Kognitive Neurowissenschaft des Gedächtnisses

Fachrichtung
Psychologie
Vorlesung WS 2014/15
Kognitive Neurowissenschaft des Gedächtnisses:
Multiple Gedächtnissysteme
Thomas Goschke
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Literaturempfehlungen
 Gluck, M.A., Mercado, E. & Myers, C.E. (2010). Lernen und Gedächtnis. Vom
Gehirn zum Verhalten. Heidelberg: Spektrum Verlag. Kapitel 3.
 Purves et al. (2013). Principles of cognitive neuroscience. (2nd ed.). Sinauer.
Chapter 8 + 9.
 Gazzaniga, M., Ivry, R. & Mangun, R. (2013). Cognitive neuroscience. The
biology of the mind (4th ed.). Norton. Chapter 9.
Forschungsansätze und Paradigmen
Neurowissenschaftliche Perspektive
 Grundlage aller psychischen Prozesse ist die
Signalübertragung zwischen Nervenzellen
 Gedächtnisleistungen beruhen auf
erfahrungsabhängigen Veränderungen der
neuronalen Signalübertragung
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„Any activity-dependent process that
modifies, in a sufficiently stable and longlasting way, the excitatory or inhibitory
interactions between pairs of neurons
could serve as a mechanism of learning,
and any long-lasting alteration of intercellular communication can be
considered an engram."
(Singer, 1990, S.211)
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Fragen zur Neuropsychologie des Gedächtnisses
 Welche Hirnstrukturen sind an Gedächtnisleistungen beteiligt?
 Sind Gedächtnisfunktionen an einem bestimmten Ort im Gehirn lokalisiert?
 Gibt es unterschiedliche Gedächtnissysteme (und wenn ja: welche und wie
viele)?
 Was sind die Funktionsprinzipien unterschiedlicher Gedächtnissysteme?
Karl Lashley (1950): „In search of the engram“
 Lashley trainierte Ratten, Futter in einem Labyrinth
finden
 Nach dem Lernen zerstörte er unterschiedliche Teile
der Hirnrinde
 Gedächtnisfehler hingen von Menge zerstörten
kortikalen Gewebes ab; Ort der Läsion spielte
geringere Rolle
 Lashley schloss daraus:
• Verschiedene kortikale Areale sind gleichermaßen
für das Lernen geeignet (Äquipotentialitätsthese)
• Gedächtnisspuren sind nicht an einem Ort
lokalisiert, sondern über den Kortex verteilt
 Kritik:
• Die Ratten nutzten u.U. Informationen aus
unterschiedlichen Sinnesmodalitäten
• Keine Untersuchung subkortikaler Strukturen
Fehler beim Labyrinth-Lernen als
Funktion des Ausmaßes kortikaler
Läsionen bei Ratten
Der Fall H.M.
 Patient mit schwerer Epilepsie (seit dem 10. Lebensjahr)
 1953 im Alter von 27 Jahren operative bilaterale Entfernung großer Teile des
medialen Temporallappens (inkl. des anterioren Hippocampus), als ultima
ratio zur Eindämmung der Epilepsie
 Nach der OP:
• Normale Intelligenz, Intakte Wahrnehmung, Sprache
• Intaktes Kurzzeit- und Arbeitsgedächtnis (normale Gedächtnisspanne)
 Massive anterograde Amnesie
• Verlust der Fähigkeit, neue Ereignisse oder Fakten zu behalten
• Kann normale Unterhaltung führten, aber erinnert sich nach wenigen Minuten
der Ablenkung nicht mehr an das Gespräch
 Retrograde Amnesie
• Beeinträchtigte Erinnerung an Ereignisse, die vor der Operation stattfanden
• Aber: Erinnerung an weit zurückliegende Ereignisse (> 11 Jahre vor der
Operation) ist erhalten
(Milner, Corkin & Teuber, 1968; Corkin, 2002)
H.M.
(Henry Gustav Molaison, 1926-2008)
“Every day is alone in itself, whatever enjoyment I’ve
had, and whatever sorrow I’ve had…. Right now I’m
wondering, have I done or said something amiss?
You see, at this moment everything looks unclear to
me, but what happened just before? That’s what
worries me. It’s like waking from a dream; I just
don’t remember.”
 Gabrieli, Cohen & Corkin, 1988
• H.M. und neurologisch gesunde
Kontrollprobanden sollten
Definitionen von Worten lernen, die
sie vorher nicht kannten
No. of errors
• Auswahl der korrekten Definition,
eines Synonyms oder passenden
Satzrahmens
No. of trials until learning criterion
Beispiel für H.M.‘s Beeinträchtigung beim Lernen und Abrufen
neuer Fakten
13
© 2011 Cengage Learning
Dissoziation von Arbeitsgedächtnis und deklarativem Gedächtnis
Patient H.M.: Läsion im bilateralen
anterioren medialen Temporallappen
Patient K.F.: Läsion im linken
temporoparietalen Kortex
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Medial-temporales Gedächtnissystem
Temporallappen
Hippokampus
Amygdala
Gazzaniga et al. (2010). © W.W.Norton
Medial-temporales Gedächtnissystem
Gluck, Mercado and Myers: Learning and Memory,
Copyright © 2008 by Worth Publishers
Medial-temporales Gedächtnissystem
17
H.M.‘s Läsion
Strukturen im medialen Temporallappen, von
denen man aufgrund des Berichts des Chirurgen
annahm, dass sie bei H.M. entfernt worden waren
21
Späterer MRT Scan zeigte, dass Teile von H.M.’s
posteriorem Hippocampus nicht entfernt worden
waren. Allerdings zeigte Gewebe Anzeichen von
Atrophie.
Corkin et al. (2007). H.M.’s medial temporal lobe lesion: Findings from magnetic resonance imaging. Journal of Neuroscience 17: 3964–3979.
MRT-Scans von H.M.’s Gehirnläsion
Anteriorer Hippocampus
wurde vollständig entfernt
22
Posteriorer Hippocampus ist in beiden
Hemisphären noch vorhanden
Widerlegte die 40 Jahre lang vorherrschende
Meinung, dass H.M. keinen Hippocampus mehr
hat!
Amnesien
Hirnorganisch bedingte Gedächtnisstörungen als Folge von chirurgischen
Eingriffen, Schädel-Hirn-Traumata, Schlaganfällen, Infektionen (Enzephalitis),
Neurodegenerativen Erkrankungen (Alzheimer- u. Korsakoff-Krankheit)
•
•
•
medialer Temporallappen (Hippokampus
u. angrenzende Gebiete)
Operation (H.M.)
Sauerstoffmangel (R.B.)
© 2013 by Worth Publishers
• Diencephalon (dorsomedialer Kern des
Thalamus; Mammilarkörper)
• Pat. N.A. (Fechtverletzung)
• Korsakoffkrankheit (Vitamin-B1-Mangel als Folge
von Unterernähung bei Alkoholsucht)
Beeinträchtigte freie Reproduktion
bei Patient N.A. und Korsakoffpatienten
Evidenz für die Rolle des Hippokampus für die Enkodierung ins
deklarative Gedächtnis
• Enkodierung (im MRT-Scanner):
• Probanden kategorisierten Worte als belebt/unbelebt oder groß/klein
• Farbe signalisiert die jeweils auszuführende Kategorisierung
• Test (nach der MRT-Session):
• Probanden beurteilten alte und neue Worte danach,
• (a) wie sicher sie diese wiedererkannten
• (b) ob sie zuvor in rot oder grün dargeboten worden waren
Subsequent-memory effect
Aktivierung im posterioren
Hippocampus und
posterioren
parahippocampalen Kortex
sowie im Frontalkortex
während der Enkodierung
korrelierte mit der späteren
Erinnerungsleistung
Konsolidierung und
Interaktionen zwischen Hippokampus und Neocortex
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Hirnschädigung
Zeit
Retrograde Amnesie
Anterograde Amnesie
Beeinträchtigte Gedächtnis für
Ereignisse, die vor der der
Hirnverletzung stattfanden
Beeinträchtigtes Gedächtnis für Ereignisse
oder neue Fakten, die nach der
Hirnverletzung enkodiert werden
Zeitlicher Gradient bei der retrograden Amnesie
Ribot (1882): Retrograde Amnesie nach Kopfverletzungen betrifft ältere
Erinnerungen weniger stark als jüngere Erinnerungen
Gluck, Mercado and Myers: Learning and Memory,
Copyright © 2008 by Worth Publishers
Gedächtnisleistung
Zeitlicher Gradient bei der retrograden Amnesie
Normale
Vergessenskurve
Kontrollgruppe
Hippokampusläsion
0,5
Zeit zwischen Lernen und
Zeitpunkt der Läsion
Weiter zurückliegende
Ereignisse sind
weniger von der
Läsion betroffen!
Zeitlicher Gradient bei retrograder Amnesie
(a) Ratten; Futterpräferenz
(b) Ratten; kontextuelle Furchtkonditionierung
(c) Affen; Objektdiskrimination
Kreise: Hippokampale Läsion
Quadrate: Kontrollgruppe
Days between prior learning and lesion
McClelland et al., 1995, Psychol Rev
Zeitlicher Gradient bei zeitweiser retrograder Amnesie nach
einer elektrokonvulsiven Behandlung

41
Konsolidierungshypothese
 Abruf neuer Gedächtnisinhalte hängt nur für gewisse Zeit von medialtemporalen Strukturen ab
 Medial-temporale Strukturen können nicht der anatomische Ort sein, an
dem Gedächtnisspuren langfristig gespeichert werden
 Konsolidierungshypothese (vgl. bereits Müller & Pilzecker, 1900)
• Neue Gedächtnisspuren sind zunächst labil und störanfällig
• Langzeitgedächtnis beruht auf strukturellen Änderungen neuronaler
Verknüpfungen
• Diese Veränderungen benötigen Zeit („Konsolidierung“)
Neues
Ereignis
Konsolidierungshypothese
 Evidenz für Konsolidierungsprozesse
• Ereignisse nach der Enkodierung können die Stabilität neuer Gedächtnisspuren
beeinflussen

z.B. Elektroschocks; elektrische Reizung von Nervenzellen; Hemmung der
Proteinsynthese; Blockierung von Neurotransmittern; Ausschüttung von Hormonen oder
Peptiden; Stress und Emotionen;
• Effekte werden kleiner, je größer der zeitliche Abstand zur Lernepisode ist
 Zwei Arten von Konsolidierungsprozessen (Dudai, 2011)
1. Bildung neuer Gedächtnisspuren als Folge synaptischer Veränderungen (Minuten
– Stunden)
2. Stabilisierung und Reorganisation von Gedächtnisspuren (Wochen – Jahre)
Zwei Formen der Konsolidierung
Mögliche Funktion des hippokampalen Systems
 Einzelaspekte eines Ereignisses (Ort, Form, Farbe, Bedeutung etc.) werden in
verteilten Regionen des Neokortex repräsentiert
 Vermutete Funktion des HS = Schnelle Bindung von Einzelaspekten einer
neuen Episode zu einer Gesamtrepräsentation
 Beim Abruf ist HS für gewisse Zeit notwendig, um Einzelaspekte der Episode
in verteilten neokortikalen Arealen zu reaktivieren
 Wiederholte Reaktivation  Bildung direkter Assoziationen zwischen den im
Neokortex gespeicherten Teilaspekten
 Sind diese Assoziationen hinreichend stark  Aktivierung eines Teilaspekts
führt zum Abruf der gesamten Episode  HS ist nicht länger notwendig für
den Abruf
Standardmodell der Interaktion von Hippokampus und
Neokortex während der Konsolidierung
© 2008 Worth Publishers
© 2013 Sinauer Ass.
Standardmodell der Interaktion von Hippokampus und
Neokortex während der Konsolidierung
Einzelaspekte eines Ereignisses
werden in verteilten
Kortexregionen gespeichert, die
an der Verarbeitung des
Ereignisses beteiligt sind
Während der
Konsolidierung werden
die Gedächtnisspuren
stabilisiert
Im Lauf der Zeit werden
Im Hippokampus werden
direkte Assoziationen
„kondensierte“ Repräsentationen zwischen den Aspekten
gespeichert, die wie „Zeiger“
des Ereignisses in
oder „Indizes“ auf die kortikalen
neokortikalen Regionen
Repräsentationen verweisen
etabliert
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Abrufhinweise aktivieren die
hippokampale „Indizes“, was
zur Reaktivierung der
kortikalen Gedächtnisspuren und zum Abruf des
Ereignisses führt
Abrufhinweise können
externe Reize sein oder
intern generiert werden
(unter Beteiligung des PFC)
Wenn sich direkte
Assoziationen zwischen den
Aspekten des Ereignisses in
neokortikalen Regionen
gebildet haben, kann ein
Einzelaspekt zur
Reaktivierung der
gesamten Gedächtnisspur
führen
(inhaltsadressierter Abruf)
Erklärung der Folgen von Hirnschädigungen durch das
Standardmodell
 Kleine kortikale Läsionen
 nur schwache Effekte auf deklaratives Gedächtnis, da Gedächtnisspuren
distribuiert in mehreren Regionen gespeichert sind
 selektive Gedächtnisausfälle, je nachdem welche Region geschädigt ist (z.B.
Ausfall kategorienspezifischen Wissens über belebte Dinge)
 Hippokampusläsionen
 anterograde Amnesie, da keine neuen „Indexspuren“ angelegt werden können
 retrograde Amnesie für rezente Erinnerungen, da Zerstörung der „Indexspuren“
Zugriff auf die kortikalen Gedächtnisspuren blockiert
 Weiter zurückliegende (konsolidierte) Erinnerungen sind weniger stark betroffen,
da diese unabhängig vom Hippokampus durch Abrufhinweise reaktiviert werden
können
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Simulationsmodell der Interaktion von Hippokampus und Neokortex
(Alvarez & Squire, 1994)
 Simuliertes neuronales Netzwerk wurde mit Mustern trainiert
 Verbindungen zwischen kortikalen Regionen ändern sich nur langsam
 Verbindungen zwischen medial-temporalem System (MTL) und Kortex ändern
sich schnell
 Nachdem Muster im Kortex enkodiert ist, wird es wiederholt durch das MTLSystem reaktiviert  inkrementelle Verstärkung der Verbindungen zwischen
den kortikalen Repräsentationen
Simulationsmodell der Interaktion von Hippokampus und Neokortex
(Alvarez & Squire, 1994)
 Nach dem Lernen: „Läsion“ des medial-temporalen Systems
 Test: Aktivierung eines Teilmusters in Kortexregion 1  Wie gut wird assoziiertes
Muster in Kortexregion 2 reaktiviert?
 Lädiertes Modell produziert zeitlich abgestufte retrograde Amnesie
Verbindungen zwischen
Hippokampus und Neokortex
 Neokortikale Assoziationsareale projizieren
zum parahippokampalen + perirhinalen
Kortex
 Von dort gelangt die Information zum
entorhinalen Kortex = Konvergenzzone, in
der hoch verarbeitete Informationen aus
neokortikalen Systemen zu einer
Gesamtrepräsentation integriert werden
 Diese Information gelangt über den Gyrus
Dentatus zur CA3- und CA1-Region des
Hippokampus
 und wird von dort über das Subiculum
zurück zum entorhinalen Kortex geleitet,
der zurück in die neokortikalen Regionen
projiziert, aus denen die Informationen
stammten
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Famous faces test
Probanden sahen
berühmte und nicht
berühmte Gesichter
und sollten versuchen,
sich an die Namen der
Personen zu erinnern
Hirnaktivität während des Famous faces test
 Aktivierung im rechten enthorinalen Kortex nahm umso mehr ab, je weiter
zurück die abzurufenden Erinnerungen lagen
 (enthorinaler Kortex: Region, durch die Information vom Kortex zum
Hippokampus und umgekehrt geleitet wird)
Haist et al., 2001
Rekonsolidierung
 Standard-Konsolidierungs-Modell:
• Neue Gedächtnisspuren sind für eine gewisse Zeit nach der Enkodierung labil und
interferenzanfällig
 Rekonsolidierungshypothese
• Auch ältere (konsolidierte) Gedächtnisspuren können wieder anfällig für
Störungen werden, sobald sie abgerufen werden
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Rekonsolidierung
Furchtkonditonierung: Ton + Schock
Bedingung 1:
• 24 Std. später wurde der CS präsentiert
um die Furcht-Gedächtnisspur zu
reaktivieren
• Direkt danach erhielten einige Tiere einen
electrokonvulsiven Schock (ECS) und
andere nicht
Bedingung 2:
• Keine Reaktivierung der Gedächtnisspur
• ECS vs. kein ECS
A.V.: Konditionierte Furchtreaktion
Resultat:
• nach Reaktivierung der Gedächtnispur
störte ECS den Abruf der gelernten
Assoziation
• ECS hatte keinen Effekt, wenn die
Gedächtnisspur nicht reaktiviert wurde
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Rekonsolidierung
 Gedächtnisinhalte können in
aktivem (Kurzzeitgedächtnis) oder
inaktivem (Langzeitgedächtnis)
Zustand sein
 Zwei Möglichkeiten,
Gedächtnisspuren in aktiven
Zustand zu versetzen:
• Neue Erfahrungen erzeugen aktive
Gedächtnisspur
• Abruf / Reaktivierung gespeicherter
Gedächtnisspuren transformiert diese
wieder in aktiven Zustand
 Aktivierte Gedächtnispuren sind
anfällig für Störungen
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Rekonsolidierung
Experiment von Nader et al 2000)
Ratten wurden auf einen auditorischen
CS konditioniert, der mit einem Schock
(US) gepaart wurde
Nach der Reaktivierung der
konditionierten Furchtreaktion wurde
die Proteinsynthese im basolateralen
Kern der Amygdala gehemmt
Anisomycin beeinträchtigte das
Langzeitgedächtnis für die konditionierte
Furchtassoziation, aber hatte keinen
Effekt auf die kurzzeitige Speicherung
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Rekonsolidierungshypothese
•
Abruf einer Gedächtnisspur hat zwei Effekte:
• (A) Die synaptischen Verbindungen zwischen den Neuronen, die die Gedächtnisspur enkodieren,
werden aufgelöst
• (B) Ein neuerlicher Prozess der Proteinsynthese wird ausgelöst, der zur Rekonsolidierung der
Gedächtnisspur führt.
• Wird dieser Prozess gestört / unterbunden, wird die Gedächtnisspur geschwächt oder geht verloren.
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