Der Hippocampus, eine Struktur im Gehirn, die einem Seepferdchen ähnelt, spielt eine zentrale Rolle für das Gedächtnis, das Lernen und die räumliche Orientierung. Er ist die Schaltstelle zwischen dem Kurz- und dem Langzeitgedächtnis und einer der wenigen Bereiche im Gehirn, in dem ein Leben lang neue Nervenzellen gebildet werden können. Dieser Artikel beleuchtet die Funktion, den Aufbau und die Bedeutung des Hippocampus für verschiedene kognitive Prozesse und geht auf mögliche Probleme und Erkrankungen ein, die mit dieser Hirnregion in Verbindung stehen.
Was ist der Hippocampus?
Der Hippocampus, lateinisch für „Seepferdchen“, ist eine Gehirnregion, die zum limbischen Kortex (Limbischen System) gehört. Seinen Namen verdankt er seiner Form, die an den kleinen Meeresbewohner erinnert. Er gehört zum Allocortex, einem entwicklungsgeschichtlich sehr alten Teil der Großhirnrinde.
Der Hippocampus ist Teil einer größeren Struktur des Gehirns, des Gyrus parahippocampalis, einer Windung der Großhirnrinde an der Basis des Schläfenlappens. Er besteht aus mehreren Strukturen, die zusammen die Hippocampusformation bilden:
- Ammonshorn (Cornu ammonis): Hippocampus im engeren Sinne; besteht aus vier Zonen
- Gyrus dentatus: (gezähnelt aussehende Windung der Großhirnrinde)
- Subiculum: Übergangsbereich zwischen Gyrus parahippocampalis und Ammonshorn
Der Fornix - ein bogenförmiges Faserbündel - verbindet den Hippocampus mit den Corpora mammilaria, zwei rundlichen Erhebungen am Boden des Zwischenhirns. Darüber hinaus bestehen auch Verbindungen mit anderen Hirnregionen, darunter mit dem Riechhirn.
Die vielfältigen Funktionen des Hippocampus
Der Hippocampus ist nicht nur für die Gedächtnisbildung entscheidend, sondern hat auch vielfältige praktische Anwendungen in unserer täglichen Lern- und Gedächtnispraxis. Die Rolle des Hippocampus ist essenziell für zahlreiche kognitive Prozesse. Das Verständnis seiner Rolle unterstützt die Forschung darüber, wie Erinnerungen geformt und abgerufen werden können.
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Gedächtnisbildung und Lernen
Der Hippocampus fungiert als Schaltstelle zwischen Kurz- und Langzeitgedächtnis. Über diese Schaltstelle werden die Inhalte aus dem Kurzzeitgedächtnis - je nach Bedeutung - in das Langzeitgedächtnis übernommen, wo sie gespeichert und bei Bedarf wieder abgerufen werden können.
Hippocampus Funktion einfach erklärt:
- Weiterleitung von Informationen: Der Hippocampus fungiert als Umschlagplatz, wo Informationen aus dem Kurzeitgedächtnis an andere Teile des Gehirns zur langfristigen Speicherung weitergeleitet werden.
- Räumliche Orientierung: Er spielt eine wichtige Rolle bei der Orientierung im Raum und bei der Navigation.
- Emotionales Gedächtnis: Emotionale Eindrücke werden mit bestimmten Erinnerungen verknüpft.
Der Hippocampus gewährleistet, dass neue Informationen effizient verarbeitet und in das Langzeitgedächtnis aufgenommen werden.
- Kodierung: Der erste Schritt, bei dem Sinneseindrücke in eine Form umgewandelt werden, die für das Gehirn verständlich ist.
- Konsolidierung: Diese Phase sieht vor, dass Informationen stabilisiert und langfristig im Gehirn gespeichert werden.
- Abruf: Der Prozess, bei dem gespeicherte Informationen aufgerufen und verwendet werden.
Rollen des Hippocampus im Gedächtnis:
- Konsolidierung: Hierbei wird neues Wissen stabil im Langzeitgedächtnis verankert.
- Speicherung episodischer Erinnerungen: Der Hippocampus hilft, spezifische Ereignisse und Erfahrungen festzuhalten, damit diese später abgerufen werden können.
- Räumliche Gedächtnisbildung: Ermöglicht das Erstellen von kognitiven Landkarten, die zur Orientierung in der Umgebung dienen.
- Besonders spannend ist die Synaptische Plastizität des Hippocampus. Diese Fähigkeit, die Stärke der Verbindungen zwischen Nervenzellen zu verändern, ermöglicht das Lern- und Erinnerungsvermögen.
Lernen optimiert durch die Hippocampus Funktion:
- Konsolidierungstechniken: Verwende Techniken wie das Verteilen des Lernens über mehrere Sitzungen, um die Konsolidierung im Langzeitgedächtnis zu unterstützen.
- Mnemotechniken: Durch Assoziationen und Visualisierungen kann der Hippocampus effizienter kodieren.
- Gestaltung von Routinen: Regelmäßige Lerngewohnheiten helfen, neuronale Verbindungen zu stärken.
Gedächtnisverbesserung durch Verständnis der Hippocampus Funktion:
- Aktives Wiederholen: Informationen regelmäßig wiederholen, um die neurale Plastizität zu erhöhen.
- Emotionale Verknüpfungen: Emotionale Ereignisse führen oft zu stärkeren Erinnerungen, da der Hippocampus emotionale Kontexte bevorzugt speichert.
- Stressmanagement: Stressabbau kann die Effektivität des Hippocampus stärken und die Gedächtnisleistung steigern.
Emotionen und Verhalten
Der Hippocampus dient als zentraler Teil des limbischen Systems der Steuerung der Affekte. Hier sitzen das Zentrum der emotionalen Äußerungen wie Wut, Angst und Freude. Auch das Sexualverhalten und viele vegetative Funktionen werden im Limbischen System gesteuert. Durch Verbindungen mit anderen Hirnregionen können der Hippocampus und der Mandelkern (Amygdala, ebenfalls Teil des Limbischen Systems) Signale emotional bewerten.
Da Riechhirn und Hippocampus in enger Nachbarschaft liegen, werden auch Düfte und Gerüche, die mit Erinnerungen verknüpft und abgespeichert sind, positiv oder negativ bewertet.
Räumliche Orientierung
Der Hippocampus spielt eine wichtige Rolle bei der räumlichen Orientierung und Navigation. Er ermöglicht das Erstellen von kognitiven Landkarten, die uns helfen, uns in unserer Umgebung zurechtzufinden.
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Tageszeitlicher Rhythmus
Ein internationales Forscher-Konsortium fand heraus, dass die Prozesse im Hippocampus, die für die Übernahme von Inhalten aus dem Kurzzeit- in das Langzeitgedächtnis verantwortlich sind, nach einem eigenen tageszeitlichen Rhythmus ablaufen und die molekularen Aktivitäten im Verlauf von Tag und Nacht erheblich schwanken. Diese Ergebnisse ebnen den Weg, besser zu verstehen, wie sich unser Lern- und Erinnerungsvermögen von Stunde zu Stunde ändert.
Hippocampus im Zusammenspiel
Die Haupteingänge zum Hippocampus stammen aus dem entorhinalen Cortex, der ihm unmittelbar anliegt. Sie verlaufen im Tractus perforans. Der entorhinale Cortex ist seinerseits mit allen Assoziationsgebieten des Neocortex verbunden. Salopp gesagt bekommt der Hippocampus auf diese Weise stets mit, was im Bewusstsein gerade vor sich geht. Endlich hat man im Hippocampus, genauer - im Zusammenspiel seiner Nervenzellen - den neuronalen Mechanismus entdeckt, den man für das physiologische Substrat des Lernens hält: die Langzeitpotenzierung (LTP). In Kürze: Nervenzellen, die oft zeitgleich aktiv sind, koppeln sich elektrisch inniger aneinander als solche, die nur gelegentlich synchron aktiv sind. Die zugrundeliegende LTP beruht auf einer Veränderung der Synapsen. Die Übertragung von einem Neuron zum anderen wird im Falle der Synchronisation effektiver, salopp gesprochen: Der „synaptische Widerstand“ wird verringert.
Wo befindet sich der Hippocampus?
Der Hippocampus ist ein sichelförmig gekrümmter Wulst am Boden des Unterhorns der Seitenventrikel. Er verläuft als Längswulst an der mittleren Wand des Unterhorns. Schneidet man das Großhirn horizontal - etwa auf der Höhe der Augen - durch und hebt den „Deckel“ ab, so zeigen sich die Hippocampi als gebogene, wurmartige Gebilde, die beiderseits am Boden der Seitenventrikel des Temporallappens liegen. Sie enden jeweils in einer plumpen, mit „Knubbbeln“ versehenen Struktur, die man als Pes hippocampi bezeichnet - den Fuß des Seepferdes. Zum Hinterhaupt hin geht der Hippocampus in elegantem Schwung in den Fornix über. Der bündelt nicht alle, aber die meisten Fasersysteme, über die der Hippocampus mit anderen Hirngebieten in Verbindung steht.
Probleme und Erkrankungen des Hippocampus
Als Vermittler zwischen dem Kurz- und dem Langzeitgedächtnis ist der Hippocampus eine zentrale Schaltstelle im Gehirn. Bei einer Störung in diesem Bereich können keine neuen Informationen im Gehirn gespeichert werden.
Amnesie
Bei einem Unfall mit Gehirnerschütterung oder einem epileptischen Anfall werden Gedächtnisinhalte von Ereignissen, die Sekunden bis Stunden vor dem Ereignis stattgefunden haben und noch nicht stabil ins Langzeitgedächtnis überführt worden sind, gelöscht - eine retrograde Amnesie (auf die Zeit vor dem Unfall bezogene Erinnerungslücke) entsteht. Für die Zeit nach dem Unfall besteht - bei einer Bewusstlosigkeit von einigen Stunden - eine anterograde Amnesie (auf die Zeit nach dem Unfall bezogene Erinnerungslücke), die über zwei folgende Tage andauern kann.
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Korsakow-Krankheit und Alzheimer-Demenz
Die durch Alkoholmissbrauch hervorgerufene Korsakow-Krankheit und auch die Alzheimer-Demenz mit ihren Amnesien sind Folge von Läsionen im limbischen System. Hier sind die Schaltkreise, die vom Hippocampus zur Großhirnrinde führen, unterbrochen. So führt zunehmende Zerstörung des Hippocampus steigend zur vollst. Unfähigkeit, neues verbales Lernmaterial zu behalten. Im Alter wird bei Tier und Mensch die Feedback-Regelung der Hypophysen-Nebennierenrindenachse schwächer (Hypophyse). Dadurch bleibt nach Stressreizen (Aufregung) die hormonelle Reaktion länger bestehen, die neg. auf das H.gewebe zu wirken scheint, denn im Tierversuch lässt sich diese Alterung des Gedächtnisses durch Entfernung der Nebennieren verhindern.
Epilepsie
Ein zweiter Aspekt einer Studie betrifft die Temporallappenepilepsie - die häufigste Epilepsieform bei Erwachsenen. Bei 80 Prozent der Patienten werden Anfälle zirkadian reguliert. Das heißt, dass sie zu einer bestimmten Tageszeit und nicht zufällig bei einem Patienten auftreten. Es ist bekannt, dass der Hippocampus an dieser Form der Epilepsie beteiligt ist, und betroffene Patienten häufig Gedächtnis- und Lerndefizite haben, die vom Hippocampus abhängen. Dieses Ergebnis könnten helfen, zu verstehen, warum Anfälle zu einer bestimmten Tageszeit häufiger auftreten.
Stress
Im Hippocampus besteht offenbar auch eine enge Verbindung zw. Gedächtnis, Stressbewältigung, Alter und Schlaf. Glukokortikoide, die bei Stress freigesetzt werden, führen, wenn sie im Tierversuch für längere Zeit gegeben werden, zur Zerstörung hippocampaler Neurone. Auch im Alter findet sich generell ein Anstieg der Serum-Glukokortikoide, was mit der Reduktion der ersten Tiefschlafphase im Alter, aber auch mit dem Anstieg von Gedächtnisdefiziten einhergeht.
Forschung und neue Erkenntnisse
HippoMaps: Eine Software-Toolbox zur Analyse des Hippocampus
Ein internationales Team von Wissenschaftler:innen hat im Rahmen des deutsch-kanadischen Projekts HIBALL (Helmholtz International BigBrain Analytics and Learning Laboratory) „HippoMaps“ entwickelt: eine frei zugängliche Software-Toolbox inklusive einer Online-Datenbank speziell für die Deep-learning-basierte Integration von Bilddaten unterschiedlicher Herkunft und Auflösung sowie die Analyse und die Kartierung des Hippocampus. Ziel ist es, die Zusammenhänge seiner Struktur und Funktion im gesunden wie erkrankten Gehirn besser zu verstehen. „HippoMaps“ macht es möglich, Hippocampus-Merkmale, die mit verschiedenen Methoden erfasst wurden, zu vergleichen - insbesondere, um Bildgebungsverfahren am lebenden Gehirn mit Daten aus Gewebeproben abzugleichen.
Neuronale Mechanismen hochfrequenter Rhythmen
Ein Forscherteam aus Berlin, München und Haifa hat neue Erkenntnisse zur Funktion des Hippocampus vorgelegt. Die Forscher untersuchten dabei zelluläre Mechanismen hochfrequenter Rhythmen, die eine wichtige Rolle bei Gedächtnisprozessen und in veränderter Form möglicherweise auch bei diversen Hirn-Erkrankungen spielen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler konzentrierten sich nun in ihrer Studie auf die sogenannte Ripple-Oszillation, einem mit 200 Hz sehr schnellen Rhythmus, dessen Mechanismen bisher wenig verstanden sind. Dabei untersuchten sie elektrische Ströme in einzelnen Zellen im Hippocampus, die während der Ripple-Oszillation auftreten.
Multimodale Methodik zur Gedächtnisbildung
Forscher entwickelten eine neue multimodale Methodik, das sogenannte neural event-triggered functional magnetic resonance imaging (NET-fMRI oder NET-fMRT). Bei dieser Methode werden vom Gehirn selbst erzeugte Signale mittels intrakranieller Multikontakt-Elektroden erfasst, welche vor allem während des Non-REM-Schlafs und der Ruhephasen auftreten. Diese Signale werden dann als Trigger, das heißt als Auslöser oder zeitlicher Bezugspunkt einer Abfolge von Ereignissen, genutzt. Damit können bei der Datenanalyse Änderungen anderer Signale entdeckt oder vorhergesagt werden. In der vorliegenden Studie wurden als Trigger die Ripples des Hippocampus verwendet - die man sowohl in anästhesierten als auch wachen Rhesusaffen messen kann und die dabei im Bereich von 80 bis 160 Hertz liegen. So konnten diejenigen Gehirnareale ermittelt werden, welche durchweg ihre Aktivität in Abhängigkeit zu den Ripples erhöhten oder verringerten.
Hippocampus und Langzeitgedächtnis
Experimente mit Ratten ergaben, dass auch bei der Formung von Inhalten des Langzeitgedächtnisses, die ursprünglich ohne Beteiligung des Hippocampus entstanden waren, im Schlaf auf den Hippocampus zurückgegriffen wird. Die Inhalte des Hippocampus-unabhängigen Lernens kamen nur ins Langzeitgedächtnis, wenn der Hippocampus im Schlaf aktiv war.
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