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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.

Bisher ging man davon aus, dass der Hippocampus nicht an allen Gedächtnisleistungen beteiligt ist und etwa motorische Fähigkeiten wie Klavierspielen ohne sein Zutun gelernt werden können. In der Hirnforschung unterteilte man deshalb die Gedächtnisleistungen in solche, die vom Hippocampus abhängen wie etwa das Auswendiglernen eines Gedichts, und solche, an denen er nicht beteiligt ist, wie Skifahren oder Tennisspielen als Fertigkeiten, bei denen die einzelnen Bewegungen unbewusst ablaufen. Nun haben aber Experimente mit Ratten (Sawangjit et al., 2018) gezeigt, dass auch bei der Formung von Inhalten des Langzeitgedächtnisses, die ursprünglich ohne Beteiligung des Hippocampus entstanden waren, im Schlaf auf den Hippocampus zurückgegriffen wird. Allerdings macht aber nicht der Schlaf allein den Unterschied, sondern es gibt offenbar arbeitsteilige Strukturen im Gehirn, d. h., einige der Lern- und Gedächtnisleistungen laufen in eigenen Systemen, doch muss man nun vom Hippocampus als übergeordnete Instanz bei jeder Art der Bildung eines Langzeitgedächtnisses ausgehen. Da der Hippocampus tagsüber im wachen Zustand praktisch immer beschäftigt und ausgelastet, hat im Schlaf, in dem das Bewusstsein ausgeschaltet ist, der Hippocampus Kapazitäten frei und organisiert die langfristige Gedächtnisbildung aller Inhalte, auch von denen, an deren Entstehung er zunächst nicht beteiligt war.

Form des Atmen beeinflusst die Gedächtniskonsolidierung

Man weiß seit einiger Zeit, dass es eine Verbindung zwischen Geruch und Gedächtnis gibt, denn Menschen mit einem guten räumlichen Gedächtnis können Gerüche besser erkennen, wobei sollche Informationen im Zusammenhang mit Zeit und Raum im Nucleus anterior olfactorius gespeichert werden. Arshamian et al. (2018) haben nun untersucht, welcher Mechanismus für die Wirkung der Atmung auf das olfaktorische Gedächtnis verantwortlich ist, d. h. zu messen, was während des Atmens im Gehirn passiert und wie dies mit dem Gedächtnis zusammenhängt. In zwei getrennten Sitzungen codierten weibliche und männliche Teilnehmer Gerüche, gefolgt von einer einstündigen Ruhephase, in der sie entweder nur durch ihre Nase oder ihren Mund atmeten. Unmittelbar nach dieser Konsolidierungsphase wurde das Gedächtnis auf Gerüche getestet. Es zeigte sich dabei, dass durch die Nase statt durch den Mund zu atmen einen positiven Einfluss auf das Gedächtnis haben kann. Offenbar integriert das menschliche Gehirn Gerüche mit raumzeitlichen Informationen, um episodische Erinnerungen zu erzeugen. Dabei handelt es sich um den Prozess, der zwischen Lernen und Gedächtnisabruf stattfindet, wobei Riechhirnrezeptoren nicht nur einen Geruch sondern auch Variationen des Luftstroms aufnehmen können, die im Gehirn beim Ein- und Ausatmen aktiviert werden. Diese Ergebnisse liefern einen ersten Beweis, dass die Atmung die Konsolidierung episodischer Ereignisse direkt beeinflusst, d. h., dass wichtige kognitive Funktionen durch den Atemzyklus moduliert werden.

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).

Hui, Fell & Axmacher (2018) haben untersucht, welche Aktivitätsmuster im Gehirn auftreten, wenn Menschen Dinge erinnern oder vergessen bzw. wie das Gehirn zuvor Gelerntes im Schlaf erneut durchspielt und einspeichert. Dazu zeichnete man die Hirnaktivität von Epilepsie-Patienten auf, die zwecks Operationsplanung Elektroden in das Gehirn implantiert bekommen hatten. Bei dem Versuch bekamen die ProbandInnen eine Reihe von Bildern zu sehen, die sie sich einprägen sollten. Anschließend machten sie einen Mittagsschlaf. Beim Betrachten eines Bildes feuern die Nervenzellen im Gehirn auf eine bestimmte Art und Weise, die sich von Bild zu Bild etwas unterscheidet, wobei man nicht nur die Hirnaktivität während der Lernaufgabe, sondern auch während des Schlafs analysierte. Anschließend prüfte man, an welche Bilder sich die TeilnehmerInnen nach dem Schlaf erinnern konnten und an welche nicht. Es zeigte sich, dass die Gamma-Oszillationen, die typisch für bestimmte Motive waren, nicht nur beim Betrachten der Bilder auftraten, sondern auch während des Schlafs. Das Gehirn reaktivierte offenbar die Aktivitätsmuster, und zwar sowohl für Bilder, an die sich die Probanden später erinnerten, als auch für solche, die sie später vergessen hatten. Das bedeutet, dass die vergessenen Bilder nicht einfach aus dem Gehirn verschwinden, doch entscheidend dafür, ob ein Bild vergessen oder behalten wird, ist offenbar nicht nur die Reaktivierung der bild-spezifischen Gamma-Oszillationen, sondern auch die Aktivität im Hippocampus, der letztlich für das Gedächtnis entscheidend ist. Hier kam es zu extrem schnellen Aktivitätsschwankungen (Ripples), d. h., nur wenn die Reaktivierung zeitlich gekoppelt mit den Ripples im Hippocampus auftrat, wurde das Bild auch später erinnert. Dieses Phänomen trat aber nur in bestimmten Schlafphasen auf, aber nicht, wenn die ProbandInnen wach waren. Ob ein Bild erinnert wird oder nicht, hing in der Untersuchung auch davon ab, wie detailliert das Bild im Gehirn verarbeitet wurde, also ob es eine oberflächliche und eine tiefe Verarbeitungsphase gegeben hatte. Die oberflächliche Verarbeitung fand während der ersten halben Sekunde nach der Präsentation des Bildes statt, die tiefere Verarbeitung erst im Anschluss daran. Nur wenn die Gamma-Oszillation aus der tiefen Verarbeitungsphase während der Ripples reaktiviert wurde, erinnerten sich die Probanden später an das Bild. Wurden die Oszillationen aus der frühen Verarbeitungsphase reaktiviert, führte das zum Vergessen des Bildes.



[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

Arshamian, A., Iravani, B., Majid, A. & Lundström, J. N. (2018). Respiration modulates olfactory memory consolidation in humans. The Journal of Neuroscience, doi:10.1523/JNEUROSCI.3360-17.2018
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.
Hui, Z., Fell, J. & Axmacher, N. (2018). Electrophysiological mechanisms of human memory consolidation, in: Nature Communications, doi:10.1038/s41467-018-06553-y.
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.
Sawangjit, A., Oyanedel, C. N., Niethard, N., Salazar, C. & Born J. & In-ostroza, M. (2018). Hippocampus is critical for forming non-hippocampal long-term memory during sleep. Nature, doi:10.1038/s41586-018-0716-8.
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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