Der Spracherwerb beginnt vor der Geburt.

aus Die Presse, Wien, 28. 8. 2012

In Sprache lernt man sich schon im Uterus ein  

Unterschiedliche Lautmuster, die Babys in den letzten drei Monaten vor der Geburt zu hören bekommen, prägen sich so gut ein, dass sie nach der Geburt wiedererkannt werden.

Von Jürgen Langenbach

Wenn Schwangere in Hörweite sind, sollte man seine Zunge im Zaun halten: Auch Embryos haben Ohren, und diese spitzen sie zumindest gegen Ende der Schwangerschaft. Dass sie das tun, weiß man aus Experimenten mit Tieren – Vögel lernen sich im Ei in die Gesänge von Artgenossen ein, Ratten kann man in utero mit Tönen konditionieren –, auch bei Menschen deutet vieles darauf.

So folgt etwa der erste Schrei, mit dem ein Neugeborenes die Welt begrüßt, der Melodie der Sprache der Mutter bzw. des Landes, in dem es ausgetragen wurde. Und wenn Kinder englischsprachiger Mütter nach der Geburt schwedische Wörter hören, dann wecken die ihre Neugier stärker als englische Wörter. Das zeigte ein Experiment, in dem Babyfläschchen mit Tonband und Messgerät versehen waren: Ertönte die fremde Sprache, nuckelten die Babys gieriger.

Das Design des Experiments zeigt die Schwierigkeiten beim Erkunden des frühen Hörens, deshalb gibt es relativ wenig Forschung, und das, obwohl der Uterus vor vielem schützt, aber nicht vor Schall: Da pocht das Herz der Mutter, da knurrt der Magen der Mutter, und von ganz weit – und stark gedämpft – klingt die Stimme der Mutter, zugleich werden die Muskelbewegungen spürbar, mit denen sie die Töne erzeugt. Das mag erklären, warum die Stimme der werdenden Mutter im Gedächtnis des Kindes bleibt – es reagiert nach der Geburt mit mehr Bewegung darauf –, die Stimmen Fremder tun es hingegen nicht, und die des werdenden Vaters tut es auch nicht. 

Kleine Differenzen wecken das Gehirn

Aber all das sind eher weiche Befunde, die beobachtetes Verhalten von Babys interpretieren. Messungen der Gehirnaktivitäten gibt es kaum. Am Füllen dieser Lücke arbeitet Eino Partanen (Helsinki), nun hat er eine Studie publiziert, in der Babys in den ersten Tagen nach der Geburt EEGs abgenommen wurden (Pnas, 27. 8.): 33 Babys waren mit dabei, 17 hatten in den letzten drei Monaten der Schwangerschaft neben dem üblichen Schall noch etwas zu hören bekommen: „tatata“. Das spielten die werdenden Mütter fünf- bis siebenmal pro Woche fünf Minuten lang vom Band, und zwar so laut, dass keine Unterhaltung möglich gewesen wäre, es den Ohren aber auch noch nicht wehtat. Ab und zu kam eine Variante, ein Vokal war verändert – „tatota“ –, oder das mittlere a wurde in erhöhter Stimmlage gesprochen.

So etwas ist für das Gehirn besonders spannend, es reagiert mit „mismatch response“, besonderen Aktivitätsmustern, die sich im EEG zeigten. Sie waren bei den Babys zu bemerken, die so vor der Geburt vernommen hatten, gleich nach der Geburt, bei den Kontrollbabys, die sie nicht kannten, waren sie nicht da (und mussten erst aufgebaut werden). „Das lässt uns vermuten, dass Embryos viel detailliertere Informationen aufnehmen, als wir bisher dachten“, schließt Partanen.

Aber er fügt schon etwas hinzu: Vor allem in den USA gibt es verschiedenste Programme, die das Sprachlernen bzw. die Kognition insgesamt schon vor der Geburt mit Beschallung fördern wollen. Partanen will das nicht, er rät eher ab, in sprachpädagogischer Absicht auf Embryos einzulärmen. Ob das die Entwicklung wirklich fördert, ist unklar, es könnte sie auch stören, man weiß es nicht. Immerhin weiß man, dass auch Embryos gern ihre Ruhe haben und schlafen.

E-Lernen - Ablenkung, Schrott, Langeweile.

aus DiePresse.com, 23.08.2013

Informationsmüll frisst Gehirnressourcen  

Neue Medien wirken sich auf unser Gehirn aus, sie steigern die Fehleranfälligkeit, verkürzen Konzentrationsspannen und wecken die Sucht nach schneller Befriedigung.

Das menschliche Gehirn ist nicht zum Multitasking geschaffen. Genau dazu verleiten aber Computer, Smartphones und Tablets mit den digitalen Medien - und das hat konkrete Auswirkungen auf das Gehirn, meint der deutsche Hirnforscher Martin Korte. Die Folgen sind hohe Fehleranfälligkeit, kurze Konzentrationsspannen und Sucht nach schneller Befriedigung von Bedürfnissen. Schuld daran seien aber nicht die Neuen Medien selbst, sondern der Umgang damit. "Wir müssen lernen, Neue Medien optimal zu nutzen", sagte Korte. In einem Vortrag bei den Alpbacher Technologiegesprächen erklärt er am Freitag, wie in der digitalen Welt die Zukunft des Lernens aussehen könnte.

"Die Herausforderung des Lernens wird sein, wie man das Erhaltenswerte und Vernünftige an unserem Bildungssystem - etwa einen Bildungskanon als Plattform des gemeinsamen Wissens - erhalten und darüber hinaus die Möglichkeiten schaffen kann, Schüler und Studenten auch ihren Gewohnheiten entsprechend anhand von digitalen Medien lernen zu lassen", glaubt der Neurobiologe von der Technischen Universität Braunschweig. Dazu müssten Schüler und Studenten allerdings auch darin geschult werden, wie man am effektivsten mit den Neuen Medien lernt: "Dieses Wissen kommt nicht von selber."

Intensive Internetnutzung beeinflusst bestimmte Stirnlappengebiete der Großhirnrinde, vor allem den dorso-lateralen präfrontalen Cortex, der mit Konzentration, Problemlösungsstrategien, Erkennen und Kontrolle von Emotionen und dem Treffen von Entscheidungen in Verbindung gebracht wird. Die positive Folge: Analytische Fähigkeiten, die Geschwindigkeit bei der Bildverarbeitung im Gehirn und die Leistung, mehrere Aufgaben praktisch gleichzeitig auszuführen, werden gefördert. 

Ablenkung als kognitive Bremse

Je mehr verschiedene Tätigkeiten man allerdings gleichzeitig ausübt, umso mehr wird Informationsverarbeitung zu einer Last. "Die Gehirnressourcen werden vom Informationsmüll aufgefressen", so Korte. Die größte kognitive Bremse ist dabei laut Korte heute für viele Menschen, dass sie während einer Tätigkeit ständig durch Gedanken an andere, vor allem digital inszenierte Tätigkeiten (E-Mail, Soziale Netzwerke etc.) abgelenkt werden.

Um diese drohenden negativen Konsequenzen zu verringern, müsse der Einsatz Neuer Medien effizienter gestaltet werden, betont Korte. Der Nutzer solle nicht der Versuchung erliegen, viele Dinge gleichzeitig zu erledigen, "weil wir einfach nicht gut darin sind, Dinge parallel abzuarbeiten". Man müsse seine Arbeit sehr genau strukturieren und festlegen, wann man etwa konzentriert an einem Problem arbeiten will - immerhin brauche das Gehirn nach jeder Unterbrechung 15 Minuten, um sich wieder in den Stoff einzuarbeiten. Deshalb sollten Studenten oder Schüler immer ein Fach nach dem anderen zu erledigen. Auch Soziale Netzwerke und Mails sollten in der Konzentrationsphase Tabu sein, da durch das Abschweifen permanent Ressourcen des Arbeitsgedächtnisses geteilt und damit von der ursprünglichen Aufgabe abgezogen werden. 

Internetbasierte Lernformen

Das bedeutet aber nicht, dass sich Lernende aus Kortes Sicht generell von den Neuen Medien abschotten sollen. Immerhin hätten internetbasierte Lernformen viele Vorteile, etwa für das Fremdsprachenlernen, da sie sehr individuell auf den Lernenden eingehen und sich an sein Tempo anpassen. Dass Schüler und Studenten mit digitalen Medien eigenständiges, selbstmotiviertes und selbstgesteuertes Lernen leisten können, müssten künftig Lehrer stärker berücksichtigen: "Man muss sie an diesen Lernprozessen mit den Techniken, die sie verwenden wollen, auch viel stärker teilnehmen lassen", so der Hirnforscher.

Reines E-Learning ist aus seiner Sicht allerdings keine Option, da es Teilnehmern dabei extrem schwer falle, die Motivation beizubehalten. Der Grund ist laut Korte das Bedürfnis nach Lernen in einer Gruppe. "Wenn wir neue Erfahrungen machen, sind wir auch eher bereit, Neues abzuspeichern und das neu Gelernte ist auch länger abrufbar, weil die Fakten in Erlebnisse eingebunden sind."

(APA)

Stadtluft bringt die Evolution auf Trab.

aus Die Presse, Wien, 25, 8. 2013

Große Städte, große Gehirne

An das Stadtleben mit seinen Herausforderungen haben sich auch die vierfüßigen und geflügelten Einwohner angepasst: Mäuse etwa vergrößerten ihre Hirne.

Von Jürgen Langenbach

In den Städten ist alles anders, sie sind Hitzeinseln – drei bis fünf Grad wärmer als das Umland –, sie sind Lärmhöllen, aber auch Oasen, in denen es immer Nahrung und Wasser gibt und, zwiespältige Zugabe, Licht. In diesen relativ neuen Habitaten muss sich heute schon die halbe Menschheit zurechtfinden, um 1900 waren es zehn Prozent, in zwanzig Jahren werden es zwei Drittel sein, die sich auf drei Prozent der Erdoberfläche drängen.

Und andere ziehen nach, vierfüßige und geflügelte, auch sie müssen sich an die so komplizierten Verhältnisse der Städte anpassen, Vögel singen anders, und Frösche quaken anders, wenn sie sich gegen Straßenlärm durchsetzen müssen, und für andere ist die Stadt eine so große Herausforderung, dass sie gar mit Veränderungen des Körpers reagieren: Sie vergrößern ihre Gehirne, sie organisieren sie vielleicht auch um.

Letzteres ist natürlich nicht dokumentiert, schon gar nicht über längere Zeiträume, aber was die Gehirn- bzw. Schädelgröße angeht, haben naturhistorische Museen fleißig gesammelt. Auch Minnesotas Bell Museum hat es getan, dort kamen in den letzten hundert Jahren über 19.000 Exemplare von Säugetieren zusammen, viele vom Land, aber auch solche, die in Städten eingesammelt oder gefangen wurden. 

Vögel lernen die Straßenverkehrsordnung

Emilie Snell-Rood (University of Minnesota) hat sich alle genauer angesehen, sie vermutete, dass (a) in Städten die Gehirne größer werden, und zwar (b) vor allem bei Arten mit großer Population und rascher Reproduktion. Auf dem Land hingegen (c) sollte sich nichts zeigen. Das bestätigte sich partiell, an Weißfuß- und Wiesenwühlmäusen: Ihre Gehirne wurden größer, allerdings nur am Anfang, gleich nach dem Einwandern.

Danach blieben sie konstant – und die der Artgenossen auf dem Land zogen nach, dort herrscht auch nicht mehr die Ruhe und das Idyll von einst. (Proc. Roy. Soc. B, 21. 8.) Und dazwischen, zwischen Stadt und Land? Da kamen die Straßen, für viele Tiere eine extreme Herausforderung und Gefahr, etwa für Vögel. Bei ihnen weiß man schon, dass manche Schwalben ihr Gefieder verändert – verkürzt – haben, um heranrasenden Automobilen besser ausweichen zu können. Aber haben sie oder andere auch ihr Verhalten angepasst? Sie haben es, in der Nähe von Straßen haben sie ihre Fluchtdistanzen geändert, und zwar in Abhängigkeit von den vorgeschriebenen Höchstgeschwindigkeiten – wo 120 km/h gilt, flüchten sie rascher als bei Tempo 30 –, nicht etwa vom tatsächlichen Tempo mancher Autofahrer. Pierre Legagneux (Quebec) hat es in Frankreich erhoben, vor allem an Nebelkrähen, Haussperlingen und Amseln (Biology Letters, 21. 8.).

An allen dreien kann jeder Laie noch etwas beobachten: In Städten fühlen sie sich wohl, dort sind keine Räuber hinter ihnen her, auch nicht der, den sie offenbar früher auf dem Land zu fürchten hatten: Noch vor 50 Jahren war man froh, wenn man eine Amsel aus 20 Metern zu sehen bekam. Heute hat sie ihre Fluchtdistanz so verringert, dass sie bald der Taube Konkurrenz macht, so rasch geht das, im Verhalten („Plastizität“) und dann wohl auch in den Genen.


Nota.

Die Versuchung ist groß, die Beobachtung auf den Menschen zu übertragen. Steht das seit Jahrhunderten zu beobachtende ansteigende Längenwachstum, gar die Verfrühung der körperlichen Reife in den Populationen des Westens, steht gar der langsam, aber kontinuierlich steigende IQ mit der forstschreitenden Verstädterung im Zusammenhang? Die pauschale erklärung wäre: Einer Vervielfältigung der äußeren Reize antwortet eine Vervielfältigung der individuellen Reaktionen - und deren Speicherung im Epigenom. Das beschleunigt die Evolution.

Aber dass eine Erklärung so plausibel klingt, sollte zu besonderer Vorsicht anhalten.
J.E.

Gedächtnis ist Synchronisierung.

aus scinexx                                                           Synchrone Schwingungen in zwei Gehirnbereichen

Kurzzeitgedächtnis beruht auf Synchronisation

Kooperation von Gehirnregionen entscheidend für das Erinnern

Forscher haben herausgefunden, wie verschiedene Gehirnregionen während des Kurzzeitgedächtnisses miteinander kooperieren: Elektrische Schwingungen zwischen verschiedenen Gehirnregionen sind demach entscheidend, um sich über einen kurzen Zeitraum hinweg an etwas Gesehenes zu erinnern. Schwingen sie synchron, findet ein Informationaustausch statt und das Kurzzeitgedächtnis funktioniert. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin "Nature Neuroscience". 

Sich kurzfristig an etwas zu erinnern, ist eine scheinbar einfache und alltägliche Aufgabe. Doch trotz der scheinbaren Einfachheit ist das Kurzzeitgedächtnis ein komplexer kognitiver Vorgang, der die Beteiligung von mehreren Hirnregionen benötigt. Ob und wie die verschiedenen Regionen während der Informationsspeicherung zusammen arbeiten, blieb bisher jedoch unklar. Es ist bekannt, dass die Regionen im vorderen Teil des Gehirns am Kurzzeitgedächtnis beteiligt sind, während die Verarbeitung von Sehinformation in erster Linie im hinteren Teil des Gehirns erfolgt. Um sich jedoch erfolgreich über einen kurzen Zeitraum hinweg an etwas Gesehenes zu erinnern, müssen die entsprechenden Regionen miteinander kooperieren und die Informationen zusammenführen.

Wie das funktioniert, haben Wissenschaftler der Abteilung von Nikos Logothetis am Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik in Tübingen untersucht. Sie haben die simultane elektrische Aktivität in einer visuellen Region und im frontalen Gehirnbereich in einer Wahrnehmungsstudie an Affen untersucht: Die Wissenschaftler zeigten den Tieren in kurzen Abständen identische oder unterschiedliche Bilder und zeichneten dabei die Gehirnaktivität auf. Die Affen mussten dann angeben, ob das zweite Bild dem ersten entsprach.

Synchrone Schwingungen im Theta-Band
 
Die Wissenschaftler beobachteten, dass die Hirnaktivität in jeder der beiden Gehirnregionen durch oszillatorische Schwingungen in einem als das Theta-Band bezeichneten Frequenzbereich gekennzeichnet war. Interessant ist, dass diese Schwingungen nicht unabhängig voneinander auftreten, sondern synchron: „Es ist, als ob sich in den beiden Bereichen je eine Drehtür befindet“, erklärt Stefanie Liebe, die Erstautorin der Studie. „Während das Gedächtnis arbeitet, drehen sich beide Türen im Takt, und erlauben dadurch einen effektiveren Informationsaustausch.“ Je stärker die Regionen synchron aktiv waren, desto besser konnten sich die Tiere an das erste Bild erinnern. So waren die Wissenschaftler in der Lage, eine direkte Beziehung zwischen ihren Beobachtungen im Gehirn und der Leistung der Tiere zu erkennen.

Die Studie zeigt, wie wichtig synchronisierte Gehirnschwingungen für die Kommunikation und die Interaktion der verschiedenen Gehirnregionen sind. Fast alle höheren geistigen Fähigkeiten wie das visuelle Erkennen ergeben sich aus einem komplexen Zusammenspiel von spezialisierten neuronalen Netzen an verschiedenen Stellen im Gehirn. Wie sich Beziehungen zwischen solchen unterschiedlichen Standorten bilden und wie diese dazu beitragen, Informationen über externe und interne Ereignisse untereinander zu kommunizieren, um zu einer kohärenten Wahrnehmung beizutragen, ist noch weitgehend unbekannt. (Nature Neuroscience, 2012; doi: 10.1038/nn.3038)


(Max-Planck-Gesellschaft, 01.02.2012 - NPO)

Gedächtnis im Stress.

aus scinexx

Gehirn: Dauerstress verändert Gedächtnis-Zentrum

Forscher finden die Ursache für stressbedingte Vergesslichkeit

Dauerstress kann nicht nur krankmachen, er beeinträchtigt auch das Gedächtnis. Wie genau dies geschieht, haben US-amerikanische Forscher herausgefunden - und auch, wie sich dieser Effekt möglicherweise verhindern lässt. Bei jungen Ratten beobachteten sie, dass das wiederholte Bombardement mit Stresshormonen die Anzahl wichtiger Andockstellen im sogenannten präfrontalen Kortex verringerte. Dieses Zentrum des Kurzzeitgedächtnisses wurde dadurch unempfindlicher für Glutamat, einen anregenden Hirnbotenstoff. Diese Abstumpfung verursache die Gedächtnisstörungen, berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin „Neuron“.

Schon seit längerem ist bekannt, dass chronischer Stress die geistige Flexibilität, die Aufmerksamkeit und auch das kurzzeitige Erinnerungsvermögen beeinträchtigt. Zuständig für diese Funktionen ist ein hinter der Stirn liegendes Gehirnareal, der präfrontale Kortex. Welche Veränderungen der Stress dort auf molekularer und physiologischer Ebene bewirkt, haben Eunice Yuen von der State University of New York in Buffalo und ihre Kollegen erst jetzt aufgeklärt.

„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass wiederholter Stress die Empfänglichkeit des präfrontalen Kortex für den Botenstoff Glutamat senkt“, schreiben die Forscher. Diese Veränderung führe dazu, dass diese Gehirnregion wichtige Funktionen wie das Kurzzeitgedächtnis nur noch eingeschränkt ausführen könne.

Gehirn von Jugendlichen ist besonders stressanfällig

Wie die Forscher berichten, reagiert dabei das Gehirn Heranwachsender besonders sensibel auf kontinuierlich hohe Stresspegel. Denn in der Jugend und Pubertät ist der präfrontale Kortex noch mitten in der Entwicklung. Prägende Stresserfahrungen könnten daher in dieser Zeit die Weichen stellen für spätere psychische Probleme.

Dank dieser Erkenntnisse hoffen die Forscher auch, zukünftig besser zu verstehen, wie sich psychische Krankheiten entwickeln und welche Rolle der Stress dabei spielt. „Denn Störungen der Glutamat-Übertragung gelten als eines der Kernmerkmale und grundlegenden Ursachen für psychische Krankheiten“, sagen die Forscher.

Junge Ratten unter Stress gesetzt

Für ihre Studie hatten die Wissenschaftler vier Wochen alte, männliche Ratten verschiedenen Stressformen ausgesetzt: Einige wurden nur einmalig für zwei Stunden in einen engen Behälter gesetzt, andere wurden auf diese Weise jeden Tag zur gleichen Zeit gestresst. Eine weitere Rattengruppe wurde unberechenbarem Stress ausgesetzt: Sie wurden zu jeweils unterschiedlichen Zeiten aus ihren Käfigen geholt, durch Licht geblendet, mussten schwimmen oder wurden anderen stressenden Erfahrungen ausgesetzt.

In anschließenden Tests prüften die Forscher das Kurzzeitgedächtnis der Ratten. Außerdem analysierten sie die Funktionen und die Physiologie des präfrontalen Kortex durch verschiedenen Messungen und Proben. Wie die Wissenschaftler berichten, entwickelten nur die Ratten unter Dauerstress ein schlechteres Kurzzeitgedächtnis und eine verringerte Anzahl von Glutamat-Rezeptoren im Gehirn. Einmaliger, kurzzeitiger Stress hatte dagegen diese Wirkung nicht.

Forscher blockieren molekularen Stressmechanismus

In einem ergänzenden Versuch blockierten die Forscher den neuentdeckten molekularen Stressmechanismus. Durch Verabreichung eines Blockade-Wirkstoffs konnten sie so verhindern, dass die Menge der Glutamat-Rezeptoren im präfrontalen Kortex der Tiere abnahm. Auch die Gedächtnisleistung der Ratten blieben dadurch stabil. (Neuron, 2012; doi: 10.1016/j.neuron.2011.12.033)

(Neuron / dapd, 09.03.2012 - NPO)

Wenn das Gehirn schläft.

aus scinexx

Lernen im Schlaf
Wie unser Gedächtnis während der Nacht aufgebaut wird


Im Schlaf speichert und verarbeitet unser Gehirn die Tageseindrücke


Auch wenn wir schlafen, hat unser Gehirn keine Pause. Denn dann hat es endlich Zeit, sich um das zu kümmern, was es tagsüber gelernt hat: Es spielt Erfahrungen und Eindrücke nochmal durch und speichert sie dann im Langzeit-Gedächtnis ab. Wie genau das funktioniert, finden Neurowissenschaftler gerade Stück für Stück heraus.

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik in Tübingen erforschen schon seit längerem die Aktivität unseres Gehirns im Schlaf und in Ruheperioden. Um die Mechanismen der Gedächtnisbildung und das Geschehen in den Netzwerken des Gehirns dabei genauer erkunden zu können, haben sie eine neue Messmethode entwickelt. Sie basiert auf der Kombination von lokalen Messungen der Hirnströme mittels Elektroden mit Aufzeichnungen der gesamten Hirnaktivität der funktionellen Magnetresonanztomografie (fMRT).

Damit konnten Forscher die Hirnareale identifiziert werden, die in Abhängigkeit von episodischen gedächtnisbezogenen Ereignissen im Hippocampus, den sogenannten Ripples, ihre Aktivität immer wieder erhöhen oder vermindern. Die Erkenntnisse ermöglichen fortan neue Einblicke in die Mechanismen der Gedächtniskonsolidierung.

Inhalt:

Im Schlaf gelernt
Warum unser Gehirn auch nachts aktiv ist

Wenn das Gehirn offline geht
Was passiert, wenn die äußeren Reize und Einflüsse wegfallen?

Den Ripples auf der Spur
Wie kommuniziert der Hippocampus mit dem Rest des Gehirns?

Mit Hirnscan und Elektroden
Neuer Blick ins Gehirn verrät Zusammenhang


Im Schlaf gelernt
Warum unser Gehirn auch nachts aktiv ist

Das Gehirn ruht nie, sondern verarbeitet ununterbrochen Informationen aus der äußeren und inneren Welt. Eine der faszinierendsten Eigenschaften unseres Gehirns ist dabei die Fähigkeit zu lernen. Beim Lernen spielt die Plastizität des Gehirns eine wichtige Rolle, also die Fähigkeit von Synapsen, Nervenzellen und ganzen Hirnarealen, sich in Abhängigkeit von der Aktivität oder der Verwendung in ihren Eigenschaften zu ändern. 

 
In der Hirnrinde werden die Verknüpfungen gebildet, die unser Langzeit-Gedächtnis ausmachen  

Wo sitzt das Gedächtnis?

Für das, was wir unser „Gedächtnis“ nennen, spielen insbesondere neuronale Strukturen im Neokortex, dem evolutionär jüngsten Teil der Hirnrinde, eine zentrale Rolle. Hier ist der Sitz des sogenannten deklarativen Gedächtnisses. Dieses umfasst alle Erinnerungen, die wir bewusst abrufen. Dazu gehören sowohl Erinnerungen an Fakten und Tatsachen, als auch Erinnerungen an Ereignisse und Erfahrungen in unserem Leben.

Das deklarative Gedächtnis wird dabei nochmals in zwei Bereiche unterteilt: in das semantische Gedächtnis, welches Wissen und allgemeine Fakten über die Welt enthält, und das episodische Gedächtnis, welches Episoden, Ereignisse und Tatsachen aus unserem persönlichen Leben enthält. Der Aufbau eines episodischen Gedächtnisses wird dabei entscheidend vom wechselseitigen Zusammenspiel anatomischer Hirnstrukturen im medialen Temporallappen und dem Neokortex bestimmt.

Schlaf stärkt Verbindungen - und damit Erinnerungen

Wenn keine Interaktion mit der äußeren Welt stattfindet - wie beispielsweise im Schlaf, ist das Gehirn dennoch aktiv: Die Aktivitätszustände des Gehirns spiegeln dabei verschiedene mentale Funktionen wider. Dazu gehört die Gedächtniskonsolidierung. Nach einer vorherrschenden Theorie des Gedächtnisses werden neue Erfahrungen kurzzeitig im Hippocampus gespeichert und anschließend – während der Ruhezeiten – reaktiviert.

Verbindungen zwischen Nervenzellen -Synapsen - verändern sich, wenn Erinnerungen gespeichert werden.

Während des Schlafes werden dann die Verbindungen in der Hirnrinde gestärkt, die dem Langzeitgedächtnis zu Grunde liegen. Die Nervenzellen, die dabei in einer bestimmten Reihenfolge aktiviert und dauerhaft miteinander verbunden werden, entsprechen dann einem bestimmten Gedächtnisinhalt. Einen solchen Zellverband bezeichnet man als neokortikale Repräsentation.

Der Prozess, der die Erinnerungen als neokortikale Repräsentation festigt, geschieht dabei in zwei aufeinanderfolgenden Schritten. In beide ist der Hippocampus als Teil des Temporallappens und der Kortex im Zusammenspiel eingebunden. Im ersten Schritt, der Enkodierungsphase, findet im Hippocampus eine schnelle Verknüpfung der neokortikalen Repräsentation in lokalen Gedächtnisspuren statt. Im zweiten Schritt, dem sogenannten Offline-Modus, werden die neuen, noch labilen Spuren gleichzeitig im Hippocampus und Kortex reaktiviert, um so die Nervenzellverbindungen innerhalb des Kortex zu verstärken, die der gespeicherten Repräsentation zu Grunde liegen.


Wenn das Gehirn offline geht  
Was passiert, wenn die äußeren Reize und Einflüsse wegfallen?

Wenn wir schlafen, ist unser Gehirn im Offline-Modus. Dieser Begriff bezeichnet in den Neurowissenschaften Zustände, in denen wir nicht aktiv mit der Außenwelt interagieren. Offline-Modi treten im ruhigen Wachzustand, während des Schlafes oder unter Narkose auf. Sie alle sind durch Aktivität innerhalb eines bestimmten Netzwerks von eng miteinander verknüpften Hirnregionen gekennzeichnet. Wichtig ist hier, dass sich das Aktivitätsmuster während des Offline-Modus von dem Aktivitätsmuster im aufmerksamen Wachzustand unterscheidet, also wenn ein Individuum aktiv Signale aus der Außenwelt wahrnimmt.

Schema des Default-Mode Networks (rot) eines 25-Jährigen. Die Farben der Knoten stehen für bestimmte Hirnbereiche.

Das Default Mode Network – das Bewusstseinsnetzwerk oder Ruhezustands-Netzwerk des Gehirns – ist ein weiteres Beispiel für einen intern generierten Gehirnzustand. Es scheint vorzugsweise dann aktiv zu sein, wenn man sich auf interne Aufgaben konzentriert, etwa wenn Menschen tagträumen, Zukunftspläne machen, Erinnerungen wiederaufleben lassen oder die Sichtweisen anderer Menschen abschätzen. Das zeigen Studien mit Hilfe der funktionellen Magnetresonanztomografie. Sie ergaben auch, dass ein eingeschränktes Default-mode-Netzwerk mit mehreren psychiatrischen Störungen in Zusammenhang gebracht werden kann.

Die Hirnrinde ist ein langsamer Lerner

Eine faszinierende Funktion des Offline-Modus ist die Speicherung neuer Erfahrungen. In der wissenschaftlichen Literatur gibt es breite Unterstützung für die Ansicht, dass frische Erinnerungen sehr Interferenz-anfällig sind und daher Zeit brauchen, um sich zu stabilisieren. Die Hirnrinde ist ein recht „langsamer Lerner“, weil Veränderungen in der kortikalen Synapsenstärke typischerweise Zeit brauchen. Dies ist vielleicht auch gut so, weil wir beziehungsweise unser Gehirn dadurch nicht mit unsinnigen und willkürlichen Informationen überfrachtet werden.

Aber es gibt auch Informationen, die wir schnell und kurzfristig aufnehmen müssen. Diese kurzfristige Speicherung von räumlich-zeitlichen Aktivitätsmustern findet daher vorzugsweise in Strukturen mit schneller Plastizitätsregulierung statt - also in Bereichen, die schneller reagieren und sich schneller verändern können als die Synapsenstärke der Hirnrinde. Der Hippocampus gilt als das Beispiel schlechthin für einen solchen Mikroschaltkreis-Verband: Er speichert frische Erinnerungen und kann sie reaktivieren, um die kortikale Plastizität zu fördern. Perioden der Ruhe oder des Schlafes begünstigen dabei die Gedächtnisstabilisierung.

Doch worauf basiert dieser Dialog zwischen Hippocampus und Kortex und wie kommuniziert der Hippocampus mit dem Rest des Gehirns?




Den Ripples auf der Spur
Wie kommuniziert der Hippocampus mit dem Rest des Gehirns?

Doch worauf basiert dieser Dialog zwischen Hippocampus und Kortex und wie kommuniziert der Hippocampus mit dem Rest des Gehirns? Um Antworten auf diese Fragen zu finden, müssen Veränderungen in der neuronalen Aktivität aufgespürt und identifiziert werden, die auf eine spezifische Gehirnfunktion hindeuten. Der Stärkung des Gedächtnisses im Schlaf soll ein intern generierter Zustand des Gehirns, das neuronale Replay, zu Grunde liegen.
Im Schlaf rekapituliert das Gehirn bestimmte Aktivitätsmuster

Kurz gesagt, Informationen aus der externen Welt aktivieren spezifische Neuronen, die für diese Art Information, beispielsweise für das Gesicht einer Person, die Stimme oder den Ort, empfänglich sind. Diese neuronale Aktivierung geschieht in einer bestimmten Reihenfolge.

Überraschenderweise wird nun im Offline-Modus, etwa bei ruhiger Wachsamkeit oder im Schlaf, dieselbe Abfolge an neuronaler Aktivität wiederholt, quasi erneut abgespielt. Dieses Phänomen der Wiederholung wurde an Nagetieren eingehend untersucht. Auch im menschlichen Gehirn geht derselbe neurophysiologische Mechanismus vonstatten.

Synchrone Signale im Hippocampus

Neuroforscher haben festgestellt, dass Episoden neuronaler Wiederholung vorzugsweise im Hippocampus während enger Zeitfenster vorkommen. Sie zeigen dabei mit wenigstens zwei charakteristische Signal-Dynamiken: (a) große Abweichungen im lokalen Feldpotenzial, die auch im Standard-EEG-Signal leicht zu beobachten sind, und (b) damit verbundene schnelle Schwingungen, die Ripples genannt werden und das synchrone Feuern von 50.000-100.000 interagierenden Projektionsneuronen und Interneuronen widerspiegeln. 

Ripples (Pfeile) im Hippocampus des Affen.

Ripple-Ereignisse lassen sich mit Elektroden messen, die man in das entsprechende Subfeld des Hippocampus platziert. Die Ripples verteilen sich über den gesamten Hippocampus. Durch diesen globalen Charakter sind sie optimal als Modulator von Plastizität geeignet. Tatsächlich weist eine große Anzahl von Studien darauf hin, dass der Hippocampus mit Hilfe der Ripples Botschaften an den Kortex schickt und so dessen Plastizität verändert.

So überträgt er möglicherweise frisch erworbenes Wissen in das Langzeitgedächtnis. Die regionalen Interaktionen zwischen den Zellgruppen wurden und werden sehr detailliert untersucht. Doch was macht der Rest des Gehirns während dieser faszinierenden Aktivität in einem Subfeld des Hippocampus? Aktivieren die Ripples tatsächlich die für das Gedächtnis wichtigen Zentren in der Hirnrinde?




Mit Hirnscan und Elektroden
Neuer Blick ins Gehirn verrät Zusammenhang

Erst kürzlich haben Nikos Logothetis und sein Team vom Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik eine neue multimodale Methodik entwickelt, das sogenannte neural event-triggered functional magnetic resonance imaging (NET-fMRI oder NET-fMRT). Bei dieser Methode werden die vom Gehirn erzeugten Signale mittels Elektroden erfasst, die unter die Schädeldecke gepflanzt werden. Aufgenommen werden damit vor allem die Hirnströme, die während des Non-REM-Schlafs und der Ruhephasen auftreten.

Gleichzeitig wird die Hirnaktivität des Probanden mittels funktioneller Magnetresonanz-Tomografie (fMRT) aufgezeichnet. Dieses bildgebende Verfahren zeigt, welche Hirnregionen besonders stark mit sauerstoffreichem Blut versorgt werden - und daher gerade besonders aktiv sind. Die von den Elektroden aufgezeichneten Signale dienen nun als Trigger, das heißt als Auslöser oder zeitlicher Bezugspunkt einer Abfolge von Ereignissen. Denn mit ihrer Hilfe kann bei der Datenanalyse beispielsweise der fMRT-Scans, gezielt geschaut werden, was sich genau zum Zeitpunkt eines solchen Triggers verändert. 

Kommunikation im Gehirn: Die roten Bereiche werden akiver, wenn im Hippocampus Ripples erzeugt werden.
 
Zeitlicher Zusammenhang

In der aktuellen Studie nutzten die Forscher als Trigger die Ripples des Hippocampus. Diese kann man sowohl in anästhesierten als auch wachen Rhesusaffen messen. Sie liegen im Bereich von 80 bis 160 Hertz. Die Wissenschaftler konnten mit ihrer Methode nun diejenigen Gehirnareale ermitteln, die ihre Aktivität immer in Abhängigkeit zu den Ripples erhöhten oder verringerten.

Mittels Messung der Feldpotenziale aus dem Hippocampus konnten die Forscher zeigen, dass die kurzen Abschnitte aperiodischer, wiederkehrender Schwingungen eng mit den robusten Aktivierungen der Hirnrinde verbunden sind. Diese wiederum treten zeitgleich mit einer umfangreichen Unterdrückung anderer Hirnstrukturen auf. Die Ripples spielen demnach offenbar tatsächlich eine wichtige Rolle für die Kommunikation von Hippocampus und Hirnrinde - und damit für die Konsolidierung unseres Gedächtnisses. 

Die Kunst des Wahrnehmens.

Joshua Reynods, Selbstbildnis

ECVP Satelliten-Symposium “The Art of Perception – the Perception of Art”

Dipl.-Sozialwissenschaftlerin Heidi Müller-Henicz  
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Hanse-Wissenschaftskolleg 

22.08.2013 09:59 


Das Satelliten-Symposium “The Art of Perception – the Perception of Art” richtet sich an das Fachpublikum der ECVP (Europäische Konferenz der Sehforscher, European Conference on Visual Perception) und soll die Wahrnehmung von Kunst aus der Perspektive von Wissenschaftlern und Künstlern beleuchten.

Die europäische Konferenz der Sehforscher, European Conference on Visual Perception (ECVP) wird in diesem Jahr vom 25. bis zum 29. August in Bremen stattfinden.

Als Teil dieser renommierten Tagung veranstaltet das Hanse-Wissenschaftskolleg (HWK) in Delmenhorst am Eröffnungstag (25. August) ein internationales Satelliten-Symposium mit dem Titel „The Art of Perception – the Perception of Art“.

Das HWK ist über die Grenzen Niedersachsens und Bremens hinaus und inzwischen auch im Ausland für seine gelungene Schaffung interdisziplinärer Diskussionsplattformen bekannt. Aktiv verfolgt das HWK auch die Verbindung von Kunst und Wissenschaft, wie sie beispielsweise durch das Programm „art in progress“ seit einigen Jahren erfolgreich geschaffen wird.

Das Satelliten-Symposium steht ebenfalls in dieser Tradition. Es richtet sich an das Fachpublikum der ECVP und soll die Wahrnehmung von Kunst aus der Perspektive von Wissenschaftlern und Künstlern beleuchten. Vor dem offiziellen Beginn der ECVP finden jeweils Symposien, Schulungen oder andere Satelliten-Veranstaltungen statt, die ein Schlaglicht auf bestimmte Themengebiete werfen. In diesem Jahr ist das HWK der offizielle Ausrichter des Satelliten-Symposiums, wodurch das Institut auch in der wissenschaftlichen Gemeinschaft der Sehforscher bekannter werden soll.

Als Sprecher des Symposiums „The Art of Perception – the Perception of Art“ wurden internationale Experten eingeladen, die entweder Spezialisten im Bereich der Sehforschung bzw. Neurowissenschaften oder Künstler sind oder sogar beide Spezialisierungen in sich vereinen. Prof. Bevil Conway (Wellesley, USA) wird über die Herausforderungen sprechen, die das Thema „Ästhetik“ an die Neurowissenschaften stellt. Prof. Anya Hurlbert (Newcastle, England) betrachtet in ihrem Vortrag die Bedeutung von Farbe in der Kunst und in der Sehforschung. Prof. Robert Pepperell (Cardiff, Wales) beschäftigt sich mit der Darstellung von Wahrnehmungsinhalten in Gemälden. Dr. Andreas Bartels (Tübingen) ist Experte für die Wahrnehmung bewegter Reize und die ihr zugrundeliegenden Mechanismen im Gehirn und wird über seine Studien berichten. Prof. Johan Wagemans (Leuven, Belgien) beleuchtet den Einfluss unseres Wissens auf die Wahrnehmung von Kunst. Prof. Michael Bach (Freiburg) wird mit seinem kritischen Vortrag über die Verbindung von Neurowissenschaften, optischen Täuschungen und Kunst das Symposium beschließen.

Etwa einhundert Teilnehmer der ECVP haben sich für das Symposium angemeldet. Die Tagungssprache ist Englisch.

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Weitere Informationen:

http://www.h-w-k.de/index.php?id=1966