Lernen, Gedächtnis und Gehirn

Vorher, jetzt, nachher: die Eigenschaften der Zeit prägen wesentlich unser Verhalten. Mit der biologischen Evolution haben sich Mechanismen im Gehirn entwickelt, die die Kontinuität unseres Verhaltens über die Zeit hinweg gewährleisten.

Vielleicht gab es in einem früheren Zustand des Universums keinen Unterschied zwischen Raum und Zeit, und der Raum besass vier Dimensionen anstatt drei. Nach Stephen Hawkins gab es dann kein Vorher, und es wird auch kein Nachher und damit kein Ende des Universums geben. Jedoch müssen in der Situation, in der wir leben, komplexe biologische Organismen das Phänomen Zeit berücksichtigen. Mit der Evolution haben sich Mechanismen der biologischen Verarbeitung von Information entwickelt, die Ereignisse und Handlungen über die Zeit hinweg verarbeiten. Diese Mechanismen erlauben es uns, aus der Flüchtigkeit einzelner Ereignisse ein kohärentes Bild unserer Umwelt zu konstruieren und über den Moment hinaus zu planen.

Verloren in der Zeit

Ein Mann mittleren Alters sitzt entspannt in seinem Sessel und studiert sichtlich mit Interesse ein Heft von Reader's Digest. Er erzählt seinen Besuchern, welch faszinierende Geschichte er soeben gelesen hat und berichtet verschiedene Einzelheiten des Artikels. Am nächsten Tag liest der selbe Mann die selbe Geschichte mit grossem Interesse und erzählt den selben Besuchern, welch faszinierende Geschichte er soeben zum ersten Mal gelesen hat, und das wiederholt sich Tag für Tag... Diesem Patienten H.M. war wegen einer lebensbedrohenden Epilepsie zum ersten Mal in der Medizingeschichte der Hippocampus in beiden Gehirnhälften neurochirurgisch entfernt worden. Offensichtlich war das langdauernde Abspeichern neuer Informationen durch die Zerstörung des Hippocampus unmöglich geworden. Im Gegensatz dazu erinnerte sich H.M. aber gut an Ereignisse, die vor der Operation lagen. Somit war der Zugang zu bereits gespeicherter Information intakt geblieben (Scoville & Milner 1957).

Ein amerikanischer Seemann erkennt den gegenwärtigen Präsidenten der USA nicht und beharrt darauf, dass der vor zwanzig Jahren amtierende Präsident noch immer im Amt ist, obwohl er weiss, dass die Amtszeit von Präsidenten zeitlich beschränkt ist. Er erkennt und spricht mit seinem Bruder, betont aber bei jedem Besuch, dass dieser um zwanzig Jahre gealtert sei, seit er ihn das letzte Mal gesehen habe... Der Patient hat in seiner Jugend durch Alkoholmissbrauch in der Marine einen Teil des Limbischen Systems in seinem Gehirn zerstört und damit eine schwere Gedächtnisstörung erlitten, die es ihm verunmöglicht, wie H.M., neue Informationen für länger als einige Minuten zu behalten, hat aber noch Zugang zu Gedächtnisinhalten aus der Zeit vor seiner Krankheit (Sacks 1987). Dieser Patient ist schwerst krank und vollständig invalide, unfähig, in seiner neuen Umgebung ohne fremde Hilfe zu überleben. Er wird für den Rest seines Lebens hospitalisiert bleiben, wobei er sich höflich beklagt, dass jeden Tag neue Krankenschwestern Dienst tun...

Ereignisse, die eine Spur hinterlassen: Deklaratives Gedächtnis

Wir unterscheiden grob schematisch das deklarative Gedächtnis an Einzelereignisse, die gewöhnlich bewusst erfahren werden (der Inhalt einer Geschichte, das Gesicht einer Person), vom prozeduralen Gedächtnis, das unter anderem Handlungsabläufe betrifft. In den geschilderten Fällen ist das Abspeichern einzelner Ereignisse und damit das deklarative Gedächtnis gestört. Im Gegensatz dazu ist das prozedurale Erlernen von Handlungsabläufen und manuellen Fertigkeiten nicht beeinträchtigt. H.M. konnte komplizierte Tätigkeiten lernen, wie das koordinierte Versetzen von Scheiben im Turm-von-Hanoi Spiel. Wegen seiner deklarativen Gedächtnisstörung wusste er nicht, dass er das Spiel erlernt hatte, was er jeden Tag aufs neue betonte, konnte es aber auf Grund seines intakten prozeduralen Lernens jeden Tag besser ausführen. Die diesen Gedächtnisleistungen zu Grunde liegenden biologischen Prozesse laufen vermutlich in verschiedenen Gehirnstrukturen ab Abb. 1. Deklaratives Gedächtnis ist die Leistung des Inferotemporalkortex und des Limbischen Systems mit dessen Strukturen Hippocampus, Amygdala und Mammillarkörper. Zerstörung einer oder mehrerer dieser Strukturen durch Alkoholismus, Alzheimersche Krankheit, Tumoren, Vergiftungen oder Operationen führt zu den oben beschriebenen deklarativen Ausfällen. Neurophysiologische Untersuchungen zeigen, dass einzelne Nervenzellen im Hippocampus zum Beispiel erregt werden wenn sich Personen an verschiedene Objekte eines ihnen bekannten Raumes oder an einzelne Ereignisse des Vorabends erinnern Abb. 2. Regionale Blutflussstudien zeigen, dass der Hippocampus während der Erinnerung an einzelne Wörter aktiv ist Abb. 3.

Angenehme und unangenehme Gewohnheiten

Handlungsabläufe, Fertigkeiten und motorische Tätigkeiten bestehen aus Sequenzen vieler Komponenten. Sie werden durch viele Wiederholungen erlernt und zu Gewohnheiten, die als vollständige Sequenzen im prozeduralen Gedächtnis gespeichert werden. Diese Gewohnheiten betreffen die meisten täglichen Tätigkeiten, wie Ankleiden, Essen, Arbeitsprozesse, Freizeitbetätigungen und viele automatisierte Handlungen, die wir im Laufe eines Tages durchführen. Wir nehmen an, dass die Basalganglien für das Lernen und Speichern vieler Gewohnheiten, und das Kleinhirn besonders für das Lernen motorischer Fertigkeiten, wichtige Rollen spielen Abb.1. Diese Gewohnheiten laufen nach wenig flexiblen Mustern ab, die nur ein geringes Mass an Gehirntätigkeit beanspruchen. Damit werden viele Hirnstrukturen, insbesondere die Hirnrinde, entlastet und können anspruchsvollere Aufgaben übernehmen. Andererseits führt das starre Beharren auf Gewohnheiten zu einer Verarmung des Verhaltens, das häufig gerne akzeptiert wird, aber leicht in unkontrollierte Verhaltensweisen abgleiten kann. Neben den mit der Zeit auftretenden stereotypen Verhaltensweisen und den täglich zu beobachtenden mässigen Zwangshandlungen, die im Normalbereich liegen und einen grossen Teil unseres Verhaltens ausmachen, werden bei Krankheiten der Basalganglien extreme Varianten von Gewohnheiten gefunden, die den Charakter von Zwängen und Besessenheit annehmen. Eine Person putzt sich jeden Tag vier Stunden die Zähne und verbraucht dabei zwanzig Tuben Zahnpasta. Ein anderer Patient kann nicht durch einen Korridor gehen, ohne jeden Lichtschalter genau einmal ein- und auszuschalten, und lässt beim Zählen immer die Zahl 13 aus (Laplane et al. 1989). Solche Zwangshandlungen können auch ohne Gehirnläsionen allein durch Lernen auftreten, wie das Beispiel von Marilyn Monroe zeigt, die in ihren letzten Lebensjahren täglich sieben Stunden mit Gesichtskosmetik verbracht haben soll.

Erinnerungen an Pawlow

Obwohl Neurologen Gedächtnisstörungen schon lange sytematisch untersuchen, begann erst Pawlow am Anfang dieses Jahrhunderts mit der experimentellen Untersuchung von Lernvorgängen. Nach seiner Meinung besteht ein wesentlicher Teil eines Lernprozesses darin, dass existierende Reaktionen auf einen natürlichen Reiz auch auf einen anderen Reiz hin erfolgen können, wenn beide Reize genügend häufig gemeinsam auftreten. In einem bekannten Beispiel sondert ein Hund beim Anblick einer Wurst Speichel ab. Wenn im Lernvorgang ein ursprünglich neutraler Ton genügend häufig zusammen mit der Wurst präsentiert wird, wird der Hund auch Speichel absondern wenn er den Ton allein hört. Weil verschiedene Lernphänomene jedoch mit Pawlowschem Lernen nicht erklärt werden können, wurde als Alternative das operante Lernen entwickelt, das auf dem Prinzip der Verstärkung existierender Handlungen durch Belohnung oder Bestrafung beruht. Moderne Lerntheorien haben den zentralen Wert von Belohnung und Bestrafung betont, das Pawlowsche Lernen auf nicht-vegetative Reaktionen ausgedehnt und die Rolle des Operanten Lernens eingeschränkt (Dickinson 1980). Danach wird eine Erwartung durch das wiederholte Paaren eines natürlichen Reizes, wie Belohnung oder Bestrafung, mit dem zu lernenden Reiz, wie Licht oder Ton, erzeugt (Inzentives Lernen). Beim Auftreten des gelernten Reizes wird diese Erwartung wachgerufen und die Handlung durchgeführt, um die erwartete Belohnung zu erhalten, oder der Bestrafung zu entgehen. Dieses Lernen benutzt anfangs deklarative Gedächtnisprozesse, die einzelne Reize und das Erlangen von Belohnung speichern, wird aber schnell in eine prozedurale Gedächtnisform überführt. Damit sind vor allem die Basalganglien die möglichen Substrate des inzentiven Lernens. Dopaminzellen in den Basalganglien reagieren auf Belohnung während des Lernens, verlieren aber später diese Antwort und reagieren dann auf den gelernten Reiz, der die Belohnung voraussagt (Ljungberg et al. 1992). Offensichtlich sind diese Nervenzellen mit dem Erkennen dieser für das Lernen so zentralen Reize beschäftigt. Eine Blockade des Einflusses dieser Dopaminzellen auf andere Teile der Basalganglien beeinträchtigt das inzentive Lernen erheblich Abb. 4. Im ventralen Striatum, einem anderen Teil der Basalganglien, werden einige Nervenzellen sehr aktiv, wenn eine Belohnung nach Erscheinen eines gelernten, voraussagenden Reizes erwartet wird (Schultz et al. 1992).

Fein verteilte Informationen

Karl Lashley hat in seinem wissenschaftlich sehr produktiven Leben erfolglos nach dem hypothetischen einzigen Ort im Gehirn gesucht, an dem sehr spezifisch alles Gedächtnis sitzen sollte. Die Entdeckung der deklarativen Gedächtnisstörung bei H.M. nach Abtragung des Hippocampus hat vielleicht noch ein letztes Mal diese Hypothese einer einzigen Gedächtnisstruktur im Gehirn wachgerufen. Nachfolgende Untersuchungen an weiteren Patienten und an Tieren haben Orte des deklarativen Gedächtnisses in verschiedenen, weit verstreuten Strukturen des Limbischen Systems und des Inferotemporalkortex gefunden. Diese Strukturen dienen hauptsächlich als Durchgangsstationen zur langdauernden Speicherung, die vermutlich in verschiedenen Regionen der Hirnrinde stattfindet. Das Lernen und Abspeichern von Handlungsabläufen und Gewohnheiten geschieht offensichtlich in wieder anderen Strukturen. Schliesslich existieren verschiedene Formen des Kurzzeitgedächtnisses, die wir hier nicht besprochen haben und deren Sitz wir nur teilweise kennen. Somit laufen die verschiedenen Gedächtnisprozesse in weiten Bereichen des Gehirns verteilt ab. Zudem zeigt es sich immer mehr, dass Gedächtnisprozesse an die spezifischen Funktionen einzelner Gehirnstrukturen assoziiert sind. Zum Beispiel sind manche Strukturen des deklarativen Gedächtnisses nicht nur mit der Speicherung sondern auch mit dem Erkennen komplexer Seheindrücke beschäftigt (Inferotemporalkortex), während andere bei der Orientierung im Raum eine wesentliche Rolle spielen (Hippocampus im Limbischen System). Das Kleinhirn, als Ort des motorischen Lernens und der Abspeicherung prozeduraler motorischer Handlungen, ist eine der wesentlichen Strukturen für die Kontrolle der Bewegungen. Damit ist das Speichern und Verarbeiten von Informationen über kurze und lange Zeiträume hinweg eine Leistung unseres Gehirns, die sehr eng mit dessen anderen Funktionen verbunden ist. Es besteht Hoffnung, dass es die rasante Entwicklung der neurobiologischen Grundlagenforschung ermöglicht, die Heilungschancen einzelner Hirnfunktionsstörungen zu verbessern und damit auch deklarative und prozedurale Gedächtnisstörungen zu behandeln, wie das vielleicht bei der Alzheimerschen, Huntingtonschen und Parkinsonschen Krankheit möglich sein könnte. Vergessen wir das nicht!

Prof. Wolfram Schultz

Physiologisches Institut

Literatur

Dickinson, A.: Contemporary animal learning theory. Cambridge University Press, Cambridge 1980

Halgren, E., Babb, T.L., Crandall, P.H.: Activity of human hippocampal fromation and amygdala neurons during memory testing. Electroenceph. clin. Neurophysiol. 45: 585-601, 1978

Laplane, D., Levasseur, M., Pillon, B., Dubois, B., Baulac, M., Mazoyer, B., Tran Dinh, S., Sette, G., Danze, F., Baron, J.C.: Obsessive-compulsive and other behavioural changes with bilateral basal ganglia lesions. A neuropsychological, magnetic resonance imaging and positron tomography study. Brain 112: 699-725, 1989

Ljungberg, T., Apicella, P., Schultz, W.: Responses of monkey dopamine neurons during learning of behavioral reactions. J. Neurophysiol. 67: 145-163, 1992

Schultz, W., Apicella, P., Scarnati, E., Ljungberg, T.: Neuronal activity in monkey ventral striatum related to the expectation of rewrad. J. Neurosci. 12: 4595-4610, 1992

Scoville, W.B. and Milner, B.: Loss of recent memory after bilateral hippocampal lesions. J. Neurol. Neurosurg. Psychiat. 20: 11-21, 1957

Squire, L.R., Ojemann, J.G., Miezin, F.M., Petersen, S.E., Videen, T.O. and Raichle, M.E.: Activation of the hippocampus in normal humans: a functional anatomical study of memory. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 89: 1837-1841, 1992

Sacks, O.: Der verlorene Seemann. In: Der Mann der seine Frau mit einem Hut verwechselte, pp. 42-68, Rowohlt Taschenbuch, 1987

Wise, R.A., Schwartz, H.V.: Pimozide attenuates acquisition of lever-pressing for food in rats. Pharmacol. Biochem. Behav. 15: 655-656, 1981