Zur Neurophysiologie des Lernens [nach Wolf Singer]

Im Frühjahr 2001 habe ich aus den aktuellen Arbeiten Wolf Singers, die er mir zur Verfügung gestellt hatte,* eine Textkollage hergestellt, die die wesentlichen Aussagen zur Neurobiologie unseres Lernens zusammen fasst. Prof. Singer hat sie durchgesehen, die Korrektheit bestätigt und der Veröffentlichung zugestimmt.

Meine eigenen Ergänzungen sind dunkel wiedergegeben. Alles andere sind die eignen Worte von Wolf Singer.

Nota: Mit seinen bekannten Einwänden gegen den Freiheitsbegriff ist Wolf Singer erst danach an die Öffentlichkeit getreten. Siehe dazu:

http://ebmeierjochen.wordpress.com/2008/12/21/wolf-singers-entsorgung-des-ich/

Nervenbahnen im Hirn

Nicht nur sein aufrechter Gang unterscheide den Menschen vom Tier, sagt die Pädagogik, sondern dass er erzogen werden müsse: Zum Menschen werde er immer erst durch Lernen. Und immerhin dies bestätigen die neueren Befunde der Hirnforschung: Für die Menschen sind die Ereignisse ihrer Kindheit von so grundlegender Bedeutung wie für kein anderes Lebewesen. Denn* „unser Gehirn kommt extrem unreif zur Welt.

Eine systemische Interaktion

Die Großhirnrinde – ein 2 mm dünner Mantel von dicht gepackten Nervenzellen – hat sich seit Wolf Singer, 2008ihrem ersten Auftreten bei höheren Wirbeltieren in ihrer Struktur kaum verändert. Was uns von den Tieren unterscheidet, ist im wesentlichen die enorme Volumenvermehrung dieser Struktur zuzuschreiben. Das Besondere dieses Organs ist, dass es sich im Laufe der Stammesgeschichte strukturell kaum verändert hat, sondern dass sich auch die verschiedenen Hirnareale im gleichen Gehirn frappierend ähneln, obgleich sie doch scheinbar so unterschiedliche Funktionen wie etwa Sehen und Spracherzeugung vermitteln.

Was können Nervenzellen? Jede einzelne ist ein extrem komplizierter Analogrechner. Typische Nervenzellen (Neuronen) besitzen zahlreiche Dendriten, vielfach verzweigte Fortsätze, über die sie Signale von anderen Nervenzellen empfangen, und ein Axon, einen langen, ebenfalls stark verzweigten Fortsatz, mit dem sie die berechneten Informationen in Form von elektrischen Signalen an andere Nervenzellen weitergeben. Einzelne Neurone repräsentieren durch den Grad ihrer Aktivierung also lediglich elementare NeuronObjektmerkmale, keine komplexe Merkmalskon- stellationen. Jede Zelle interagiert mit etwa zwanzig- bis dreißigtausend anderen. Die Information über komplexe Objekte wird im Gehirn also in jedem Fall arbeitsteilig durch sehr viele Neurone analysiert, von denen jedes durch seine Aktivierung jeweils nur einen relativ kleinen Teilaspekt der Objektbeschaffenheit kodiert. Diese jeweils für ein Merkmal zuständigen Neurone sind nicht etwa in einem bestimmten, eingegrenzten Hirnareal aufzufinden, sondern über ausgedehnte Hirnareale verteilt; wobei ein jedes Neuron als ‚Informant‘ in viele verschiedene Sinn-Bilder eintreten kann. Objekte werden nicht durch die Aktivität einzelner oder sehr weniger Neurone in der Hirnrinde repräsentiert, sondern durch ausgedehnte und über weite Bereiche verteilte Neuronenverbände – so genannte Assemblies. Es sieht so aus, als würden ‚zuerst‘ ganze Bilder erkannt. Erst das Bild gibt dem Sinnesdatum ‚Bedeutung‘.

Hieraus folgt, dass die Verschaltungsarchitektur eine ganz wesentliche Determinante für Hirnfunktionen ist. Hier liegen die meisten Freiheitsgrade, da die Funktionen der einzelnen Nervenzelle recht stereotyp sind. Die Spezifizität der Hirnfunktionen beruht ausschließlich auf der Architektur der Verbindungen zwischen Nervenzellen. Das Arbeitsprogramm unseres Gehirns residiert praktisch in dieser Architektur der Verbindungen und in deren Gewichtung, die in den Grundzügen genetisch vorgegeben wird. Sie speichert gewissermaßen die während der phylogenetischen Entwicklung gewonnene Erfahrung über das Sosein der Welt. Wir kommen mit erheblichem Vorwissen über die Welt in diese.

Die ersten fünfzehn Jahre

Menschliche Gehirne, und das gilt für Säugetiere im allgemeinen, entwickeln sich nach dem Zeitpunkt der Geburt noch bis hin zur Pubertät weiter. Zum Zeitpunkt der Geburt verfügte das Gehirn zwar über den vollen Satz Nervenzellen, aber in zahlreichen Hirnstrukturen ist das Auswachsen von Nervenverbindungen noch in vollem Gange. Es bilden sich neue synaptische Kontakte aus, und dieser Entwicklungsprozess setzt sich in bestimmten Hirnrindenarealen bis zur Geschlechtsreife fort. Besonderns bemerkenswert ist dabei, dass diese späte Ausdifferenzierung der Verschaltung von neuronaler Aktivität und damit von Sinnessignalen beeinflusst wird. Zum SynapseZeitpunkt der Geburt sind die meisten Sinnesorgane bereits voll funktionstüchtig, das heißt, die Aktivität, die im Nervensystem erzeugt wird, unterliegt der Modulation durch die Sinnesorgane. Diese Aktivität wiederum wird genutzt, um die neu ausgewachsenen Nervenverbindungen funktionell zu validieren, um funktionell angepasste Nervenfasern zu konsolidieren und nicht gebrauchte abzuschaffen.

Dieser erfahrungsabhängige Entwicklungsprozess wird also durch einen extrem hohen Umsatz von neu gebildeten und wieder gelösten Verbindungen charakterisiert. Aus den gesamten angelegten Verbindungen werden“ schließlich „nur 30 oder 40 Prozent erhalten bleiben. Diese zweite, epigenetische Lernphase ist für den Rest des Lebens sehr bedeutsam, da nach Ablauf dieser Entwicklungsphase die Architektur des Nervensystems auskristallisiert und starr wird. Es gibt dann kein neues Wachstum, aber auch keine Vernichtung von Verbindungen mehr, es sei denn, es liegen pathologische Prozesse vor. Jenseits dieser Entwicklungsphase gibt es somit keine Möglichkeit mehr, die Architektur und damit das Basisprogramm des Gehirns zu verändern.

Konstruktiv und selbstreferentiell

Vom nur teilweise vorgefertigten Gehirn wird also eine Vielzahl von Fragen an die Welt gestellt, deren Beantwortung zu Strukturänderungen führt. Das Gehirn interpretiert. Wir wissen, dass Wahrnehmung nicht als passive Abbildung von Wirklichkeit verstanden werden darf, sondern als das Ergebnis eines außerordentlich prädikatives Modell (Fangarme Octopus)aktiven, konstruktivistischen Prozesses gesehen werden muss, bei dem das Gehirn die Initiative hat. Das Gehirn ist nie ruhig, sondern generiert ständig hochkomplexe Erregungsmuster, auch wenn Außenreize fehlen. Es bildet ständig Hypothesen darüber, wie die Welt sein sollte, und vergleicht die Signale von den Sinnesorganen mit diesen Hypothesen. Finden sich die Hypothesen bestätigt, erfolgt die Wahrnehmung nach sehr kurzen Verarbeitungszeiten. Treffen sie nicht zu, muss das Gehirn seine Hypothesen korrigieren, was die Reaktionszeiten verlängert.“ Oder, umgangssprachlich: Das Einbilden kommt vor dem Wahrnehmen!

„In vivo würden solche Prozesse natürlichen Bewertungsprozessen unterworfen werden, die die Relevanz der jeweiligen Aktivitäten einschätzen und Veränderungen nur dann zulassen, wenn das Gesamthirn befunden hat, dass die jeweils zur Verarbeitung gelangten Aktivitätsmuster bedeutsam sind. Diese Bewertung wird von Zentren im limbischen System vorgenommen, das zu den stammesgeschichtlich ältesten Teilen unseres Gehirns gehört. Das Bewertungsergebnis wird den auf der gesamten Hirnrinde verteilten Verarbeitungszentren über Nervenbahnen und spezielle chemische Überträgerstoffe, so genannte Neuromodulatoren, mitgeteilt. Etwa 80% der synaptischen Verbindungen von Nervenzellen der Großhirnrinde gehören zu dieser Klasse, und nur etwa 10 bis 20% der Eingänge stammen unmittelbar aus den Sinneszellen. Die Sinnessysteme und damit die Signale aus der umgebenden Welt werden somit nur über eine sehr kleine Fraktion von Verbindungen in die Großhirnrinde vermittelt. Das System beschäftigt sich hauptsächlich mit sich selbst: 80 bis 90 % der Verbindungen sind dem inneren Monolog gewidmet.

Die Fähigkeit des Gehirns, prädikative Modelle von noch ausstehenden Ereignissen zu bilden, um sich schneller anpassen zu können, ist relativ rezent. Aber wenn es einmal ein System gibt, das auf der Basis von Erfahrung solche prädikativen Modelle entwickeln kann, was die Speicherung von Erfahrungsinhalten voraussetzt, dann muss es kombinatorisch spielen können. Was als Repräsentation internalisiert wurde, muss in verschiedene Bezüge gestellt werden, um prüfen zu können, was alles passieren könnte. Damit sich das Gehirn die Mühe macht, dieses kombinatorische Spiel zu spielen, muss es belohnt, also von internen Bewertungsszentren als angenehm dargestellt werden. Das ist auch offensichtlich so. Wir sehen das bei Kindern, die nichts anderes tun, als mit den zum Teil angeborenen und zum Teil erworbenen Repräsentationen Planspiele durchzuführen. Zusätzlich muss es ein internes Bewertungssystem geben, von dem wir noch wenig wissen, welches die jeweils gefundenen Konstellationen bewertet und die passenden von den unpassenden trennt. Diese Systeme nehmen ihren Ursprung in mehreren Kerngebieten in der Tiefe des Gehirns und versorgen dann das gesamte Vorderhirn. Sie werden aktiviert, wenn der Organismus wach und aufmerksam ist, vor allem, wenn die Wahrnehmungsinhalte mit Emotionen verbunden sind, die positiv oder negativ sein können.

Das innere Auge

Wie aber kommt es, dass wir nicht nur das in unserm Gehirn repräsentieren, was in unserer Umwelt vorhanden ist, sondern dass wir uns dessen auch bewusst sein können; dass wir uns gewahr sind, Wahrnehmungen und Empfindungen zu haben – ein Phänomen, das die Angelsachsen als phenomenal awareness ansprechen? Diese Katzenaugen-NebelFähigkeit scheint zu erfordern, dass es im Gehirn kognitive Strukturen gibt, welche die Repräsentation des Draußen noch einmal reflektieren, noch einmal auf die gleiche Weise verarbeiten wie die peripheren Areale der Hirnrinde die sensorischen Signale aus der Umwelt und dem Körper. Die Funktion des ‚inneren Auges‘ könnte gedacht werden als Folge der ‚Iteration‘, der wiederholten Anwendung auf sich selbst, der gleichen kognitiven Operationen, die den unreflektierten Primärrepräsentationen des Draußen zugrunde liegen.

Nun gibt es tatsächlich Hinweise, dass die in der Evolution später hinzugetretenen Hirnrindenareale ihre Eingangssignale nicht mehr direkt von den Sinnesorganen beziehen, sondern von den bereits vorhandenen, stammesgeschichtlich älteren Arealen, die ihrerseits mit den Sinnesorganen verbunden sind. Die“ jüngeren „Areale scheinen die Signale, die sie von den alten, den primären Arealen bekommen, auf die gleiche Weise zu verarbeiten wie letztere die Signale, die sie von den Sinnesorganen erhalten. So ließen sich im Prinzip durch Iteration der immer gleichen Repräsentationsprozesse Metarepräsentationen aufbauen – Repräsentationen von Repräsentationen -, die hirninterne Prozesse abbilden anstatt die Welt draußen.

Solche Metarepräsentationen aufbauen zu können bringt Vorteile. Gehirne, die dies vermögen, können Reaktionen auf Reize zurückstellen und Handlungsentscheidungen abwägen, sie können interne Modelle aufbauen und den erwarteten Erfolg von Aktionen an diesen messen. Sie können mit den Inhalten der Metarepräsentationen spielen und prüfen, was die Konsequenzen bestimmter Reaktionen wären. Die Möglichkeit, Metarepräsentationen aufzubauen, befähigt uns zu umsichtigem Handeln und erlaubt damit, Gefahren präventiv aus dem Weg zu gehen. Letztlich kann in dieser Fähigkeit zum kombinatorischen Spiel mit gespeicherten Inhalten, zur Erzeugung neuer prädikativer Modelle, die Grundlage für Kreativität gesehen werden.“

Spiel der Reflexion

Spielend finden wir uns nicht nur in unserer grauen Alltagswelt zurecht: „Das ist auch das, was ein Wissenschaftler macht, wenn er Theorien bildet, und was ein Künstler macht, wenn er etwas herstellt. Der kreative Prozess in der Wissenschaft ist derselbe wie in der Kunst. Der Erkenntnisprozess der Wissenschaft fängt mit dem Generieren von München 1945Hypothesen an, die zunächst intuitiv erfasst werden, wobei sehr oft ästhetische Konsistenzkriterien zugrunde gelegt werden, die oft gar nicht rationalisierbar sind. Man sucht offenbar nach ganz ähnlichen Kriterien wie der Künstler: nach Stimmigkeit oder Geschlossenheit. Sehr vieles in der Wissenschaft wird von der Ästhetik dominiert. Eine wissenschaftliche Theorie wird dann vom Kreis der Eingeweihten als gültig angesehen, wenn sie erstens widerspruchsfrei mit vorhandener Evidenz ist, und zweitens, wenn sie schön ist. Sie muss einfach sein und befriedigen. Ganz ähnlich geht der Künstler vor, nur ist der Stoff, mit dem er umgeht, ein anderer. Auch der Künstler bildet die Welt ab, wie er sie interpretiert, also innerhalb eines Beschreibungssystems, er schafft neue Wirklichkeiten, neue Interpretationen, was der Wissenschaftler auch tut, wenn er ein Modell des Erfahrbaren erzeugt: Er spielt mit dem Material, und irgendwann weiß er, dass es jetzt passt.

Was der Künstler und der Wissenschaftler machen, ist nichts anderes, als der Neugierde und dem Verlangen nach dem kombinatorischen Spiel nachzugeben und, losgelöst von utilitaristischen Alltagsgeschäft des Lebens, dieses kombinatorische Spiel weiter zu spielen. Dadurch entstehen Modelle der Welt. Dieses Spiel ist offenbar so tief in der Architektur des Gehirns verankert, dass es gespielt werden muss, wenn das System überhaupt sinnvoll zum Lösen von Alltagsproblemen eingesetzt werden soll. Manche spielen das sehr gut, manche weniger, aber alle spielen. Insofern ist jeder, der wahrnimmt, in gewissem Sinne ein Künstler, weil er Modelle von der Welt erzeugt, interpretiert und selber seine Stimmigkeitskriterien generiert.“

Ästhetische Bildung

Das kann nicht ohne Folgen für die Erziehung bleiben. ‚Wahrnehmung‘ ist nicht Reproduktion des Gegebenen – indem etwa Sinnes-Daten aneinandergereiht und hernach zu bedeutungsvollen Ensembles in einander gefügt würden. Unsere Anschauung ist vielmehr selber „poietisch“: Es sind die Bilder, die die Daten erst zu „Informationen“ ausdeuten. ‚Lernen‘ ist nicht zuerst das Speichern von Daten-Ketten, sondern das Anlegen neuronaler Artikulationssysteme. Und das geschieht nicht diskursiv durch Anlagerung, sondern uno actu in der Anschauung. ‚Lehren‘ heißt daher: Wecken der Aufmerksamkeit! Wenigstens in den ersten 15 Jahren…

„Man weiß, dass die Aufmerksamkeitssysteme distributiv organisiert sind. Es gibt innerhalb der einzelnen kognitiven Systeme Vorgänge, die dazu dienen, aus der Fülle der Reize, die ständig auf uns einströmen, nur die herauszupicken, die einer weiteren Verarbeitung zugeführt werden sollen. Diesen Prozess der selektiven Aufmerksamkeit kann man sehr gut untersuchen und stellt dabei fest, dass bestimmte Reize sozusagen die Aufmerksamkeit auf sich ziehen. Wenn ein neuer Reiz im Gesichtsfeld auftaucht, führt das zu stärkeren Reaktionen, weil die Neuronen, die sich mit Vorhandenem beschäftigen, sich bereits adaptiert haben. Neuronale Antworten auf neue Reize ragen sozusagen wie Gipfel aus dem Wolkenmeer adaptiver Antworten und fallen dadurch auf. Das sind dann auch die Antworten, die mit größerer Wahrscheinlichkeit weitergeleitet werden und somit per se schon Aufmerksamkeit auf sich ziehen. Dann gibt es aber auch den Prozess, der von oben nach unten abläuft, der wahrscheinlich über Erwartungswerte gesteuert wird und der wie ein Suchprozess wirken kann.“

Die Konsequenzen für die Diskussion um die Schule der Zukunft sind weit reichend. Wenn im Zentrum der Lernprozesse in den ersten fünfzehn Lebensjahren nicht das lineare Anlagern von Informationen, sondern das Ausbilden systemischer Strukturen für die Gestaltwahrnehmung steht, dann liegt der spezifische Beitrag des schulischen Unterrichts weniger im Erwerb einzelner Kenntnisse (so mannigfach sie seien), als im Wagen der Einbildungskraft und dem Erproben der Aufmerksamkeit. Nicht so sehr auf das Einüben diskursiver Operationen kommt es an in den ersten neun Schuljahren – dafür ist immer noch Zeit -, sondern auf den Reichtum der Anschauung. Es geht um eine Neugewichtung des Ästhetischen in der Schule.

Das greift weit über die Scheidung von Grundschule und Gymnasium hinaus. Wir brauchen einen radikalen Paradigmenwechsels. „Das Hauptgeschäft der Erziehung“ muss nicht länger das Speichern von Informationen sein, sondern, mit Johann Friedrich Herbart, dem Begründer der Allgemeinen Pädagogik, zu reden, „die ästhetische Darstellung der Welt“.



*)
Die ab hier folgende Textmontage ist zusammengestellt aus: Wolf Singer, „Wahrnehmen ist das Verifizieren von vorausgeträumten Hypothesen“ in: Kunstforum international, Bd. 124, Nov./Dez. 1993
– ders., „Vom Gehirn zum Bewusstsein“, in: Elsner, N., u. Gerd Lüer (Hg.), Das Gehirn und sein Geist, (Göttingen?) 2000
ders., „Das Bild im Kopf – ein Paradigmenwechsel“ in: Ganten, D. (Hg.), Gene, Neurone, Qubits & Co., Stgt. u. Heidelberg 1999
ders., „Früh übt sich… Zur Neurobiologie des Lernens“ in: Mantel, G., (Hg.), Ungenutzte Potentiale, Mainz usw., 1997
ders., „Neuronale Grundlagen der Gestaltwahrnehmung“ in: Spektrum der Wissenschaft, Dossier 4/1997

Zwischenüberschriften von J. E.; alle andern redaktionellen Ergänzungen sind dunkelgrau

~ von Panther Ray - Mai 24, 2010.

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