Wie Nervenzellen Gedächtnisspuren ablegen

-Lernen aus

neurobiologischer Sicht

Björn BrembsFreie Universität Berlin

http://brembs.net

WER WIR SIND

Gelernt oder geerbt?

Gerlernt - geerbt kein sinnvoller Kontrast

Futter- ÜbelkeitVERMEIDUNG DES FUTTERS

Ton- SchockSCHRECKREAKTION BEI TONGABE

Ton- ÜbelkeitKEIN EFFEKT

Futter- SchockKEIN EFFEKT

Garcia Effekt

Drei Faktoren steuern Verhalten

Adenylatzyklase (rutabaga-Gen)

Ligand

(Rutabaga)

G-Protein

Pavlov‘s Hund Stimulus Substitution

UR

Klassisches Konditionieren

Klassisches Konditionieren

Wichtig!

CS: conditioned stimulus (Glocke)

US: unconditioned stimulus (Futter)

UR: unconditioned response (Speicheln)

CR: conditioned response (Speicheln)

Aktionspotential (Ca2+)

PräsynapseVesikel mitTransmitter

PostsynapseRezeptormoleküle

Synaptische Plastizität

Axon

Die Meeresschnecke Aplysia

Die Fruchtfliege Drosophila

Die Honigbiene

Drei Modellorganismen zum Studium der zellulären Vorgängen beim Lernen und der Gedächtnisbildung

Was machen Neuronen beim Lernen?

Eric Kandel: Aplysia

Aplysia californica (See-Hase)

US

UR

CS

UR

CS-USKonvergenzpunkt!

ap

Klassisches Konditionieren

Vorgänge am CS-US Konvergenzpunkt

Vorher: Nachher:

AP Verbreiterung:

Prä-synaptischer Mechanismus

Prä-SynapsePost-Synapse

Bahnung von sensori-motorischen Synapsen

US

CS UR

SN: Sensorisches NeuronMN: Motor-NeuronIN: Interneuron

Adenylatzyklase (rutabaga-Gen)

Ligand

(Rutabaga)

G-Protein

Molekulares Lernen

Starke Reaktion

US

CS

UR

Konvergenz von CS und US am molekularen Koinzidenzdetektor

AP-Verbreiterung

US

CS

UR

Bailey C. et.al. PNAS 1996;93:13445-13452©1996 by The National Academy of Sciences of the USA

Langzeit-Gedächtnis

Kie

menrü

ckzu

g

Tage nach dem Training

Klassisches Konditionieren

• Olfaktorisches Lernen in Drosophila • Furchtlernen in Ratten und Mäusen• Lidschlussreflex in Kaninchen• PER Konditionierung bei Bienen• u.v.m.

Mittlerweile sind die molekularen, neuronalen und Netzwerk-Mechanismen des klassischen Konditionierens sehr weit erforscht.

Diese Mechanismen scheinen in allen Tierarten von der Schnecke bis zum Menschen prinzipiell sehr ähnlich abzulaufen (evolutionär konserviert)

Patient H.M. (1926-2009)

1953:

Medianer Schläfenlappen

Motorisches Lernen des Patienten HM

H.M. zeigt normales motorisches Lernen (operant!)

• Schwere anterograde Amnesie• Partielle retrograde Amnesie• Intaktes Arbeits-Gedächtnis

Selektive Störung desdeklarativen Gedächtnisses

Patient H.M. (1926-2009)

Henry Molaison, 1970s

Memento

Deklaratives Lernen: Hippocampus

Hippocampus-Scheiben im Labor

Reizelektrode Ableitelektrode

(Ratte!)

Hippocampus: LTP

Gly

Glu++++

----

---

+++

Glutamat alleine

CytoplasmaSynaptischer Spalt

Mg++

Ca++

Glu

Ca++

++++

----

Mg++

Gly

---

+++

Glutamat plusDepolarisation

CytoplasmaSynaptischer Spalt

Ca++

NMDA-Rezeptoren (Glutamat)

LTP: Postsynaptische Mechanismen

Vorher Training Nachher

wenig Weiterleitung Weiterleitung Weiterleitung

LTP Variationen

„assoziatives“ LTP

Kurzzeit-Gedächtnis:Verstellung der synaptischen Über-tragung mit den vorhandenenStrukturen undMolekülen: Dendriten, Axone, Synapsen

Langzeit-Gedächtnis:Spezifische Aktivierung von Genen, Neubildung von Strukturen: Zellkern

Übergang Kurz- zu Langzeitgedächtnis

LTP: Strukturelle Veränderungen

Das lineare Modell der Gedächtnisbildung

Funktioniert unser Gehirn tatsächlich wie eine Festplatte?

Gedächtnis-Konsolidierung

Drosophila im stationären Flug

Verhaltenskonsequenzen

Torque

HeatColors

operant

klassisch

Adenylatzyklase (rutabaga-Gen)

Ligand

(Rutabaga)

G-Protein

Ein neuartiger Lernmechanismus

Torque

HeatColors

Torque

Heat

rut-AC (Synaptische Plastizität)

Protein Kinase C

Notwendig

Notwendig

Nicht notwendig

Nicht notwendig

klassisch

operant

MEHRERE LERNSYSTEME

Reicht synaptische Plastizität nicht aus?

Interagierende Lernsysteme

klassisch

operant

klassisch

+

Learning-by-doing

Generalisierung,Gewohnheitslernen

Reziproke, hierarchische Interaktionen

Facilitation: Learning-by-doing

Inhibition: Reguliert Gewohnheitslernen/Generalisierung

Lassen sich tatsächlich Erkenntnisse aus der Neurobiologie einfacher, assoziativer Lernvorgänge in Tieren auf schulisches Lernen anwenden?

Neurobiologie Lernregeln

Assoziationen werden durch Wiederholung verstärkt

Wiederholung ist die Mutter der Weisheit

„Spaced Training“ fördert Konsolidierung

Nicht zu viel auf einmal (verteilt üben, Pausen machen)

Interferenz mit Konsolidierung vermeiden

Ruhe nach dem Lernen

Operante Kontrolle fazilitiert Lernen

Möglichst viel selbst tun (“begreifen”), learning-by-doing

Kontextstimuli fördern Abruf/Generalisierung

Prüfumgebung ähnlich der Lernumgebung

Übertraining führt zu Gewohnheiten die Generalisierung stören können

Den gleichen Sachverhalt auf verschiedene Weisen erarbeiten

Neurobiologie und Schule

Buch und Film von dem wohl bedeutsamsten lebenden Neurowissenschaftler, Eric Kandel

2006

Ich wünsche Ihrem Gehirn und dem IhrerSchüler weiterhin viel Spass beim Lernen.

Lassen Sie ihm den Spass!

Vielen Dank!