Das menschliche Gehirn ist ein komplexes Organ, dessen Funktionsweise Wissenschaftler seit Jahrhunderten zu entschlüsseln versuchen. Zwei Hirnstrukturen, die dabei eine besondere Rolle spielen, sind der Neokortex und der Hippocampus. Während der Hippocampus seit langem mit der Gedächtnisbildung in Verbindung gebracht wird, ist die Rolle des Neokortex und seine Interaktion mit dem Hippocampus erst in den letzten Jahren Gegenstand intensiver Forschung geworden.
Die Rollen von Hippocampus und Neokortex im Überblick
Der Hippocampus: Ein Kurzzeitspeicher für neue Erfahrungen
Der Hippocampus, eine Struktur im Temporallappen, wird von Gedächtnisforschern seit den späten 1950er Jahren intensiv untersucht, als der berühmte Patient „H.M.“ nach einer operativen Entfernung dieser Hirnregion die Fähigkeit verloren hatte, neue Erinnerungen zu bilden. Er ist Teil des limbischen Systems und spielt eine entscheidende Rolle bei der Entstehung, Archivierung und dem Abruf von Inhalten des Langzeitgedächtnisses. Der Hippocampus ist wie ein „eingerolltes“ Stück Cortex, das innen am Temporallappen, am Boden der Seitenventrikel liegt. Interessanterweise ist er einer der wenigen Orte im Gehirn, an dem zeitlebens neue Nervenzellen geboren werden (Neuroneogenese).
In der Gedächtnisbildung fungiert der Hippocampus als plastischer Kurzzeitspeicher mit großer Kapazität und schneller Aufnahmefähigkeit. Neue Erfahrungen werden zunächst im Hippocampus gespeichert. Er speichert frische Erinnerungen und kann sie reaktivieren, um die kortikale Plastizität zu fördern.
Der Neokortex: Ein Langzeitspeicher für dauerhafte Gedächtnisspuren
Der Neokortex, der evolutionär jüngste Teil der Hirnrinde, nimmt Informationen langsamer auf, schützt sie aber dafür dauerhaft und ohne Überschreibung anderer Inhalte. Neuronale Strukturen im Neokortex spielen eine zentrale Rolle für das, was wir unser „Gedächtnis“ nennen. Hier werden langfristige, neokortikale Gedächtnisspuren ausgebildet.
Die Zusammenarbeit von Hippocampus und Neokortex beim Lernen
Forscher vom Institut für Medizinische Psychologie und Verhaltensneurobiologie der Universität Tübingen haben gemeinsam mit Münchner Wissenschaftlern erforscht, wie diese beiden Systeme beim Lernen zusammenarbeiten. Das Gehirn löst die schwierige Aufgabe, neue Informationen schnell aufzunehmen und gleichzeitig langfristig zu speichern, indem es Gedächtnisinhalte in zwei separaten Speichern ablegt: im Hippocampus und im Neokortex.
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Räumliches Gedächtnis: Eine Studie zum Lernprozess im Labyrinth
In einer Studie versetzte das Forscherteam Probanden am Bildschirm in ein virtuelles Labyrinth, in dem diese versteckte Gegenstände finden mussten. Je länger sich die Versuchspersonen durch das Labyrinth bewegten, desto besser lernten sie seinen Aufbau und die Positionen der Gegenstände kennen. Während die Studienteilnehmer diese räumliche Lernaufgabe durchführten, wurde ihre Hirnaktivität mittels Magnetresonanztomografie aufgezeichnet.
Um die Hirnareale für das räumliche Gedächtnis zu identifizieren, bedienten sich die Forscher eines Tricks: In einem Teil des Experiments war das Labyrinth unveränderlich, wodurch die Teilnehmer nach und nach eine räumliche Repräsentation im Gedächtnis aufbauen konnten. In einem zweiten Teil veränderte sich das Labyrinth ständig, sodass die Probanden nichts wiedererkennen oder lernen konnten. „Der Vergleich der Tomografiebilder aus diesen beiden Labyrinthen offenbart, welche Hirnregionen zur Bildung des räumlichen Gedächtnisses beitragen“, erklärt Svenja Brodt, Doktorandin am Graduate Training Centre of Neuroscience und Erstautorin der Studie.
Überraschende Ergebnisse: Precuneus und Hippocampus im Lernprozess
Die Forscher waren überrascht, dass die Aktivität des Precuneus, einer Region im hinteren Neokortex, mit dem Lernen kontinuierlich anstieg, wohingegen die Aktivität im Hippocampus kontinuierlich abfiel. Auch die Kommunikation zwischen beiden Regionen habe im Laufe des Lernens immer weiter abgenommen. „Mit diesen Ergebnissen können wir nachweisen, dass sich die langfristigen, neokortikalen Gedächtnisspuren bereits beim ersten Eintreffen neuer Informationen ausbilden“, sagt Dr. Monika Schönauer, die die Studie federführend geleitet hat. Dies sei verblüffend, da Forscher bislang davon ausgegangen seien, dass dieser Prozess sehr langsam vonstattengehe und sich über Wochen oder Monate hinzöge.
Die Zahl der Lernwiederholungen habe offenbar einen entscheidenden Einfluss darauf, wie schnell sich ein langfristiges und stabiles Gedächtnis im Neokortex ausbildet. „Im Precuneus bildet sich eine eigenständige Gedächtnisrepräsentation aus. Wenn der Tomograf Aktivität im Precuneus eines Probanden anzeigte, konnten wir voraussagen, ob dieser einen gesuchten Gegenstand im Labyrinth finden würde oder nicht“, erläutert Svenja Brodt.
Professor Steffen Gais ergänzt: „Sehr erstaunlich ist auch, dass der Hippocampus schon nach so kurzer Zeit nicht mehr am Lernen beteiligt ist.“
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Die Rolle des Precuneus
Der Precuneus spielt eine wichtige Rolle bei der Bildung einer eigenständigen Gedächtnisrepräsentation. Die neuen Studienergebnisse lieferten wichtige Erkenntnisse darüber, welche Regionen langfristige Gedächtnisspuren speichern.
Implikationen für Demenzbehandlung und Lernstrategien
Die neuen Studienergebnisse lieferten wichtige Erkenntnisse darüber, welche Regionen langfristige Gedächtnisspuren speichern. Dies könne helfen, künftig Patienten mit Demenz oder Funktionsstörungen des Hippocampus richtig zu behandeln. „Aber auch etwa für die Schule sind die Erkenntnisse wichtig, wenn einfache Lerninhalte schnell und langfristig erworben werden sollen, wie Vokabeln in einer Fremdsprache oder das Einmaleins. Unseren Ergebnissen zufolge erscheint häufiges Wiederholen des Lernstoffs als unumgänglich“, sagt die Wissenschaftlerin.
Die Konsolidierung von Gedächtnisinhalten: Vom Hippocampus zum Neokortex
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.
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.
Neuronales Replay und Ripples: Schlüssel zur Gedächtnisstabilisierung
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.
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Episoden neuronaler Wiederholung kommen vorzugsweise im Hippocampus während enger Zeitfenster mit wenigstens zwei charakteristischen Signal-Dynamiken vor: (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.
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.
NET-fMRT: Eine neue Methode zur Erforschung der Netzwerkaktivität des Gehirns
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. 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.
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