Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Dem Gehirn beim Denken zusehen: Mechanismen des assoziativen Lernens weiter entschlüsselt

25.03.2015

Das Gehirn speichert Informationen nicht an einem bestimmten Ort, sondern als Fragmente an vielen Orten. Zum Denken und Lernen verknüpft es sie wieder.

Wie diese Netzwerkarbeit die plastischen Verbindungen zwischen den Nervenzellen – den Dornfortsätzen – verändert, zeigt eine aktuelle Publikation Tübinger Hirnforscher im Journal of Neuroscience. Mitt els der Zwei-Photonenmikroskopie konnten die Forscher einzelne Dornfortsätze im lernenden Gehirn von Mäusen beobachten: Je länger der Lernprozess voranschritt und je besser die individuelle Lernleistung war, desto stärker wurden die Dornfortsätze abgebaut.


Ein Dornfortsatz (ca. 1 Mikrometer im Durchmesser) einer Großhirnnervenzelle einer lernenden Maus wird abgebaut. Zwei Bilder an zwei verschiedenen Tagen (roter Pfeil: fehlender Dornfortsatz).

Hertie-Institut für klinische Hirnforschung (HIH)

Die Erkenntnisse der Studie tragen auch zu einem besseren Verständnis von Hirnerkrankungen wie Alzheimer, Parkinson und Schizophrenie bei.

Obwohl das Gehirn bei weitem nicht die Schnelligkeit eines Computers erreicht, übertrifft es diesen in seiner Lernfähigkeit und seinem Erinnerungsvermögen. Grundlage dafür ist die flexible Vernetzung von über 100 Milliarden Nervenzellen. Eine wichtige Rolle spielen dabei Dornfortsätze, auch „dendritische Spines“ genannt. Diese feinsten Nervenzellausläufer werden beim Lernen und Erinnern stetig umgebaut. Die Veränderbarkeit neuronaler Signalübertragung ist eine der herausragenden Eigenschaften des Gehirns und wird von Neurowissenschaftlern als zelluläre Grundlage für das menschliche Gedächtnis angesehen.

Dies ist besonders einleuchtend, wenn man assoziatives Gedächtnis verstehen möchte. Dabei gilt es, Informationen, die auf den ersten Blick nichts miteinander zu tun haben, aufzunehmen, zu verknüpfen und als sinnvollen Zusammenhang zu speichern. Solche Verknüpfungen (oder Assoziationen) liegen auch den komplexesten Denkvorgängen zugrunde.

„Nur wenn die beiden höchst unterschiedlichen Signale miteinander verknüpft werden, erfolgt ein Umbau an den Kontaktstellen der miteinander kommunizierenden Nervenzellen. Kurz gesagt: "Wir haben dann etwas gelernt“, erklärt Professor Cornelius Schwarz vom Hertie-Institut für klinische Hirnforschung und dem Werner Reichhardt Centrum für Integrative Neurowissenschaften der Universität Tübingen.

Damit die Forscher dem Gehirn der Mäuse beim Lernen zusehen konnten, trainierten sie diese auf eine einfache Lernaufgabe: Der Assoziation eines Berührungsreizes an ihren Tasthaaren mit einem darauffolgenden kleinen Luftstoß gegen die Augen. „Das Tasthaarsystem der Nager ist hierfür von herausragender Bedeutung, da die sensorischen Eingänge jedes einzelnen Tasthaars an einem sehr kleinen, aber gut bekannten Ort auf der Großhirnoberfläche verarbeitet werden“, sagt Schwarz.

Während die Tiere lernten, ihre Augen nach der Tasthaarberührung zu schließen, um den Luftstoß aufs offene Auge zu vermeiden, haben die Hirnforscher starke Umbauvorgänge der Dornfortsätze beobachtet. Es wurden im Mittel 15 Prozent der Dornfortsätze abgebaut, je länger der Lernprozess voranschritt und je besser war die individuelle Lernleistung der Maus. Ein Hinweis auf die hohe räumliche Präzision der Assoziationsprozesse ist es, dass der Dornfortsatzumbau nur an dem Punkt der Großhirnoberfläche stattfand, wo der sensorische Eingang des fraglichen Tasthaares war.

„Die beobachteten, hochspezifischen Eigenschaften des Dornfortsatzumbaus und die große zeitliche Korrelation mit dem Lernerfolg geben großen Anlass zur Hoffnung, dass der damit verbundene Netzwerkumbau kausal für die langfristige Speicherung des Lerninhalts verantwortlich ist“, so Schwarz über die Ergebnisse der Studie. Mit diesen Beobachtungen ist es den Wissenschaftlern gelungen, eine Tür zum Verständnis der Mechanismen des assoziativen Lernens aufzustoßen. Noch ist nicht klar, ob alle Zelltypen des Großhirns solche Veränderungen aufzeigen und warum der von den Forschern beobachtete Zelltyp einen Abbau von Nervenzellverbindungen aufzeigt und nicht einen Aufbau. Auch sind die physiologischen Signale unbekannt, die zu einer solchen Verknüpfung mit darauffolgendem Dornfortsatzumbau führen. All dies muss in weiteren Experimenten aufgeklärt werden.

Viele Gehirnkrankheiten, wie Schizophrenie, Alzheimer und Parkinson sind durch Beeinträchtigungen des Großhirns und damit des Denk- und Lernvermögens charakterisiert. Bevor die Verbesserung dieser Symptome und ihrer zugrundeliegenden neuronalen Prozesse ins Visier genommen werden können, müssen dieselben Prozesse im gesunden Gehirn verstanden worden sein. Auf diesem Weg sind die Tübinger Forscher ein kleines, aber wichtiges Stück weiter gekommen.

Übertragbarkeit der Ergebnisse auf den Menschen
Das Großhirn ist ein Wunderwerk an dicht miteinander verschalteten Nervenzellen, die über der gesamten Oberfläche unseres Großhirns in sich wiederholenden Einheiten mit nahezu identischem Verschaltungsplan vorliegen. Die Teile des Denkorgans arbeiten daher sehr wahrscheinlich nach demselben Schema, ob diese nun mit Signalen aus den Sinnesorganen, Kommandos zur Bewegung der Muskeln oder abstrakteren Denkvorgängen umgehen. Interessanterweise gilt diese Ähnlichkeit auch für den Aufbau der Großhirne beim Vergleich zwischen Säugetieren. Die Speziesunterschiede im mikroskopischen Aufbau dieses Organs sind winzig. Die höheren Denkleistungen des Menschen scheinen daher nicht durch eine „genialere Verschaltung“ im Großhirns, sondern lediglich durch die massivere Akkumulation von ähnlich aufgebauten Netzwerkeinheiten und damit die Möglichkeit der Repräsentation von noch mehr und noch abstrakteren Denkeinheiten getragen zu sein. Die Ähnlichkeit zwischen Spezies macht es möglich, dass durch das Studium von tierischen Gehirnen wichtige Erkenntnisse über menschliche Denkleistungen zu Tage gefördert werden können.

Originalpublikation
Joachimsthaler, B., Brugger, D., Skodras, A., Schwarz, C. (2015) Spine loss in primary somatosensory cortex during trace eyeblink conditioning J Neurosci, 35:3772-3781

Silke Jakobi | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Nesseltiere steuern Bakterien fern
21.09.2017 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

nachricht Die Immunabwehr gegen Pilzinfektionen ausrichten
21.09.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Im Focus: Hochautomatisiertes Fahren bei Schnee und Regen: Robuste Warnehmung dank intelligentem Sensormix

Schlechte Sichtverhältnisse bei Regen oder Schnellfall sind für Menschen und hochautomatisierte Fahrzeuge eine große Herausforderung. Im europäischen Projekt RobustSENSE haben die Forscher von Fraunhofer FOKUS mit 14 Partnern, darunter die Daimler AG und die Robert Bosch GmbH, in den vergangenen zwei Jahren eine Softwareplattform entwickelt, auf der verschiedene Sensordaten von Kamera, Laser, Radar und weitere Informationen wie Wetterdaten kombiniert werden. Ziel ist, eine robuste und zuverlässige Wahrnehmung der Straßensituation unabhängig von der Komplexität und der Sichtverhältnisse zu gewährleisten. Nach der virtuellen Erprobung des Systems erfolgt nun der Praxistest, unter anderem auf dem Berliner Testfeld für hochautomatisiertes Fahren.

Starker Schneefall, ein Ball rollt auf die Fahrbahn: Selbst ein Mensch kann mitunter nicht schnell genug erkennen, ob dies ein gefährlicher Gegenstand oder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

23. Baltic Sea Forum am 11. und 12. Oktober nimmt Wirtschaftspartner Finnland in den Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

6. Stralsunder IT-Sicherheitskonferenz im Zeichen von Smart Home

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

OLED auf hauchdünnem Edelstahl

21.09.2017 | Messenachrichten

Weniger (Flug-)Lärm dank Mathematik

21.09.2017 | Physik Astronomie

In Zeiten des Klimawandels: Was die Farbe eines Sees über seinen Zustand verrät

21.09.2017 | Geowissenschaften