Die Frage, wie und wo Informationen im Gehirn gespeichert werden, beschäftigt die Wissenschaft seit Langem. Traditionell geht man davon aus, dass Erinnerungen an spezifischen Orten im Gehirn lokalisiert sind, ähnlich wie Dateien auf einer Festplatte. Die Feldtheorie des Gedächtnisses stellt diese Vorstellung jedoch in Frage und argumentiert, dass Informationen nicht statisch an einem Ort gespeichert werden, sondern dynamisch in den komplexen Interaktionen und Aktivitätsmustern neuronaler Netzwerke entstehen.
Die Netzwerkaktivität des Gehirns
Eine neue Messmethode, die elektrophysiologische Ableitungen mit Multikontakt-Elektroden und funktionelle Magnetresonanztomografie (fMRT) des gesamten Gehirns kombiniert, ermöglicht Einblicke in die umfassende Netzwerktätigkeit des Gehirns. Damit konnten Hirnareale identifiziert werden, die in Abhängigkeit von episodischen gedächtnisbezogenen Ereignissen im Hippocampus, den sogenannten Ripples, ihre Aktivität immer wieder erhöhen oder vermindern. Das Gehirn ruht nie, sondern verarbeitet ununterbrochen Informationen aus der äußeren und inneren Welt. Eine der faszinierendsten Eigenschaften unseres Gehirns ist dabei die Fähigkeit zu lernen. Beim Lernen spielt die Plastizität des Gehirns eine wichtige Rolle, also die Fähigkeit von Synapsen, Nervenzellen und ganzen Hirnarealen, sich in Abhängigkeit von der Aktivität oder der Verwendung in ihren Eigenschaften zu ändern. Für das, was wir unser „Gedächtnis“ nennen, spielen insbesondere neuronale Strukturen im Neokortex, dem evolutionär jüngsten Teil der Hirnrinde, eine zentrale Rolle.
Das deklarative Gedächtnis wird dabei nochmals in zwei Bereiche unterteilt: in das semantische Gedächtnis, welches Wissen und allgemeine Fakten über die Welt enthält, und das episodische Gedächtnis, welches Episoden, Ereignisse und Tatsachen aus unserem persönlichen Leben enthält. Wenn keine Interaktion mit der äußeren Welt stattfindet, spiegeln die Aktivitätszustände des Gehirns verschiedene mentale Funktionen wider. Dazu gehört die Gedächtniskonsolidierung. Nach einer vorherrschenden Theorie des Gedächtnisses werden neue Erfahrungen kurzzeitig im Hippocampus gespeichert und anschließend - während Ruhezeiten - reaktiviert. Beispielsweise während des Schlafes werden dann die Verbindungen in der Hirnrinde gestärkt, die dem Langzeitgedächtnis zu Grunde liegen. Die Nervenzellen, die dabei in einer bestimmten Reihenfolge aktiviert und dauerhaft miteinander verbunden werden, entsprechen dann einem bestimmten Gedächtnisinhalt.
Hippocampus und Ripples
Der Prozess, der die Erinnerungen als neokortikale Repräsentation festigt, geschieht in zwei aufeinanderfolgenden Schritten, bei denen beide Male der Hippocampus als Teil des Temporallappens und der Kortex im Zusammenspiel eingebunden sind. Im ersten Schritt, der Enkodierungsphase, findet im Hippocampus eine schnelle Verknüpfung der neokortikalen Repräsentation in lokalen Gedächtnisspuren statt. In den Neurowissenschaften bezeichnet der Begriff Offline-Modus Zustände, in denen das Individuum nicht aktiv mit der Außenwelt interagiert. Offline-Modi treten im ruhigen Wachzustand, während des Schlafes oder unter Narkose auf. Sie alle sind durch Aktivität innerhalb eines bestimmten Netzwerks von eng miteinander verknüpften Hirnregionen gekennzeichnet. Wichtig ist hier, dass sich das Aktivitätsmuster während des Offline-Modus von dem Aktivitätsmuster im aufmerksamen Wachzustand unterscheidet, also wenn ein Individuum aktiv Signale aus der Außenwelt wahrnimmt.
Das Default Mode Network - das Bewusstseinsnetzwerk oder Ruhezustandsnetzwerk des Gehirns - ist ein weiteres Beispiel für einen intern generierten Gehirnzustand, der mit funktioneller Magnetresonanztomografie ausgiebig am Menschen untersucht wurde [1]. Es scheint vorzugsweise dann aktiv zu sein, wenn man sich auf interne Aufgaben konzentriert, etwa wenn Menschen tagträumen, Zukunftspläne machen, Erinnerungen wiederaufleben lassen oder die Sichtweisen anderer Menschen abschätzen. Eine faszinierende Funktion des Offline-Modus ist die Speicherung neuer Erfahrungen. In der wissenschaftlichen Literatur gibt es breite Unterstützung für die Ansicht, dass frische Erinnerungen sehr Interferenz-anfällig sind und daher Zeit brauchen, um sich zu stabilisieren. Der Kortex ist ein recht „langsamer Lerner“, da Veränderungen in der kortikalen Synapsenstärke typischerweise Zeit brauchen. Dies ist vielleicht auch gut so, weil dadurch ein Individuum nicht mit unsinnigen und willkürlichen Informationen überfrachtet wird. Die kurzfristige Speicherung von räumlich-zeitlichen Aktivitätsmustern findet daher vorzugsweise in Strukturen mit schneller Plastizitätsregulierung statt. Der Hippocampus gilt als das Beispiel schlechthin für einen solchen Mikroschaltkreis-Verband: Er speichert frische Erinnerungen und kann sie reaktivieren, um die kortikale Plastizität zu fördern. Perioden der Ruhe oder des Schlafes begünstigen dabei die Gedächtnisstabilisierung [3].
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Der Stärkung des Gedächtnisses im Schlaf soll ein intern generierter Zustand des Gehirns, das neuronale Replay, zu Grunde liegen. Kurz gesagt, Informationen aus der externen Welt aktivieren spezifische Neuronen, die für diese Art Information, beispielsweise für das Gesicht einer Person, die Stimme oder den Ort, empfänglich sind. Diese neuronale Aktivierung geschieht in einer bestimmten Reihenfolge. Überraschenderweise wird nun im Offline-Modus, etwa bei ruhiger Wachsamkeit oder im Schlaf, dieselbe Abfolge an neuronaler Aktivität wiederholt, quasi erneut abgespielt [4]. Dieses Phänomen der Wiederholung wurde an Nagetieren eingehend untersucht. Auch im menschlichen Gehirn geht derselbe neurophysiologische Mechanismus vonstatten. Es wurde gezeigt, dass Episoden neuronaler Wiederholung vorzugsweise im Hippocampus während enger Zeitfenster mit wenigstens zwei charakteristischen Signal-Dynamiken vorkommen: (a) große Abweichungen im lokalen Feldpotenzial (auch im Standard-EEG-Signal leicht zu beobachten), und (b) damit verbundene schnelle Schwingungen, die Ripples genannt werden und das synchrone Feuern von 50.000-100.000 interagierenden Projektionsneuronen und Interneuronen widerspiegeln (Abb.1). Ripple-Ereignisse lassen sich mit Elektroden messen, die man in das entsprechende Subfeld des Hippocampus platziert. Die Ripples verteilen sich über den gesamten Hippocampus. Durch diesen „globalen“ Charakter sind sie optimal als Modulator von Plastizität geeignet. Tatsächlich weist eine große Anzahl von Studien darauf hin, dass der Hippocampus mit Hilfe der Ripples Botschaften an den Kortex schickt und so dessen Plastizität verändert. So überträgt er möglicherweise frisch erworbenes Wissen in das Langzeitgedächtnis [5].
NET-fMRT: Eine neue multimodale Methodik
Erst kürzlich entwickelten Nikos Logothetis und sein Team vom Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik 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. Hierzu gehören auch jene Daten, welche mithilfe der fMRT gemessen 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 (Abb. 2). Interessanterweise wurden dabei jene Strukturen gehemmt, deren Aktivität den Dialog zwischen Hippocampus und der Großhirnrinde prinzipiell hätte behindern können. Die Unterdrückung der Thalamus-Aktivität beispielsweise reduziert Hirnsignale, die im Wachzustand der Sinnesverarbeitung dienen. Die Unterdrückung der Basalganglien, der Brückenregion - die unter anderem für den REM-Schlaf verantwortlich ist - sowie des Kleinhirns zeigt an, dass Aktivität in anderen Gedächtnissystemen gehemmt wird.
Die Vorteile multimodaler Ansätze
Fähigkeiten wie Wahrnehmung, Aufmerksamkeit, Lernen und Gedächtnis sind Eigenschaften, die aus einem komplexen System wie dem Gehirn hervorgehen und sich am besten mit multimodalen Ansätzen erforschen lassen. Die hier vorgestellte Studie belegt die Vorteile, die sich aus der Anwendung einer solchen multimodalen Methodik wie der NET-fMRT ergeben. Die aktuellen Ergebnisse der Arbeitsgruppe bieten aufschlussreiche Einblicke in die großräumige Organisation des Gedächtnisses: Eine kognitive Fähigkeit, die sich aus der Aktivierung breiter neuronaler Netzwerke ergibt, konnte bislang nicht eingehend untersucht werden, da man entweder allein mit funktioneller Bildgebung oder aber mit traditionellen Ableitungen von einzelnen Neuronen arbeitete. Ripples sind charakteristische Ereignisse im Hippocampus und ihre Verwendung als Trigger hat das Auf und Ab ausgedehnter Netzwerkaktivität aufgedeckt. Doch sollte man nur mit Vorsicht auf einen kausalen Zusammenhang zwischen dem Auslöseereignis und den Veränderungen in der Netzwerkaktivität hinweisen, um Fehlinterpretationen der funktionellen Bedeutung solcher individueller neuronaler Ereignisse zu vermeiden. Der Zustand ausgedehnter Netzwerke hängt wahrscheinlich von einer großen Zahl an Variablen ab, von denen sich nach intensiver experimenteller Arbeit vielleicht eine Untergruppe charakterisieren lässt. Zu diesen Variablen zählen beispielsweise Aktivitätsveränderungen in individuellen Strukturen oder Veränderungen der Wechselbeziehungen zwischen Strukturen.
Das Gehirn als biologischer Computer
Zu ergründen, wie Erinnerungen im Gehirn gespeichert und aufgerufen werden, ähnelt dem Versuch, einen fremdartigen Computer verstehen zu wollen, dessen Komponenten und Funktionen teilweise noch unbekannt sind. In gewisser Weise ist das Gehirn ja ein biologischer Computer, es ist ein lebendiges Gewebe, das sich ständig an neue Verhältnisse anpasst. Man kann das Gehirn auf vielen verschiedenen Ebenen betrachten - von der chemischen und genetischen Ebene über die der Zellen und Schaltkreise, bis hin zur höheren Ebene des gesamten Gehirns und seiner Interaktionen mit der Außenwelt. Das Gedächtnis etwa lässt sich bis zu den Molekülen zurückverfolgen, die sich bei der Entstehung einer neuen Erinnerung verwandeln, zu den Zellen, die ihre Morphologie verändern und den Schaltkreisen, die sich dabei bilden, sowie den verschiedenen Hirnarealen, die miteinander interagieren.
Roberto Cabeza, ein Kognitiver Neurowissenschaftler, sucht nach Spuren von Erinnerungen im Gehirn. Anhand von Hirnaktivitätsmustern spürt er dem Moment nach, im dem durch neue Verknüpfungen gespeicherter Informationen Kreativität entsteht.
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Gedächtnis und Kreativität
Kreativität treibt den Fortschritt an, es ist ein grundlegendes Konzept, das sich zu erforschen lohnt. Cabeza und sein Team beschäftigen sich mit einer bestimmten Form von Kreativität, nämlich jener, die uns hilft, Probleme zu lösen, indem wir neue Beziehungen zwischen Informationen knüpfen - und eine plötzliche Einsicht gewinnen. Die dafür notwendigen Informationen sind in unserem Gedächtnis gespeichert. Kreativität hängt also vom Gedächtnis ab: Ohne Vorwissen können wir nichts erschaffen. Die funktionelle Neuro-Bildgebung zeigt uns, dass eine der Hirnregionen, die an solchen Momenten plötzlicher Einsicht beteiligt sind, der Hippocampus ist - eine Schlüsselregion für das Gedächtnis. Cabeza und sein Team untersuchen die Interaktionen des Hippocampus mit anderen Hirnregionen, um die neuronalen Prozesse hinter diesen Einsichtsmomenten zu verstehen. Und sie wollen verstehen, wie diese durch das Altern beeinflusst werden. Eine ihrer Kernfagen ist: Kann Kreativität uns ermöglichen, die Flexibilität und Plastizität im Gehirn aufrechtzuerhalten und so Gedächtnisverlust entgegenzuwirken?
Die Rolle des Vergessens
Vergessen ist kein Zu- und auch kein Unfall. Es ist nichts, was einfach so geschieht. Vergessen kippt nicht aus Versehen seine Bierdose über unser schönes Fotoalbum - hoppla. Sondern es greift aktiv ein und steht ganz ebenbürtig neben seinem beliebten Bruder, Erinnern. Denn ohne Vergessen wäre alles immer da, eine alles erdrückende Flut an Informationen. Erst das Vergessen ordnet die Dinge, schafft Platz für Neues, spart Kraft, putzt, räumt auf. Die phänomenale Leistung unseres Gehirns beruht auf seiner Fähigkeit zur Wandlung, auf der neuronalen Plastizität. Laufend werden neue Synapsen geschaffen, neue Verbindungen zwischen Nervenzellen also. Neurowissenschaftler gehen davon aus, dass Eindrücke, die wir mit unseren Sinnesorganen wahrnehmen, im Anschluss an einen rigorosen Filterprozess zunächst im Cortex verarbeitet werden, also in der Großhirnrinde. Doch damit ein Eindruck zur Erinnerung wird, muss die Information im Gehirn festgeschrieben werden. In einem Bereich, tief in unserem Gehirn, geht dieser Prozess besonders schnell: dem Hippocampus. Erinnerungswürdige Informationen werden aus der Hirnrinde in diese seepferdchenförmige Hirnstruktur weitergeleitet. Hier, sozusagen im Zwischenspeicher, wird erstmals eine Erinnerungsspur festgeschrieben.
Gordon Feld, ein Neuropsychologe, betont, dass man sich die Ausbildung einer solchen Langzeit-Gedächtnisspur nicht wie ein Foto auf der Speicherkarte vorstellen darf: »Es werden nicht alle sensorischen Informationen abgespeichert. Denn wir haben von vielen Dingen schon Konzepte im Kopf, es werden nur die Zusammenhänge gespeichert.« Das Gehirn rekonstruiert daraus die Erinnerungen. »Das ist eine Frage der Effizienz,« erklärt Feld. Das Vergessen setzt unmittelbar mit den ersten Reizen eines Sinnesorgans ein: Schon die vielen Filterfunktionen des Gehirns könnten als aktives Vergessen bezeichnet werden. Vergessen findet immer und überall im Gehirn statt. »Wir wissen, dass die biologischen Prozesse des Erinnerns sowohl Energie als auch Platz brauchen«, sagt er. »Da ist es nur logisch, dass es eine Kapazitätsgrenze gibt. Es muss einen Prozess geben, der alles wieder runterfährt, ohne gleich das ganze Gedächtnis zu löschen.«
Japanische Forscher:innen um Akihiro Yamanaka von der Universität Nagoya haben ein interessantes Puzzleteil gefunden für dieses Rätsel. In einem Artikel im Wissenschaftsjournal Science aus dem Jahr 2019 beschreiben sie die sogenannten MCH-Neuronen, die »aktiv zum Vergessen im Schlaf beitragen«. Diese Nervenzellen sind besonders aktiv während des R.E.M.-Schlafs, einer Schlaf-Phase, die gekennzeichnet ist durch schnelle Augenbewegungen. Für ihre Versuche nutzten die japanischen Wissenschaftler:innen nun gentechnisch veränderte Mäuse, bei denen sie die MCH-Neuronen im Schlaf gezielt abschalten konnten.
Die Kunst des Vergessens?
Aileen Oeberst, eine Psychologin, hat das Vergessen benutzt, hat ihm einen Lappen in die Hand gedrückt und es gezielt in die Ecke geschickt. Sie hat das Erinnern einfach umgedreht: Hat aus dem Nichts eine Erinnerung gemacht. »Erinnerungen sind gefärbt durch Aktuelles, durch Stimmungen. Oeberst erklärt: »Das Gedächtnis funktioniert auf keinen Fall wie ein Rekorder. Erinnerungen sind beeinflusst von dem, was ich zwischendrin gelernt und erfahren habe, sie sind gefärbt durch Aktuelles, zum Beispiel von meiner Stimmung. Und Lücken in der Erinnerung füllen wir auf und merken das gar nicht, zum Beispiel mit Stereotypen für irgendein typisches Verhalten.
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Magnetische Hirnstimulation
Nathan Rose von der University of Wisconsin in Madison und seine Kollegen haben es geschafft, vermeintlich vergessene Erinnerungen ins Gedächtnis seiner Studienteilnehmer zurückzurufen. Sie stimulierten die entsprechenden Neuronen mit einem gezielten magnetischen Impuls - ein Verfahren, das Experten transkranielle Magnetstimulation nennen. Tatsächlich konnten sich die Probanden nach der Hirnstimulation wieder besser an den vermeintlich vergessenen Inhalt erinnern - obwohl die Neuronen zu diesem Zeitpunkt bereits keine gesteigerte Aktivität mehr zeigten. Allerdings nur unter einer Voraussetzung: Die Wissenschaftler mussten ihnen vorher gesagt haben, dass die „wiederbelebte“ Information im weiteren Verlauf des Experiments relevant werden könnte.
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