Das Gehirn, die Schaltzentrale des Körpers, ist ein faszinierendes Organ von immenser Komplexität und Plastizität. Es verarbeitet Sinneseindrücke, speichert Erinnerungen und steuert unsere Bewegungen. Doch wie genau funktioniert das Lernen im Gehirn? Und was passiert, wenn Teile des Gehirns beschädigt oder entfernt werden? Dieser Artikel beleuchtet die neuesten Erkenntnisse der Hirnforschung zu diesen Fragen und zeigt, wie das Gehirn in der Lage ist, sich anzupassen, zu kompensieren und sogar mit nur einer Hälfte zu funktionieren.
Lernprozesse im Gehirn: Ein Zusammenspiel von Stabilität und Flexibilität
Die Rolle der extrazellulären Matrix
Lernprozesse im Gehirn sind dynamische Prozesse, die sowohl Stabilität als auch Flexibilität erfordern. Eine Schlüsselrolle spielt dabei die extrazelluläre Matrix, eine Gelstruktur aus Proteinen und Zuckermolekülen, die die Nervenzellen umgibt. Diese Matrix stabilisiert die Verbindungen zwischen den Neuronen und sichert so langfristig Gelerntes.
Allerdings kann diese stabilisierende Matrix auch hinderlich sein, wenn es darum geht, neue Dinge zu lernen. Forscher am Leibniz-Institut für Neurobiologie (LIN) Magdeburg haben herausgefunden, dass das Aufbrechen dieser Matrix die Kommunikation zwischen den Zellen verstärkt - auch über weite Entfernungen. Dieser Mechanismus ermöglicht es dem Gehirn eines Erwachsenen, neue Verbindungen zu bilden und zu lernen.
Experimente mit Wüstenrennmäusen
Um den Einfluss der extrazellulären Matrix auf die Verarbeitung von Sinnesinformationen zu untersuchen, führten die Wissenschaftler Experimente mit Wüstenrennmäusen durch. Sie spielten den Tieren Töne vor und maßen gleichzeitig die Aktivität von Tausenden von Nervenzellen in der Hörrinde, dem Teil des Großhirns, in dem akustische Informationen verarbeitet werden.
Die Ergebnisse zeigten, dass die Matrix zwischen den Nervenzellen die Kommunikation zwischen nahen Nachbarn in der Hörrinde erwachsener Tiere verstärkt. Dies stabilisiert Verbindungen, die sich im Laufe der frühen Erfahrungen gebildet haben und sich als sinnvoll erwiesen haben. Allerdings limitiert die Matrix auch die Bildung neuer Verbindungen und erschwert so Lernprozesse im erwachsenen Gehirn.
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Abbau der Matrix für mehr Flexibilität
Um den Effekt der Matrix genauer zu untersuchen, injizierten die Forscher den Mäusen ein spezielles Enzym, das die Matrix-Strukturen zwischen den Nervenzellen in der Hörrinde reduzierte. Dabei wurden die Zellen selbst oder ihre Kontaktstellen nicht geschädigt.
Das Ergebnis war, dass allein die Verringerung der stabilisierenden Matrix die Kommunikation zwischen vielen Nervenzellen förderte - auch über größere Distanzen im Gehirn. Dies deutet darauf hin, dass der teilweise Abbau der Matrix auch im Gehirn von Erwachsenen Lernprozesse erleichtern kann.
Dopamin und die Balance zwischen Stabilität und Flexibilität
Frühere Studien haben bereits gezeigt, dass der Botenstoff Dopamin, der für das Lernen wichtig ist, körpereigene Enzyme aktiviert, die die extrazelluläre Matrix im Gehirn teilweise abbauen. Nach dem Lernen wird diese Matrix wieder aufgebaut, um neu Gelerntes langfristig abzuspeichern und zu stabilisieren.
Durch die richtige Balance der Molekülketten zwischen den Nervenzellen scheint das Gehirn sowohl die Stabilität von bereits Gelerntem als auch die Flexibilität für neu Gelerntes zu gewährleisten.
Mögliche Anwendungen bei Hirnerkrankungen
Die Forscher wollen nun herausfinden, ob diese Erkenntnisse neue Ansätze bei der Behandlung von Hirnerkrankungen ermöglichen. Bei Angststörungen oder Suchterkrankungen entstehen beispielsweise unerwünschte Verbindungen zwischen Nervenzellen. Der gezielte Abbau der extrazellulären Matrix könnte helfen, diese Verbindungen zu lösen und neue, gesündere Verbindungen zu fördern.
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Der Hippocampus: Mehr als nur ein Kurzzeitgedächtnis
Die Rolle des Hippocampus beim Lernen
Der Hippocampus, eine Struktur im Gehirn, die einem Seepferdchen ähnelt, spielt eine entscheidende Rolle bei der Überführung von bewusst gelernten Gedächtnisinhalten, wie z. B. neuen Vokabeln, vom Kurz- ins Langzeitgedächtnis. Bisher gingen Forscher davon aus, dass der Hippocampus nicht an allen Gedächtnisleistungen beteiligt ist und z. B. motorische Fähigkeiten wie Klavierspielen ohne sein Zutun gelernt werden können.
Neue Erkenntnisse aus Rattenexperimenten
Eine neue Studie mit Ratten hat jedoch gezeigt, dass auch bei der Formung von Inhalten des Langzeitgedächtnisses, die ursprünglich ohne Beteiligung des Hippocampus entstanden waren, im Schlaf auf den Hippocampus zurückgegriffen wird.
In den Experimenten lernten die Ratten entweder in einem Hippocampus-unabhängigen Prozess neue Objekte zu erkennen oder sie sollten sich beim Hippocampus-abhängigen Lernen die Positionen von ihnen gut bekannten Objekten in einem Raum merken. Anschließend wurden sie zwei Stunden lang entweder schlafen gelassen oder wach gehalten. Danach wurde ihr Gedächtnis getestet.
Die Ergebnisse zeigten, dass das Hippocampus-abhängige Lernen der räumlichen Positionen durch Schlaf gefestigt wurde. Die Ratten, die geschlafen hatten, erzielten bessere Ergebnisse beim Erinnerungsvermögen als die Ratten, die wach geblieben waren. Beim Gedächtnis für die Objekte zeigte sich der Vorteil einer Schlafphase erst nach drei Wochen.
Der Hippocampus als übergeordnete Instanz
Die Studie deutet darauf hin, dass der Hippocampus eine übergeordnete Instanz bei jeder Art der Bildung eines Langzeitgedächtnisses ist. Zwar laufen einige Lern- und Gedächtnisleistungen in eigenen Systemen ab, doch der Hippocampus ist notwendig, um die Inhalte ins Langzeitgedächtnis zu überführen.
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Leben mit einer Gehirnhälfte: Die erstaunliche Kompensationsfähigkeit des Gehirns
Hemisphärektomie: Ein drastischer Eingriff mit überraschenden Ergebnissen
Manchmal ist es notwendig, eine komplette Gehirnhälfte zu entfernen, um bestimmte Formen schwerster Epilepsie zu behandeln. Dieser Eingriff, der als Hemisphärektomie bezeichnet wird, hat natürlich schwerwiegende Folgen für die kognitiven Fähigkeiten. Doch in einigen Fällen können Betroffene erstaunlich gut damit leben und sogar wie gesunde Menschen denken und sprechen.
Das Gehirn kompensiert den Verlust
Wie ist das möglich? Das Gehirn ist in der Lage, den Verlust einer Hemisphäre zu kompensieren, indem es in der verbleibenden Gehirnhälfte ungewöhnlich starke Verknüpfungen zwischen unterschiedlichen Hirn-Netzwerken ausbildet.
Forscher haben die Gehirnaktivität von Menschen mit nur einer Hirnhälfte mithilfe der funktionellen Magnetresonanztomografie (fMRT) untersucht. Dabei stellten sie fest, dass die Gehirnaktivität in den Hirnhälften der Probanden mit nur einer Hirnhälfte und denen mit zwei Hemisphären frappierend ähnlich war. Beide Gruppen zeigten innerhalb der Hirnhälften eine ausgeprägte und vergleichbare Verknüpfung von Bereichen, die typischerweise einem funktionellen Netzwerk zugeschrieben werden.
Funktionelle Reorganisation als Grundlage für Kompensation
Die erhöhte Kommunikation zwischen einzelnen Hirn-Netzwerken könnte ein wichtiger Kompensationsmechanismus sein. Womöglich ist es diese funktionelle Reorganisation, die die Grundlage für den Erhalt der kognitiven Fähigkeiten nach dem Verlust einer Gehirnhälfte bildet.
Grenzen der Kompensation
Es ist jedoch wichtig zu betonen, dass die Kompensationsfähigkeit des Gehirns nicht unbegrenzt ist. Manchmal kann schon eine kleine Gehirnverletzung, etwa durch einen Schlaganfall, einen Unfall oder einen Tumor, dramatische Folgen haben. Die Forschung konzentriert sich daher darauf, zu verstehen, unter welchen Bedingungen sich das Gehirn reorganisieren und den Verlust einzelner Strukturen kompensieren kann.
Ein Fallbeispiel: Leben mit einem halben Gehirn
Ein eindrucksvolles Beispiel für die Kompensationsfähigkeit des Gehirns ist der Fall eines Mannes, der sein Leben lang mit nur einer funktionierenden Gehirnhälfte lebte, ohne es zu wissen. Bei einer Routineuntersuchung im Hirnscanner stellten die Ärzte fest, dass eine riesige Zyste die eine Hirnhälfte fast komplett verdrängte. Der Mann hatte jedoch ein völlig normales Leben geführt und war in keiner Weise eingeschränkt.
Dieses Beispiel zeigt, dass unser Gehirn zu beachtlichen Umbaumaßnahmen fähig ist. Sowohl angeborene als auch später erworbene Schäden kann es bis zu einem gewissen Grad kompensieren oder gar reparieren.
Die Bedeutung der Hirnasymmetrie
Funktionelle Unterschiede zwischen den Hemisphären
Obwohl das Gehirn in zwei Hälften geteilt ist, ist es nicht genau spiegelbildlich. Manche Funktionen werden eher auf der linken Seite verarbeitet, andere eher auf der rechten - und das bei jedem Menschen ein bisschen anders.
Die beiden Hemisphären sind auf unterschiedliche Funktionen spezialisiert. So wird beispielsweise die Aufmerksamkeit bei den meisten Menschen überwiegend in der rechten Hemisphäre verarbeitet, die Sprache überwiegend in der linken. Diese Aufteilung ermöglicht es dem Gehirn, die Arbeit besser zu verteilen und das Aufgabenspektrum insgesamt zu erweitern.
Individuelle Unterschiede in der Hirnasymmetrie
Die Lateralisation, also die Tendenz, dass Hirnregionen Funktionen eher in der linken oder rechten Hirnhälfte verarbeiten, ist von Mensch zu Mensch unterschiedlich ausgeprägt. Selbst bei Personen, bei denen die Funktionen im Gehirn prinzipiell klassisch angeordnet sind, ist die Asymmetrie unterschiedlich stark ausgeprägt.
Frühere Studien hatten gezeigt, dass sich dies wiederum auf die Fähigkeiten selbst auswirken kann. Eine zu geringe Asymmetrie der Sprachareale auf der linken Hirnseite wird beispielsweise als eine mögliche Ursache für Legasthenie vermutet. Auch bei Krankheiten wie Schizophrenie und Autismus-Spektrum-Störungen oder Hyperaktivität bei Kindern wird eine zu schwache Aufgabenteilung zwischen den beiden Hirnhälften in Zusammenhang gebracht.
Genetische und umweltbedingte Einflüsse
Forscher haben nun untersucht, wie sich Asymmetrien entlang von funktionellen Gradienten entwickeln, d. h. entlang von Achsen in der Großhirnrinde, an der sich die Hirnfunktionen anordnen. Das Ergebnis: Es gibt tatsächlich feine Unterschiede darin, wie Hirnregionen unterschiedlicher Funktionen auf der linken und rechten Seite des Gehirns aufreihen.
Die individuellen Unterschiede in dieser Anordnung sind zum Teil genetisch bedingt. Ein Großteil dieser Asymmetrie im menschlichen Gehirn lässt sich jedoch nicht durch genetische Faktoren erklären. Dies deutet darauf hin, dass die persönliche Erfahrung und die Einflüsse aus der Umwelt eine wichtige Rolle spielen.
Menschliches Gehirn asymmetrischer als das von Affen
Der Vergleich mit Makaken brachte schließlich zutage: Das Gehirn des Menschen ist asymmetrischer als das von Affen. "Vermutlich ergibt sich die Asymmetrie unseres Gehirns aus genetischen Faktoren und solchen, die sich aus persönlichen Erfahrungen ergeben", erklärt Bin Wan, Doktorand am Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften.
Bedeutung für Entwicklungsstörungen
Die Forscher wollen nun verstehen, welche Rolle diese feinen Unterschiede zwischen linker und rechter Hemisphäre spielen und wie sie mit verschiedenen Entwicklungsstörungen zusammenhängen könnten. Wenn wir verstehen, wie Asymmetrie vererbt wird, lässt sich auch besser einschätzen, welche Bedeutung genetische und umweltbedingte Faktoren generell für dieses Phänomen haben. Vielleicht können wir dann herausfinden, wo etwas schiefläuft, wenn genau dieser Unterschied zwischen links und rechts gestört ist.
Die Durchtrennung des Balkens: Split-Brain-Forschung und ihre Erkenntnisse
Callosotomie: Ein Verfahren zur Behandlung schwerer Epilepsie
In den 1960er Jahren führte der US-amerikanische Neurobiologe Roger Sperry als einer der ersten eine Operation durch, bei der die Verbindung zwischen den beiden Hirnhälften, der Balken bzw. das Corpus callosum, durchtrennt wurde. Dieses Verfahren, die Callosotomie, wurde bei Patienten mit schwerer Epilepsie angewendet, um zu verhindern, dass sich ein Anfall von einer Hirnhälfte in die andere überträgt.
Sperrys Forschung zur Spezialisierung der Hirnhälften
Sperry erforschte jahrelang, welche Folgen die Durchtrennung des Balkens für die Patienten hatte und was sich daraus über die Spezialisierung der Hirnhälften erfahren ließ. Dafür bekam er 1981 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin.
Split-Brain-Patienten: Merkwürdiges Verhalten und neue Erkenntnisse
Nach den Operationen konnten die Patienten endlich ohne die mitunter lebensbedrohlichen Anfälle leben. Manche dieser so genannten Split-Brain-Patienten verhielten sich jedoch merkwürdig. In einem Fall wollte die rechte Hand die Hose hochziehen, die linke Hand wollte die Hose herunterziehen. In einem anderen Fall griff ein Mann seine Frau mit der linken Hand an, während die rechte Hand zugleich versuchte, die Frau zu schützen.
Sperry und sein Assistent Michael Gazzaniga entwickelten daraufhin Tests, um die Folgen der Split-Brain-Operationen näher zu untersuchen. Sie stellten fest, dass die Hirnhälften außerordentlich spezialisiert sind. Die linke Seite ist eher für Analytisches und Sprachliches zuständig, die rechte Seite ist besser in räumlicher Wahrnehmung und Musik.
Grenzen der Kommunikation zwischen den Hirnhälften
Bei Split-Brain-Patienten können die beiden Hirnhälften nicht mehr miteinander kommunizieren. Die Informationen aus dem linken Gesichtsfeld gelangen so nur in die rechte Hirnhemisphäre. Umso erstaunlicher ist, dass Patienten trotzdem die nur dem linken Gesichtsfeld präsentierte Gabel mit einem Begriff auf einer Liste verbinden konnten: Ihre rechte Hirnhälfte sei doch nicht „Wort-blind“ noch „Wort-stumm“ - nur nicht so sprachbegabt wie die linke Hirnhälfte.
Bedeutung für die Hirnforschung
Die Entdeckungen von Roger Sperry, seinem Assistenten Gazzaniga und dem Neurochirurgen Joseph Bogen waren revolutionär und trugen maßgeblich zum Verständnis der Spezialisierung der Hirnhälften bei.
Vergessen als wichtiger Lernprozess
Protein Synaptotagmin-3 fördert das Vergessen
Ein Göttinger Forscherteam hat entdeckt, dass das Protein Synaptotagmin-3 (Syt3) eine wichtige Rolle beim Vergessen im Gehirn spielt. Syt3 bindet Neurotransmitter-Rezeptoren und entfernt sie aktiv aus post-synaptischen Membranen. Dieser Prozess schwächt die Stärke der synaptischen Verbindung und fördert das Vergessen.
Experimente mit Syt3-defizienten Mäusen
Genmanipulierte Mäuse, die nicht in der Lage sind, das Protein Syt3 zu produzieren (Syt3-defizient Mäuse), können zwar starke synaptische Verbindungen bilden, indem sie die Anzahl an Neurotransmitter-Rezeptoren in der post-synaptischen Membran erhöhen. Es gelingt ihnen aber nicht, diese zu reduzieren und so die Verbindung wieder zu schwächen. Das bedeutet: Die Mäuse lernen normal, können das Erlernte aber nicht wieder vergessen.
Beeinträchtigte Verhaltensflexibilität
Die Unfähigkeit zu vergessen beeinträchtigte die Verhaltensflexibilität der Mäuse: Sie waren nicht in der Lage, zwischen einer Erinnerung und einer neuen, unmittelbar relevanten Erfahrung zu unterscheiden.
Mögliche Anwendungen bei neuropsychiatrischen Störungen
Die Forschungsergebnisse könnten neue Ansätze bei der Behandlung von neuropsychiatrischen und neurodegenerativen Störungen ermöglichen. Die Alzheimer-Krankheit beispielsweise ist durch anomales Entfernen von Neurotransmitter-Rezeptoren aus der Zellmembran gekennzeichnet. Die Verabreichung eines Peptids, das die Bindung von Syt3 an Neurotransmitter-Rezeptoren und damit deren Ausbau aus der Membran blockiert, könnte das Vergessen bei Mäusen verhindern und die Gedächtnisleistung normalisieren.
Vergessen bei Autismus und PTBS
Fehlende Verhaltensflexibilität und mangelndes Vergessen sind zudem Merkmale von Autismus-Spektrumstörungen. Obwohl die Fähigkeit zur Erinnerung oft als der wichtigste Aspekt des Gedächtnisses angesehen wird, können Defizite im Vergessen schwerwiegende Folgen haben. Ein Beispiel dafür ist die posttraumatische Belastungsstörung (PTBS). Die gezielte Steuerung von Protein Syt3 könnte ein nützliches Werkzeug zur Behandlung solcher Störungen sein und speziell dazu beitragen, das abnormal starke und dauerhafte emotionale Gedächtnis im Zusammenhang mit früheren Traumata zu beseitigen.
Wandernde Aktivitätswellen: Ein Schlüssel zu Lernprozessen im Gehirn
Gehirnsimulationen zeigen Entstehung und Bewegung von Wellen
Forschende des Berlin Institute of Health in der Charité (BIH) haben mithilfe von Gehirnsimulationen eine Theorie zur Entstehung von wandernden Aktivitätswellen entwickelt. Diese Wellen beeinflussen kognitive Prozesse wie Lernen oder Erinnern im menschlichen Gehirn.
Räumlich ausgedehnter Frequenzgradient als Ursache
Die Ursache der Welle ist ein räumlich ausgedehnter Frequenzgradient im Gehirn, der wiederum durch einen Gradienten in der Stärke der Vernetzung entsteht.
Synchronisation der Aktivität von Nervenzellen
Professorin Dr. Petra Ritter ist überzeugt, dass Hirnwellen ein Schlüssel zu Lernprozessen im Gehirn sein können, denn synchrone Aktivität stärkt die Verbindung. „Durch die über das Gehirn ziehenden Wellenfronten wird die Synchronisation der Aktivität von Nervenzellen - auch wenn sie räumlich voneinander entfernt sind - erzielt. Eine bekannte Theorie besagt: was zusammen „feuert“ - also gleichzeitig aktiv ist, verdrahtet sich miteinander. Das bedeutet, dass diese Wellen eine wichtige Grundlage für die Koordination von plastischen Veränderungen, dem Lernen des Gehirns, darstellen können“, erklärt die Leiterin der Studie.
Bedeutung für die Therapie von Hirnerkrankungen
Das Wissen um die Entstehungsmechanismen der wandernden Aktivitätswellen kann zukünftig die Therapie von Erkrankungen des Gehirns verbessern und beim Verständnis über diese Erkrankungen helfen. „Beispielsweise in der Therapie von Schizophrenie, Epilepsie oder Parkinson“, ergänzt Petra Ritter.
Digitale Gehirnzwillinge für personalisierte Therapien
Mit den Digitalen Gehirnzwillingen, die in Petra Ritters Team entwickelt werden, lässt sich die Reaktion eines Gehirns auf einen bestimmten Reiz simulieren. Ritter sieht in der Simulation Potential, Therapien wie die Gehirnstimulation, z.B. in Form von tiefer Hirnstimulation bei der Parkinson-Erkrankung, aber auch neurochirurgische Eingriffe personalisiert am Computer zu planen und so sicherer und effizienter zu machen.
Simulation von Lerneffekten
„Was bisherige Modelle nicht berücksichtigt haben, sind plastische Veränderungen. Das Verständnis der Entstehung von Aktivitäts-Wellenfronten kann nun auch für die Simulation von Lerneffekten im Sinne einer Veränderung im Gehirn genutzt werden.“
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