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LERNENDE HIRNZELLEN: MOTIVATION NUTZEN
Neurophysiologen erforschen die zellulären Grundlagen der Gedächtnisbildung
Denise Manahan-Vaughan
Schülerinnen und Schüler sind heute weniger aufmerksam und lernfähig als noch vor Jahren,
sagen manche Pädagogen. Kein Wunder, bei den vielen Ablenkungen, setzen andere hinzu.
Computerspiele, Internetsurfen oder Chatten stehen hoch im Kurs und machen der Schule
Konkurrenz. Weil Motivation der Schlüssel für effektives Lernen ist, sind die Ergebnisse einer
aktuellen Bochumer Studie von didaktischer Relevanz: Ob bei aktiver Beteiligung am
Schulunterricht oder passivem Lernen am Computer – Neurowissenschaftler stellen unter beiden
Lernbedingungen die gleiche positive Wirkung auf die Gedächtnisbildung fest.
Die Fähigkeit eines gesunden Menschen, Neues zu lernen und zu behalten, ist im Verlauf eines
Lebens grenzenlos. Wie viel wir verstehen, wird von unserer Intelligenz, aber auch unserer Bildung
bestimmt. Das Phantastische ist, dass wir so lange wir möchten, immer wieder Neues lernen können.
Wie ist das möglich? Jeder von uns freut sich über die Anschaffung eines neuen Rechners mit
mittlerweile „gigantischer Speicherkapazität“. Die erste Computergeneration besaß eine
Speicherkapazität von einigen hundert Kilobyte (KB). Die neuesten auf den Markt kommenden
Computer haben mindestens 500 Gigabyte (GB), d.h. 500 000 000 KB. Aber wie groß die
Speicherkapazität auch ist, trotzdem wird sie irgendwann erschöpft sein. Bei uns Menschen ist das
nicht der Fall. Das liegt teilweise daran, dass das menschliche Gehirn bis zu 100 Milliarden Hirnzellen
besitzt. Diese Hirnzellen (Neurone) bilden wiederrum insgesamt über 100 Billionen Kontaktstellen
(Synapsen), über die sie miteinander kommunizieren. Die Synapsen bilden riesige Netzwerke,
wodurch Information gespeichert werden kann. Dieses System ermöglicht unsere unbegrenzte
Lernkapazität. Ein Computer stellt im Vergleich einfach keine Konkurrenz dar.
Einfacher vorstellbar ist das bei einem Netzwerk aus nur 100 Synapsen. Wenn alle Synapsen „naiv“
sind, d.h. noch nichts gelernt haben, bleibt die Kommunikation beim Alten und es wird keine
Information gespeichert. Aber Synapsen besitzen die Fähigkeit ihre Kommunikation miteinander zu
verbessern bzw. zu vermindern: Die langfristige Verbesserung der synaptischen Kommunikation wird
als Langzeit-Potenzierung (engl. long-term potentiation, LTP) bezeichnet, die langfristige
Verminderung als Langzeit-Depression (engl. long-term depression, LTD). Wenn sich einige Synapsen
im naiven Zustand und andere im potenzierten (LTP) bzw. deprimierten (LTD) befinden, kann auf
einmal ein einmaliges Netzwerk entstehen. Da jede Synapse unverändert, potenziert bzw. deprimiert
sein kann, ist die Kapazität dieses Netzwerkes, neue Information zu speichern, atemberaubend.
Denken wir an eine Weihnachtsbaumbeleuchtung: Mit nur drei Beleuchtungsfarben und 100
Leuchten, die bei Bedarf jede der drei Farben zeigen können – wie viele Farbmuster könnten da
entstehen! Und jede „Farbkombination“ kann als ein einmaliges Gedächtnisengramm gespeichert
werden (s. Abb. 1).
Unsere Erinnerungen an Fakten und Ereignisse (deklarative Gedächtnisbildung, s. Info 1) werden
durch Änderungen bei der synaptischen Übertragung im Gehirn ermöglicht. Dieses Phänomen der
„synaptischen Plastizität“ (s. Info 2) gewährleistet, dass unsere Hirnzellen sich an wechselnde
Bedingungen bzw. Erlebnisse adaptieren, aber auch erinnern können. Wenn wir uns etwas langfristig
merken möchten, ändert sich die synaptische Übertragung dauerhaft. Aber mittlerweile liegen viele
Beweise vor, dass jede abgerufene autobiografische deklarative Erinnerung danach wieder „frisch“
gespeichert wird. Nichts wird festgeschrieben wie auf einer Computerfestplatte. Das heißt letzten
Endes, dass eine „feste“ Erinnerung, zum Beispiel an Ereignisse unserer 21. Geburtstagsfeier, schon
deshalb fehlerhaft sein kann, weil wir bei jedem Abruf das Geschehen ein bisschen modifizieren. Nur
deklarative Erinnerungen, die verglichen und überprüft werden können (z.B.: Berlin ist die
Hauptstadt von Deutschland), bleiben nach dem Abruf unverändert. Und es gilt der Spruch „use it or
lose it“: Erinnerungen und Gelerntes, das wir nicht regelmäßig abrufen, werden zunehmend
lückenhaft und werden uns irgendwann verloren gehen.
Der Schlüssel zum effektiven Lernen ist Motivation. Wenn wir uns langweilen, müde, gestresst oder
gar apathisch sind, ist es viel schwieriger, Information zu behalten und zu lernen, als wenn wir wach,
entspannt, interessiert und hochmotiviert sind (Abb. 2). Neuromodulatorische Botenstoffe wie z.B.
Noradrenalin, Dopamin, Nikotin und Stresshormone nehmen starken Einfluss auf unsere
Lernfähigkeiten.
In einer Studie zur Auswirkung von Noradrenalin und Dopamin auf die synaptische Plastizität und
auf die Kognition bei Nagern hat Neal Lemon während seiner Doktorarbeit in der Abteilung für
Neurophysiologie der Medizinischen Fakultät der Ruhr-Universität gezeigt, dass eine Hemmung der
Rezeptoren für diese Botenstoffe sowohl die synaptische Plastizität als auch das deklarative Lernen
hemmt. Im Gegensatz dazu stärkt eine Aktivierung des noradrenergen bzw. des dopaminergen
Systems die synaptische Plastizität und damit das Lernen. Nager besitzen die Fähigkeit,
Gedächtnisse von episodischer Qualität zu bilden: Sie erinnern, was sie bereits erlebt haben, wo sie
etwas erlebt haben und wann sie es erlebt haben. Dieses „Was-Wo-Wann-Gedächtnis“ überprüfte
Neal Lemon im Verhaltensversuch mit Nagern (Abb. 3a u. b): Sie lernten im Rhythmus von einer
fünfminütigen Erkundungszeit und einer sich anschließenden Pause von etwa einer Stunde immer
wieder neue Objekte kennen, die jeweils an ganz bestimmten Stellen innerhalb eines Raums
platziert waren. Die Tiere zeigten das größte Interesse an einem der zuerst gesehenen Objekte,
wenn sich dieses gegen Ende der Testreihe an einer anderen Stelle befand. Sie hatten sich gemerkt,
was sie wann und wo gesehen hatten. Eine Stärkung des noradrenergen bzw. des dopaminergen
Systems verbesserte diese Fähigkeit noch.
Manche Erinnerungen möchten wir gar nicht behalten: Traumatische Erinnerungen von Unfällen,
Katastrophen bzw. Kriegserlebnissen führen zu Stresssyndromen, die die Lebensqualität
beinträchtigen. Eine gezielte Manipulation der noradrenergen Rezeptoren lässt sich daher als
Behandlungsstrategie des Posttraumatischen Stresssyndroms nutzen. Neal Lemons Daten zeigen, wie
vielversprechend diese Therapien sind.
Wenn wir lernen, benutzen wir unsere Sinnessysteme und unsere Vorerfahrung, um Gedächtnisse
zu bilden. Wenn wir unsere Augen schließen und zurückdenken an den Heiligabend im vergangenen
Jahr, dann sehen wir vielleicht den geschmückten Weihnachtsbaum, riechen den Geruch des
Festessens oder können sogar die Melodie der Weihnachtsmusik abrufen oder das Gefühl, auf der
harten Kirchenbank zu sitzen. Was wir gesehen, gerochen, gehört und gespürt haben, trägt zu dieser
Erinnerung bei. Diese Sinnesinformation wurde zur Hauptgedächtnisstruktur des Gehirns, dem
Hippocampus (s. Info 3), transportiert. Durch synaptische Plastizität wurde ein Gedächtnisengramm
gebildet, dessen Inhalt nicht nur unsere Sinneserlebnisse prägt, sondern auch unsere Gefühle und
Erwartungen.
Bei den traditionellen Unterrichtsstrukturen sitzen Schüler und Schülerinnen gemeinsam in einem
Klassenraum und schauen der Lehrerin oder dem Lehrer zu, wenn diese etwas erzählen. Man schaut
und hört zu, oft schreibt (und redet) man mit. Nach der Schule gibt es noch Hausaufgaben. Erfahrene
Lehrer und Lehrerinnen berichten heute oft, dass nach ihrem Empfinden sowohl die
Aufmerksamkeitsspanne als auch das Lernvermögen der Schüler nachgelassen hat im Vergleich zu
früheren Generationen. Der Nobelpreisträger Eric Kandel hat bei Nagern und anderen Spezies
gezeigt, dass eine regelmäßige Wiederholung frisch (und vorher) gelernter Informationen zu einer
bleibenden Erinnerung führt. Also, was läuft heutzutage schief? Obwohl es Fernsehen auch „früher“
schon gab, leben die heutigen Generationen doch zunehmend in einer digitalen Welt. Direkt nach der
Schule wird nicht nur ferngesehen – Computerspiele, Internetsurfen oder Chatten kommen noch
hinzu (Abb. 4).
Möglicherweise konkurrieren diese Erfahrungen mit dem, was am Morgen in der Schule gelernt
und dargeboten wurde. Schließlich werden hierfür dieselben Sinnesbahnen benutzt. Pädagogen
werden argumentieren, dass eine aktive Beteiligung am Schulunterricht effektiver sein sollte als das
passive Lernen vor einem Computer. Um das zu überprüfen, haben wir kürzlich eine Studie
durchgeführt: Dabei wurden das Lernvermögen und die synaptische Plastizität bei Nagern verglichen
unter Bedingungen des aktiven Lernens in anregenden Umgebungen (enriched environments) und
des passiven Lernens vor einem Computerbildschirm. Die Doktorandin Anne Kemp beobachtete eine
langanhaltende Änderung der synaptischen Plastizität unter beiden Lernbedingungen (Abb. 5a). Die
Nager konnten genauso gut lernen und erinnern, wenn sie die Erinnerungen durch aktives bzw.
passives Lernen gebildet hatten. Anne Kemp fand im Hippocampus eine Veränderung (LTD) in der
Kommunikation der Nervenzellen, wenn sie Ratten neue Umgebungen auf dem Monitor präsentierte
und konnte damit zum ersten Mal nachweisen, dass eine aktive Erkundung der Umgebung für diesen
Effekt nicht erforderlich ist (Abb. 5b).
Dieser Befund regt zumindest zu Überlegungen an, die digitalen Medien stärker in den
Schulunterricht einzubeziehen; entsprechende didaktische Materialien zu entwickeln. In den
meisten Schulen Deutschlands hat sich Projektarbeit mit Hilfe von digitalen Informationsquellen
wie z.B. Wikipedia etabliert. Andere Länder sind bereits ein Stück weiter. Sie nutzen elektronische
Schultafeln (über die sich Hausaufgaben täglich direkt an die Eltern schicken lassen) und statten
ihre Schüler mit iPads aus. Die Devise lautet: „If you can’t beat them, join them“. Langzeitstudien
sollen nun belegen, wie effektiv diese Strategien sind.
Trotz alldem bleibt regelmäßige Bewegung ein wesentlicher Faktor, um das Gehirn gesund zu
halten. Wenn wir uns aktiv bewegen, können sich sogar neue Neurone bilden, die unsere Gehirne
belastungsfähiger machen können. Aber Sport allein reicht offenbar als Maßnahme nicht aus, um die
Gehirnzellproduktion anzuregen. Hirnforscher am Salk Institut in den USA haben gezeigt, dass
„neugeborene“ Hirnzellen länger bestehen bleiben, wenn Lernen stattgefunden hat. Daher ist es
besonders problematisch, wenn Kleinkinder und ältere Menschen unter relativ reizarmen
Bedingungen leben. Betroffen sind jene Kleinkinder, die häufig nur den Fernseher als Unterhaltungsund Bildungsquelle haben, und manche ältere Menschen in Pflegeheimen. Tanja Novkovic und Arne
Buschler haben in ihren Doktorarbeiten am Beispiel von Nagern untersucht, welche Auswirkung ein
„bereichertes Leben“ haben kann (s. S. 52). Sie konnten zeigen, dass sowohl die synaptische
Plastizität als auch das Lernen besser werden, wenn die Nager täglich eine neue Umgebung
erforschen konnten oder wenn ihnen Spielzeug zur Verfügung stand. Die Auswirkungen waren noch
stärker, wenn die Tiere in Gesellschaft lebten, d.h. spielen und erkunden „unter Freunden“ ist
effektiver.
Diese und andere Befunde tragen zur kognitiven Pufferhypothese (bzw. kognitiven
Reservehypothese) bei. Nachweislich sind Menschen, die sich ein Leben lang intellektuell bzw. geistig
fit halten, zu einer höheren kognitiven und kortikalen Plastizität fähig. Geistig inaktive Menschen
zeigten die verheerenden kognitiven Verluste, die die Alzheimersche Krankheit charakterisieren,
mehrere Jahre früher als geistig aktive Personen (Info 4). Sich geistig fit halten, kann vermutlich nicht
verhindern, an Demenz zu erkranken, wenn dies unser Schicksal ist. Durch eine erworbene höhere
Flexibilität des Gehirns wird es aber mehr aushalten können, bevor sich die Krankheitssymptome
manifestieren. Konkret bedeutet dies, Jahre an „aktiver“ Lebenszeit zu gewinnen. „Use it or lose it.“ –
Dies ist letztlich die Entscheidung.
Prof. Dr. phil. habil. Denise Manahan-Vaughan, Abteilung für Neurophysiologie, Medizinische
Fakultät
info 1
GEDÄCHTNISFORMEN: BEWUSSTES ODER UNBEWUSSTES ABRUFEN
Das Gedächtnis als Phänomen stellt keine Einheit dar, es bildet zwei Formen aus: deklaratives und
nicht-deklaratives Gedächtnis. Das deklarative (explizite) Gedächtnis umfasst alle Erinnerungen, die
wir bewusst abrufen. Man unterscheidet grundsätzlich zwei Kategorien, die semantischen und die
episodischen Erinnerungen. Semantische Erinnerungen beschäftigen sich mit Fakten und Tatsachen,
während episodische Erinnerungen auf die Autobiografie unseres Lebens gerichtet sind. Nichtdeklarative (implizite) Gedächtnisinhalte werden nicht bewusst abgerufen, nachdem wir sie gelernt
haben. Dazu gehören Fähigkeiten wie Fahrradfahren, Klavierspielen oder ganz einfache Reflexe.
info 2
SYNAPTISCHE PLASTIZITÄT
Der Hippocampus ist für die Bildung deklarativer Gedächtnisinhalte zuständig. Damit die Information
in den Hippocampus gelangen und dort gespeichert werden kann, ändert sich die Fähigkeit von
Synapsen, neuronale Informationen weiterzuleiten (synaptische Plastizität). Synapsen sind die
Kommunikationsstellen zwischen den Hirnzellen (Neurone). An der Synapse berühren sich die
Neurone nicht. Ein Signal wird durch Botenstoffe von einem Neuron zum anderen weitergeleitet.
Botenstoffe binden an Rezeptoren und ermöglichen so die Weiterleitung des Signals. Die synaptische
Übertragung kann sich dauerhaft verbessern (Langzeitpotenzierung, LTP) oder dauerhaft vermindern
(Langzeitdepression, LTD) – ein Phänomen, das „synaptische Plastizität“ genannt wird. LTP und LTD
stellen die zellulären Grundlagen der Gedächtnisbildung dar. Um Information zu speichern, bilden
sich synaptische Populationen in Netzwerken.
info 3
DER HIPPOCAMPUS
War ich schon hier? Befinde ich mich in einer bekannten Umgebung oder ist alles neu für mich und
muss erforscht werden? In Bruchteilen von Sekunden „weiß“ unser Gehirn, ob zum Beispiel ein Ort
bekannt ist oder nicht. Ist er es nicht, prägen wir uns bewusst eine räumliche Konstellation ein, etwa
anhand markanter Punkte wie Restaurants, Einkaufsläden oder einem Park. Für diese Informationen
entsteht quasi ein neues Gedächtnis im Gehirn – auch episodisches oder autobiographisches
Gedächtnis genannt. Zuständig für die Einprägung dieses „bewussten“ (sog. deklarativen)
Gedächtnisses ist die als Hippocampus bekannte Region des Gehirns, die ein Teil des sog.
Medialtemporallappens ist. Patienten, denen diese Hirnlappen operativ entfernt wurden, können
sich zum Beispiel überhaupt keine neuen Fakten oder Erfahrungen merken.
Der Hippocampus ist unser wichtigstes Lernorgan. Ohne ihn können wir keine langanhaltenden
deklarativen Erinnerungen bilden. Er ist auch die Struktur, die am schwersten betroffen ist bei
gedächtnisschädigenden neurodegenerativen Erkrankungen wie z.B. bei der Alzheimerschen
Krankheit und bei Demenz. Seinen Namen hat er wegen seiner einem Seepferdchen (lateinisch
Hippocampus) ähnlichen Form erhalten.
info 4
ALZHEIMERSCHE KRANKHEIT
Die Alzheimersche Krankheit ist eine progressive neurodegenerative Erkrankung, die vor allem den
Hippocampus betrifft. Zwei Hauptveränderungen des Gehirns werden heute als Ursachen der
Krankheit diskutiert: fibrilläre Ablagerungen (neurofibrillary tangles) eines Proteins (Tau), die sich
außerhalb der Hirnzellen anlagern, und die Ansammlung des Peptides -Amyloid als Plaquebildung
innerhalb der Hirnzellen. Beide Veränderungen sind Merkmale der Krankheit, die typischerweise mit
ausgeprägten Demenzsymptomen verbunden ist. Hier entstehen nicht nur große Gedächtnislücken,
sondern neue Erinnerungen können nicht langfristig behalten werden. Interessanterweise haben
sowohl die Doktorandin Honghong Yang der Abteilung Neurophysiologie der Ruhr-Universität als
auch andere internationale Forscher nachgewiesen, dass -Amyloid zu einer starken
Beeinträchtigung der synaptischen Plastizität im Hippocampus führt.
info 5
WIE AUS WAHRNEHMUNG GEDÄCHTNIS WIRD
Wie aus Wahrnehmung Gedächtnis und Verhalten entstehen, erforscht der SFB 874 „Integration und
Repräsentation sensorischer Prozesse“ (Sprecherin: Prof. Dr. Denise Manahan-Vaughan). Sechs
allgemeine Systeme spielen bei Wirbeltieren eine Rolle: Gehör, Gleichgewicht, Geruch, Geschmack,
Körperwahrnehmung und Schmerz sowie Sehen. Im letzten Jahrhundert sind die Grundlagen von
Sinneswahrnehmungen erkannt worden, unklar ist aber, wie die sensorischen Signale im Gehirn
integriert und repräsentiert werden. Der neue SFB will über eine systemorientierte
neurowissenschaftliche Strategie wesentliche Aspekte der sensorischen Verarbeitung erforschen. Am
Beispiel von Geruch, Somatosensorik und Sehen wollen die Wissenschaftler die Verarbeitung der
Signale von der Ebene der kortikalen Integration bis hin zum endgültigen Erwerb eines auf
Sinneswahrnehmung basierenden Gedächtnis-„Eintrags“ (Engramm) aufklären.