Gedächtniskonsolidierung

Als Gedächtniskonsolidierung bezeichnet man jenen Prozess, in dem alte Nervenverknüpfungen verstärkt und neue angelegt werden, wobei in Ruhephasen aber hauptsächlich über Nacht  das Erlebte erneut verarbeitet und ins Langzeitgedächtnis (Neocortex) überführt wird. Lange hielten Schlafforscher die Zeit der Träume (REM-Schlaf) für wichtiger, doch kommen zuerst die Phasen des traumlosen Tiefschlafs, in welchem die Zellen regeneriert und das Immunsystem gestärkt werden. Das zeigt sich daran, dass Menschen, die eine Nacht aufbleiben am nächsten Abend vom Schlaf übermannt werden und eine doppelt so lange Tiefschlafphase wie gewöhnlich zeigen, während sich die REM-Phase dagegen erst in der zweiten Nacht verlängert.

Zahlreiche Studien zeigen, wie wichtig Schlaf generell für die Bildung des Gedächtnisses ist, denn damit sich Menschen an neu erworbene Informationen langfristig erinnern, müssen diese wiederholt, sortiert, stabilisiert und in bereits bestehende Wissensnetzwerke eingebunden werden. Während man beim Lernen und Erinnern wach und aufmerksam sein muss, ist für die Verfestigung der Lerninhalte der Tiefschlaf von besonderer Bedeutung. Man geht heute davon aus, dass im Lernzentrum des Gehirns, dem Hippocampus, Erinnerungen kurzfristig gespeichert und im Schlaf während spezieller Gehirnwellen, den  Sharp Wave Ripples, spontan wieder aufgerufen und so gefestigt werden

Einige Versuche, Einfluss auf die Gedächtniskonsolidierung, also die Verfestigung von Erinnerungen oder Lerninhalten im Langzeitgedächtnis, zeigen, dass die natürliche Gedächtnisbildung im Schlaf auf der Reaktivierung beruht, d. h., dass das am Tag Gelernte im Schlaf vom Gehirn in Form neuronaler Aktivitäten wiederholt und so langfristig abgespeichert wird. Dieser Prozess lässt sich von außen teilweise fördern, etwa wenn Menschen in der Lernphase bestimmten olfaktorische Reizen (Rosenduft, Vanilleduft) ausgesetzt werden und diesem Geruch auch während des Tiefschlafes ebenfalls ausgesetzt werden. Offensichtlich führt der Duft dazu, dass das Gelernte im Gehirn reaktiviert werde. Kurioses: Schüler im antiken Griechenland trugen Rosmarinkränze, um ihr Gehirn zu stärken und das Gedächtnis zu verbessern, und es gibt tatsächlich Studien, die Rosmarin eine Stärkung des Gedächtnisses und des Erinnerungsvermögens bescheinigen. Dabei erzielen nicht nur Erwachsenen sondern auch Kinder in Gedächtnistests bessere Ergebnisse als eine Vergleichsgruppe. Unklar ist, wie Rosmarin auf das Gehirn wirkt, wobei eventuell Neurotransmitter im Gehirn durch Düfte beeinflusst werden könnten.

Das Gehirn speichert im Tiefschlaf aber nicht nur ab, was es tagsüber gelernt hat, sondern verarbeitet alles erneut, verknüpft und ordnet es dabei so, dass die Welt besser verstehbar wird. Übrigens sind es vor allem Kinder, die gedächtnismäßig vom Schlaf profitieren, wobei zehn- bis zwölfjährige Kinder die längste Tiefschlafphase haben und damit auch am besten lernen können. Mit zunehmendem Alter reduziert sich diese Phase, was teilweise auch dafür verantwortlich ist, dass in diesem Alter die Gedächtniskonsolidierung weniger effektiv funktioniert, sich ältere Menschen daher mit dem Lernen schwerer tun.

Gedächtniskonsolidierung durch Sharp Wave Ripples

Tiefschlafphasen mit dem Deltawellen-Rhythmus des Tiefschläfer-Gehirns fördern nach Untersuchungen von Schlafforschern die Gedächtnisleistung von zuvor gelernten Inhalten. Bei älteren Menschen nehmen die Tiefschlafphasen sukzessive ab, wobei man zwar den Tiefschlaf bei Älteren verbessern kann, aber die Effekte sind nur moderat, denn das ältere Gehirn produziert einfach nicht mehr so viele langsame Wellen. Bei der Gedächtniskonsolidierung spielen also rhythmische Hirnwellen die entscheidende Rolle. Aufgrund der Form dieser Gehirnwellen nennt man  diese Sharp Wave Ripples, die zu den drei wichtigsten Hirnwellen zählen, die vom Hippocampus ausgehen. Dabei müssen die Nervenzellen sehr synchron schwingen, wobei diese Oszillationen durch Inhibition und Exzitation an den Synapsen entstehen. Nun konnte man an Mäusen zeigen, dass sich die Frequenz sowohl erregender also auch hemmender Ereignisse an der Synapse während der Sharp Wave Ripples erhöht, wobei quantitativ die Hemmung dominiert. Zudem hängt die Stärke der Hemmung an der Synapse mit der Amplitude, also der maximalen Auslenkung der Sharp Wave Ripples zusammen, wobei nun auch jene Neuronen – PV+ Interneurone – identifiziert werden konnten, die für die Erzeugung der Sharp Wave Ripples hauptverantwortlich sind. In dem nun vorgeschlagenen Modell sorgt die Hemmung für das präzise Timing der feuernden Neuronen, was äußerst wichtig für das Festigen des Gedächtnisses sein dürfte (Gan et al., 2016).


[Quelle: www.youtube.com/TUoJc0NPajQ]


Klassisches aus der Psychologie: Georg Elias Müller und Alfons Pilzecker veröffentlichten 1900 eine Monographie, in der Berichte über vierzig Experimente zum Erlernen, Vergessen und Erinnern enthalten waren (Müller, Pilzecker 1900). In einem dieser Experimente zur Gedächtniskonsolidierung mussten ihre Teilnehmer eine Liste von sinnlosen Silben lernen. Danach musste eine Gruppe der Probanden eine zweite Liste lernen, während die andere sechs Minuten lang eine Pause machte. Eineinhalb Stunden später wurden beide Gruppen getestet, wobei sich die Gruppe mit der Pause nahezu 50% ihrer Silbenliste gemerkt hatten, während die anderen Gruppe nicht einmal 30 % erreicht hattw. Diese Ergebnisse zeigen, wie wichtig es ist, dem Gehirn Zeit zu geben, das Gelernte zu verarbeiten.

 


Interessantes aus der Gehirnforschung: Im Langzeitgedächtnis bei Mensch und Tier sorgt das Protein Arc für die dauerhafte Speicherung von Informationen, denn bei Mäusen, denen dieses Protein gentechnisch entfernt wurde, konnten sich nichts länger als 24 Stunden merken. Pastuzyn et al. (2018) vermuten, dass es sich bei diesem Protein um den Rest eines Virus zu handelt, das vor rund 350 bis 400 Millionen Jahren in das Genom vierbeiniger Landwirbeltiere geraten ist. Die entsprechende Abschnitte machen bei Säugetieren sogar etwa die Hälfte des genetischen Materials aus. Liegen in einer Zelle ausreichend Arc-Proteine vor, organisieren sich diese zu Hohlkörpern, die einer Virushülle (Kapsid) sehr ähnlich sehen, und es stellte sich heraus, dass die Kapsel aus Arc-Proteinen immer noch die Fähigkeit besitzt, ihre eigene Bauanleitung in Form von RNA im Inneren festzuhalten und sich dabei immer wieder auch andere vorbeikommende RNA-Sequenzen einverleibt. Mitsamt dieser Fracht wandert die Arc-Kapsel an die Zellmembran, umhüllt sich dort mit der Außenschicht der Zelle, driftet ins umgebende Medium und wenn sie auf ein Nachbarneuron trifft, dockt sie an, wird aufgenommen, zerfällt und gibt die RNA frei. Man vermutet, dass mit dieser Transporttätigkeit ein weiterer Kommunikationskanal zwischen den Gehirnzellen eröffnet wird, und dass Nervenzellen mit Hilfe dieser Proteine sicherstellen, dass das Erregungsniveau in den neuronalen Netzwerken trotz der ständigen Veränderung, die die Lernvorgänge mit sich bringen, ausbalanciert bleibt.


Tipp

Mindestens sieben Stunden Schlaf
in dunkler Umgebung und
ausgerichtet an der inneren Uhr
sind notwendig, um über Nacht etwas zu lernen.


Literatur

Gan, Jian,  Weng, Shih-ming, Pernía-Andrade, Alejandro J. & Jonas, Peter (2016). Phase-Locked Inhibition, but Not Excitation, Underlies Hippocampal Ripple Oscillations in Awake Mice In Vivo. Neuron,  doi: 10.1016/j.neuron.2016.12.018.
Müller, G. E. & Pilzecker, A. (1900). Experimentelle Beiträge zur Lehre vom Gedächtnis. Zeitschrift für Psychologie, Ergänzungsband 1, 1-300.
Pastuzyn, Elissa D., Day, Cameron E., Kearns, Rachel B., Kyrke-Smith, Madeleine, Taibi, Andrew V., McCormick, John, Yoder, Nathan, Belnap, David M., Erlendsson, Simon, Morado, Dustin R., Briggs, John A.G., Feschotte, Cédric & Shepherd, Jason D. (2018). The Neuronal Gene Arc Encodes a Repurposed Retrotransposon Gag Protein that Mediates Intercellular RNA Transfer. Cell, 172, doi: 10.1016/j.cell.2017.12.024.
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2017-05/bps-rac050117.php (17-05-05)
https://www.northumbria.ac.uk/about-us/news-events/news/2016/04/herbs-that-can-boost-your-mood-and-memory/ (17-05-05)
http://www.spektrum.de/news/ ein-uraltes-virus-hilft-uns-offenbar-beim-lernen/1532117 (18-01-12)



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