Das Gehirn, ein faszinierendes Organ, ermöglicht es uns, uns in unserer Umgebung zurechtzufinden und Erinnerungen zu speichern. Der Hippocampus, eine Struktur tief im Temporallappen, spielt dabei eine zentrale Rolle. Er ist vermutlich das älteste Assoziationsgebiet des Großhirns und für die Verknüpfung verschiedener Informationen zuständig, beispielsweise das Wiedererkennen von Gesichtern oder das Zuordnen von Düften zu Erinnerungen.
Die Rolle des Hippocampus für Gedächtnis und Orientierung
Eine wesentliche Funktion des Hippocampus ist der Transfer von Inhalten aus dem Kurzzeit- ins Langzeitgedächtnis. Beim Lernen müssen wir ihn davon überzeugen, dass es lohnenswert ist, diese Information lange zu behalten. Ohne ihn bleiben Informationen nur wenige Minuten im Gedächtnis, was an Krankheiten wie Morbus Alzheimer oder das Korsakow-Syndrom erinnert, bei denen die Verbindungen vom Hippocampus zum Speicher gestört sind. Der Hippocampus hat keine eindimensionale Funktion.
Früher glaubte man, dass der Hippocampus bereits im Alter von sechs Jahren ausgereift sei. Neuere Studien zeigen jedoch, dass sich das Detailgedächtnis von Kindern und Jugendlichen noch erheblich unterscheidet.
Das Navigationssystem im Gehirn
In einer fremden Stadt kann man sich schnell verloren fühlen. Christian Doeller vom Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften in Leipzig erforscht, wie wir uns orientieren. Er unterscheidet zwischen zwei Arten der Navigation:
- Egozentrische Navigation: Orientierung anhand der eigenen Person, wie bei Kindern.
- Allozentrische Navigation: Orientierung anhand der relativen Position von Orten zueinander, wie ein persönlicher Stadtplan im Kopf.
Tierversuche haben gezeigt, dass verschiedene Typen von Nervenzellen im Gehirn von Nagetieren am Orientierungsvermögen beteiligt sind:
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- Ortszellen im Hippocampus: Jede Zelle ist für einen bestimmten Ort im Raum zuständig. Erkundet eine Ratte einen Raum, ist an jedem Ort eine andere Zelle aktiv.
- Gitterzellen im entorhinalen Kortex: Sie sind an unterschiedlichen Orten aktiv und erzeugen ein Raster aus Dreiecken. Je nach anatomischer Lage einer Gitterzelle haben diese Dreiecke unterschiedlich lange Seiten.
- Kompasszellen: Sie werden erst aktiv, wenn das Tier in eine bestimmte Richtung läuft.
Die Rasterzellen erzeugen also ein Koordinatensystem der Umgebung, und die Ortszellen registrieren die Position des Tiers. So entsteht eine Karte der Umwelt im Kopf.
Forschung am menschlichen Navigationssystem
Christian Doeller und sein Team nutzen Magnetresonanztomografie und virtuelle Realität, um das Navigationssystem des Menschen zu erforschen. Testpersonen "bewegen" sich mit VR-Brillen durch virtuelle Räume, während das MRT ihre Gehirnaktivität aufzeichnet. Die Ergebnisse zeigen, dass auch Menschen über ein fest differenziertes Navigationssystem im Gehirn verfügen. Gitterzellen dienen nicht nur zur Orientierung, sondern auch zur Wahrnehmung. Sie erfassen die Größe eines Raumes oder die Komposition von Bildern und sind vermutlich auch dazu da, Wissen zu abstrahieren. Einmal im Gehirn gespeichert, kann dieses Wissen immer wieder abgerufen und mithilfe des Ortszellensystems im Hippocampus flexibel auf neue Zusammenhänge angewendet werden.
Das Navigationssystem als Blaupause für andere Gehirnfunktionen
Das Navigationssystem dient auch dem episodischen Gedächtnis. Hippocampus und entorhinaler Kortex verknüpfen Orte im Raum und Ereignisse, indem sie neben räumlichen Eindrücken auch Seh-, Hör- und Geruchsempfindungen zu einer vielschichtigen Erinnerung verbinden. Um diese abzurufen, genügt ein bestimmter Geruch, ein Lichteinfall oder ein Geräusch. Nachdem der Hippocampus die einzelnen Elemente einer Episode verknüpft hat, werden sie in verschiedenen Regionen im Gehirn verteilt gespeichert. Zum Abruf reicht dann oftmals ein Schlüsselreiz. Erzählt man Erlebnisse oder schreibt man sie auf, werden sie verstärkt und erneut gespeichert. Auf diese Weise verfestigt sich Erinnerung.
Christian Doeller ist davon überzeugt, dass unser Navigationssystem nicht nur dem episodischen und räumlichen Gedächtnis dient, sondern auch Erinnerungen sortiert, zum Beispiel nach zeitlicher Abfolge oder räumlicher Nähe. Neue Studien zeigen, dass unser Gehirn dasselbe Netzwerk aus Orts- und Gitterzellen auch nutzt, um Objekte oder Sinneseindrücke in sogenannten kognitiven Räumen zu ordnen. Jede Eigenschaft stellt dabei eine Dimension in der mentalen Karte dar. Inhalte mit ähnlichen Merkmalen liegen darin nah beieinander, solche mit verschiedenen Eigenschaften weiter voneinander entfernt.
Veränderungen des Orientierungsvermögens im Laufe des Lebens
Das Orientierungsvermögen verändert sich im Laufe des Lebens. Bei Säuglingen und Kleinkindern funktioniert es noch eher egozentrisch, dann übernimmt allmählich das allozentrische System. Mit zunehmendem Alter lässt dieses dann wieder nach. Auch bei einer Demenz gehören räumliche Gedächtnisdefizite zu den ersten Ausfallerscheinungen. Grund dafür sind in beiden Fällen Schädigungen im entorhinalen Kortex, der für das episodische Gedächtnis und die Orientierung verantwortlich ist.
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Alzheimer und der schwindende Ortssinn
Eine Alzheimer-Erkrankung beginnt in der Regel im entorhinalen Kortex. Hier lagern sich die ersten Verklumpungen aus Amyloid-Protein ab, die sogenannten Plaques. Der Ortssinn und das Gefühl für Entfernungen verschwinden, über Jahrzehnte vertraute Orte wirken plötzlich fremd.
Die Auswirkungen von Navigationssystemen auf unser Gehirn
Navigationssysteme in Smartphones oder Autos nehmen einem heute die Navigationsleistung des Gehirns größtenteils ab. Auf lange Sicht ist es möglich, dass sich unser Orientierungsvermögen dadurch verschlechtert. Aber selbst wenn es völlig überflüssig werden würde, würde der Schaltkreis des Orientierungssystems für Aufgaben wie das Gedächtnis oder das Abstraktionsvermögen weiter genutzt werden.
Neuroplastizität: Die Anpassungsfähigkeit des Gehirns
Neueste Studien zeigen, dass sich die Gestalt des Gehirns je nach Lebenslage ändert. Eine Studie mit Londoner Taxifahrern zeigte, dass sich der Hippocampus im Laufe ihrer Karriere stark veränderte. Diese Fähigkeit des Gehirns, sich zu verändern, wird Neuroplastizität genannt.
Eine Studie aus dem Jahr 2012 untersuchte die Gehirne von Menschen, die traumatische Erlebnisse erlitten haben. Die Ergebnisse zeigten, dass eine Reihe unterschiedlicher Regionen in den Gehirnen von traumatisierten Personen, verglichen mit nicht-traumatisierten Personen, kleiner waren. Sämtliche Hirnregionen, die bei traumatisierten Personen kleiner waren (insbesondere das Vorderhirn und die Insula), sind für komplexe kognitive Prozesse sowie Emotion- und Selbstkontrolle verantwortlich.
Stress beeinflusst die Zellen im Hippocampus. Eine Studie aus dem Jahr 2014 untersuchte, welche Art von Zellen im Hippocampus entstehen, wenn Menschen unter chronischem Stress leiden. Es zeigte sich, dass zum einen eine größere Anzahl von Zellen, die Myelin produzieren, entstehen. Zum anderen sinkt der Anteil grauer Zellen. Myelin bildet ein Art Mantel um Teile von Nervenzellen, die die Übertragung von Informationen gewährleisten. Graue Zellen sind die eigentlichen Nervenzellen, die beispielsweise an intelligenten Handlungen beteiligt sind.
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Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass das Myelin insbesondere dafür benötigt wird, um stärkere Verbindungen zu der Amygdala herzustellen. Die Amygdala wird besonders in Bedrohungssituationen aktiv. Die Annahme ist, dass das Gehirn sich an die Erfordernisse anpasst. Bei traumatischen Situationen oder chronischem Stress, lernt das Gehirn, dass es in einer gefährlichen Umgebung ist und stärkt die Struktur, die in solchen Situationen wichtig ist - die Amygdala. Gleichzeitig werden verzichtbare Strukturen geschwächt.
So wie das Gehirn unter Stress leidet, kann es in anderen Situationen aufblühen. Beispielsweise konnte gezeigt werden, dass Achtsamkeitstraining das Wachstum von grauen Zellen stimulieren kann. In einer weiteren Studie wurde untersucht, wie sich das Gehirn durch regelmäßiges Gehirntraining verändert. Dabei wurde festgestellt, dass die Myelinisierung von Strukturen, die mit dem Arbeitsgedächtnis in Verbindung stehen, zugenommen hat.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass unser Gehirn ein enorm anpassungsfähiges Organ ist und je nach Situation bestimmte Strukturen wachsen und andere schrumpfen können.
Gehirnjogging: Mythos oder Realität?
Das Geschäft mit dem Gehirnjogging boomt. Unternehmen ersinnen immer neue Übungen, Online-Kurse oder Computerspiele. Aber kann das funktionieren?
Anders als lange gedacht bleibt die Fähigkeit des Gehirns, sich zu entwickeln, auch im Alter erhalten. Zwar lässt die Denkleistung bei jedem Menschen mit den Jahren nach, aber auch im Alter können noch neue Nervenzellen sprießen, sich neue Verknüpfungen zwischen den Neuronen bilden oder gar manche Areale wieder größer werden. Besonders eindrucksvoll demonstrierte dies die Hirnforscherin Eleanor Maguire vom University College London in einer Studie von 2011.
Dank dieser neuronalen Plastizität kann man sich auch als älterer Mensch noch komplexe Fertigkeiten aneignen. Studien haben überdies gezeigt: Wer in Ausbildung, Beruf und Freizeit über Jahrzehnte geistig aktiv ist, wer zudem ein intensives soziales Leben pflegt und körperlich in Bewegung bleibt, der scheint einen gewissen Schutz vor dem geistigen Verfall zu genießen.
Niemand bestreitet, dass man seine Leistung in Spielen wie „Pfadfinder“ bereits nach kurzem Training merklich erhöhen kann. Dieser Fortschritt beruht auf einem relativ einfachen Lernprozess - man durchschaut nach einiger Zeit den Aufbau der Übung, man weiß, worauf man seine Aufmerksamkeit richten muss, entwickelt besondere Strategien, um sich die Linien auf dem Bildschirm einzuprägen.
Im Oktober 2014 gab eine Gruppe von mehr als 70 renommierten Kognitions- und Neurowissenschaftlern aus aller Welt eine Erklärung heraus, in der sie sich von den überbordenden Versprechungen der Gehirnjogging-Anbieter klar distanzieren. Die Aussagen, mit denen diese für ihre Produkte werben, seien oft übertrieben, bisweilen sogar irreführend und höchst bedenklich, so die Experten.
Doch anders als manche unnütze Vitaminpräparate können Denksportübungen zumindest kaum Schaden anrichten. Im Gegenteil: Vielen Menschen machen sie schlicht Spaß, und ganz unabhängig davon, wie groß die Effekte auf die geistige Fitness wirklich sind, ist dieser Aspekt nicht zu unterschätzen.
Wer allerdings einseitig auf Gehirnjogging vertraut, vergibt womöglich weitaus bessere andere Chancen, auch im Alter noch sein Denkorgan zu stimulieren und die lebenslange Plastizität der neuronalen Netze zu nutzen. Denn jede Stunde, die ein Mensch allein zu Hause mit Übungen am Computer zubringt, könnte er auch für soziale Kontakte verwenden, für das Erlernen einer Sprache oder einfach zum Spazierengehen - und so nach Meinung der Forscher viel mehr tun, um seine kognitiven Fähigkeiten zu erhalten.
Forschungsprojekte zum Hippocampus und Gedächtnis
Verschiedene Forschungsprojekte untersuchen die Einflüsse von Stoffwechselstörungen, körperlicher Aktivität und Ernährung auf den Hippocampus und die Gedächtnisleistungen.
Ein Verbundprojekt erforscht, inwiefern Stoffwechselstörungen und deren Folgen - beispielsweise Fettleibigkeit, Bluthochdruck und ein hoher Blutzuckerspiegel - die Gedächtnisleistungen bei älteren Personen beeinträchtigen. Die Untersuchungen konzentrieren sich dabei auf den Hippocampus. Durch körperliche Aktivität und durch das Trainieren von kognitiven Gehirnfunktionen soll die Funktion des Hippocampus angeregt werden. Außerdem wird untersucht, wie sich Ernährungsformen - wie zum Beispiel fettreiche Ernährung - auf die Neubildung von Nervenzellen bei Erwachsenen und auf das Gehirn auswirken. In einem weiteren Projektteil wird die Wirkung von Beta-Amyloid-Proteinablagerungen auf Gehirnleistungen untersucht.
Ein weiteres Vorhaben untersucht, wie MetS die neuronale Plastizität im Hippokampus modifiziert und dabei von Amyloidablagerungen beeinflusst wird. In eng aufeinander abgestimmten tierexperimentellen und humanen Untersuchungen wird untersucht, ob MetS und Amyloidablagerungen die neuronale und vaskuläre Plastizität älterer Menschen und bei Mäusen die Bildung neuer Nervenzellen (adulte Neurogenese) sowie den Umbau der extrazellulären Matrix beeinflussen, und ob eine Modifizierung von Insulinsignalwegen und deren epigenetische Regulation mit diesen Plastizitätseffekten in Verbindung steht.
Ein weiteres Projekt wird in einer Interventionsstudie 200 ältere Probanden zufällig vier Gruppen zuordnen: Sprachtraining (ja/nein) x aerobes Fitnesstraining (ja/nein). Beim Sprachtraining werden die Teilnehmer eine Sprache durch tägliches Vokabeltraining und wöchentlichen Unterricht lernen. Der Fokus der Auswertungen liegt auf Korrelaten der Plastizität des HC im Alter.
Der Wachstumsfaktor Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) ist ein wichtiger Regulator neuronaler Plastizität im Hippocampus und anderen Bereichen des Gehirns. Die Expression von BDNF wird durch körperliche Aktivität im Hippocampus hochreguliert. Ziel eines Projekts ist es, die Einflüsse von Altern und veränderter IGF-1 Aktivität in dieser Regulationsachse zu untersuchen.
Ein weiteres Vorhaben wird zwei zentrale Hypothesen untersuchen: Zum einen wird die Hypothese überprüft, dass die Ablagerung von Amyloid-beta im Gehirn direkt zur Insulin-Resistenz beiträgt und dass umgekehrt die Insulin-Resistenz die Amyloid-beta-Ablagerung und damit das Risiko für eine Alzheimer-Demenz erhöht. Zum anderen wird der Hypothese nachgegangen, dass die synaptische Signalwirkung vor allem im Hippocampus ein zentrales Bindeglied zwischen dem Metabolischen Syndrom und dem kognitiven Abbau im Alter ist und dass die Amyloidose ein wesentlicher Bindefaktor für kognitive Einschränkungen ist.
Der Orientierungssinn: Individuelle Unterschiede und sozioökonomische Einflüsse
Der Orientierungssinn ist in der Menschheit ungerecht verteilt. Eine kürzlich veröffentlichte Studie mit mehr als einer halben Million Teilnehmern aus 57 Ländern zeigte unerwartete Zusammenhänge, die auf einen starken Einfluss sozio-ökonomischer Faktoren auf die Navigationsfähigkeiten hinweisen. Zum Beispiel korrelieren sie mit dem ökonomischen Wohlstand eines Gebiets. Außerdem hat der Grad der Gleichberechtigung zwischen den Geschlechtern großen Einfluss, wie unterschiedlich erfolgreich sich Männer und Frauen in einem digitalen Orientierungsspiel schlugen.
Menschen, die meist problemlos ihren Weg finden, können flexibler zwischen verschiedenen Methoden der Orientierung hin und her wechseln. Vereinfacht gesagt, stehen zwei Strategien zur Auswahl: sich gedanklich in die Vogelperspektive zu versetzen und sich so einen Überblick zu verschaffen, oder sich die Route wie eine Vokabelliste auswendig zu merken.
Strategien zur Verbesserung des Gedächtnisses
Um das Gedächtnis zu verbessern, raten die meisten Ärzte zu ein paar grundlegenden Änderungen im Lebensstil. Vor allem genügend Schlaf sei entscheidend. Im Schlaf festige das Gehirn neu Gelerntes und speichere es als Langzeiterinnerung.
Verschiedene wissenschaftlich fundierte Strategien können das Erinnerungsvermögen verbessern:
- Bedeutung zumessen: Wenn man etwas neu lernt, verknüpft das Gehirn diese Informationen mit bereits vorhandenem Wissen.
- Mnemotechniken: Das Verwenden von Abkürzungen, Reimen, Alliterationen oder Liedern.
- Spaced Repetition: Die Verteilung des Stoffs auf mehrere Sitzungen in zeitlichem Abstand.
- Retrieval Practice: Sich selbst Fragen zum Stoff stellen und diese ohne Hilfsmittel beantworten.
- Produktionseffekt: Lautes Lesen oder sogar das Singen von Wörtern.
- Sinne einbeziehen: Bewusst auf besondere Eindrücke wie Bilder, Geräusche oder Gerüche achten.
- Gedächtnispalast: Eine alte Mnemotechnik, bei der man sich einen vertrauten Ort vorstellt und jede Information mit einem bestimmten Ort verknüpft.
Methodologische Fortschritte in der Hippocampus-Forschung
Eine aktuelle Übersichtsarbeit beleuchtet die Entwicklung der Methodologie und damit der Fortschritte in den Neurowissenschaften am Beispiel des Hippocampus. Seit über 150 Jahren ermöglichen innovative Methoden, gepaart mit akribischen neuroanatomischen Analysen, einen immer detaillierteren Blick auf Struktur und Funktion des Gehirns. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass zukünftige methodische Fortschritte in der Hirnforschung zwangsläufig vergleichend und interdisziplinär ausgerichtet sein müssen - unter Einbeziehung der Expertise von Physiker:innen, Computer-Neurowissenschaftler:innen - und vor allem klassischer Neuroanatom:innen.
Die Rolle von Cortex und Hippocampus bei der räumlichen Orientierung
Wenn wir uns im Raum orientieren, sind vor allem der retrospleniale Cortex und der Hippocampus aktiv. Im Gehirn von Mäusen hat man spezialisierte Neurone entdeckt, die bei der Bewegung in bestimmte Richtungen aktiv werden. Im Zusammenspiel erstellen sie vermutlich eine Art Landkarte der räumlichen Umgebung.
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