Video: Lernen und Gedächtnis

Hirnnerv Nummer Eins… Nervus olfactorius. Zwei… Nervus opticus. Drei… Nervus… trochlearis? Nein, der dritte ist doch der Nervus oculomotorius…verdammt, ich werde mir diese Hirnnerven nie merken können…

Wäre es nicht großartig, wenn wir etwas nur einmal lesen müssten, um es uns für immer zu merken? Leider, oder vielleicht zum Glück, funktioniert unser Gehirn nicht so. Warum das so ist, finden wir gleich heraus. Moment… Worüber wollten wir nochmal sprechen? Ach ja, über das Lernen und Gedächtnis.

Unsere Gedächtnisinhalte sind ein zentraler Bestandteil unserer Persönlichkeit. Sie helfen uns, die Welt zu verstehen und prägen damit unser Verhalten. Neue Gedächtnisinhalte entstehen, wenn wir unsere Umgebung wahrnehmen und mit ihr interagieren. Lernen bedeutet dabei, neue Informationen, Fertigkeiten oder Verhaltensweisen zu erwerben. Das Gedächtnis sorgt anschließend dafür, dass diese Inhalte gespeichert und bei Bedarf wieder abgerufen werden können.

Lernen und Gedächtnis sind eng miteinander verknüpft: Das Lernen stützt sich auf das Gedächtnis, um neu erworbene Inhalte zu behalten. Das Gedächtnis kann hingegen nur dann etwas speichern, wenn zuvor ein Lernprozess stattgefunden hat.

Je nach Speicherdauer unterscheidet man zwischen verschiedenen Gedächtnissystemen, dem Kurzzeit- und dem Langzeitgedächtnis. Das Kurzzeitgedächtnis kann nur eine geringe Menge an Informationen für wenige Sekunden bis Minuten festhalten. Auch wenn das nach wenig klingt, ist es für unseren Alltag unverzichtbar.

Ohne Kurzzeitgedächtnis könnten wir keine Gespräche führen, da wir sofort vergessen würden, was unser Gegenüber gerade gesagt hat. Unsere verlegte Geldbörse ließe sich kaum wiederfinden, weil wir uns nicht merken könnten, wo wir bereits gesucht haben. Auch das sichere Überqueren einer Straße wäre unmöglich, da wir beim Blick nach links bereits vergessen hätten, ob sich von rechts ein Auto nähert.

Zum Glück nutzt unser Arbeitsgedächtnis im präfrontalen Kortex die Informationen aus dem Kurzzeitgedächtnis, um uns bei unseren alltäglichen Aufgaben zu unterstützen.

Die meisten Inhalte aus dem Kurzzeitgedächtnis verschwinden jedoch nach kurzer Zeit wieder. Bedeutende Inhalte können jedoch durch einen Vorgang namens Konsolidierung ins Langzeitgedächtnis überführt werden. Solche Gedächtnisinhalte können jahrelang, oder sogar lebenslang, bestehen bleiben.

Das Langzeitgedächtnis lässt sich je nach Art der gespeicherten Information in das explizite und in das implizite Gedächtnis unterteilen. Da beide Gedächtnisarten unterschiedliche Funktionen und neuronale Mechanismen besitzen, betrachten wir sie getrennt voneinander. Beginnen wir zunächst mit dem expliziten Gedächtnis.

Das explizite Gedächtnis erfordert bewusste Aufmerksamkeit für den Abruf von Erinnerungen. Es wird auch als deklaratives Gedächtnis bezeichnet, da die darin enthaltenen Informationen sprachlich wiedergegeben werden können. Außerdem lässt es sich weiter in das semantische und episodische Gedächtnis unterteilen.

Das semantische Gedächtnis umfasst Fakten und allgemeines Wissen, die unabhängig von einem konkreten Kontext gespeichert sind, etwa wie ein Ball aussieht, welche Geräusche er erzeugen kann oder wie er sich bei Berührung anfühlt. Das episodische Gedächtnis hingegen bezieht sich auf spezifische, persönlich erlebte Ereignisse, zum Beispiel den Moment, in dem du zu deinem Geburtstag einen neuen Ball geschenkt bekommen hast.

Mehrere Hirnstrukturen sind an der Bildung, Speicherung und dem Abruf expliziter Gedächtnisinhalte beteiligt. Ein entscheidender Schritt zum Verständnis dieser Prozesse war die Beobachtung von Patienten nach einer medizinisch bedingten Entfernung des Hippocampus. Man hat festgestellt, dass diese keine neuen expliziten Gedächtnisinhalte mehr bilden konnten, während Erinnerungen aus früheren Lebensabschnitten jedoch erhalten blieben.

Daraus ergaben sich zwei grundlegende Erkenntnisse: Erstens sind der Hippocampus und angrenzende Strukturen des medialen Temporallappens für die Konsolidierung expliziter Gedächtnisinhalte unerlässlich. Zweitens werden Inhalte des Langzeitgedächtnisses nicht im Hippocampus selbst, sondern in den sensorischen Assoziationsarealen der Großhirnrinde gespeichert, also dort, wo die ursprüngliche Information verarbeitet wurde.

Erinnerungen an die Form und Farbe eines Balls werden im visuellen Kortex gespeichert, Informationen über seinen Klang im auditorischen Kortex und seine Oberflächenbeschaffenheit oder sein Gewicht im somatosensorischen Kortex im Parietallappen.

Zwei weitere Hirnregionen sind ebenfalls beteiligt: Der präfrontale Kortex unterstützt sowohl den Abruf als auch die Konsolidierung von Gedächtnisinhalten. Die Amygdala verstärkt die Konsolidierung emotional bedeutsamer Inhalte, weshalb wir emotional geprägte Ereignisse besonders klar im Gedächtnis behalten. Deshalb vergessen wir die hunderten Würfe, die wir im Training ausführen, erinnern uns aber an den einen Wurf, der uns in einem wichtigen Spiel den Sieg gebracht hat.

Und wo wir schon beim Thema Bälle-Werfen sind: Die Abfolge der Muskelaktivierungen, die für eine präzise Wurfbewegung erforderlich ist, stellt ein Beispiel für das implizite Gedächtnis dar. Solche Gedächtnisinhalte laufen automatisch ab und entstehen durch die wiederholte Ausführung einer Handlung. Man bezeichnet das implizite Gedächtnis auch als nicht-deklarativ, weil sich diese Abläufe nur schwer in Worte fassen lassen und nicht auf bewusst abrufbare Fakten oder Ereignisse bezogen sind.

Auto zu fahren, sich in einer vertrauten Umgebung zurechtzufinden oder ein Instrument zu spielen, all das sind Beispiele für das implizite Gedächtnis. Während das explizite Gedächtnis uns Fakten und Ereignisse merken lässt, speichert das implizite Gedächtnis vor allem, wie wir etwas tun. Selbst das sogenannte „Muskelgedächtnis“ entsteht in Wirklichkeit im Gehirn.

Wie bereits erwähnt, unterscheiden sich die Hirnstrukturen, die am impliziten und expliziten Gedächtnis beteiligt sind. Patienten ohne Hippocampus können dennoch motorische Fertigkeiten erlernen oder sich in Gebäuden orientieren. Das ist ein deutlicher Hinweis darauf, dass die Konsolidierung impliziter Gedächtnisinhalte nicht vom Hippocampus abhängt. Die wichtigsten Strukturen, die diesen Prozess ermöglichen, sind die Basalganglien, das Kleinhirn und der Motorkortex. Auch die Amygdala spielt eine Rolle, wenn implizite Inhalte eine emotionale Komponente besitzen.

Wir haben gesehen, wie wichtig es ist, Inhalte aus dem Kurzzeitgedächtnis in das Langzeitgedächtnis zu überführen, damit wir uns Informationen langfristig merken können. Doch wie entsteht aus einem flüchtigen Gedanken eigentlich ein stabiler Bestandteil des Gedächtnisses?

Die aktuelle Forschung zeigt, dass Veränderungen an den Synapsen dabei eine zentrale Rolle spielen. Gedächtnisinhalte werden durch einen Prozess namens Langzeitpotenzierung, kurz LTP, gefestigt. Man kann sich diesen Vorgang wie eine Brücke zwischen zwei Neuronen vorstellen, die durch häufige Nutzung immer stabiler wird. Je häufiger Signale über diese Verbindung übertragen werden, desto stärker wird sie und desto besser bleibt der Gedächtnisinhalt erhalten.

Doch was passiert, wenn eine solche Verbindung abgeschwächt werden soll? Hier kommt ein Prozess namens Langzeitdepression, kurz LTD, ins Spiel. Man kann sich dies so vorstellen, dass die Brücke zwischen unseren beiden Neuronen zunehmend instabil wird, wenn sie nicht genutzt wird. Im Rahmen der LTD werden ungenutzte synaptische Verbindungen schrittweise abgeschwächt, sodass das Gehirn Gedächtnisinhalte abbauen kann, die nicht mehr benötigt werden.

Diese beiden Prozesse sind grundlegend für das Lernen und die Konsolidierung von Gedächtnisinhalten. Schauen wir uns nun genauer an, wie die Langzeitpotenzierung im Hippocampus abläuft.

Hier sehen wir ein präsynaptisches und ein postsynaptisches Neuron. Das präsynaptische Neuron setzt den Botenstoff Glutamat frei. Dieses bindet an zwei Arten von Rezeptoren des postsynaptischen Neurons: an AMPA-Rezeptoren und an NMDA-Rezeptoren. Wenn Glutamat an einen AMPA-Rezeptor bindet, strömen Natriumionen in die Zelle ein. Glutamat kann zwar auch an NMDA-Rezeptoren binden, doch reicht das zunächst nicht aus, damit Ionen hindurchtreten – denn ein Magnesiumion blockiert den Rezeptorkanal und verhindert somit den Einstrom.

Wenn die Depolarisation durch den Natriumeinstrom stark genug ansteigt, wird das blockierende Magnesiumion aus dem NMDA-Rezeptorkanal verdrängt. Dadurch können nicht nur weitere Natriumionen, sondern zusätzlich auch Calciumionen in die Zelle einströmen.

Der Anstieg der intrazellulären Calciumkonzentration löst eine Signalkaskade aus, die die synaptische Verbindung schrittweise verstärkt. Zunächst werden mehr AMPA-Rezeptoren in die postsynaptische Membran eingebaut. Gleichzeitig erhöht sich die Leitfähigkeit der bereits vorhandenen AMPA-Rezeptorkanäle, sodass Natriumionen deutlich leichter einströmen können. Schließlich erreicht ein chemisches Signal das präsynaptische Neuron und regt es an, größere Mengen Glutamat freizusetzen. In Kombination führen diese Veränderungen dazu, dass die synaptische Verbindung dauerhaft gestärkt wird.

Diese zellulären Signalwege wurden vor allem in den Pyramidenzellen des Hippocampus untersucht, insbesondere an den Axonen der CA3-Neurone, die in die CA1-Region projizieren. Diese Verbindung wird in der englischsprachigen Literatur häufig als „Schaffer-Kollaterale“ bezeichnet. Man geht davon aus, dass vergleichbare Formen der Langzeitpotenzierung auch in anderen Hirnarealen auftreten und auf diese Weise zur Konsolidierung unterschiedlicher Gedächtnisinhalte beitragen. Die Fähigkeit, Inhalte zu behalten und auch wieder zu vergessen, ist dabei essentiell für unsere geistige Gesundheit.

Zum Abschluss des Tutorials werfen wir noch einen Blick auf die Klinik und gehen der Frage nach, was passiert, wenn diese Funktionen gestört sind.

Ein Gedächtnisverlust wird als Amnesie bezeichnet und tritt häufig nach Schädel-Hirn-Traumata oder bei neurodegenerativen Erkrankungen auf. Ist die Gedächtniskonsolidierung gestört, können neue Inhalte nicht mehr gespeichert werden. In diesem Fall spricht man von einer anterograden Amnesie. Bei der retrograden Amnesie hingegen gehen bereits gespeicherte Inhalte verloren. Diese Form entsteht meist dann, wenn die Hirnareale geschädigt werden, die für die Speicherung oder den Abruf zuständig sind.

Im höheren Lebensalter verlangsamen sich Gedächtnisprozesse häufig. Bei neurodegenerativen Erkrankungen sind die Beeinträchtigungen jedoch so stark ausgeprägt, dass Betroffene dauerhaft Unterstützung benötigen. Die häufigste Ursache ist die Alzheimer-Krankheit, bei der es vermutlich durch Ablagerungen von fehlgefalteten Proteinen im Gehirn zu einem Abbau der Nervenzellen kommt.

Damit sind wir am Ende unseres Tutorials zum Lernen und Gedächtnis angelangt. Stell dir einmal vor, wie viele deiner Hippocampus-Neurone gerade aktiv Langzeitpotenzierung betreiben, damit diese neuen Gedächtnisinhalte rechtzeitig vor deiner nächsten Prüfung verankert werden. Und vergiss nicht, dir das Quiz und die weiteren Inhalte in der Lerneinheit anzusehen.

Vielen Dank fürs Zuschauen. Tschüß und bis zum nächsten Mal!