13. Gedächtnis & Plastizität Flashcards
Hirnregionen, die für Lernen & Gedächtnis verantwortlich sind
→ Isokortex = Neokortex
→ Limbisches System, Kleinhirn, Basalganglien = implizit
→ Hippokampus (mediotemporal): deklarativ → kortikal
→ Belohnung / Verstärkersystem : Nucleus accumbens (subkortikal, limbisches System) → Ekel: Insula
→ Angst: Amygdala
→ Kleinhirn: Feinmotorik
Engramme =
alle einem spezifischen Gedächtnisinhalt (z. B. der Erinnerung an das Gesicht einer befreundeten Person) zugrunde liegenden elektrochemischen Vorgänge im ZNS
Zellensembles =
Jene Zellen, deren Aktivität zur Speicherung und Wiedergabe eines Engramms notwendig ist. Nach Hebb: Ansammlung (»assembly«) von spezifisch durch die Reizung aktivierten Nerven-Zellen, die als ein geschlossenes (assoziativ miteinander verbundenes) System auch nach Beendigung der Reizung aktiv bleibt → Die Grundlage eines spezifischen Wahrnehmungs- oder Erfahrungsinhaltes (≫Gestalt≪) ist ein assoziativ geformtes Zellensemble.
reverberatorischer Kreisverband
Ein reverberatorischer Kreisverband sind miteinander stärker als die Umgebung verbundene Nervenzellen, in dem ein Erregungsmuster einige Zeit zirkulieren kann. Ein bestimmtes Engramm kann aus mehreren solcher reverberatorischer Kreisverbände bestehen, die selbst wieder zu ausgedehnteren »cell-assemblies« verbunden sind. Damit ein gegebenes Assembly in kreisende Erregung verfällt, muss es eine gewisse Erregungsschwelle überschreiten, diese wird von Aufmerksamkeitsprozessen bestimmt.
Konsolidierungsphase
In der Konsolidierungsphase müssen die spezifischen neuronalen Erregungskonstellationen zu geschlossenen Zellensembles werden, dafür braucht es eine ungestörte Erregunszirkulation: Darbietung ähnlicher oder neuer Inhalte in dieser Zeit führt zu Einprägungshemmungen.
Schlaf ist deshalb eine wichtige Voraussetzung für Konsolidierung. Später genügt Teilaktivierung des Ensembles, um das ganze Ensemble zu aktivieren
Hebb-Regel:
»Wenn ein Axon des Neurons A das Neuron B erregt und wiederholt oder anhaltend das Feuern, d. h. die überschwellige Erregung von Neuron B bewirkt, so wird die Effizienz von Neuron A für die Erregung von Neuron B durch einen Wachstumsprozess oder eine Stoffwechseländerung in beiden oder einem der beiden Neurone erhöht« → Stichwort Langzeitpotenzierung!
● Simultane Aktivierung von Hebb-Synapsen verstärkt deren Bindung durch Wachstumsprozesse und/oder Stoffwechseländerungen.
● Abb. 25.7, S.631 Zeitlich simultane Aktivierung von präsynaptischen und postsynaptischen Elementen führt also zu einer funktionellen und anatomischen Stärkung der Verbindung zwischen prä- und postsynaptischem Element in Hebb-Synapsen.
Zellensembles & neuronale Oszillationen
● Nicht die Aktivität einer einzigen oder weniger Zellen, sondern erst das gleichförmige, kohärente Entladungsverhalten eines ganzen Zellensembles stellt »speicherbare « Information für das ZNS dar. Die Aktivität einer einzigen Zelle geht im elektrochemischen »Rauschen« des ZNS unter. Kohärenz entsteht durch gleichzeitiges oder korreliertes Entladen eines Erregungsmusters in einem Zellensemble, dessen Form und Frequenz für den Gedächtnisinhalt spezifisch ist
● Die Bildung von Zellensembles beim Lernen entsteht durch gleichzeitiges, kohärentes Feuern und wird in der Synchronisation von neuronalen Entladungen und EEG-/MEG- Rhythmen sichtbar.
● Neuronale Oszillationen und deren Änderung können direkt und phasenverschoben in Verhalten umgesetzt werden oder aber aktivieren über arrhythmische Zwischenstationen spezifische Verhaltensweisen.
Sparse Coding
Eine Zelle kann an der Repräsentation vieler Inhalte beteiligt sein, also mit verschiedenen »assemblies« verschaltet sein. Damit haben wir eine unlimitierte Anzahl von Kombinations- möglichkeiten funktionaler Verschaltungen, die den Reichtum unseres Erlebens und Verhaltens und die enorme Lernfähigkeit ausmachen → »sparse coding« = sparsames Kodierungsprinzip
Neuronales Binding
Ein spezifisches Element eines Inhalts (z. B. eine Kontur) kann von vielen Repräsentationen geteilt werden, die zu verschiedenen Zeiten an verschiedenen »assemblies« teilnehmen. Welcher Inhalt zu einem bestimmten Zeitpunkt im Vordergrund des Bewusstseins steht, wird durch synchrone, korrelierte Aktivität in einer verteilten Population von Neuronen bestimmt → neuronales binding
Coding und Bindung
Oszillierende Zellensembles können eine Vielzahl von Neuronenverbanden dynamisch rekrutieren und daher konnen relativ wenige neuronale Verbindungen eine große Zahl kohärenter Inhalte abbilden (repräsentieren). Dieses Prinzip wird auch als ≫sparse- coding≪ bezeichnet.
● Synchronisation kann auch über große Areale in Millisekunden erfolgen. Je größer das Ensemble, umso langsamer die Frequenz der Oszillationen.
● Assoziative Verknüpfung (≫binding≪) durch neuronale Konvergenz und zeitliche Synchronisation liegt nicht nur Wahrnehmungsprozessen, sondern auch Gedächtnisvorgängen zugrunde. Änderungen hochfrequenter Gamma-Oszillationen sind die neurophysiologischen Korrelate dieses Vorgangs.
Zellwachstum, Neurotransmitter & Lernen
Anregende Umgebung, die zu aktivem Handeln führt, fördert die neokortikalen Wachstumsprozesse; in eintöniger Umgebung bleiben sie aus → dumme Ratten werden schlauer
● Die neuroanatomischen und neurochemischen Änderungen bei angereicherter Umgebung sind nicht auf unspezifische soziale Erfahrung allein, sondern auf aktives Lernen rückführbar. Erholung nach Hirnläsionen gelingt nur in angereicherter Umgebung.
● Alzheimer-Demenz mit deklarativem explizitem Gedächtnisverlust geht vor allem mit Verlust der cholinergen Versorgung von Kortex und septohippokampalen System einher.
● Die Ausschüttung von Azetylcholin (ACh) aus dem basalen Vorderhirn und Bindung an muskarinerge Rezeptoren in der obersten Kortexschicht ist Voraussetzung für Gedächtnis & kortikale Lernprozesse
● Gedächtnisvorgänge sind auf das Zusammenspiel mehrerer Transmitter neben Glutamat vor allem Azetylcholin und Noradrenalin in spezifischen Hirnregionen,primär im Kortex und Hippokampus und limbischen Regionen angewiesen.
● Das Dopaminsystem teilt anderen Hirnsystemen, vor allem dem Präfrontalkortex und den Basalganglien Abweichungen vom erwarteten Belohnungswert mit. Der Präfrontalkortex modifiziert dadurch seine Zielerwartungen & steuert mit den Basalganglien Einprägung & Auswahl der belohnten Handlungen.
● Zentrales Noradrenalin alleine spielt im Gegensatz zum peripheren NA keine große Rolle beim Lernen.
● Noradrenalinabhängige Stimulation β-adrenerger Rezeptoren verbessert die Konsolidierung und Einprägung emotionaler Gedächtnisinhalte und führt bei der posttraumatischen Belastungsstörung zu extrem dauerhaften impliziten Erinnerungen.
● Ohne Glutamat und seine Rezeptoren (NMDA, AMPA, Kainat) ist Lernen nicht möglich. Auch schon kleine Abweichungen der Glutamataktivität von einem optimalen, mittleren Niveau führen zu schweren Beeinträchtigungen kognitiver Funktionen und des Lernens.
Neuronale Karten & Reorganisation
Die Ausbreitung oder Reduktion kortikaler somatotopischer Repräsentationen und Karten ist ein Korrelat von neuronaler Plastizität
→ Reorganisation kortikaler Karte durch Unterscheidungslernen
● Box 25.3, S.641 Bei verschiedenen sensorischen und motorischen Störungen wie Phantomschmerz, Tinnitus & Dystonien ist Modifikation der kortikalen Karte die Ursache.
Lernen bei der Meerschnecke (Aplysia)
● Bei Aplysia lässt sich eine Kontraktion von Kiemen & Saugrohr an einen taktilen CS konditionieren.
● Habituation besteht aus Abnahme des Ca++-Einstroms in der präsynaptischen Region einer Hebb-Synapse, Sensibilisierung in einem Anstieg.
● Adenylatzyklase wird von einem G-Protein-Rezeptor aktiviert, wenn die Aktionspotenzialsequenz des CS von der Aktionspotenzialsequenz des US gefolgt wird (Hebb-Regel). Verstärkter Ca++-Einstrom an der präsynaptischen Endigung und vermehrte Transmitterausschüttung mit gleichzeitiger Erregung der prä -und postsynaptischen Zellen sind die Folge.
● Kontingenz: enge zeitliche Paarung nötig für Konditionierung / Assoziation
→ Je sinnvoller die Assoziation, desto länger dauert die Habituation / Extinktion Umbau & Anpassung
Langzeitpotenzierung & -depression
● LTP kann Tage dauern und wird u. a. durch hochfrequente Reizung in der CA3-Schicht des Hippokampus ausgelöst. LTD führt nach niederfrequenter Reizung zu anhaltender Hyperpolarisation.
● LTP im Kortex und Hippokampus von Säugern stellt ein Modell der Gedächtniskonsolidierung, Langzeitdepression ein Modell der Extinktion dar: Die molekularen Mechanismen der LTP benutzen ähnliche intra- und extrazelluläre Signalkaskaden wie klassische Konditionierung, Habituation und Sensibilisierung im einfachen Lebewesen. Dabei fungiert der NMDA-Rezeptor als Koinzidenzdetektor zwischen CS und US
● LTP führt zu vielfältigen Strukturänderungen an den dendritischen ≫spines≪ der postsynaptischen Membran, welche die Effizienz der Verbindungen, wie von Hebb vorhergesagt, dauerhaft erhöhen.
Proteinbiosynthese & Langzeitgedächtnis
● Hemmung der Proteinbiosynthese in der Konsolidierungsphase verhindert die dauerhafte Einprägung und Wiedergabe von Information.
● Abb 25.19, S.648 Bei LTP oder anders ausgelöstem verstärktem Ca2+-Einstrom werden entweder direkt von Ca2+oder durch Adenylatzyklasen und Proteinkinasen CREB (cAMP- Reaktions-Element-Bindungs-Protein, im aktivien Zustand = cAMP) an der DNA phosphoryliert. Dies löst Transkription im Zellkern und Translation am endoplasmatischen Retikulum aus, wodurch Enzyme zu Synthese und Abbau von Neurotransmittern, Strukturproteine und Rezeptormoleküle an der postsynaptischen Membran entstehen. cAMP begünstigt Genexpression
● Abb. 25.20, S.649 Zwischen vererbten und durch Lernen erworbenen Störungen des Verhaltens besteht auf molekularer Ebene kein prinzipieller Unterschied. In allen Fallen wird durch die genetisch gesteuerte Neustrukturierung der synaptischen Membran das Entladungsverhalten postsynaptischer Zellen verändert.
