Arbeitsgedächtnis

Im Arbeitsgedächtnis – working memory – werden kurzfristig Informationen bereit gehalten, d.h., wenn etwa jemand eine längere Zahl wie eine Telefonnummer nennt und man sich diese über murmelndes Repetieren gemerkt hat, um sie in seinem Notizbuch niederzuschreiben, dann hat man direkt nach dem Aufschreiben diese Zahl auch schon wieder vergessen. Das liegt daran, dass keine Verknüpfungen im Langzeitgedächtnis entstanden sind. Das Arbeitsgedächtnis ist auch ein neueres Verständnis des Kurzzeitgedächtnisses, zu dem die bewusste, aktive Verarbeitung von eingehenden auditiven und visuell-räumlichen Informationen sowie von Informationen aus dem Langzeitgedächtnis gehört. Hier wird durch Aktivierung neuronaler Netze etwa beim Sprechen der Anfang und die Mitte eines Satzes vorgehalten, während das Ende gerade gehört wird, wobei in diesem Zusammenspiel zwischen Arbeitsgedächtnis und aktueller Wahrnehmung eine Information über den Satzinhalt entsteht. Solche Mechanismen sind etwa auch beim Lesen oder Kopfrechnen unbedingt erforderlich.

Für die Aufrechterhaltung eines intakten Arbeitsgedächtnisses verbraucht das Gehirn viel Energie, denn durch diese grundlegende Fähigkeit des menschlichen Gehirns, sich für eine kurze Zeit Informationen zu merken, sind Menschen erst in der Lage, die sie umgebende Umwelt zu verstehen. Bei vielen psychiatrischen Erkrankungen ist dieser Mechanismus aber gestört, insbesondere im Zusammenhang mit Schizophrenie.

Zum Arbeitsgedächtnis gehören sowohl die auditiven (phonologische Schleife) als auch die visuell-räumlichen (visuell-räumlicher Notizblock) Elemente, die durch einen zentralen Exekutivprozessor koordiniert werden. Diese voneinander getrennten mentalen Untersysteme gestatten es uns, Bilder und Wörter gleichzeitig zu verarbeiten. Dies ist auch eine Erklärung dafuür, warum wir reden können (verbale Verarbeitung), während wir Auto fahren (visuell-räumliche Verarbeitung). Studien haben übrigens einen deutlichen Zusammenhang zwischen der Kapazität des Arbeitsgedächtnisses und abschweifenden Gedanken nachgewiesen, wobei das Arbeitsgedächtnis die Menschen in ihren alltäglichen Planungen dadurch unterstützt, dass diese während einer automatisch ablaufenden Betätigung an etwas anderes denken können. Die Ergebnisse zeigen auch einen Zusammenhang zwischen der Kapazität des Arbeitsgedächtnisses und freiem Gedankenlauf, denn Menschen mit größerer Kapazität des mentalen Arbeitsspeichers können ihren Gedanken während Routineaufgaben wie Erdäpfelschälen, Turnen oder Kaffeekochen freien Lauf lassen und erledigen die Aufgaben dennoch fehlerlos.  Eine begrenzte Kapazität des Arbeitsgedächtnisses erklärt übrigens, warum es so schwierig ist, sich an die Melodie eines Lieds zu erinnern, während man ein anderes hört. Schichtaufnahmen des Gehirns zeigen, dass die Frontallappen aktiv sind, wenn sich die zentrale Exekutive auf komplexes Denken konzentriert, und dass die Areale in den Parietal- und Temporallappen, die dazu beitragen, die auditiven und visuellen Informationen zu verarbeiten, auch aktiv sind, wenn sich solche Informationen in unserem Arbeitsgedächtnis befinden.
Bei Untersuchungen mittels der transkranieller Magnetstimulation konnte auch gezeigt werden, dass bei Menschen mit hoher motorischer Erregbarkeit bereits geringe Impulsstärken ausreichen, um in bestimmten Muskeln eine sichtbare Reaktion auszulösen. Auch schnitten TeilnehmerInnen mit einer hohen motorischen Erregbarkeit bei bestimmten Arbeitsgedächtnisaufgaben im Durchschnitt besser ab als Menschen mit einer niedrigen Erregbarkeit. Offensichtlich bestehen hier Zusammenhänge, die bei der Erklärung bestimmter Erkrankungen wie ADHS berücksichtigt werden sollten (Schicktanz et al., 2013).

Da das menschliche Arbeitsgedächtnis dafür verantwortlich ist, Gelerntes abzuspeichern, befürchten manche ForscherInnen, dass die neuen Technologien mit ihrer ständigen Informationsflut für das Gehirn die wichtigen Leerlaufpausen nimmt, was schließlich zur Überlastung des Arbeitsgedächtnisses führen kann. Bekanntlich ist das menschliche Gehirn auch in Phasen des Leerlaufs aktiv, denn das Gehirn ist so konstruiert, dass es immer wieder in einen weniger aktiven Zustand verfällt, was dafür grnutzt wird,  Erinnerungen zu festigen und Informationen vom Arbeitsgedächtnis in das Langzeitgedächtnis zu übertragen. Daher ist es zum Beispiel sinnvoll, während eines Lernvorganges immer wieder die Aufnahme der Informationen zu unterbrechen. Durch die Permanenz der Online-Medien gehen diese Phasen des Entspannens zunehmend verloren. In Computermodellen der Hirnfunktion wurde festgestellt, dass Menschen im Arbeitsgedächtnis nur etwa drei bis vier Dinge gleichzeitig vorhalten können, d. h., wenn man versucht, mehr aufzunehmen, wird das System überlastet und Daten gehen zwangsläufig verloren. Das kann etwa passieren, wenn man während der Arbeit twittert, chattet oder auf Facebook liest und dabei zusätzliche Informationen die Wahrnehmung überfluten, denn die über die verschiedenen Sinne einströmenden Stimuli benötigen alle die gleichen begrenzten Ressourcen im Arbeitsgedächtnis. Dadurch wird die Kapazität des Arbeitsgedächtnisses für die eigentliche Aufgabe kleiner und auch die Verarbeitung der Daten funktioniert durch Interferenzen nicht mehr reibungslos. Wenn dann auch noch der Leerlauf wegfällt, kann das Arbeitsgedächtnis diese Überlast nicht abarbeiten, als Folge gehen Informationen verloren.

Schon der Kurzzeitspeicher im modalen Gedächtnismodell Atkinsons und Shiffrins (1968, a971) war als working memory konzipiert worden, dem bei einer Fülle kognitiver Aufgaben zentrale Bedeutung im Sinne eines zeitweiligen Haltens bzw. Veränderns von Informationen zugesprochen wurde. Hiervon ausgehend entwickelte man die Idee eines aus verschiedenen Subkomponenten zusammengesetzen Kurzzeitgedächtnisses im Sinne eines „work space“, das – im Unterschied zu dem statischen Modell Atkinsons und Shiffrins – in sehr dynamischer Weise Informationen verwaltet und verarbeitet, also nicht nur zur kurzfristigen Speicherung und Verarbeitung von Informationen bzw. als temporäres und selektives „Fenster“ des Langzeitspeichers zu verstehen ist, sondern Raum für Prozesse wie Entscheidungen, Problemlösen etc. bietet. Evidenz hierfür gaben eine Reihe von Untersuchungen im dual-task-Paradigma, bei denen Probanden zum einen mit das Kurzzeitgedächtnis belastenden und „ausfüllenden“ Gedächtnisspannenversuchen und gleichzeitig zum Beispiel mit einer Entscheidungsaufgabe konfrontiert wurden. Interessanterweise führten solche Versuche keineswegs zu katastrophalen Ergebnissen bei mindestens einer dieser Aufgaben, wie nach dem modalen Gedächtnismodell zu erwarten gewesen wäre, zwar stieg die Bearbeitungszeit deutlich in Abhängigkeit von der in der Gedächtnisspannenaufgabe verwandten Anzahl von Items, die Fehlerquote blieb konstant gering.

[Quelle: http://www.regiosurf.net/supplement]

Nicole Alps (2014) bringt in ihrem Zeitzuleben-Artikel über das Arbeitsgedächtnis einen trefflichen Vergleich, mit dem man sich den Prozess des Arbeitsgedächtnisses vorstellen kann: „Das Arbeitsgedächtnis funktioniert ähnlich wie ein Federballspiel. Der Reiz, z. B. etwas, das wir hören, oder etwas, das wir sehen, aktiviert bestimmte Neuronen in der Region, die für das Sehen oder Hören zuständig ist. Im Bild des Federballspiels berührt der Federball das Netz des Schlägers. Von dieser Stelle aus wird der Reiz, also das, was wir sehen oder hören, an den Präfrontalkortex weitergeleitet und aktiviert dort das Arbeitsgedächtnis. Der Ball wird also von einem Schläger zum nächsten gespielt und berührt nun das Netz des anderen Schlägers. Von dort aus wird der Reiz aufrechterhalten. Das funktioniert, indem der Reiz immer wieder zwischen Arbeitsgedächtnis und der Stelle, an der der Reiz zuerst aufgenommen wurde, hin- und hergefeuert wird. Wie bei einem gut laufenden Federballspiel wird der Ball immer wieder hin- und hergespielt. Sieht man beispielsweise ein Buch in einem Schaufenster, dessen Titel man sich merken möchte, wird die Sehrinde im Gehirn durch diesen Reiz angesprochen. Dieser Reiz wird dann wiederum auf das Arbeitsgedächtnis übertragen. Das Arbeitsgedächtnis merkt sich dieses Bild, indem der Reiz nun immer wieder zwischen Sehrinde und Arbeitsgedächtnis hin- und hergefeuert wird. Solange das passiert, behalten wir das Gesehene oder Gehörte im Gedächtnis. Bricht der Vorgang des Aufrechterhaltens, also dieses Hin- und Herfeuerns, ab, ist auch die Erinnerung weg. Wie in einem Federballspiel, wenn der Ball zu Boden fällt. Zum Beispiel durch einen Windstoß. Bei unserer Erinnerung kann so ein Windstoß etwas Unerwartetes sein, das uns unterbricht. Wenn das Telefon klingelt, jemand uns anspricht, wir etwas anderes sehen oder hören. Das ist dann der Moment, in dem wir das Buch vergessen oder das, was wir einkaufen wollten, oder dass wir noch jemandem zum Geburtstag gratulieren wollten.“

Das Inferenzmodell

Das Arbeitsgedächtnis stellt also aus seinem Speicher Informationen zur Verfügung, die je nach Bedarf zur zielgerichteten Verarbeitung ausgewählt werden. Zielgerichtetes Verhalten setzt ein funktionierendes Arbeitsgedächtnis voraus, indem nicht nur die momentanen Informationen dem Verhalten zugrunde liegen, sondern Reaktionen allein auf der Grundlage von vorausgegangenen Informationen erfolgen können. Da der Arbeitsspeicher eine begrenzte Kapazität aufweist, die bei jedem Menschen unterschiedlich ist, lässt sich erklären, warum manche Menschen intelligenter sind und zum Beispiel etwas besser Verstehen oder Aufgaben besser lösen können als andere. Eines der wichtigsten Ziele der Kognitionspsychologie beinhaltet die Erklärung, warum unser Speicher im Arbeitsgedächtnis nur begrenzt Informationen aufnehmen kann. Es gibt vier Hypothesen, die versuchen, das Vergessen von Informationen im Arbeitsgedächtnis zu beschreiben (Kliegl & Oberauer, 2010):
Die Spurenzerfallshypothese: Werden Informationen im Arbeitsgedächtnis nicht ständig wiederholt, so besteht die Wahrscheinlichkeit, dass diese Informationen sich mit der Zeit aus dem Gedächtnis gelöscht werden (Kliegl & Oberauer, 2010).
Die Ressourcenhypothese: Es wird angenommen, dass für jedes neu gespeicherte Wissen eine Ressource in unserem Arbeitsgedächtnis vorhanden ist, die zunächst die Informationen aufnimmt, um sie für eine Weile abrufbereit zu halten. Werden jedoch auf derselben Ressource zu viele Informationen auf einmal gespeichert, so haben die Repräsentationen kaum noch einen Platz und werden nicht vollständig abgespeichert. Aus diesem Grund können die Informationen immer schlechter abgerufen werden (Kliegl & Oberauer, 2010).
Interferenz durch Verwechslung: Bei der Form der Enkodierung der Informationen durch Abruf-Hinweise (Cues) werden Inhalte auf Grund einer mehrmaligen Verknüpfung unterschiedlicher Informationen mit demselben Abruf-Hinweis vergessen, da diese Informationen als relativ ähnlich eingestuft werden und von den anderen einfach überschrieben werden (Kliegl & Oberauer, 2010).
Interferenz durch Überschreiben: Bei dieser Form werden Repräsentationen von Merkmalen durch andere Repräsentationen, die mit den Merkmalen der ersten Repräsentationen etwas gemeinsam haben, partiell überschrieben (Kliegl & Oberauer, 2010).

Beim Inferenzmodell werden neue Informationen enkodiert, indem sie auf einen Merkmalsvektor ein entsprechendes Muster in der Merkmalsschicht aktiviert, das den Wert 1 für „aktiv“ oder 0 für „Merkmal abwesend“ besitzt. Mittels Kontext-Repräsentationen wie Positions-Codes kann eine Vielzahl von Informationen auf diesem Vektor getrennt gehalten werden, jedoch kann es immer wieder zum Vergessen einzelner enkodierter Informationen im Arbeitsgedächtnis kommen. Das Inferenzmodell besteht aus vier Schichten eines neuronalen Netzwerks, das jeweils diesen Vektor mit einer Vielzahl enkodierter Informationen enthält und nur von einer Schicht zur anderen durch eine bestimmte Verbindung aktiviert werden kann. Eine Form dieser Verbindung kann durch statistische Verknüpfungsgewichte erfolgen, wie zum Beispiel durch Assoziationslernen. Als eine weitere Form kann die Verbindung durch synchron feuernde Einheiten hergestellt werden, die entweder zusammen gehören und gleichzeitig feuern oder unzusammenhängend sind und zu unterschiedlichen Zeitpunkten feuern.  Die erste Schicht wird als Kontextschicht bezeichnet, in der ein bestimmter Abruf-Hinweis in einem bestimmten Kontext gespeichert wird. Nachfolgend werden in der zweiten Schicht jeweils zwei Merkmalseinheiten an den Kontext gebunden, wobei jeweils eine Merkmalseinheit verloren geht, da die nicht-aktiven Merkmalseinheiten nicht befeuert werden. Nur die Merkmalseinheiten, die synchron mit einer stark feuernden Kontext-Einheit feuern, leiten ihre Aktivierung in die Fokusschicht weiter. Diese wird als Fokusschicht bezeichnet, da die enkodierte Information in dieser Schicht im Fokus der Aufmerksamkeit steht. Eine Form dieser Verbindung kann durch statistische Verknüpfungsgewichte erfolgen, wie zum Beispiel durch das Assoziationslernen. Als eine weitere Form kann die Verbindung durch synchron feuernde Einheiten hergestellt werden, die entweder zusammen gehören und gleichzeitig feuern oder unzusammenhängend sind und zu unterschiedlichen Zeitpunkten feuern. In der vierten Schicht wird dann das Ergebnis, das sich aus der Fokusschicht ergeben hat, repräsentiert und wird daher als Ergebnisschicht bezeichnet. Bevor das Ergebnis tatsächlich in der vierten Schicht repräsentiert wird, müssen zuerst vier freie Parameter berücksichtigt werden, die das Ergebnis in den unteren möglicherweise verändert haben: „Der mittlere Anteil überlappender Merkmale zwischen zwei Inhaltselementen, C, die Verarbeitungsrate für die Gedächtnisabruf und Rechenoperation bei Gedächtnisbelastung >1, r, die Verarbeitungsrate bei Gedächtnisbelastung = 1, r1, und die Standardabweichung des systeminternen Rauschens“ (Kliegl & Oberauer, 2010, S. 37). Es hat sich gezeigt, dass sich junge von älteren Erwachsene in den Parametern der Merkmalsüberschreibungen und der Standardabweichung des systemischen Rauschens, jedoch nicht in den anderen zwei Parametern, erheblich unterscheiden (Kliegl & Oberauer, 2010).
Neben dem Inferenzmodell, dass die Begrenzung des Arbeitsgedächtnisses durch Überschreiben von Merkmalen und „crosstalk“ begründet ist, gibt es noch zwei weitere Entwicklungen des Modells: eine Doppelaufgabe zwischen Speichern und Verarbeiten in komplexen Spannenaufgaben, in der sich das Enkodieren und Wiedergeben der Informationen abwechseln und zu einer schlechteren Wiedergabeleistung führen können und die Annahme eines „crosstalks“ zwischen Objekten in benachbarten Phasen, bei der die Merkmale und Kontexte jedes Objekts gleichzeitig feuern, wenn mehrere Objekte gleichzeitig im Arbeitsgedächtnis enkodiert werden sollen (vgl. Kliegl & Oberauer, 2010).

Literatur
Alps, N. (2014). Aus der Gehirnforschung: Ihr Arbeitsgedächtnis – wie Sie weniger vergessen.
WWW: http://www.zeitzuleben.de/29507-aus-der-gehirnforschung-ihr-arbeitsgedaechtnis-wie-sie-weniger-vergessen/ (14-08-17)
Klein, K.-M. (1995). Experimentelle Untersuchungen zu zwei Invarianzhypothesen des Kurzzeitgedächtnisses. Bonn: Pace.
Kliegl, R. & Oberauer, K. (2010). Inferenz im Arbeitsgedächtnis: Ein formales Modell.  Psychologische Rundschau, 10, 33-41.
Schicktanz, Nathalie et al. (2013). Motor threshold predicts working memory performance in healthy humans. Annals of Clinical and Translational Neurology, doi.org/10.1002/acn3.22.



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