Neurobiologische Grundlagen des Lernens

"Die Lernpsychologen sind fast ausnahmslos der Überzeugung, daß Lernvorgänge sowohl neural gesteuert als auch gespeichert werden." Angermeier, Bednorz & Schuster (1991, 104)

Bevor in den folgenden Kapiteln Wahrnehmung, Lernen usw. angesprochen werden, sollen in diesem Kapitel die notwendigen biologischen Grundlagen vermittelt werden. Innerhalb der Psychologie beschäftigt sich die biologische Psychologie mit psychophysischen Zusammenhängen. Beispielsweise nimmt man an, dass das neuronale System das menschliche Erleben und Verhalten beeinflusst. „Die Biologische Psychologie ist dasjenige Teilgebiet der Psychologie, das zum Studium und zur Erklärung menschlichen Verhaltens und Erlebens einen biologischen (i. Allg. neurobiologischen) Zugang wählt.“ Schandry, Rainer in: Silbereisen & Frey (2001, 130)

Eine anschauliche Darstellung des Gehirns und der Sinnesorgane findet sich unter https://3d.dasgehirn.info/

Das Nervensystem

"Im Gegensatz zu anderen Lebewesen besitzen Menschen durch ihr spezifisches Nervensystem zudem die Fähigkeit, über ihre Handlungen und ihre Gefühle nachzudenken - diese Fähigkeit wird als Bewusstsein bezeichnet." Meyers Lexikonverlag (2000, 212)

Der menschliche Körper besteht aus einer Vielzahl verschiedener Bestandteile, die koordiniert bzw. gesteuert werden müssen.
Diese Koordination erfolgt über zwei Steuerungssysteme: Das Hormon- und das Nervensystem.
Das Hormonsystem (endokrines System) bildet chemische Wirkstoffe, welche die Regulation von Körperaktivitäten bewirken. Hormone sind demnach chemische Wirkstoffe, die in bestimmten Organen (endokrinen Drüsen) produziert werden, über das Blut transportiert werden und an ihrem Zielort (Ziel- und Erfolgsorgane) bestimmte Wirkungen hervorrufen. Die durch Hormone ausgelösten Beeinflussungen wirken sich zum Teil sehr schnell (binnen weniger Sekunden) und zum Teil sehr langsam (über Jahre hinweg) aus.
Das Nervensystem leitet Impulse ohne Verzögerung in Bruchteilen einer Sekunde weiter. Das Nervensystem verbindet dabei die einzelnen Körperteile miteinander und diese mit dem Gehirn (Cerebrum). Es übermittelt, verarbeitet und speichert Informationen. Die Speicherung von Informationen im Gedächtnis stellt die Hauptaufgabe dar. Das Gedächtnis des Menschen arbeitet ähnlich wie ein Computer: Daten können gespeichert (Input) und abgerufen (Output) werden.
Das menschliche Nervensystem unterteilt sich – nach Lage der Bestandteile – in das zentrale Nervensystem (ZNS) und das periphere Nervensystem (PNS).
Das ZNS besteht aus einer kompakten Masse von Nervenzellen (Neuronen) in Gehirn und Rückenmark, das PNS bildet die Unterverzweigungen in Form einzelner Nervenbahnen z.B. der Extremitäten.

Zentrales Nervensystem (ZNS)
Alleine das Gehirn, als Teilbestandteil des zentralen Nervensystems (ZNS) besteht aus ca. 1 Billion (10 hoch 12) Nervenzellen in rund 100 morphologischen Typen (vgl. Otto, 1995, 25) mit ca. 384.000 km Fasern im ZNS (in Gehirn und Rückenmark [Medulla spinalis]).

Bildquelle: http://www.g-netz.de/Der_Mensch/nervensystem/index.shtml, 05.01.02

Peripheres Nervensystem (PNS)
Das periphere Nervensystem (Nervensubstanz außerhalb von Gehirn und Rückenmark) besteht aus Nervenfasern, Nerven- und Ganglienzellen (ca. 25 Millionen Neuronen). Das PNS übernimmt die Übermittlung von Informationen von Gehirn oder Rückenmark zu Muskeln, Haut oder (Sinnes-) Organen.
"Das periphere Nervensystem (PNS) ist das Netzwerk der sensorischen und motorischen Neuronen, die die Verbindung zwischen dem zentralen Nervensystem und der Körperoberfläche bilden." Zimbardo & Gerrig (1999, 67)

Neben der Einteilung in ZNS und PNS lässt sich eine weitere Einteilung des Nervensystems nach der Funktion vornehmen:
• Das vegetative Nervensystem (auch autonomes Nervensystem) ist nicht willentlich zu beeinflussen (unwillkürlich). Es reguliert und koordiniert automatisch ablaufende Körperfunktionen von den Lungen (Pulmo), den Blutgefäßen (Arterien und Venen), dem Herz (Cor), Margen (Ventriculus), Darm (Intestinum) und Harnblase (Vesica urinari).
Auch die ‚Stressnerven’ zählen zum vegetativen Nervensystem:
Sympathikusnerven werden erregt, wenn ein Individuum körperliche Höchstleistungen erbringen soll (z.B. Notfallsituation oder Stress). Parasympathikusnerven dienen der Erholung oder dem Aufbau von physischen Reserven. Wird ein Individuum einem Stressor ausgesetzt, aktivieren die Sympathikusnerven das Individuum z.B. für einen Kampf oder zum Weglaufen. Ist die Gefahr gebannt, sorgen die Parasympathikusnerven für den Ausgleich: Der Körper erholt sich und kann neue Kräfte sammeln.
• Das somatische  Nervensystem (auch zerebrospinales, willkürliches oder animales Nervensystem) ermöglicht die Wahrnehmung und Verarbeitung von Reizen aus der Umwelt. Das somatische Nervensystem ermöglicht eine willkürliche Kontrolle über den Körper.
Beispiel: Sie können Ihr Mittagessen ansehen, die Gabel zum Teller führen usw.

 

Die Nervenzelle (Neuron)

Das Nervensystem wird durch einzelne Nervenzellen (Neuronen) gebildet. "Die Nervenzellen (Neurone), der Hauptbestandteil des Nervengewebes, sind die am kompliziertesten aufgebauten Zellen des Körpers. Sie haben die Aufgabe, Botschaften anzunehmen, diese an andere Zellen des Körpers weiterzugeben sowie Reize zu verarbeiten, zu speichern und auf sie zu reagieren." Meyers Lexikonverlag (1997, 36)

Direkt vom ca. 0,25 mm großen Zellkörper gehen sogenannte Dendriten ab: 
Hierbei handelt es sich um weitverzweigte Fortsätze, die zur Aufnahme von Impulsen anderer Zellen zuständig sind. Empfangene Informationen werden an Zellkörper und Axon weitergeleitet. 

Erreicht ein elektrischer Impuls die Präsynapse (Endigung der Nervenzelle), so setzt diese einen Neurotransmitter frei. Dabei handelt es sich um eine chemische Substanz, die den synaptischen Spalt überbrückt. 
Die 'empfangende' Nervenzelle (Postsynapse) wird über die Empfängerrezeptoren durch den Neurotransmitter angeregt entweder einen weiteren elektrischen Impuls zu erzeugen (oder nicht). 
Das Empfängerneuron stellt das Ziel der Informationsweiterleitung dar, wenn kein weiterer elektrischer Impuls erzeugt wird. 
Dieses Erzeugen eines elektrischen Impulses bezeichnet man auch als 'feuern'.

Bildquelle: http://psych.hanover.edu/Krantz/neurotut.html, 07.11.2002

"Synapse [griech.], Struktur, über die eine Nervenzelle oder (primäre) Sinneszelle mit einer anderen Nervenzelle oder einem Erfolgsorgan (z. B. Muskel, Drüse) einen Kontakt für die Erregungsübertragung bildet. Im menschl. Gehirn bildet im Durchschnitt jede Nervenzelle mehrere Hundert synapt. Kontakte aus. Die Erregungsübertragung erfolgt auf chem. Weg durch Freisetzung von Neurotransmittern (v. a. Acetylcholin). Viele Medikamente (v. a. Psychopharmaka, Blutdruckmittel, Rauschmittel), chem. Kampfstoffe und Insektizide entfalten ihre Wirkung durch Beeinflussung der Synapsenfunktion." LexiROM (1999)
(Exkurs: Psychopharmaka; PDF)

Häufig erregte Verbindungen zwischen zwei Nervenzellen verstärken die Verbindung. Die Verknüpfung zwischen zwei Nervenzellen kann jedoch abgeschwächt oder ganz gelöst werden, wenn die Verbindung nicht oder nur selten benutzt wird (inhibitorische Verbindung).

Bei einem heranwachsenden Kind lässt sich so erklären, wie motorische Bewegungen immer exakter werden: Muskelbewegungen werden über diese Nervenverbindungen gesteuert. Die dafür notwendigen Nervenverbindungen werden nicht nur erhalten, sondern bei jeder Nutzung verstärkt. Vgl. GEO Wissen (1999, 40)
"In der Stunde Null [Geburt] verfügt jedes Neuron in der für das Sehen zuständigen Zone des Cortex über durchschnittlich etwa 2500 Synapsen - acht Monate später sind es bereits mehr als 15000." GEO Wissen (1999, 39)

Aktuell (vgl. Spektrum der Wissenschaft, 2002) wird davon ausgegangen, dass bei der Geburt ca. hundert Milliarden Nervenzellen vorhanden sind, die sich über mehr als hundert Billionen synaptische Verbindungen zu einem Netzwerk zusammenschließen.

Das menschliche Gehirn besteht aus einem angeborenen Netz fest verbundener Nervenzellen (Neuronen). Beim Aufwachsen (besonders während der ersten drei Lebensmonate) vermehren sich die Nervenzellen und knüpfen mit ihren faserartigen Fortsätzen gegenseitige Kontakte. Im Gegensatz zu den anderen Körperzellen geschieht dies in Abhängigkeit zur vorhandenen Umwelt, d.h. äußere Einflüsse wie die Eltern, die Umgebung oder Kontakte zu anderen Personen haben direkte Auswirkungen auf das Gehirn und führen zu anatomischen Veränderungen wie z.B. zu einer Vermehrung der Gehirnzellen und den Verbindungen der Nervenzellen untereinander. Die Struktur des Gehirns, die Anzahl der Gehirnzellen und ihre Verdrahtungen sind daher von Mensch zu Mensch verschieden, wodurch jeder Mensch zu einem Individuum wird. Die persönliche Struktur bestimmt die Persönlichkeit und somit auch spätere Lern- und Arbeitsverhalten.

Nach stetigem Anwachsen von Neuronen und neuronalen Verbindungen werden beide im Alter von natürlichen Alterungsprozessen wieder verringert.
„Das Gehirn eines Mannes im Alter zwischen 20 und 30 Jahren wiegt im Durchschnitt 1.380 Gramm . Das Gehirn eines Achtzigjährigen wiegt nur noch 1.240 Gramm; das ist eine Verringerung um 10 Prozent.“ Mietzel (1997 b, 95)

Das Großhirn (Cerebrum) stellt knapp 70% der Gehirnmasse dar. Es besteht aus zwei Teilen (Hirnhemisphären): Der linken Hemisphäre und der rechten Hemisphäre. Bei einer Betrachtung von oben werden die beiden Teile deutlich. Verbunden sind beide Hemisphären über den ‚Balken’ (Corpus callosum).
Interessant ist diese Tatsache zum einen, da die visuelle Wahrnehmung über Kreuz arbeitet und zum anderen, da jeder Hirnhemisphäre bestimmte Funktionen zugesprochen werden.
Die visuelle Wahrnehmung findet insofern überkreuz statt, dass Wahrnehmungen des linken Auges in der rechten Hirnhemisphäre verarbeitet werden und umgekehrt. Nach der primären Verarbeitung der Informationen können die gewonnen Informationen über den Balken in die andere Hemisphäre weitergeleitet werden, zunächst werden sie jedoch in der gegenüberliegenden Hirnhemisphäre wahrgenommen.

Die Funktionen der beiden Hemisphären fassen Zimbardo & Gerrig (1999, 90) wie folgt zusammen:

Um möglichst beide Hirnhälften (Hemisphären) ansprechen zu können, setzt man heute in zunehmendem Maße MindMaps ein.
Eine weitere Übersicht, welche Hemisphäre welche Aufgaben übernimmt, finden Sie in dieser PDF-Übersicht.

 Das Gedächtnis

Der menschliche Informationsspeicher wird als Gedächtnis bezeichnet.

"Gedächtnis bezeichnet nichts anderes als unsere Fähigkeit, Informationen aufzunehmen, zu speichern (aufzubewahren) und bei Bedarf wieder abzurufen." Zimbardo & Gerrig (1999, 234)

"Der Ausdruck Gedächtnis bedeutet normalerweise die Erreichbarkeit von Informationen. Gedächtnis setzt einen Lernprozeß voraus. Ebenso selbstverständlich ist, daß "Erinnern" impliziert, daß Information aus irgendeinem Speicher abgerufen werden muß." Lefrancois (1994, 163)

"Das Gedächtnis ist kein passiver Informationsspeicher. Die Behaltensleistung ist in hohem Maße abhängig von der Aktivität des Lerners bei der Aneignung." Edelmann (1996, 6)

Das menschliche Gedächtnis kann in sehr vereinfachter Weise wie nebenstehend abgebildet werden:

Alle durch die Sinnesorgane wahrgenommenen Informationen kreisen als Impulse zunächst in Form elektrischer Ströme und Schwingungen im Gehirn, wo sie nach 10 - 20 Sekunden wieder abklingen. Sobald einer Information innerhalb dieser Zeitspanne Aufmerksamkeit gewidmet wird, gelangt sie in das sensorische Register (auch 'Ultrakurzzeitgedächtnis'). Die Informationen werden hier für einige Sekunden verfügbar gemacht und können durch die Aufmerksamkeit des Individuums weiterverarbeitet werden. Richtet sich die Aufmerksamkeit nicht auf den entsprechenden Reiz, so wird es umgehend 'gelöscht' (Ausnahme: Gewohnheiten).

In der Literatur ist man sich uneinig, wie lange der jeweilige Speicher die Informationen aufbewahrt:

Bei der Speicherung von Informationen spielt die Aufmerksamkeit eine große Rolle. Man kann eine Telefonnummer hundert Mal aufsagen und 'vergisst' sie sofort - oder man setzt sich mit der Zahlenkombination aufmerksam auseinander (z.B. durch einordnen oder verknüpfen mit vorhandenem Wissen [mein Geburtsjahr, Vaters Geburtstag, letzten beiden Stellen meiner PIN-Nummer]) und behält sie. 
Die Aufmerksamkeit lässt sich nach Heineken & Habermann (1994, 74) durch folgende Faktoren aktivieren:
Verfremdung, Humor, Übertreibung, Überraschung und das Auslösen von persönlicher Betroffenheit.

Bei einer bewussten Auseinandersetzung mit dem Inhalt oder einer erhöhten Aufmerksamkeit gelangt die Information schließlich in den Langzeitspeicher (auch 'Langzeitgedächtnis'). Zusammenfassend kann gesagt werden, dass man am besten lernt, wenn man sich aufmerksam und bewusst mit den Inhalten beschäftigt und diese in logische Zusammenhänge bringt, damit sie auch mit Sicherheit 'abgespeichert' werden. 

Grundsätzlich gilt: Je mehr Sinnesorgane an der Informationsaufnahme beteiligt sind, desto höher ist die Informationsspeicherung.

Das Vergessen (verlernen) von Informationen wurde von Hermann Ebbinghaus (1885) in der so genannten Vergessenskurve dargestellt, welche den Prozess des Vergessens in Bezug zur Zeit darstellt. Diesem Ansatz zufolge werden Informationen, die (noch) nicht dauerhaft gespeichert wurden, im laufe der fortschreitenden Zeit vergessen. Durch Wiederholungen des Lernprozesses ('Überlernen') soll diesem Prozess entgegengewirkt werden.