Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

RUB - Neurowissenschaftler verbessern Tastsinn durch Stimulation von außen

18.10.2005


Lernen wie von Zauberhand


Gehirnstimulation von außen ermöglicht Lernprozesse
RUB-Neurowissenschaftler verbessern Tastsinn

... mehr zu:
»Nervenzelle »Tastsinn


Übung macht den Meister - das gilt auch für Wahrnehmungsleistungen wie den Tastsinn. Durch andauerndes Training lässt sich der Tastsinn kontinuierlich verbessern (perzeptuelles Lernen). Nur im Tiermodell bei der Untersuchung einzelner Nervenzellen war es bisher möglich, ohne Training allein durch Applikation elektrischer Pulse Lernprozesse direkt auszulösen. Die Wirksamkeit einer vergleichbaren Methode zur Auslösung von Lernen, bei der das Gehirn des Menschen ebenfalls direkt stimuliert wird, haben Bochumer Forscher um Associate Professor Dr. Hubert Dinse (Institut für Neuroinformatik, Abteilung Theoretische Biologe) und Prof. Dr. Martin Tegenthoff (Neurologische Universitätsklinik, BG-Kliniken Bergmannsheil) jetzt erstmals gezeigt. Mit einer Magnetspule reizten sie von außen diejenigen Gehirnbereiche, die für den Tastsinn zuständig sind: Ein Lernerfolg stellte sich ein, der in seiner Stärke mit dem von Training vergleichbar war. Über die Ergebnisse der Neurowissenschaftler berichtet die Fachzeitschrift PLoS Biology in ihrer Ausgabe vom 17. Oktober 2005.

Aktives Training des Tastsinns

Perzeptuelles Lernen - die Steigerung der Genauigkeit des Tastsinns - erfolgt durch stete Wiederholung. So lassen sich Objekte, die in ihrer Oberflächenbeschaffenheit sehr ähnlich sind, nach längerem Training allein durch Anfassen voneinander unterscheiden. Ein bekanntes Beispiel dafür ist die Fähigkeit Blindenschrift zu lesen. Die dabei eine zentrale Eigenschaft ist die der "räumlichen taktilen Auflösung", die mit hoher Genauigkeit im Labor gemessen werden kann: Der kleinste Abstand, bei dem eine Versuchsperson mit ihrem Finger noch zwei getrennte Reize wahrnimmt, ist die Zweipunktunterscheidungsfähigkeit. Jeder Mensch hat eine individuelle Zweipunktunterscheidungsschwelle, die sich durch langandauerndes Training herabsetzen lässt.

Passive Stimulation des Gehirns

Die Auslösung von Lernprozessen an Nervenzellen ohne Training gelingt an Gehirnschnitten seit einiger Zeit: Die Forscher leiten mit Mikroelektroden schwache elektrische Ströme in die Nervenzellen. Dadurch verändert sich dauerhaft die Reiz-Übertragungsstärke der Verbindungsstellen zwischen zwei Nervenzellen, den Synapsen: Die Wissenschaftler sprechen von einer Langzeitpotenzierung (long-term potentiation, LTP). "Diese dauerhafte Veränderung ist das Grundelement des Lernens", erklärt Dinse. "Übertragen auf den gesamten Organismus heißt das, dass Lernen auch ohne Aufmerksamkeit oder Bedeutungsgehalt des Reizes funktioniert." Diese Überlegungen waren Ausgangspunkt für die neuen Untersuchungen der Bochumer Forscher.

Magnetpulse als Trainingsersatz

Um einen vergleichbaren Versuch am lebenden Menschen durchzuführen, bedienten sie sich der sog. Repetitiven Transkraniellen Magnetstimulation (rTMS). Dabei werden über eine elektromagnetische Spule, die von außen auf den Kopf gelegt wird, wiederholt kurze Magnetpulse mit einer bestimmten Frequenz übertragen. Diese durchdringen ohne Beeinträchtigungen den Schädel und verursachen im Gehirn elektrische Ströme, die die Nervenzellen aktivieren. Die Bochumer Forscher konzentrierten sich auf die Hirnregion, die den Tastsinn des rechten Zeigefingers repräsentiert. Ab einer bestimmten Stärke der Magnetpulse fühlten die Probanden dort ein leichtes Kribbeln. Das Ergebnis: Nach einer Anwendung der rTMS von zwei mal neun Minuten verbesserte sich die räumliche taktile Auflösungsfähigkeit des Fingers, die Zweipunktunterscheidungsschwelle wurde kleiner. Die Verbesserung des Tastsinns war vergleichbar mit der nach längerem Training. Sie war trotz der kurzen Zeit der rTMS von zwei mal neun Minuten über etwa zwei Stunden nachweisbar, danach ging sie auf die ursprünglichen Werte zurück.

Spuren der Lernprozesse im Gehirn

Um die Spuren der Lernprozesse sichtbar zu machen, nutzten die Bochumer Forscher in Zusammenarbeit mit dem Institut für Radiologie der BG-Kliniken Bergmannsheil (Direktor: Prof. Dr. Volkmar Nicolas) die funktionelle Kernspintomographie. Damit kann man von außen die Aktivität von Nervenzellen im Gehirn messen, ohne die Versuchsperson zu schädigen oder zu belasten. Die Untersuchungen ergaben, dass nach der Magnetstimulation das aktivierte Hirnareal im Repräsentationsbereich des gereizten Zeigefingers deutlich größer war als zuvor. Betroffen war der Teil des Gehirns, der als "Eingangstor" für Informationen des Tastsinns in der Großhirnrinde dient (im primären somatosensorischen Kortex). Ebenso wie bei den Untersuchungen des Tastsinns bildeten sich die Veränderungen der Hirnaktivität innerhalb von etwa zwei Stunden wieder zurück.

Verbesserter Tastsinn im Gehirn zu beobachten

Versuchspersonen mit dem am deutlichsten verbesserten Tastsinn hatten gleichzeitig auch die größten aktivierten Hirnbereiche. "Man kann also durch die jeweilige Gehirnaktivität die lernbedingte Verbesserung des Tastsinns vorhersagen", erklärt Tegenthoff. "Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen vergrößerter Hirnaktivität und einer definierten Verbesserung der Wahrnehmungsfähigkeit."

Kein Nürnberger Trichter

Was auf den ersten Blick aussieht wie ein Nürnberger Trichter ist tatsächlich der Ausdruck der enormen plastischen Fähigkeiten des Gehirns. Die Auslösung von Plastizität und Lernen unterliegt präzise definierten Randbedingungen. Finden diese Anwendung, werden auf zellulärer und subzellulärer Ebene Mechanismen in Gang gesetzt, die zu Veränderungen der synaptischen Übertragungsstärke führen. Diese wiederum verändern die Art und Weise, in der die neuronalen Netzwerke des Gehirns Information aus der Umwelt, hier des Tastsinns, verarbeitet. Einer der bemerkenswertesten Befunde dieser Untersuchung ist der, dass rTMS das neuronale Netzwerk nicht destabilisiert, sondern neuartiges, aber ebenfalls stabiles und organisiertes neuronales Verhaltens erzeugt. "Eine der vielen spannenden Fragen" sagt Dinse, "ist daher, welche neuronalen Eigenschaften dafür verantwortlich sind, dass es Nervenzellnetze Gehirn schaffen, nach ihrer Veränderung durch TMS-Pulse ohne verhaltensrelevante Information neue Zustände einzunehmen, die mit verbesserter Wahrnehmung verbunden sind."

Mögliches Einsatzgebiet: Schlaganfall

Die aktuelle Untersuchung ist die konsequente Fortführung einer Serie von Arbeiten der interdisziplinären neurobiologischen RUB-Arbeitsgruppe. Grundlage ist ein theoretisches Konzept, wonach Lernen durch passive Stimulationen gezielt erzeugt und kontrolliert werden kann. Mögliche Einsatzgebiete einer derartigen Lerntechnik sind z.B. neurorehabilitative Verfahren bei Patienten mit schweren Hirnverletzungen oder Schlaganfällen. Weitere Untersuchungen sind nötig, um das Verfahren weiter zu optimieren, und um Möglichkeiten zu finden, die ausgelösten Lernprozesse über längere Zeit zu stabilisieren.

Weitere Informationen

Prof. Dr. Martin Tegenthoff, Neurologische Klinik der BG-Kliniken Bergmannsheil, Klinikum der Ruhr-Universität Bochum, Bürkle-de-la-Camp-Platz 1, 44789 Bochum, Tel: 0234/302-6808, Fax: 0234/302-6888, E-Mail: martin.tegenthoff@ruhr-uni-bochum.de

Associate Professor Dr. Hubert R. Dinse, Institut für Neuroinformatik der RUB, Tel: 0234/32-25565, Fax: 0234/32-14209, E-Mail: hubert.dinse@neuroinformatik.ruhr-uni-bochum.de

Dr. Josef König | idw
Weitere Informationen:
http://www.neuroinformatik.ruhr-uni-bochum.de/PROJECTS/ENB/enb_d.html
http://www.bergmannsheil.de/neurologie

Weitere Berichte zu: Nervenzelle Tastsinn

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Medizin Gesundheit:

nachricht Kommunikation ist alles – auch im Immunsystem
28.11.2017 | Universitätsklinikum Magdeburg

nachricht Wie der Stoffwechsel im Zellkern (Krebs-)Gene kontrolliert
28.11.2017 | CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Medizin Gesundheit >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Stabile Quantenbits

Physiker aus Konstanz, Princeton und Maryland schaffen ein stabiles Quantengatter als Grundelement für den Quantencomputer

Meilenstein auf dem Weg zum Quantencomputer: Wissenschaftler der Universität Konstanz, der Princeton University sowie der University of Maryland entwickeln ein...

Im Focus: Realer Versuch statt virtuellem Experiment: Erfolgreiche Prüfung von Nanodrähten

Mit neuartigen Experimenten enträtseln Forscher des Helmholtz-Zentrums Geesthacht und der Technischen Universität Hamburg, warum winzige Metallstrukturen extrem fest sind

Ultraleichte und zugleich extrem feste Werkstoffe – poröse Nanomaterialien aus Metall versprechen hochinteressante Anwendungen unter anderem für künftige...

Im Focus: Geburtshelfer und Wegweiser für Photonen

Gezielt Photonen erzeugen und ihren Weg kontrollieren: Das sollte mit einem neuen Design gelingen, das Würzburger Physiker für optische Antennen erarbeitet haben.

Atome und Moleküle können dazu gebracht werden, Lichtteilchen (Photonen) auszusenden. Dieser Vorgang verläuft aber ohne äußeren Eingriff ineffizient und...

Im Focus: Towards data storage at the single molecule level

The miniaturization of the current technology of storage media is hindered by fundamental limits of quantum mechanics. A new approach consists in using so-called spin-crossover molecules as the smallest possible storage unit. Similar to normal hard drives, these special molecules can save information via their magnetic state. A research team from Kiel University has now managed to successfully place a new class of spin-crossover molecules onto a surface and to improve the molecule’s storage capacity. The storage density of conventional hard drives could therefore theoretically be increased by more than one hundred fold. The study has been published in the scientific journal Nano Letters.

Over the past few years, the building blocks of storage media have gotten ever smaller. But further miniaturization of the current technology is hindered by...

Im Focus: Successful Mechanical Testing of Nanowires

With innovative experiments, researchers at the Helmholtz-Zentrums Geesthacht and the Technical University Hamburg unravel why tiny metallic structures are extremely strong

Light-weight and simultaneously strong – porous metallic nanomaterials promise interesting applications as, for instance, for future aeroplanes with enhanced...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Innovative Strategien zur Bekämpfung von parasitären Würmern

08.12.2017 | Veranstaltungen

Hohe Heilungschancen bei Lymphomen im Kindesalter

07.12.2017 | Veranstaltungen

Der Roboter im Pflegeheim – bald Wirklichkeit?

05.12.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Papstar entscheidet sich für tisoware

08.12.2017 | Unternehmensmeldung

Natürliches Radongas – zweithäufigste Ursache für Lungenkrebs

08.12.2017 | Unternehmensmeldung

„Spionieren“ der versteckten Geometrie komplexer Netzwerke mit Hilfe von Maschinenintelligenz

08.12.2017 | Biowissenschaften Chemie