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5. 3. Arbeitsgedächtnis und Aufmerksamkeit

Bevor ich im nächsten Abschnitt die Rolle der Faserbahnen beim Sprechen und Stottern diskutiere, ist es sinnvoll, sich einige Gedanken zu machen über die Funktionsweise des Arbeits- oder Kurzzeitgedächtnisses und über den Zusammenhang zwischen Gedächtnis und Aufmerksamkeit. Dabei ist mit „Gedächtnis“ kein Ort im Gehirn gemeint, und das Arbeitsgedächtnis hat nichts mit dem Arbeitsspeicher eines Computers gemein. Vielmehr ist das Gedächtnis eine Funktion – vermutlich eine Funktion des Gehirns als ganzem.

Ich gehe davon aus, dass das Gehirn ein System ist, das Informationen analog – also nicht digital – verarbeitet. Das bedeutet: Im Gehirn gibt es weder eine Übertragung noch eine Speicherung von Daten [1]  (mehr...) . Über die Nervenfasern werden lediglich Erregungen (Aktionspotentiale) übertragen, die ihrerseits wieder Erregungen in anderen Neuronen auslösen oder hemmen können, in denen aber nichts „verschlüsselt“ (codiert) ist. Die übertragene Information besteht darin, von wo, d.h. von welchem Neuron das Aktionspotential kommt, ob es erregend oder hemmend wirkt, und in welcher Stärke es wirkt, d.h. wie viele erregend wirkende Potentiale etwa gleichzeitig ankommen müssen, damit das empfangende Neuron seinerseits „feuert“, also ein Aktionspotential absendet.

Wie und wie stark eine Erregung auf das empfangende Neuron wirkt ist abhängig von der Art und der Einstellung der Synapse, durch die die Erregung auf die Empfängerzelle übertragen wird. Man kann das als eine Art von Verstehen oder Bewerten der Information durch die Empfängerzelle ansehen. Die Einstellung der Synapsen kann durch Lernvorgänge verändert werden.

Wie können unter diesen Voraussetzungen Informationen einige Sekunden lang im Gedächtnis behalten werden? Eine Möglichkeit ist die sogenannte kreisende Erregung. Dabei werden die Informationen nicht in einem Speicher „abgelegt“, wo sie passiv so lange liegen, bis sie abgerufen werden. Im Gegenteil, die Informationen werden eine Zeit lang „aktiv gehalten“, indem die Neurone in Aktivität gehalten werden, die die Information repräsentieren.

Was ist unter einem „repräsentierenden Neuron“ zu verstehen? Allgemein versteht man unter einer neuronalen Repräsentation die Art und Weise, wie geistige Vorgänge im Gehirn durch Nervenzellen realisiert sind. Ein Neuron, das dann und nur dann erregt wird, wenn im Ohr Schallwellen eines bestimmten Frequenzbereiches ankommen, repräsentiert diesen Frequenzbereich. Nennen wir es deshalb ein „Frequenz-Neuron“. Der Laut /a/ entsteht durch die Überlagerung mehrerer Frequenzen. Wenn man den Laut /a/ hört, werden also mehrere bestimmte Frequenz-Neuronen aktiviert. Ein Neuron, das genau dann aktiviert wird und seinerseits feuert, wenn alle diese Frequenz-Neuronen gleichzeitig zu ihm feuern, repräsentiert den Laut /a/. Nennen wir eine solche Zelle ein „Phonem-Neuron“. Das Wort /an/ entsteht durch Aneinanderfügen von /a/ und /n/ in einer bestimmten zeitlichen Reihenfolge. Ein Neuron, das genau dann aktiviert wird, wenn die Phonem-Neuronen für /a/ und /n/ unmittelbar nacheinander zu ihm feuern, repräsentiert das Wort /an/ – genauer gesagt dessen akustische Wortform (siehe Abschnitt 1.2.).

Die Repräsentation durch ein einziges Neuron ist selbstverständlich ein vereinfachendes Modell. Im Gehirn wird eine wichtige Repräsentation, z.B. ein Phonem oder ein geläufiges Wort, nicht nur durch ein einziges Neuron realisiert sein, sondern durch eine größere Zahl von (evtl. parallel verschalteten) Neuronen – andernfalls würde der Ausfall eines Neurons den Verlust der Repräsentation, z.B. das Vergessen eines Wortes, bedeuten. Die semantische Bedeutung des Wortes „an“ entsteht übrigens dadurch, dass das Wort-Neuron für /an/ mit anderen Wort-Neuronen verknüpft ist (z.B. mit /nahe/, /bei/ und /zu/) – aber auch mit nonverbalen Repräsentationen (etwa räumlichen Vorstellungen) und mit Routinen im Gebrauch der Präposition „an“.

Doch kehren wir zurück zum eigentlichen Thema: Das Arbeits- oder Kurzzeitgedächtnis – so hatte ich oben geschrieben – könnte dadurch realisiert werden, dass das Neuron, welches die im Gedächtnis zu behaltende Information repräsentiert, eine Zeitlang „aktiv gehalten“ wird. Das Problem dabei ist aber, dass ein Neuron nach seiner Erregung, z.B. durch einen äußeren Reiz, stets nur ein einziges Aktionspotential abfeuert. Danach benötigt es eine „Erholungspause“ (Refraktärzeit) von mindestens 2 ms, bis es ein nächstes Mal feuert, falls der auslösende Reiz so lange andauert. Um eine Information (z.B. eine Zahl) im Gedächtnis aktiv zu halten, müssen die sie repräsentierenden Neurone deshalb zum wiederholten Feuern angeregt werden, obwohl der auslösende Reiz (z.B. das Hören der Zahl) bereits beendet ist.

Das kann durch die kreisende Erregung geschehen, und zwar auf folgende Weise: Nehmen wir der Einfachheit halber an, ein einziges Neuron repräsentiert eine Information, z.B. eine Ziffernfolge, die man sich kurz merken will. Ich bezeichne dieses Neuron als R-Zelle (= Repräsentations-Zelle). Wird die Zahl wahrgenommen, dann feuert die R-Zelle, und das Aktionspotential läuft (unter anderem) zu einer „Gedächtniszelle“ (G-Zelle). Wird die G-Zelle außerdem zugleich vom Präfrontalkortex aus erregt (= der Wille, sich die Zahl zu merken), dann bringen diese beiden Erregungen zusammen die G-Zelle zum Feuern: Dieses Aktionspotential läuft zur R-Zelle zurück und aktiviert diese zu neuem Feuern (die Refraktärzeit der R-Zelle muss inzwischen vorüber sein). Das ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
 

Kurzzeitgedächtnis durch kreisende Erregung

 
Abbildung 15: Kurzzeitgedächtnis durch kreisende Erregung. Die Aktivität der Gedächtniszelle G hängt von der Aufmerksamkeit ab; diese wird sowohl willkürlich als auch unwillkürlich gesteuert. Der Klarheit wegen ist die Gedächtniszelle G von der Aufmerksamkeits-Steuerung getrennt dargestellt. Möglicherweise existieren jedoch gar keine speziellen Gedächtniszellen, sondern das Kurzzeitgedächtnis ist einfach eine Funktion der Aufmerksamkeits-Steuerung.
 

Das Potential von der R-Zelle läuft nun wieder zur G-Zelle, und dieses Kreisen setzt sich fort, so lange man die Ziffernfolge im Gedächtnis behalten will – also so lange, wie die g-Zelle vom Präfrontalkortex zusätzlich erregt wird (allerdings scheint es hier einen „Ermüdungseffekt“ zu geben, der zu einer Zeitobergrenze führt). Danach hört die G-Zelle zu feuern auf, die R-Zelle kommt zur Ruhe, und die Ziffernfolge wird vergessen – falls nicht bereits eine bleibende Assoziation entstanden ist, z.B. Ziffernfolge–Telefonnummer–Fritz.

Das in Abbildung 15 dargestellte Beispiel einer kreisenden Erregung setzt voraus. dass die R-Zelle bereits mit einer Gedächtniszelle verschaltet ist – dass also eine Bahn von der R-Zelle zu einer G-Zelle läuft und eine zweite Bahn von dieser zurück. Ein etwas längerer Weg zwischen R-Zelle und G-Zelle ist von Vorteil, da die Refraktärzeiten überbrückt werden müssen und man außerdem bei längerer Übertragungszeit mit einer geringeren Zahl von Aktivierungen, also mit weniger Energie, dieselbe Leistung (Merkdauer) erreicht.

Die beiden Bahnen zwischen R-Zelle und G-Zelle dürften neben der Funktion als Kurzzeitgedächtnis aber noch weitere Aufgaben erfüllen: Die Bahn von R nach G könnte eine Rolle spielen, wenn es darum geht, die Wahrnehmung ins Bewusstsein, also in den Fokus der Aufmerksamkeit zu rücken – nämlich dann, wenn die Wahrnehmung selbst die Aufmerksamkeit auf sich zieht. Zu der Erregung durch die R-Zelle müsste dann allerdings eine weitere Erregung durch eine „Bewertungs-Instanz“ hinzukommen, um die G-Zelle zu aktivieren, die in diesem Fall keine Aktivierung durch den „Willen“ bekäme. Diese Bewertung-Instanz müsste die Wahrnehmung als wichtig einstufen, als wert, ins Bewusstsein, in den Fokus der Aufmerksamkeit gerückt zu werden. Solche Bewertung erfolgt häufig bereits bevor Objekte oder Wörter erkannt werden; deshalb geht in der Abbildung die Aktivierung des unbewussten Bewertungssystems nicht von der R-Zelle aus.

Die Bahn von G nach R könnte zudem der willentlichen Aufmerksamkeits-Steuerung dienen: Solange die G-Zelle in Richtung R-Zelle feuert, ist ein gewisses Quantum Aufmerksamkeit auf die von der R-Zelle repräsentierten Information gerichtet. Die Erfahrung lehrt, dass Kurzzeitgedächtnis und Aufmerksamkeit zusammenhängen: Will man sich z.B. eine Telefonnummer kurz merken, um sie gleich danach zu wählen, muss man zunächst die Aufmerksamkeit auf die Ziffernfolge richten, sie aufmerksam hören oder lesen, und sie dann bewusst im Gedächtnis behalten. Wird man jedoch abgelenkt, bevor man die Nummer wählen kann (jemand kommt herein, stellt eine Frage, man wendet ihm die Aufmerksamkeit zu...), dann ist die Ziffernfolge in der Regel vergessen. Offenbar besteht zwischen Aufmerksamkeit und Kurzzeitgedächtnis ein Zusammenhang: Die g-Zelle ist zugleich „Aufmerksamkeits-Zelle“.

Nach diesen Überlegungen zur Funktionsweise von Kurzzeitgedächtnis und Aufmerksamkeits-Steuerung in einem analog arbeitenden Gehirn können wir uns nun fragen, welche Rolle die Faserverbindungen zwischen den Bereichen des Sprachverstehens und der Sprachproduktion spielen mögen, von denen im vorigen Abschnitt die Rede war und in den folgenden Abschnitten wieder die Rede sein wird. Wenn wir annehmen, dass diese Fasern während des Sprechens der Einbeziehung der auditiven Rückmeldung in die Sprechplanung und -steuerung dienen, dann kann das in einem analog arbeitenden Gehirn nicht bedeuten, dass die wahrgenommene eigene Rede in irgendeiner Codierung vom Temporalkortex zum Frontalkortex übertragen wird – denn das wäre eine Übertragung von Daten. Ich vermute daher, dass die Fasern dem Arbeitsgedächtnis und der Aufmerksamkeits-Steuerung dienen. Zumindest was den SLF betrifft, gibt es empirische Hinweise darauf, dass Teile dieser Faserbahn tatsächlich Arbeitsgedächtnis-Funktionen unterstützen (mehr dazu Abschnitt 5.4.).
 

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Fußnoten

Exkurs: Analoge und digitale Informationsverarbeitung

Die grundsätzliche Frage, um die es hier geht ist: Sind Gehirne biologische Computer, in denen Rechenprozesse ablaufen, oder sind sie das nicht? Die Begriffe „analog“ und „digital“ lassen sich gut erklären, wenn man eine Compact Disc (CD) mit einer Vinyl-Schallplatte vergleicht. Die CD ist eine digitaler Speicher, die Schallplatte ist ein analoger Speicher. Auf der CD ist die gespeicherte Information, z.B. Musik, in einem binären Code gespeichert. Dieser Code (aus „Einsen“ und „Nullen“) ist eine eigene, wenn auch sehr einfache Sprache (ein Zeichensystem). Um die auf der CD gespeicherte Musik hörbar zu machen, muss zuerst der binäre Code mit Hilfe eines Rechenvorgangs in ein analoges elektrisches Signal rückübersetzt werden.

Auf der Schallplatte dagegen ist die Musik nicht codiert, also nicht in ein anderes Zeichensystem übersetzt, sondern die Schallschwingung ist in den winzigen seitlichen Ausschlägen der Schallplattenrille quasi abgebildet – so, wie ein Fußabdruck im Sand die Form des Fußes abbildet. Beim Abspielen der Platte führen die winzigen seitlichen Ausschläge in der Plattenrille zu entsprechenden Bewegungen der Abtastnadel, die dann in ein elektrisches analoges Signal umgewandelt werden. Weder für das Speichern der Musik auf der Schallplatte noch für das Abspielen sind Rechenprozesse erforderlich.

Wenn ich im Haupttext schreibe, dass im Gehirn, da es analog arbeitet, keine Daten gespeichert werden, dann bedeutet das also nicht, dass keine Informationen gespeichert werden. Es bedeutet nur, dass die Informationen auf analoge Weise gespeichert werden: Sie werden nicht codiert, sondern in irgendeiner Weise abgebildet oder eingeprägt – wie die Form des Fußes im Sand oder die Schallwellen der Musik in der Plattenrille. Dazu muss es im Gehirn etwas Formbares, Veränderbares geben, das solche Einprägungen erlaubt. Das sind vor allem die Synapsen, über die die Nervenzellen miteinander verbunden sind. Ein Reiz, wenn er stark genug ist oder wiederholt auftritt, oder wenn er als wichtig bewertet und dadurch intern verstärkt wird, prägt sich im Gedächtnis ein, indem er zu Veränderungen in Synapsen führt, und zwar in den Synapsen zwischen den durch den Reiz aktivierten Neuronen der sensorischen Ebene und Neuronen der „Konzept-Ebene“. Ausführlich hat das Günter Kochendörfer in seiner „Kortikalen Linguistik“ [1] beschrieben.

In einem analog arbeitenden Gehirn finden keinerlei Rechenprozesse statt. Nun wird mancher fragen: Wieso können wir dann im Kopf rechnen? Die Antwort ist: Was wir dabei in Wirklichkeit tun, ist nicht rechnen, sondern (innerlich) sprechen: Der Satz „Zwei mal Vier sind Acht“ hat dieselbe Struktur wie der Satz „Mein Vater und meine Mutter sind meine Eltern“. Nachdem wir zählen gelernt haben, wissen wir, dass „Eins und Eins und Eins“ den Namen „Drei“ hat. Nachdem wir das Einmaleins gelernt haben, wissen wir, dass Zwei mal Vier Acht ist, genau wie wir wissen, dass ein Portemonnaie eine Geldbörse ist. Falls man es nicht weiß:, kann man es mit den Fingern abzählen – das wäre echtes Rechnen, aber es geschieht eben nicht im Kopf.

Zahlen sind Namen für Mengen, und das sprachliche Operieren mit Zahlen beim Kopfrechnen ist ein Operieren mit Namen. Kompliziertere Kopfrechenaufgaben zerlegen wir solange in einfache Teilaufgaben (dieses Zerlegen ist analytisches Denken, kein Rechnen!), bis wir es mit hinreichend einfachen, vertrauten Sätzen zu tun haben: Dreizehn mal Siebzehn sind Dreizehn mal Zehn (Hundertdreißig) und Zehn mal Sieben (Siebzig – macht zusammen Zweihundert) und Drei mal Sieben (Einundzwanzig – macht zusammen Zweihunderteinundzwanzig). Oder aber, wir rechnen lieber außerhalb des Kopfes, z.B. schriftlich auf dem Papier: Der eigentliche Rechenvorgang ist hierbei das korrekte Untereinanderschreiben der Ziffern. Dadurch wird es möglich, die komplizierte Aufgabe in viele einfache, vertraute Sätze zu zerlegen. Computer brauchen solche Hilfsmittel nicht, denn sie können wirklich rechnen. Aber sie können nicht denken. Deshalb verstehen sie auch nichts von Mathematik.  (zurück) 

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Quellen

  1. ausführlich siehe Kochendörfer, G.: Kortikale Linguistik, Teil 2, Abschnitt 2.2. (Seite 31 ff.)