Lernen Spezial Wissen in den Kissen

Der Mensch schläft, aber im Oberstübchen brennt noch Licht

Eines gleich vorweg: In diesem Artikel geht es nicht um phänomenale Lernsysteme, bei denen man sich im Schlaf Kopfhörer aufsetzt und am nächsten Tag hundert neue englische Vokabeln beherrscht. Das ist etwa so wirkungsvoll wie das Lexikon, das man sich unters Kopfkissen legt. Im Schlaf kann man nichts lernen, was einem nicht schon im Wachzustand begegnet wäre. Dennoch ist der Schlaf mehr als hilfreich für das Lernen, er ist dafür notwendig. So manche Lernanstrengung verpufft, wenn ihr nicht eine Nacht mit gesundem Schlaf folgt.

Hirnforscher sind inzwischen in der Lage, die Wirkung des Schlafs auf das Lernen sehr detailliert nachzuweisen – bei Menschen und bei Tieren. Letzteren können sie auch Elektronen ins Hirn pflanzen und dann zusehen, wie der Vogel oder die Ratte im Schlaf die Erlebnisse des Tages verarbeiten. Man schaut den Tieren regelrecht beim Träumen zu.

Die innere Spur der Erfahrung

Was versteht man physiologisch unter Lernen? Was ist Gedächtnis, körperlich betrachtet? „Gedächtnis ist die innere Spur der Erfahrung“, sagt der Psychologe Matthew Wilson vom Massachusetts Institute of Technology (MIT), der bei Ratten nach diesen Spuren sucht. Nüchterner formuliert es der Lübecker Psychologe Jan Born: „Gedächtnis drückt sich in der Konstanz eines Sollwerts aus.“ Der Körper lernt, auf einen Input mit einem Output zu reagieren. So weit gefasst, hat auch das Immunsystem ein Gedächtnis, weil es sich merkt, wie es auf bestimmte Erreger zu reagieren hat. Und auch für dieses Gedächtnis gilt: Es reicht nicht aus, eine Erfahrung zu machen, diese Erfahrung muss konsolidiert werden, und das geschieht vorwiegend im Schlaf. Lübecker Schlafforscher haben beispielsweise Probanden nach einer Hepatitis-A-Impfung in der ersten Nacht am Schlafen gehindert – nach vier Wochen wiesen diese nur halb so viele Antikörper gegen den Gelbsuchterreger auf wie andere Versuchsteilnehmer, die schlafen durften.

Aber bleiben wir bei dem, was für gewöhnlich unter Lernen verstanden wird, der Aneignung von Fähigkeiten oder Wissen. Den frappierendsten Beweis dafür, dass Schlaf zum Lernen nötig ist, findet man beim so genannten prozeduralen Lernen. Dabei geht es um das Einprägen von Bewegungsmustern und körperlichen Abläufen, bei denen das Bewusstsein weitgehend ausgeschaltet ist. Wer etwa „automatisch“ Auto fährt oder Ski läuft, nutzt prozedurales Wissen. Im Alltag ist das prozedurale Lernen gar nicht so leicht zu trennen von seinem Gegenstück, dem deklarativen Lernen, das über das Bewusstsein vermittelt wird. Die Fahrschülerin etwa muss am Anfang noch ganz bewusst und deklarativ den Gang einlegen, die Kupplung kommen lassen und dabei vorsichtig Gas geben. Später läuft das alles wie von selbst, und auch nach Jahren noch können wir uns in ein Auto setzen und ganz selbstverständlich losfahren, ohne darüber nachzudenken.

In Experimenten zum prozeduralen Lernen sind die Hirnforscher dabei auf einen erstaunlichen Effekt gestoßen: Unbewusste Lernleistungen lassen sich über Nacht deutlich steigern. Robert Stickgold von der Harvard-Universität ließ zum Beispiel seine Versuchspersonen in einem regelmäßigen Strichmuster auf einem Bildschirm Unregelmäßigkeiten entdecken. Um das Ganze möglichst wenig bewusst ablaufen zu lassen, wird der Bildschirm so positioniert, dass er am Rand des Gesichtsfelds liegt. Stickgolds Ergebnis: Üben die Patienten tagsüber, dann wird ihre Reaktionszeit immer kürzer, sie „entwickeln eine Lernkurve“. Wenn sie anschließend eine Nacht lang schlafen, dann ist am nächsten Morgen ihre Leistung sprunghaft angestiegen – so als hätte das Gehirn in der Nacht weitergeübt! Der Effekt lässt sich auch Tage nach dem Versuch noch nachweisen. Hindert man die Versuchspersonen dagegen am Schlafen in der ersten Nacht, so bleibt der Lerneffekt aus – unwiderruflich, der Schlaf lässt sich auch in der zweiten Nacht nicht „nachholen“. Offenbar ist der Schlaf unmittelbar nach der Übung entscheidend für den Lernerfolg.

Das prozedurale Lernen spielt sich im so genannten Neocortex des Gehirns ab und ist ein sehr elementarer Vorgang. Nach heutiger Kenntnis werden dabei die Verbindungen in einem Netz von Neuronen für eine bestimmte Aufgabe optimiert. Das geschieht im Wesentlichen durch Wiederholung. „Der Neocortex lernt nur, indem man ihm etwas immer wieder einhämmert“, formuliert es Jan Born. Zur ständigen Übung, die den Meister macht, gibt es offenbar keine Alternative. Mit Medikamenten ist es zwar gelungen, den prozeduralen Lernvorgang zu unterdrücken, aber eine Pille, mit der man leichter Skifahren oder Klavierspielen lernt, wird es in absehbarer Zeit nicht geben.

Dass das Hirn tatsächlich während der Nacht weiterübt, lässt sich am Menschen direkt nur schwer beobachten. Ein Indiz dafür, dass die Prozesse des Tages nachts weiter laufen, sind Versuche von Robert Stickgold, bei denen Personen, die am Tag stundenlang das Computerspiel Tetris üben mussten, kurz nach dem Einschlafen aufgeweckt wurden. Schlaftrunken berichteten sie von fallenden Bauklötzen und geometrischen Formen – also just von dem, was in dem beliebten Spiel passiert. Selbst Patienten, die aufgrund eines Hirnschadens keine Erinnerungen an die Ereignisse des Tages speichern konnten, hatten solche Traumbilder.

Komplizierter ist die Situation beim deklarativen Lernen. Da müssen neue Erfahrungen mit bereits vorhandenem Wissen zusammengeführt werden. „Um das zu verstehen, muss man sich die Gedankeninhalte direkt ansehen“, sagt Matthew Wilson. „Und da kommen unsere Elektroden ins Spiel.“ Denn nicht nur Menschen, auch Tiere lernen deklarativ – etwa Ratten, die sich in einem mehr oder weniger komplizierten Labyrinth zurechtfinden müssen. Wilson und sein Team am MIT trainierten ihre Versuchsnager auf eine vergleichsweise einfache Aufgabe hin: Sie durchliefen einen quadratischer Gang, an dessen vier Ecken sich je eine Futterstelle befand. Allerdings gab es nicht jedes Mal etwas zu knabbern, sondern die Tiere müssen jeweils eine Dreiviertelrunde drehen, dann gab die Futterstelle Essen heraus.

Die Ratten lernten diese Aufgabe relativ schnell und brauchten etwa 90 Sekunden für drei Runden mit vier kleinen Mahlzeiten. Mit Elektroden wurden die Hirnströme aus dem Hippocampus der Tiere abgeleitet – dem Hirnareal, das die wichtigste Rolle beim deklarativen Lernen spielt. Wilson fand dabei ein charakteristisches Muster, das so konsistent war, „dass man tatsächlich allein durch einen Blick darauf den Aufenthaltsort der Ratte im Labyrinth bestimmen kann“.

Dann leiteten die Forscher die Hirnströme der Ratten im Schlaf ab. Dort entdeckten sie in der so genannten REM-Phase – bei der Mensch und Tier heftige Augenbewegungen machen und stark träumen – dieselben Muster wie am Tag. „Die Ratte lief also im Schlaf noch einmal durch das Labyrinth“, berichtet Wilson. „Es fehlte nur die Bewegung der Gliedmaßen.“ Das Wort „Traum“ vermeiden seriöse Forscher allerdings in diesem Zusammenhang und sprechen lieber von „Verarbeitung von Erinnerungen“. Denn als Traum bezeichnen wir immer nur ein Erlebnis im Schlaf, an das wir uns erinnern – die meisten Hirnaktivitäten der Nacht sind dem Menschen jedoch nicht bewusst. Von der Ratte ganz zu schweigen.

Träume auf dem Bildschirm

Eine interessante weitere Beobachtung machte Matthew Wilson bei seinen Rattenexperimenten: Nicht immer sah das Hirnmuster der Nager in der Nacht exakt so aus wie am Tag. Es gab auch Sprünge darin – so, als würde der Lauf der Ratte an einer Stelle im Labyrinth abbrechen und an einer anderen wieder anfangen. Probiert das Tier im Schlaf alternative Lösungen aus? Vielleicht können Wilson und seine Kollegen diese Frage beantworten, wenn sie sich als Nächstes den Neocortex der Tiere im Schlaf ansehen – dort wird die Hirnaktivität in Bilder umgesetzt. „Als Kind war ich ein Fan von billigen Science-Fiction-Filmen“, erzählt der MIT-Forscher. „In einem dieser Filme setzte ein Wissenschaftler den Menschen ein Gerät auf den Kopf, und dann konnte er auf einem Fernsehschirm ihre Träume anschauen. Das fand ich wirklich cool. Und 30 Jahre später mache ich genau das.“

Der Hippocampus, in dem sich die interessantesten Prozesse beim deklarativen Lernen abspielen, ist eine stammesgeschichtlich alte Hirnregion. „Er strukturiert das Gelernte und bringt auch weit auseinander liegende Neuronen-Netze zusammen“, beschreibt Jan Born dessen Funktion. Auch dabei ist der Schlaf offenbar notwendig, allerdings ist nicht allein die erste Nacht ausschlaggebend für den Lernerfolg. Den Grund sieht Jan Born darin, dass dieser komplexe Lernprozess länger dauert. Schlafentzug in der ersten Nacht verhindert also das Lernen nicht vollständig.

Wie wichtig der Schlaf trotzdem für den Erfolg des deklarativen Lernens ist, wiesen die Lübecker Schlafforscher mit einem anderen Experiment nach: Der Tiefschlaf, auch Delta-Schlaf genannt, ist gekennzeichnet durch ein sehr niedriges Niveau des Stresshormons Cortisol. Die Forscher konnten zeigen, dass man die deklarative Gedächtnisbildung blockieren kann, indem man dem Schlafenden geringe Mengen Cortisol verabreicht.

Aber kann man aus solchen Erkenntnissen irgendwelche praktischen Schlüsse ziehen? Jan Born ist zurückhaltend mit konkreten Lerntipps, aber ein paar Ratschläge kann er doch geben: Zum Beispiel, dass man noch mehr Wert darauf legen sollte, dass Kinder ausreichend nächtlichen Schlaf bekommen – ein allgemeiner Schulbeginn um 9 statt um 8 Uhr wäre seiner Meinung nach sinnvoll. Oder dass man die Lernphasen näher an die Schlafphasen legt – vielleicht ist es gar nicht so schlecht, wenn ein Kind seine Hausaufgaben am Abend macht. Studenten, die sich auf eine Prüfung vorbereiten, kann man den Rat geben, dass eine durchpaukte Nacht vielleicht kurzfristigen Erfolg in einer Prüfung bringen kann, aber auf lange Sicht wenig nützt.

Der Lübecker Schlafforscher meint auch, dass man das oft propagierte „lebenslange Lernen“ in nüchternerem Licht sehen muss: Um das 40. Lebensjahr herum, sagt der 44-Jährige, nehme der lernfördernde Delta-Schlaf beim Menschen rapide ab – mit entsprechenden Folgen für die Langzeitspeicherung beim deklarativen Lernen. Ältere Menschen könnten diese hormonell bedingte Lernschwäche zwar teilweise dadurch kompensieren, dass sie aufgrund ihrer Erfahrung effektiver Wichtiges von Unwichtigem unterscheiden können, aber generell lernt Hans tatsächlich nimmermehr, was Hänschen nicht gelernt hat. Es sei denn, die Pharmaindustrie entwickelt die Wunderpille, die älteren Menschen den Kinderschlaf und die damit einhergehende Formbarkeit des Gehirns zurückbringt.