Lernen aus Neurobiologischer Sicht

Wie Nervenzellen Gedächtnisspuren ablegen -Lernen aus neurobiologischer Sicht
Björn Brembs
Freie Universität Berlin
http://brembs.net

Wer wir sind
Gelernt oder geerbt?

Gerlernt - geerbtkeinsinnvollerKontrast
Futter- Übelkeit
VERMEIDUNG DES FUTTERS
Ton- Schock
SCHRECKREAKTION BEI TONGABE
Ton- Übelkeit
KEIN EFFEKT
Futter- Schock
KEIN EFFEKT
Garcia Effekt

Drei Faktoren steuern Verhalten

Adenylatzyklase (rutabaga-Gen)
Ligand
(Rutabaga)
G-Protein

UR
Pavlov‘s Hund
Stimulus Substitution
Klassisches Konditionieren

Wichtig!

CS: conditionedstimulus (Glocke)
US: unconditionedstimulus (Futter)
UR: unconditionedresponse (Speicheln)
CR: conditionedresponse (Speicheln)

Aktionspotential (Ca2+)
Axon
Präsynapse
Vesikel mit
Transmitter
Postsynapse
Rezeptormoleküle
Synaptische Plastizität

Die Meeresschnecke Aplysia
Die Fruchtfliege Drosophila
Die Honigbiene
DreiModellorganismenzumStudiumderzellulärenVorgängenbeim
Lernen und derGedächtnisbildung
Was machen Neuronen beim Lernen?

Eric Kandel: Aplysia

Aplysia californica(See-Hase)

US
p
a
UR
CS-US
Konvergenzpunkt!
CS
UR

Vorgänge am CS-US Konvergenzpunkt
Bahnung von sensori-motorischen Synapsen
Vorher:
Nachher:
US
UR
CS
Prä-Synapse
AP Verbreiterung:
Prä-synaptischer Mechanismus
Post-Synapse
SN: Sensorisches Neuron
MN: Motor-Neuron
IN: Interneuron

Ligand
(Rutabaga)
G-Protein

Molekulares Lernen
UR
US
Starke Reaktion
CS
UR
US
AP-Verbreiterung
Konvergenz von CS und US am molekularen Koinzidenzdetektor
CS

Bailey C. et.al. PNAS 1996;93:13445-13452
©1996 by The National Academy of Sciences of the USA
Langzeit-Gedächtnis
Kiemenrückzug
Tage nach dem Training

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

Schwere anterograde Amnesie
Partielle retrograde Amnesie
Intaktes Arbeits-Gedächtnis

Henry Molaison, 1970s
Motorisches Lernen des Patienten HM
Selektive Störung des
deklarativen Gedächtnisses
H.M. zeigtnormalesmotorischesLernen (operant!)
Patient H.M. (1926-2009)

Memento

Deklaratives Lernen: Hippocampus

Hippocampus-Scheiben im Labor
Ableitelektrode
Reizelektrode
(Ratte!)

Hippocampus: LTP

-
-
-
+
+
+
-
-
-
+
+
+
Cytoplasma
SynaptischerSpalt
Cytoplasma
SynaptischerSpalt
Ca++
Gly
Gly
Ca++
Mg++
Ca++
Mg++
Glu
+
+
+
+
-
-
-
-
+
+
+
+
-
-
-
-
Glu
Glutamatplus
Depolarisation
Glutamatalleine
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
vorhandenen
Strukturen und
Molekülen: 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
operant
klassisch

Ligand
(Rutabaga)
G-Protein

Ein neuartiger Lernmechanismus
rut-AC
(Synaptische Plastizität)
Protein Kinase C
Notwendig
Nicht notwendig
klassisch
Notwendig
Nicht notwendig
operant

Mehrere Lernsysteme
Reicht synaptische Plastizität nicht aus?

Interagierende Lernsysteme
klassisch
+
operant
Generalisierung,
Gewohnheitslernen
klassisch
Learning-by-doing

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 und Schule

Ich wünsche Ihrem Gehirn und dem Ihrer
Schüler weiterhin viel Spass beim Lernen.
Lassen Sie ihm den Spass!
Buch und Film von dem wohl bedeutsamsten lebenden Neurowissenschaftler, Eric Kandel
Vielen Dank!
2006