche Wörter oder Aussagen für dich persönlich wichtig erscheinen, erinnerst du anschließend besser.

Hier greifen dann auch Assoziationen. Sobald du zu einem bestimmten Sachverhalt bereits Informationen gespeichert hast, kannst du dir neue Informationen zum Thema besser merken. Zum Beispiel kann ein Kind, welches noch nie etwas von einem Tiger gehört hat, sich neue Informationen kaum merken. Ein Erwachsener schon. Denn dieser weiß bereits – wie ein Tiger aussieht, was er frisst oder Ähnliches.

Ein Mensch, welcher etwas über Spanien lernen soll und noch keine weiteren Informationen dazu hat – wird dies nur sehr mühselig tun. Falls du allerdings schon weißt, wo Spanien liegt, dass es dort warm ist und du ein paar Urlaubsbilder im Kopf hast – wird dir dieses Lernen leichter fallen.

Bleibt zu sagen….
Die Assoziationen zu einem bestimmten Sachverhalt machen es leichter, neues Wissen aufzunehmen.

3. Speicherung von Informationen

Für das Abspeichern von Informationen ist Schlaf von großer Bedeutung. Manche Forscher gehen davon aus, dass Träume zum Teil für die Verarbeitung von Informationen zuständig sind. Doch auch die Speicherung neuer Gedächtnisinhalte geschieht im Schlaf. So werden zum Beispiel in den Phasen des REM-Schlafs die Erlebnisse des Tages ins Gedächtnis eingespeist.

Die Abkürzung REM steht für „rapid eye movement“. Vielleicht konntest du bei einer schlafenden Person schon einmal diese Phase miterleben. Denn charakteristisch dafür sind die schnellen Augenbewegungen unter den geschlossenen Lidern. Dass diese Schlafphase eine entscheidende Rolle bei der Speicherung von Informationen spielt, konnten psychologische Experimente zeigen.

Der Zusammenhang zwischen REM-Schlaf und das Abspeichern von Informationen ist vor allem für Schüler und Studierende interessant. Wenn sie nach einer ausgiebigen Lerneinheit nicht genügend schlafen, bleibt nicht so viel im Gedächtnis hängen wie gewünscht. Eine gute Nachtruhe ist also effektiver als die ganze Nacht durchzulernen und dann müde in die Prüfung zu gehen.

4. Abruf von Informationen

Die ersten drei Punkte lassen sich auch der Transduktion zuordnen. Dabei handelt es sich um eine große Leistung des Gehirns, welches sensorische Reize in neuronale Informationen umwandeln muss. Ansonsten könnten wir mit den ganzen Reizen, die täglich auf uns einströmen, herzlich wenig anfangen.

Die Transduktion besteht aus der Aufnahme sensorischer Reize. Das können Lichtimpulse oder Schallwellen sein. Welche Reize eingehen, hängt demnach von den Sinnesorganen ab. Diese sensorischen Reize werden im zweiten Schritt in neuronale Impulse umgewandelt und überbringen letztendlich eine brauchbare Information an unser Gehirn.

Um mit den abgespeicherten Informationen etwas anfangen zu können, ist deren Nutzbarmachung über den Abruf aus dem Langzeitgedächtnis nötig. Kommen noch einmal auf das obige Beispiel des Lesens zurück: Ohne das Wissen im Langzeitgedächtnis wären die Buchstaben und Wörter eines Textes nichts weiter als ein Gewirr aus unsinnigen Zeichen. Da du allerdings irgendwann in deinem Leben zu lesen gelernt hast, kann dein Gehirn auf dieses Erlerne zurückgreifen und die Aneinanderreihung an Buchstaben ergibt damit einen Sinn.

Der Hippocampus ist an Verarbeitung und Speicherung von Informationen beteiligt

Je nach Informationstyp haben unterschiedliche Teile des Gehirns eine besondere Funktion inne. So hängt die Erinnerung an explizite Inhalte mit dem Hippocampus zusammen. Zu diesen expliziten Erinnerungen gehören zum Beispiel Namen anderer Menschen oder bestimmte Ereignisse sowie Bilder. Die Funktion von Gehirnbereichen wird vor allem im Falle von Verletzungen deutlich.

Bei Schädigungen des linken Hippocampus können Menschen sich schlechter an verbale Informationen erinnern. Informationen über Orte können sie allerdings problemlos abrufen. Genau umgekehrt verhält es sich, wenn die rechte Seite des Hippocampus verletzt ist.