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18. April 2024
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Das Gehirn durch Lernen verändern

Das Gehirn durch Lernen verändern

Aufmerksamkeit ermöglicht es uns, unsere Gedanken zu planen und zu überwachen und ist daher ein entscheidender Schritt im Lernprozess. Lernen kann dann die physische Struktur des Gehirns verändern. Aus diesem Grund untersucht ein Wissenschaftlerteam der University of Oregon unter der Leitung der Dr. Michael Posner und Cristopher Niell die Auswirkungen der Aufmerksamkeit auf das Lernen und wie Lernen das Gehirn verändert.

Lernen: Was, Warum, Wie?

Lernen bedeutet, sich durch Studium oder Erfahrung spezifische Fähigkeiten, Kenntnisse und Verständnis anzueignen. Beim Menschen können Wissenschaftler die Qualität und den Erfolg unseres Lernens messen, indem sie verschiedene Variablen wie die Geschwindigkeit oder die Anzahl der Fehler in Tests betrachten, die speziell zur Messung dieses Aspekts unserer kognitiven Funktion entwickelt wurden. Typischerweise lässt sich Lernen durch eine Verringerung der Anzahl gemachter Fehler und/oder eine schnellere Erledigung einer Aufgabe feststellen.

Dieser experimentelle Ansatz ermöglicht es Wissenschaftlern, die Faktoren genau zu untersuchen, die zum Lernen beitragen können. Zu diesen Faktoren gehören Aufwand, Vorerfahrung und Lernstrategien. Wenn wir jedoch über das Lernen auf der mechanistischen Ebene im Gehirn nachdenken, steht die Beteiligung verschiedener Gehirnregionen an der Kaskade des Lernprozesses im Vordergrund. Dr. Michael Posner von der University of Oregon hat seine Karriere der Verbesserung unseres Verständnisses der Organisation der Aufmerksamkeit im menschlichen Gehirn und seiner lebenswichtigen Funktionen gewidmet. Die Arbeit, die wir hier besprechen, ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen Dr. Posner und seinen geschätzten Kollegen, die alle auf das gemeinsame Ziel hinarbeiten, die kognitive Neurowissenschaft voranzutreiben.

In einer 2019 veröffentlichten Studie untersuchten Dr. Aldis Weible (der Hauptautor) und Kollegen die Mechanismen des Lernens bei Mäusen. Das Team konzentrierte sich auf drei kritische Gehirnregionen – den anterioren cingulären Kortex, den Hippocampus und den visuellen Kortex. Der anteriore cinguläre Kortex ist an der Aufmerksamkeitskontrolle beteiligt. Die Hauptaufgabe des Hippocampus ist die Gedächtnis- und Lernregulation. Beide Strukturen liegen tief in den subkortikalen Regionen des Gehirns . Der visuelle Kortex empfängt und verarbeitet visuelle Informationen von unseren Augen und verarbeitet diese mithilfe der Aufmerksamkeit und anderer Gehirnbereiche. Der Lernprozess umfasst alle drei dieser Gehirnbereiche (und andere), die zusammen ein sehr komplexes Netzwerk bilden.

Diese Studie füllte einige wichtige Lücken in unserem Verständnis von Lernen. Das Team stellte fest, dass jede Region zum komplexen Netzwerk des Lernens beiträgt. Sie fanden jedoch auch heraus, dass dieser Beitrag besser zu einem parallelen als zu einem seriellen Modell passt. Um dies zu erklären, verwendeten sie eine Rennpferd-Analogie, bei der die Gehirnregionen gleichzeitig zusammenarbeiten. Es wurde festgestellt, dass der anteriore cinguläre Kortex und der visuelle Kortex in allen Phasen des Lernens wichtig sind, während der Hippocampus hauptsächlich die mittleren und späten Phasen beeinflusst. Allerdings gab es auch Unterschiede in der Art und Weise, wie diese Gehirnregionen beteiligt waren. Beispielsweise war der anteriore cinguläre Kortex mit der Genauigkeitsleistung verknüpft, nicht aber mit der Geschwindigkeit.

Diese Ergebnisse waren überraschend, da viele frühere Studien die Aufmerksamkeit mit einer verringerten Lerngeschwindigkeit in Verbindung gebracht hatten. Aus diesem neuartigen Ergebnis ging klar hervor, dass weitere Antworten aufgedeckt werden könnten, wenn die Verbindungen zwischen dem anterioren cingulären Kortex und anderen Gehirnbereichen weiter untersucht würden.

Alle Beweise zusammenführen

In einer seiner jüngsten Arbeiten arbeiteten Dr. Cristopher Niell und Kollegen mit Dr. Posner und Rothbart zusammen, um die wissenschaftlichen Erkenntnisse zum Lernen zu überprüfen. Ihr kombiniertes Fachwissen aus Neurowissenschaften, Psychologie und Biologie ermöglichte es ihnen, Fragen zu Gemeinsamkeiten und Unterschieden zwischen Tieren und Menschen zu stellen, wenn es um das Erlernen neuer Fähigkeiten geht. Sie wussten bereits, welche Gehirnregionen für den Lernprozess wichtig zu sein schienen, aber sie mussten noch viel mehr über die Rolle von Aufmerksamkeits- und Gedächtnisnetzwerken herausfinden. Gibt es besondere Zusammenhänge? Sehen sie bei Mäusen und Menschen ähnlich aus? Und interessanterweise: Wenn wir mehr über diese Wege und die Mechanismen dahinter herausfinden, könnten wir sie dann manipulieren, um das Lernen zu verbessern?

Auf mehrere dieser Fragen konnte das Team Antworten geben. Insbesondere fanden sie heraus, dass die Beweise darauf hindeuten, dass im Gehirn von Tieren und Menschen zwei Bahnen vorhanden sind, die dazu dienen, Aufmerksamkeitsnetzwerke mit dem Hippocampus zu verbinden. Der erste Weg (anteriorer Weg) umfasst die Gehirnstruktur näher an der Vorderseite des Gehirns und umfasst den vorderen cingulären Kortex. Der zweite Weg (hinterer Weg) umfasst die weiter hinten liegenden Gehirnstrukturen, einschließlich Bereiche des Parietallappens.

Da diese Pfade unterschiedliche Wege nutzen, die viele Gehirnstrukturen durchqueren, spekulierte das Team über die Mechanismen, die dem Lernen zugrunde liegen könnten. Sie interessierten sich insbesondere dafür, ob der vordere Signalweg für die Generalisierung von Bedeutung sein könnte – ein Prozess, der dem Gehirn hilft, Lernen in Situationen zu demonstrieren, die sich vom ursprünglichen Lernen unterscheiden. Sie schlugen außerdem vor, dass der hintere Weg eine Ergänzung dazu sein könnte und eine Rolle bei der Navigation bei Nagetieren und beim Abrufen von ortsbezogenen Erinnerungen beim Menschen spielen könnte.

Manipulation von Signalwegen durch Neuromodulation

Neuromodulation ist eine Technik, mit der wir die Nervenaktivität des Gehirns durch leichte elektrische Stimulation oder Medikamente aktiv verändern können. Basierend auf ermutigenden Ergebnissen aus dem Bereich der Epilepsie, wo Neuromodulation Anfälle reduzieren kann, wurden Forscher ermutigt, ihre mögliche Anwendung auf andere Erkrankungen sowie das Verständnis gesunder Gehirnprozesse zu untersuchen.

Für Dr. Posner stellte die Neuromodulation einen vielversprechenden Kandidaten für die Verbesserung der Lernergebnisse dar. Basierend auf seinen früheren Forschungen war er bestrebt, den anterioren cingulären Kortex und die umgebenden Gehirnstrukturen zu erforschen, insbesondere im Hinblick auf die Verbesserung des Lernens. Um dies direkt zu untersuchen, nutzte das Team Laser, um die neuronale Aktivität bei Mäusen im anterioren cingulären Kortex zu manipulieren.

Eine elektronenmikroskopische Aufnahme eines einzelnen Axons (Faser, die zu einer anderen Zelle führt), umgeben von Myelinringen (die das Axon isolieren). Elektronenmikroskopie von Dr. Denise Piscopo

Neuromodulation kann das Gehirn reparieren

Die Neuromodulation des anterioren cingulären Kortex von Mäusen durch niederfrequente Stimulation führte zu mehreren aufregenden Ergebnissen. Erstens zeigten sie, dass die Gehirnstruktur in der Nähe der Stimulation nach der Neuromodulation stärker verbunden war. Weiße Substanz ist das Gewebe, das die Kommunikation von einem Teil des Gehirns zum anderen ermöglicht. Dr. Denise Piscopo (Hauptautorin) konnte 16.000-fach vergrößerte Bilder aufnehmen, um eine Zunahme der weißen Substanz rund um das vordere Cingulum zu zeigen, wodurch Informationen schneller und effektiver zu und von dieser Struktur weitergeleitet werden können (siehe Abbildung 2).

Das waren hervorragende Neuigkeiten – nicht zuletzt, weil die Neuromodulation dabei helfen könnte, die Schutzschicht der weißen Substanz bei vielen verschiedenen neurologischen Problemen zu reparieren. Beispielsweise kommt es bei Menschen, die unter Gehirnerschütterungen oder Multipler Sklerose leiden, zu Schäden an der weißen Substanz in verschiedenen Hirnregionen. Diese Ergebnisse legen einen möglichen Weg nahe, die Genesung von Patienten mit solchen neurologischen Problemen zu unterstützen.

Neuromodulation und Meditation

Zahlreiche Belege belegen die positiven Auswirkungen von Meditation auf das Gehirn. Einige Arbeiten von Dr. Posner und Rothbart in Zusammenarbeit mit Dr. Yiyuan Tang haben gezeigt, dass die Gehirnverbindungen nach zwei bis vier Wochen Meditationstraining gestärkt wurden. Könnte Meditation ähnlich positive Auswirkungen auf das Gehirn haben wie die Neuromodulation? Sie identifizierten mehrere gemeinsame Muster in der Literatur, die auf die Rolle des anterioren cingulären Kortex, eine stärkere weiße Substanz und bessere Lernergebnisse bei verschiedenen Tests und Aufgaben durch Meditationstraining beim Menschen und Stimulation bei Tieren hinweisen.

Neuromodulation und Meditation scheinen einen spezifischen Gehirnrhythmus zu beinhalten, der eine Kaskade molekularer Veränderungen im Gehirn auslöst. Dr. Pascale Voelker untersucht diese molekularen Veränderungen. Zusammengenommen wird davon ausgegangen, dass sowohl Neuromodulation als auch geistige Aktivitäten wie Meditation den Informationstransport verbessern, indem sie die Verbindungen der weißen Substanz stärken. Dies wirkt sich auf Verhaltensergebnisse im wirklichen Leben aus, wie z. B. die Verbesserung der Konzentration und der emotionalen Regulierung. Aber wie?

Nächste Schritte zum Verständnis des Lernens

Nachdem festgestellt wurde, dass Neuromodulation die Verbindungen zwischen Strukturen verbessern kann, ist es wichtig, die Mechanismen zu verstehen, die der Auswirkung der Neuromodulation auf die beiden an Lernfähigkeiten beteiligten Pfade zugrunde liegen. Eine Frage ist, wie die Richtung des Informationsflusses in den beiden Pfaden getrennt werden kann. Das Verständnis der Richtung des Informationsflusses hilft dabei, die genaue Funktion jedes Pfades zwischen Aufmerksamkeit und Gedächtnis zu bestimmen. Anschließend könnte die Neuromodulation gezielt eingesetzt werden, um das Verständnis der Funktion jedes Signalwegs zu erleichtern. Hoffentlich kann die Modulation dann zur Verbesserung spezifischer Lernfähigkeiten eingesetzt werden. Langfristig könnten verbesserte Erkenntnisse die weiße Substanz reparieren und so Menschen helfen, sich von neurologischen Problemen zu erholen.

Aber natürlich ist sehr wenig jemals einfach. Dr. Posner erklärt: „Die Fähigkeit, die Richtung des Informationsflusses zu bestimmen, ist für die Gestaltung neuer Studien von entscheidender Bedeutung.“ Es ist schwierig, in subkortikalen Bereichen zwischen Gedächtnis-auf-Aufmerksamkeit-Kontrolle und Aufmerksamkeit-auf-Gedächtnis-Kontrolle zu unterscheiden. Die Optogenetik mit Laserlicht kann dabei helfen, einige dieser Ziele zu erreichen. Durch die Injektion zweier unterschiedlicher Virentypen in das Gehirn von Mäusen können sie die Richtung zweier Signalwege trennen. Mithilfe von Laserlicht ist es dann möglich, diese Bereiche durch chirurgisch implantierte optische Fasern in eine bestimmte Richtung zu stimulieren.

Zukünftige Forschungen könnten die Entwicklung von Aufgaben für Mäuse beinhalten, die dabei helfen würden, jeden Signalweg separat zu modulieren. Dieser Versuchsplan ähnelt den früheren Studien der Forscher, in denen der Beitrag verschiedener Gehirnbereiche zum Lernen untersucht wurde. Dies wird eine Untersuchung der spezifischen Rollen dieser Pfade und des Informationsflusses in ihnen ermöglichen. Noch weiter in die Zukunft blickend könnte es bei Erfolg möglich sein, ähnliche nicht-invasive Methoden wie die Stimulation durch Elektroden auf der Kopfhaut von Menschen anzuwenden, um sowohl neurologische Erkrankungen als auch das Erlernen von Fertigkeiten zu verbessern.

Dieser Artikel wurde unter der Creative Commons Attribution-Noncommercial 4.0 (CC BY-NC 4.0) veröffentlicht!

Hier geht es zum Original-Artikel, in englischer Sprache:

https://www.scientia.global/changing-the-brain-through-learning/

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