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Funktioniert Lernen bei Mensch und Tier gleich?

Es antwortet: Prof. Dr. Bertram Gerber, Leiter der Abteilung Genetik von Lernen und Gedächtnis

Ja und nein! Nervenzellen bestehen bei Tier und Mensch aus den gleichen Bauteilen – selbst bei Bienen, Fliegen oder Quallen. Außerdem laufen die Veränderungen der Nervenzellen beim Lernen fast gleich ab. Andererseits können Gehirne sehr verschieden sein: Unseres ist zum Beispiel sehr verschieden von dem Strickleiternervensystem einer Biene. Und mit verschiedenen Gehirnen lassen sich verschiedene Dinge lernen – jedoch mit den gleichen Mechanismen.

Unter welchen Bedingungen lernen Kinder am Besten?

Es antwortet: Prof. Dr. Nicole Wetzel, Leiterin der Forschungsgruppe Neurokognitive Entwicklung

Viele verschiedene Faktoren beeinflussen den Lernerfolg bei Kindern. Aufmerksamkeit spielt häufig eine wichtige Rolle. In unseren Studien haben wir beobachtet, dass sich die Kontrolle über die Aufmerksamkeit im Verlauf der Kindheit erst entwickelt. So kann eine für ein Grundschulkind geeignete Lernumgebung für ein Kindergartenkind möglicherweise zu ablenkend sein und es lernt weniger gut. Damit Kinder neue Dinge lernen, sind auch Lernpausen und ausreichend Schlaf ganz wichtig.

Warum merke ich mir Dinge besser, wenn ich motiviert bin und Spaß beim Lernen habe?

Es antwortet: PD Dr. Max Happel, Leiter der AG Cortexplorer

Interessiert mich ein bestimmtes Fach in der Schule besonders, fällt mir das Lernen dafür leichter, denn der eigene innere Antrieb und Neugierde sind die beste Motivation. Habe ich beim Lernen ein Konzept erfolgreich verstanden, belohnt mich mein Gehirn mit einem Glücksgefühl: es kommt durch die Ausschüttung von Dopamin, einem Neurotransmitter, zustande. Dopamin erreicht viele Hirnbereiche, unter anderem die Großhirnrinde, die für das Langzeitgedächtnis wichtig ist. Dopamin ist ein wichtiger „Lernturbo“ und sorgt dafür, dass neue Synapsen entstehen und sich Nervenzellen stärker verknüpfen – die Grundvoraussetzung von (positiv erlebtem) Lernen.

Wie filtert der Hörkortex eine komplexe und verrauschte akustische Umgebung?

Es antwortet: Katrina Deane, Doktorandin in der AG CortXplorer

Wann immer wir etwas hören, sendet unser Innenohr über verschiedene Stationen unseres Gehirns („Hörbahn“) Signale an den Hörkortex. Der Hörkortex ist in Zell-Schichten organisiert, die ihrerseits verschiedene Gruppierungen von Zellen (Neuronen) enthalten. Einige dieser Gruppen erregen nachgeschaltete Zellen und machen damit das Signal stärker, andere schwächen es ab oder verhindern sogar eine Weiterleitung. Beide Gruppen zusammen sind somit wichtig für die Wahrnehmung und die Filterung des eingehenden Signals. Der Hörkortex leitet das veränderte Signal dann an andere Hirnregionen wie etwa den präfrontalen Kortex weiter, oder koppelt das verarbeitete Signal zurück an vorherige, tieferliegende Stationen der Hörbahn. Gibt es beispielsweise einen plötzlich auftretenden akustischen Reiz, würde das Signal eine starke Erregung im Hörkortex bewirken. Falls der gleiche Reiz sich aber eine Weile lang wiederholt, würde die Erregung fortlaufen schwächer, und der Kortex würde sie möglicherweise ganz unterdrücken.  Wir bemerken ein Hintergrundgeräusch nach einer Weile nicht mehr, wenn es beständig genug und für unser Verhalten nicht relevant ist – wie zum Beispiel bei einem Computerlüfter oder Verkehrsgeräuschen von draußen. Es ist hier die Balance von Erregung und Hemmung durch die unterschiedlichen Zellgruppen, das es unserem Gehirn erlaubt, eine komplexe und verrauschte akustische Umgebung wahrzunehmen und gegebenenfalls teilweise oder ganz heraus zu filtern.  Interessanterweise funktioniert dies umgekehrt genauso: wenn wir zum Beispiel unseren Computerlüfter schon gar nicht mehr wahrgenommen hatten, können wir das wieder, wenn durch Aufmerksamkeitsprozesse, die im Frontalen Kortex ablaufen, Signale an den Hörkortex geschickt werden. Die nicht mehr wahrgenommenen Hintergrundgeräusche werden dann weniger gefiltert.

Warum verlernt man das Radfahren nicht, wenn man es einmal kann?

Es antwortet: Dr. Max-Philipp Stenner, Leiter der AG Motorisches Lernen

An Bewegungen, wie dem Radfahren, sind oft viele unserer über 600 Muskeln gleichzeitig beteiligt. Nach anfänglichem Lernen klappt das fein aufeinander abgestimmte An- und Entspannen von Muskeln lebenslang mühelos und flexibel. Doch warum können wir solch komplexe Bewegungen auch nach langer Pause mühelos abrufen und vergessen sie nicht wieder? Wenn wir Radfahren lernen, verinnerlichen wir eigentlich ein Modell der wesentlichen Grundprinzipien zur Bedienung eines Fahrrads, z.B., dass ein Fahrrad beschleunigt, wenn wir in die Pedale treten. Anhand solcher internen Vorwärtsmodelle kann unser Nervensystem simulieren, wie sich eine bestimmte Muskelanspannung zum Beispiel auf die Beschleunigung des Fahrrads auswirken wird. Umgekehrt kann unser Nervensystem so Muskelanspannungen berechnen, die z.B. für eine gewünschte Beschleunigung notwendig sind. Solche "Simulationsmodelle" zu verinnerlichen, ist viel "machbarer", effizienter und flexibler als ein Abspeichern komplizierter, starrer Muster konkreter Muskelanspannungen.

Warum hören wir im Alter schlechter?

Es antwortet: Dr. Nicole Angenstein, Leiterin der AG Zentrale auditorische Funktionen und Dysfunktionen

Dies liegt zum einen daran, dass der innere Teil der Ohren im Alter nicht mehr so gut funktioniert. Dann können Hörgeräte oder auch Cochlea Implantate helfen. Zum anderen kann das Gehirn im Alter nicht mehr so gut zwischen Geräuschen unterscheiden, die wir hören möchten und denen, die uns stören. Im Alltag hören unsere Ohren ganz viele Geräusche gleichzeitig. Unser Gehirn filtert die für uns wichtige Information heraus und unterdrückt den Rest. Dies nennt man Cocktail-Party-Phänomen. Im Alter funktioniert diese Filterung im Gehirn nicht mehr so gut und damit wird es besonders in lauter Umgebung wie auf Partys schwierig, andere Leute zu verstehen.

Wie zuverlässig ist unser Gedächtnis?

Es antwortet: Prof. Dr. Eckart Gundelfinger, Leiter der Abteilung Neurochemie & Molekularbiologie

Unser Gehirn hat keine Festplatte wie ein Computer. Es hat also keinen passiven Informationsspeicher. Vielmehr werden Gedächtnisinhalte, beispielsweise persönliche Erinnerungen, dezentral gespeichert, stetig umgebaut und mit neuen Informationen verknüpft. Immer wenn wir eine Erinnerung abrufen, wird sie wieder neu eingespeichert (rekonsolidiert) und kann dabei in Abhängigkeit von der Situation zum Zeitpunkt des Abrufs verändert werden. Unser Gedächtnis ist also nicht statisch, sondern dynamisch. Offenbar hat sich unser Gehirn während der Evolution nicht als zuverlässiger Datenspeicher entwickelt. Es ist stattdessen ein Instrument, damit wir unser zukünftiges Handeln flexibel planen können. Dazu braucht es einen großen Erfahrungsschatz, aber nicht notwendigerweise unendlich viele Detailinformationen.

Ist es möglich ein Signal, das von einer Nervenzelle über ein Axon verläuft, abzufangen und zu messen bevor es in ein elektrochemisches Signal übergeht? Wie verhält sich das bei Motorik, um beispielsweise eine Prothese zu steuern?

Es antwortet: Dr. Max-Philipp Stenner, Leiter der AG Motorisches Lernen

Die kurze Antwort ist  – ja, das ist möglich, aber bis zu einer Anwendung zur Prothesensteuerung ist/wäre es insbesondere für das spezielle Signal noch ein weiter Weg. Das Signal ist das Aktionspotential, eine kurze, heftige Entladung, die sich entlang eines Axons fortsetzt. Das Aktionspotential ist mit invasiven Methoden, aber (zu einem gewissen Grade bzw. in einem gewissen Sinne) auch nicht-invasiv ableitbar. Eine nicht-invasive Methode wird z.B. in der Neurologie routinemäßig eingesetzt: Um zu bestimmen, ob Nervenfasern gut leiten, welche auf Reize wie z.B. Berührung reagieren, kann man einen Nerven (z. B. am Handgelenk) elektrisch stimulieren und die in dem Nerven dadurch erzeugte Entladung an anderer Stelle (z.B. an den Fingern) messen. Die Ausprägung und Verzögerung, mit der dieses sogenannte Summenaktionspotential relativ zur elektrischen Stimulation auftritt, lässt dann in der Neurologie Rückschlüsse auf den Zustand dieser Nervenfasern zu (einschränkend ist zu sagen, dass es sich hier eigentlich nicht um ein Signal eines Axons, sondern um ein Signal eines "Axon-ähnlichen Dendriten" (also des anderen Typs von Nervenfortsätzen) handelt).  Prinzipiell lassen sich solche Summanaktionspotentiale auch für rein motorische Nerven ableiten. Ausserdem gibt es eine Reihe sehr viel genauerer invasiver Methoden, um Aktionspotentiale auch einzelner Axone zu untersuchen. Dazu gehören elektrischen Messungen in unmittelbarer Umgebung, aber außerhalb der Nervenzelle/des Axons, aber auch Messungen der Spannung, welche über der Membran der Nervenzelle und des Axons anliegt (also der fettigen Grenzschicht zwischen Zellinnerem und dem Raum zwischen Zellen). Diese invasiven Methoden erfordern aber besondere Ansprüche an die "Stabilität" der Ableitung (das Ableiteinstrument darf sich etwa so gut wie nicht bewegen). Die Frage, ob das Aktionspotential also ableitbar ist, lässt sich also ganz klar mit "ja" beantworten, und zwar (insbesondere mit den oben genannten invasiven Methoden) an ganz unterschiedlichen Stellen im Nervensystem.

Mit  Hinblick auf eine Anwendbarkeit für die Steuerung von Prothesen kann ich sagen, dass das Aktionspotential hier aus verschiedenen Gründen nicht unbedingt das am besten geeignete Signal ist. Zum einen verhält sich ein Axon nicht wie ein Kabel. Wenn man einen Kühlschrank von der Steckdose nimmt, bleibt die Steckdose natürlich bestehen. Wenn man ein Axon irgendwo durchschneidet, kommt es aber zu einem schrittweisen Untergang des Axons, einer sogenannten Wallerschen Degeneration. Viele der Axone, die also z.B. bei einer Querschnittsverletzung des Rückenmarks beschädigt werden, bilden sich über einen längeren Zeitraum immer weiter zurück und stehen daher nicht mehr für eine "vernünftige" Ableitung zur Verfügung. Je weiter man sich aber von "der Peripherie" (im motorischen System) entfernt, desto unklarer ist (noch) die Funktion einzelner Nervenzellen, was sicherlich damit zu tun hat, dass die Funktion auch zunehmend komplexer wird, je weiter man sich von der Peripherie weg bewegt.

Es gibt eine andere Art von Signal, welche gegenwärtig sicherlich intensiver im Hinblick auf eine Prothesensteuerung erforscht wird. Statt einzelne Nervenzellen zu untersuchen, macht es häufig Sinn, ganze Nervenzellverbände auf einmal abzuleiten. Das lässt sich mit sehr etablierten Methoden auch nicht-invasiv machen, etwa über die Elektroenzephalographie (oder auch über eine Ableitung von Nervenzellverbänden, welche im Rückenmark liegen  – das Rückenmark ist "die letzte Station" eines motorischen Befehls im zentralen Nervensytem, bevor dieser Befehl an die Muskeln geschickt wird. Rückenmarksableitungen beim Menschen sind etwas, was wir in Magdeburg seit einigen Jahren intensiv untersuchen, allerdings bisher etwas mehr im Hinblick auf Wahrnehmung statt Motorik). Diese Signale von Nervenzellverbänden sind keine Aktionspotentiale (denn diese sind von zu kurzer Dauer und von einer Nervenzelle zur Nächsten zu wenig synchronisiert, treten also zu sehr zeitversetzt auf, um sich über einen Nervenzellverband hinweg "aufzusummieren"), sondern entsprechen aufsummierten (post-)synaptischen Potentialen (welche etwas langsamer und synchronisierter sind). Da es sich um ein Signal eines ganzen Nevenzellverbandes handelt, ist das Signal sicherlich "weniger spezifisch" - es spiegelt Signale in einer großen Zahl von Nervenzellverbänden wider.
Das hat aber mehrere Vorteile: Diese Signale lassen sich relativ einfach nicht-invasiv ableiten (was für das Aktionspotential eigentlich nur für "die Peripherie" gilt, also für Nerven, außerhalb des zentralen Nervensystems). Und diese Signale spiegeln "koordinierte Massenbewegungen" von Information im Nervensystem wider, sind also in Bezug auf etwas so Komplexes und Koordiniertes wie eine Bewegung möglicherweise auch aussagekräftiger als die Ableitung (einzelner) Aktionspotentiale.
 

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