Organismen überleben dadurch, dass sie auf der Basis von angeborenen oder erlernten Fähigkeiten flexibel auf wechselnde Umweltbedingungen reagieren. Das geschieht unter Rückgriff auf ein weit verzweigtes Nervensystem. Beim Menschen zu unterscheiden sind das zentrale Nervensystem (bestehend aus den Nerven innerhalb von Gehirn und Rückenmark), das periphere Nervensystem (bestehend aus Nerven, die Informationen aufsteigend von Körperteilen zum Gehirn und zentrale Befehle absteigend vom Gehirn zum Körper transportieren), und das vegetative Nervensystem (Nervenbahnen, die zu den inneren Organen und Drüsen führen). Das zentrale Nervensystem ist für alle höheren kognitiven Funktionen zuständig. Das schließt die Sprachverarbeitung ein.

Der Transport der Informationen geschieht auf elektrochemischen Wege über verschiedene Sorten von Nervenzellen (Neuronen). Sensorische Neurone leiten Informationen von den Sinnesorganen zum Gehirn weiter; sie wandeln die von außen kommenden Reize in elektrische Signale um. Motorische Neurone leiten Informationen vom Gehirn zu den Muskeln des Körpers, die auf elektrische Signale mit Kontraktion oder Entspannung reagieren. Der Transport erfolgt über Nervenbahnen im Rückenmark. Interneurone leiten elektrische Signale unter den Neuronen selber weiter und sorgen dafür, dass die vielen verschiedenen Signale (Reize) im Gehirn in Relation zu einander und zu den früher dort gespeicherten Erfahrungen gesetzt werden. Das ist die Voraussetzung dafür, dass der Organismus Wissen nutzen und auf spezifische Reize (Situationen) in einer Weise reagieren kann, die er als in seinem Gesamtinteresse liegend erachtet.

In den vier Lappen des Gehirns sind genau spezifizierte Bereiche, sogenannte primäre Assoziationsreale für die primäre Verarbeitung der sensorischen Reize und die Auslösung motorischer Aktivitäten zuständig. Ihnen eng benachbart sind sekundäre Assoziationsareale; sie sorgen dafür, dass die Vielfalt der gleichzeitig eingehenden primären Reize in einer sinnvoll gebündelten Weise weiterverarbeitet wird. Sie tauschen untereinander Informationen aus. Alle höheren kognitiven Funktionen setzen das Wirken eines solchen vielschichtigen Informationsaustausches voraus. 'Technisch' vollzieht sich das auf elekrochemischem Wege über die Synapsen, Axone und Dendriten von Neuronen.

Ein Neuron (Nervenzelle) ist die kleinste Einheit der Informationsverarbeitung im Gehirn. Angaben über die Zahl der Neuronen im menschlichen Gehirn schwanken. Viele Forscher schätzen, dass es ca. 100 Milliarden sind. Man findet im Großhirn ca. 100.000 Nervenzellen pro mm². Die Neuronen vermehren sich im Laufe des Lebens nicht, sondern sind von der Geburt an in voller Zahl vorhanden. Sie können allerdings absterben. Was sich im Laufe des Lebens ändert, ist die Zahl der Verbindungen unter ihnen (Synapsen). Lernen besteht also darin, dass eine Vernetzung zwischen verschiedenen Gruppen von Nervenzellen stattfindet, die sich auf der molekularen Ebene durch sensorische Reize so ‚aufladen’, dass sie fortan mit bestimmten Reizen bestimmte Erfahrungen verbinden und auf gleiche Reize in gleicher Weise reagieren können. Neuronen sind in der Regel von Gliazellen umgeben; sie haben unter anderem eine nährende Funktion.

Alle Neurone haben im Prinzip den gleichen Aufbau. Ein Neuron besteht aus einem Zellkern, einem Axon und mehreren Dendriten. Ein Axon ist die Nervenfaser, über die Impulse vom Zellkern an andere Neurone weitergeleitet werden. Die Dendriten sind astartig verzweigte ‚Andockstellen’ über welche Zellkerne Impulse von anderen Neuronen empfangen. Zwischen den Dendriten eines Neurons und den Enden der Axone anderer Neurone liegt ein winzig kleiner Spalt, die Synapse. Sie sorgt dafür, dass der Austausch von Impulsen unter den Neuronen nach Bedarf gekappt bzw. hergestellt werden kann.

Die Nervenfasern bzw. Axone sind mit Myelin überzogen. Das ist eine Art Isolierschicht, die dafür sorgt, dass die feinen elektrischen Impulse, die zwischen Neuronen ausgetauscht werden, ungestört ihr Ziel erreichen. Jedes Neuron hat über seine Vernetzungen bis zu 10.000 Kontaktstellen mit anderen Neuronen. Das verdeutlicht, dass das Gehirn ein gigantisches neuronales Netzwerk bildet, das mit seinen Leistungen weitaus komplexer ist als jeder derzeitige Computer.

Der Informationsaustausch unter Neuronen erfolgt elektro-chemisch, und zwar über den synaptischen Spalt, der die leicht verdickten Enden von Axonen von den leicht gefurchten Andockstellen der Dendriten anderer Neurone trennt. Er wird mit Hilfe von chemischen Nervenbotenstoffen (Neurotransmitter) überbrückt. Der Kern eines Neurons ist im Ruhezustand seiner Umgebung gegenüber negativ geladen. Erreicht nun aber ein Reiz das Neuron, kehren sich die Ladungsverhältnisse an einem Punkt seiner Oberfläche kurzfristig um. Es entsteht ein Aktionspotential, das sich mit elektrischer Geschwindigkeit über das Axon ausbreitet. An der Spitze des Axons hat die elektrische Fortleitung des Signals ein Ende. Sie muss dort den synaptischen Spalt überwinden, um die Nachbarnervenzellen erreichen zu können. Das geschieht dadurch, dass der elektrische Impuls an dieser Stelle die Ausschüttung eines chemischen Botenstoffes bewirkt. Er überbrückt den Spalt in wenigen Millisekunden und löst an der Nachbarzelle erneut einen elektrischen Impuls aus. Der Neurotransmitter deaktiviert sich dann sofort wieder. Das Resultat einer solchen ‚Kontaktaufnahme’ unter Nervenzellen ist das Einleiten oder Beenden einer gegenseitigen Aktivierung.

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Es gibt etwa sechzig verschiedene Neurotransmitter. Zu ihnen gehören u.a. Acetylcholin (unterstützt das Gedächtnis), Serotonin, Dopamin und Adrenalin. Sie verleihen dem Organismus Reaktionsmöglichkeiten, die sich von dem simplen EIN und AUS der Kontakte elektronischer Rechner unterscheiden. Sie ermöglichen nämlich gestufte Reaktionsmöglichkeiten, denn die einzelnen Synapsen gehen, je nach ihrer Vorgeschichte, eine stärkere oder eine schwächere Verbindung mit ihren Nachbarzellen ein. Darüber hinaus ist anzumerken, dass manche Neuronen beständig Impulse aussenden, andere erst reagieren, wenn sie mehr als hundert gleichzeitig eingehende Impulse erhalten. Das zeigt, wie reich an Raffinessen die Prozesse sind, zu denen neuronale Netze fähig sind. (Mehr dazu hier.)

Die Fähigkeit des neuronalen Netzes zu modulierten Reaktionen wird weiter gesteigert durch das Zusammenspiel der Nervenbotenstoffe mit Hormonen, einem zweiten System zur Regulierung von Reaktionen. Ein plötzlicher lauter Knall zum Beispiel, der uns erschreckt, erreicht das Gehirn blitzschnell auf elektrischem Wege und bewirkt über die Organe des Limbischen Systems die Ausschüttung des Hormons Adrenalin, das sich dann über die Blutbahn verbreitet und den Körper in einen Alarmzustand versetzt. Stellt sich aber heraus, dass der Knall eine harmlose Ursache hat, dauert es in der Regel einige Zeit, bis sich die hormonell bedingte Aufregung wieder legt, obwohl die schnellen elektrischen Nervenbahnen längst Entwarnung signalisiert haben. Das ist bemerkenswert, weil es erklärt, warum Individuen auf bestimmte Situationen unterschiedlich reagieren. Es gibt nämlich neben dem Adrenalin andere Hormone, deren mangelndes oder überreiches Vorhandensein Einfluss auf das Verhalten nimmt und zum Beispiel Glücksgefühle oder Depressionen auslöst bzw. Aufmerksamkeit und Wissbegierde gegenüber Apathie und lethargischem Verharren bewirken kann.

Aus klinischen Befunden ist auch bekannt, dass das neurochirurgische Entfernen des Hippocampus (einem Teil des Limbischen Systems der Nervenbotenstoffe produziert) das Abspeichern neuer Informationen verhindert. Genauer gesagt ist es so, dass diese Art von Schädigung des Gehirns zwar nicht jedes Abspeichern von Erfahrungen verhindert, wohl aber jede bewusste Erinnerung an sie. Man weiß danach praktisch nicht mehr was man weiß. Das wird klinisch als anterograde Amnesie bezeichnet. (Mehr zur Amnesie). Hier ist das deklarative Gedächtnis (der bewusste Zugang zu faktisch gemachten neuen Erfahrungen) gestört, paradoxer Weise wird damit aber nicht das prozedurale Gedächtnis beeinträchtigt, das heißt die aus dem praktischen Tun resultierende Fähigkeit, auf bestimmte Situationen unbewusst in zunehmend geübter Weise zu reagieren. (Mehr)

Für das Verstehen von Lernprozessen sind diese Sachverhalte bemerkenswert, weil sie daran erinnern, dass physische und psychische Zustände wie Müdigkeit, Angst, Interesse und Aufmerksamkeit für die Informationsverarbeitung sehr wichtig sind. Angst z.B. führt eher zu einem Vermeidungsverhalten, und das ist in der Regel nicht hilfreich wenn es gilt, neue Lernwege zu beschreiten und Neues zu entdecken. Das ist für Lehrer zwar nichts Neues, unterstreicht aber, warum es mehr als pädagogische ‚Gefühlsduselei’ ist, wenn man sich um das Herstellen und den Erhalt einer Lernmotivation bemüht. Ohne sie fehlen wichtige Rahmenbedingungen für das Lernen. Dazu gehört bekanntermaßen, dass man für hinreichend viele und Aufmerksamkeit bindende Gelegenheiten zum Üben sorgen muss. In dem Kontext muss des Weiteren an die bekannte Tatsache erinnert werden, dass bestimmte Fähig- und Fertigkeiten erst dann erlernt werden können, wenn andere Fähigkeiten schon verfügbar sind. Um die Grundlagen dieser Sachverhalte besser zu verstehen, richten wir hier als Nächstes den Blick auf die Art der ‚Verschaltungen’ in neuronalen Netzen und was sie für die Verarbeitbarkeit von Informationen sagen.

Organismen überleben dadurch, dass sie auf der Basis von angeborenen oder erlernten Fähigkeiten flexibel auf wechselnde Umweltbedingungen reagieren. Das geschieht unter Rückgriff auf ein weit verzweigtes Nervensystem. Zu unterscheiden sind das zentrale Nervensystem, das periphere Nervensystem, und das vegetative Nervensystem.

Der Transport der Informationen im neuronalen Netz geschieht auf elektrochemischen Wege über verschiedene Sorten von Nervenzellen (Neuronen). Ein Neuron ist die kleinste Einheit der Informationsverarbeitung im Gehirn. Forscher schätzen, dass ein Mensch von Geburt an über ca. 100 Milliarden davon verfügt.

Sensorische Neurone leiten Informationen von den Sinnesorganen zum Gehirn weiter. Motorische Neurone leiten Informationen vom Gehirn zu den Muskeln des Körpers weiter. Interneurone leiten elektrische Signale unter den Neuronen selber weiter und sorgen dafür, dass die vielen verschiedenen Signale (Reize) im Gehirn in Relation zu einander und zu den früher dort gespeicherten Erfahrungen gesetzt werden.

Ein Neuron besteht aus einem Zellkern, einem Axon und mehreren Dendriten.

Der Informationsaustausch zwischen Neuronen erfolgt über Synapsen, die auf elektrochemischem Wege übersprungen werden.

Für die Speicherung und Aktivierung von Informationen sind Neurotransmitter (Nervenbotenstoffe) nötig. Neben ihnen spielen Hormone eine wichtige Rolle für das Speichern und Aktivieren von Wissen. Sie beeinflussen unter anderem die Einstellung zu einer 'Sache' und die Lernmotivation.

Für die Produktion und Verbreitung von Neurotransmittern ist das limbische System verantwortlich, das auch emotionales Gehirn genannt wird. Beschädigungen von wichtigen Teilen des des limbischen Systems führt zur Amnesie. Das unterstreicht, dass für das Lernen nicht nur die in der Großhirnrinde gespeicherten Informationen wichtig sind, sondern auch die Einstellungen zu ihnen, die dem Einfluss der Emotionen unterliegen.