Neurophysiologie: Lernen und Gedächtnis

Lernen

Definition

• Das Wort Lernen ist von seinem Wortursprung mit „lehren“ und „List“ verwandt. Einen Schritt weitergedacht bedeutet Lernen auch einer Spur nachzugehen.
• Lernen ist ein Prozess, der dem Erlangen von Erkenntnissen dient.
• Lernen ist die Voraussetzung für das Abspeichern von gemachten Erfahrungen im Gedächtnis, damit diese Erfahrungen dann in das Handeln einfließen können, um Vorteile zu erlangen und Schaden abzuwenden.

Neurobiologische Grundlagen des Lernens

• Grundlage der Ausbildung des Nervensystems und des Lernens ist die neuronale Plastizität. Durch Umweltreize und das Sammeln von Erfahrungen kommt es zu:
  • Ausbildung neuer Synapsen
  • Verbesserung bestehender synaptischer Verbindungen
• Schon in der  Schwangerschaft Schwangerschaft Schwangerschaft: Diagnostik, mütterliche Physiologie und Routineversorgung werden die meisten Gehirnzellen des Kindes gebildet. Bei der Geburt können die Nervenzellen aber noch nicht miteinander kommunizieren, da keine Verbindung zwischen ihnen besteht.
• Lernprozesse in den ersten 3 Lebenshalbjahren sind maßgeblich für die Ausbildung des Nervensystems.
  • Verbindungen zwischen den Gehirnzellen werden durch die Ausbildung von Dendriten geknüpft.
  • Bildung von synaptischen Verbindungen
  • Ermöglichung der Aufnahme und Weitergabe von Informationen von Zelle zu Zelle
  • Das Ausmaß dieser Verbindungen liegt deutlich über dem tatsächlichen Bedarf. So ist es später leichter möglich, dort Anpassungen vorzunehmen, wo sie benötigt werden.

Lernfähigkeit von Säuglingen:

• Säuglinge reagieren stark auf Reize. Das ist ein wichtiger Hinweis darauf, dass der Lernprozess in Gang gesetzt ist.
  • Reize fördern die Gehirnentwicklung.
  • Säuglinge in reizarmen Umgebungen erfahren eine Limitierung in ihrer Gehirnentwicklung.
• In dieser Entwicklungsphase unterscheidet sich die Fähigkeit zur Differenzierung von Gesichtern und Stimmlauten von den Fähigkeiten Erwachsener. Sie ist besser ausgeprägt und ermöglicht dem Säugling die Unterscheidung zwischen:
  • Engen Bezugspersonen
  • Vertrauten
  • Fremden
• Durch die erste Prägung auf das persönliche Umfeld verliert das Baby ein gewisses Maß an Flexibilität bei seinen geistigen Fähigkeiten, dafür werden die Lernprozesse gezielter.

Lernprozess im Gehirn

Grundlagen:

• Das Gehirn steuert sich weitgehend selbst und kommuniziert über  Neuronen Neuronen Nervensystem: Histologie.
• Bestehende Verbindung zum Rückenmark Rückenmark Rückenmark über den Hirnstamm Hirnstamm Hirnstamm
• Abhängigkeit der Hirnentwicklung von Umwelt- und Sinnesreizen
• Verarbeitung aufgenommener Wahrnehmungen:
  • Einzelne Wahrnehmungen können im Gehirn miteinander vernetzt werden.
  • Beurteilung der Wahrnehmungen anhand im Gedächtnis abgespeicherter Erfahrungen
  • Unterdrückung der meisten Eindrücke. Das Gehirn unterscheiden die Wichtigkeit von Eindrücken beim Lernprozess nach:
    • Relevanz
    • Neuigkeitswert
    • Bedeutung
    • Sinnhaftigkeit

Lernen als Auf- und Abbau im Gehirn:

• Der Lernprozess beginnt mit der Auseinandersetzung mit äußeren Einflüssen. Lernen führt zu Veränderungen im Gehirn, die in vier Bereiche unterteilt werden können.
  • Expanding
  • Tuning
  • Re-Constructing
  • Pruning
• Expanding: Anzahl und Stärke der neuronalen Verbindungen wird verbessert, indem bestehende Informationen vernetzt und aufgebaut werden.
• Tuning: Erstellung neuer Zusammenhänge → Verbesserung der neuronalen Verbindungen
• Re-Constructing: Umlernen
  • Bestehende Lernergebnisse (motorische Muster, aber auch routinierte Prozesse) werden durch neue ersetzt, die besser geeignet sind.
  • Sehr zeitintensiv und anstrengend
• Pruning: Rückbildung von neuronalem Potential
  • Betrifft nicht oder wenig genutzte Verbindungen
  • Verbindungen können so verändert werden, dass sie nicht mehr genutzt werden können.

Langzeitpotenzierung und Lokalisation von Lernen:

• Der Hippocampus im medialen Temporallappen ist von besonderer Bedeutung für den Lernprozess. Er ist Ort der sogenannten Langzeitpotenzierung.
• Langzeitpotenzierung (LTP): Zelluläre Basis zur Erklärung der neuronalen Plastizität, die neurophysiologische Grundlage für das Lernen ist
  • Durch wiederkehrende Stimulation von Nervenzellen im Hippocampus über Stunden bis Wochen kommt es zu elektrophysiologischen, morphologischen und molekularen Veränderungen der Neurone.
  • Diese Veränderungen sind Basis für die Bildung von Synapsen und die Vernetzung von Neuronen Neuronen Nervensystem: Histologie im Zuge des Lernens.
  • Beteiligter Neurotransmitter ist das Glutamat gemeinsam mit seinen Rezeptoren Rezeptoren Rezeptoren AMPA und NMDA.
• Ort des motorischen Lernens sind Neurone im Cerebellum und den Basalganglien Basalganglien Basalganglien (Stammganglien).
• Bei Lernprozessen mit emotionaler Komponente spielt auch die Amygdala eine Rolle.

Unterschiedliche Formen von Lernen und seine Einflüsse

• Verschiedene Lernformen:
  • Intentionales Lernen
  • Individuelles Lernen
  • Kollektives Lernen
  • Körperliches Lernen
  • Soziales Lernen
• Verschiedene Einflüsse auf das Gehirn:
  • Soziale Interaktion: Spiegelneurone im Gehirn sorgen dafür, dass notwendige kognitive Orientierungsmuster überhaupt entwickelt werden können.
  • Bewegung ist essenziell für die Gehirnleistung.
  • Emotionen spielen eine wichtige Rolle beim Lernen:
    • Empfindungen als somatische Marker, die die Prozesse des Verarbeitens, Speicherns und der Erinnerung beeinflussen
    • Besonders häufig genutzte neuronale Bahnen werden stärker → längere und vor allem schnellere Nutzung

Gedächtnis

Gedächtnisbildung und Papez-Neuronenkreis

• Der Fachbegriff für Gedächtnis und Erinnerung lautet mnestische Funktion.
• Wichtige Dinge sind leichter in Erinnerung zu behalten als Ereignisse, die keine Rolle spielen.
• Positive Erfahrungen bleiben besonders gut im Gedächtnis.
• Erinnerungen fallen in positiver Grundstimmung leichter. Im Umkehrschluss ist das Erinnern erschwert in Phasen von Müdigkeit oder Trauer.
• Für die Gedächtnisbildung ist der Papez-Kreis von großer Bedeutung. Er befindet sich im Zentrum des limbischen Systems.
• Das limbische System liegt oberhalb des Hirnstamms und ist bei allen Säugetieren vorhanden. Es ist wichtig für:
  • Sozialverhalten
  • Fürsorge
  • Liebe
  • Angst
  • Lernen durch Nachahmen

Papez-Neuronenkreis:

• Per Definition handelt es sich beim Papez-Kreislauf um eine Neuronenkette, die nach ihrem Entdecker James Papez benannt wurde.
• Die Funktionen im Papez-Kreis für die Gedächtnisleistungen sind noch nicht vollständig erforscht.
• Es wird davon ausgegangen, dass der Papez-Kreis der Speicherung von Gedächtnisinhalten dient. Hier kommt es daher zur Überführung von Inhalten aus dem Primärgedächtnis (Kurzzeitgedächtnis) in das Sekundärgedächtnis (Langzeitgedächtnis) oder das Tertiärgedächtnis (eigenständiger Teil des Langzeitgedächtnisses).
• Der Papez-Kreis und die beteiligten Strukturen:
  • Hippocampus → Fornix → Mamillarkörperchen (Corpora mamillaria) → Fasciculus mamillothalamicus (Vicq-d’Azyr-Bündel) → Nuclei anteriores thalami ( Thalamus Thalamus Thalamus) → Tractus thalamocingualris → Gyrus cinguli → Cingulum → Regio entorhinalis (Gyrus parahippocampalis) → Tractus perforans → Hippocampus
  • Die hervorgehobenen anatomischen Strukturen entsprechen den 5 Stationen mit neuronaler Umschaltung (synaptischer Verbindung).
  • Zwischen den einzelnen Stationen liegen verbindende neuronale Bahnen.

Verschiedene Gedächtnistypen

Die verschiedenen Gedächtnistypen entsprechen unterschiedlichen Formen der Gedächtnisspeicherung. Ein wesentlicher Unterschied zwischen diesen Gedächtnisspeichern besteht in der Länge der Informationsspeicherung.

Ultrakurzzeitgedächtnis:

• Auch sensorisches Gedächtnis genannt
• Wahrnehmungen aus den Sinnesorganen:
  • Icon: Kurze Erinnerung der Wahrnehmung über die Augen
  • Echo: Kurze Erinnerung der Wahrnehmung über die Ohren
• Prozess weniger Sekunden
• Nur Reize, die in das Kurzzeitgedächtnis gelangen, können Bestand haben, denn das Ultrakurzzeitgedächtnis verfügt über keine Speichermöglichkeiten.

Kurzzeitgedächtnis:

• Bewusste Wahrnehmung und Verarbeitung der Informationen aus dem sensorischen Gedächtnis nach einer Selektion der Inhalte
• Die Inhalte aus dem sensorischen Gedächtnis gehen im Kurzzeitgedächtnis nach ca. 20 Sekunden wieder verloren, wenn sie nicht wiederholt werden.
• Die Speicherkapazität für Inhalte ist begrenzt.

Arbeitsgedächtnis:

• Ähnelt in seiner Funktionsweise dem Kurzzeitgedächtnis, allerdings werden die Inhalte und Informationen verknüpft und weiterverarbeitet.
• Erinnerungen im Arbeitsgedächtnis sind so lange abrufbar, wie der Mensch sich mit dem Geschehen befasst (Sekunden bis Minuten).
• Die Speicherkapazität für Inhalte ist begrenzt.

Langzeitgedächtnis:

• Die Inhalte erreichen das Langzeitgedächtnis aus dem Kurzzeit- und Arbeitsgedächtnis.
• Für das Abspeichern von Informationen im Langzeitgedächtnis ist wichtig, dass die abzuspeichernden Informationen wiederholt werden (Konsolidierung). Gut nachvollziehbar ist dieser Prozess beim Erlernen von komplexen Bewegungsabläufen, z. B. bei einer neuen Sportart.
• Keine zeitliche Limitierung für die Verweildauer von Informationen.
• Die Speicherkapazität für Inhalte ist unbegrenzt.

Gedächtnisformen

Im Langzeitgedächtnis besteht eine Differenzierung zwischen unterschiedlichen Formen.

Deklaratives Gedächtnis:

• Auch explizites Gedächtnis genannt
• Hier gespeicherte Inhalte können direkt wiedergegeben werden, da die Erfahrung bewusst ist.
• Unterteilt in:
  • Episodisches Gedächtnis: autobiografisch, Episoden und Ereignisse des eigenen Lebens
  • Semantisches Gedächtnis: Faktenwissen, Allgemeinwissen
• Lokalisation: Hippocampus

Prozedurales Gedächtnis:

• Auch implizites Gedächtnis genannt
• Inhalte sind ohne direkte Erinnerungen, unbewusste Informationen
• Gedächtnis des Verhaltens: Beinhaltet automatische Bewegungsabläufe, Fertigkeiten, kognitive Fähigkeiten
• Lokalisation: Cerebellum, Basalganglien Basalganglien Basalganglien (Stammganglien), Amygdala

Klinische Relevanz

• Das hochkomplexe System rund um Lernen und Gedächtnisleistung ist anfällig für Störungen.
• Bei Auftreten von Anomalien muss im Rahmen der Differenzialdiagnostik mit größter Sorgfalt vorgegangen werden:
  • Die möglichen Ursachen für Gedächtnisstörungen sind vielfältig.
  • Nicht jede Ursache liegt sofort klar auf der Hand Hand Hand. Bereits eine Verschiebung im Bereich der Elektrolyte Elektrolyte Elektrolyte kann zu Problemen führen z. B. Hypokalzämie Hypokalzämie Hypokalzämie
  • Gedächtnisstörungen wie z. B. demenzielle Erkrankungen treten immer häufiger auf. Dies ist u. a. der steigenden Lebenswartung zuzuschreiben.

Amnesie

• Eine Gedächtnisstörung, bei der Patient*innen nicht mehr auf Gedächtnisinhalte zugreifen kann
• Keine eigenständige Erkrankung, sondern Symptom einer Erkrankung oder Folge einer Einwirkung auf das Gehirn. Dieser Einfluss kann von außen oder auch von innen erfolgt sein.
• Das Abspeichern von Erlebtem und Erlerntem ist bei einer Amnesie nicht möglich. Das kann alle Gedächtnisinhalte betreffen oder Teile, z. B. aus einer bestimmten Lebensphase.
• In den meisten Fällen sind Patient*innen eher in der Lage, sich an lang zurückliegende Ereignisse zu erinnern, als an Geschehnisse, die sich erst vor kurzer Zeit zugetragen haben.
• Es gibt verschiedene Formen der Amnesie, die aber nicht strikt voneinander getrennt werden können.
  • Anterograde Amnesie: Gedächtnisverlust für die Zeit nach dem ursächlichen Ereignis
  • Retrograde Amnesie: Gedächtnisverlust für die Zeit vor dem ursächlichen Ereignis
  • Transiente globale Amnesie: Kombination aus anterograder und retrograder Amnesie, akut und nur vorübergehend auftretend
  • Katathyme Amnesie: Verlust einzelner Gedächtnisinhalte auf Basis unbewusster innere psychischer Prozesse
  • Dissoziative Amnesie Dissoziative Amnesie Dissoziative Amnesie: durch ein Trauma ausgelöster Gedächtnisverlust

Alzheimer Alzheimer Alzheimer

• Bei  Alzheimer Alzheimer Alzheimer kommt es zu einem Untergang der Nervenzellen. Das kann zur Folge haben, dass das Gehirn um bis zu 20 % schrumpft → Störung der Weiterleitung von Informationen
• Auch die Verarbeitung von Eindrücken ist nicht mehr in vollem Umfang möglich.
• Pathophysiologische Grundlagen:
  • Atrophie des Gehirns und Verlust von synaptischen Verbindungen
  • Intrazelluläre Anhäufung von Tau-Protein
  • Extrazelluläre Anhäufung von Amyloidproteinen → Bildung von Amyloid-Plaques
• Besonders betroffen sind von Alzheimer Alzheimer Alzheimer die Bereiche des Gehirns, die für die Verarbeitung von Informationen und die Gedächtnisleistung benötigt werden.