Lernen

Lernprozesse – Grundlagen

Lernen ist ein komplexer Prozess, durch den Individuen neue Informationen aufnehmen, verarbeiten und speichern, um ihr Verhalten und ihre Kenntnisse anzupassen. Es lässt sich in drei grundlegende Typen unterteilen: nicht assoziatives Lernen, assoziatives Lernen und kognitives Lernen:

Nicht-assoziatives Lernen:
- Definition: Eine einfache Form des Lernens, die keine Verbindung zwischen verschiedenen Stimuli erfordert
- Beispiele:
  - Habituation: Verringerung der Reaktion auf einen wiederholten, harmlosen Stimulus
  - Sensitivierung: Erhöhung der Reaktionsstärke auf einen wiederholten oder verstärkten Stimulus
Assoziatives Lernen:
- Definition: Lernen durch die Verknüpfung zweier Elemente, wobei das Individuum lernt, Ereignisse, Verhaltensweisen oder Stimuli miteinander zu assoziieren
- Beispiele:
  - Klassische Konditionierung: Ein neutraler Stimulus wird mit einem Stimulus verknüpft, der eine natürliche Reaktion auslöst, bis der neutrale Stimulus alleine die Reaktion hervorrufen kann (beim Pawlowschen Experiment lernte ein Hund, auf das Klingeln einer Glocke mit Speichelfluss zu reagieren, weil die Glocke wiederholt zusammen mit Futter präsentiert wurde)
  - Operante Konditionierung: Verhalten wird durch Belohnungen verstärkt oder durch Bestrafungen verringert
Kognitives Lernen:
- Definition: Komplexeste Form des Lernens, die bewusstes Denken, Verstehen,Erinnern und Anwenden von Informationen umfasst
- Beispiele:
  - Lernen durch Einsicht: Lösung eines Problems durch Verstehen der Beziehungen zwischen den Elementen (Erfassung des Ursache-Wirkung- Zusammenhangs). Häufig kommt es zu einem plötzlichen Verstehen oder Erkennen einer Lösung für ein Problem, oft durch das Verknüpfen von vorher unzusammenhängenden Informationen
  - Beobachtungslernen: Erlernen neuer Verhaltensweisen durch die Beobachtung und Nachahmung anderer

Gedächtnis

Das menschliche Gedächtnis ist ein komplexes System, das Informationen aufnimmt, speichert und abruft. Es lässt sich in verschiedene Arten unterteilen, die jeweils eine spezifische Funktion im Prozess der Informationsverarbeitung erfüllen: sensorisches Gedächtnis, Kurzzeitgedächtnis (inklusive Arbeitsgedächtnis) und Langzeitgedächtnis:

Sensorisches Gedächtnis:

Erfasst Informationen direkt von den Sinnesorganen und hält sie für eine sehr kurze Zeit (wenige Sekunden) fest
Ermöglicht eine erste Verarbeitung sensorischer Eindrücke

Kurzzeitgedächtnis/Arbeitsgedächtnis:

Verarbeitung der Informationen des sensorischen Gedächtnisses
Hält Informationen für eine kurze Dauer (etwa 20 Sekunden)
Begrenzte Kapazität: Kann etwa 7 (+/- 2) Informationseinheiten gleichzeitig speichern
Das Arbeitsgedächtnis dient der temporären Aufbewahrung, Verbindung und Weiterverarbeitung von Informationen. Im Arbeitsgedächtnis wird somit mit den Informationen „gearbeitet“, während diese im Kurzzeitgedächtnis nur aufbewahrt werden

Langzeitgedächtnis (sekundäres und tertiäres Gedächtnis):

Umfasst Wissen, das über längere Zeit gespeichert und relativ leicht abgerufen werden kann
Beinhaltet episodische (persönliche Erlebnisse) und semantische Gedächtnisinhalte (Faktenwissen)
Die Kapazität und Dauer ist nahezu unbegrenzt

Gedächtnissysteme

Im Langzeitgedächtnis werden verschiedene Formen des Gedächtnisses anhand der Art der gespeicherten Inhalte, wie Fakten und Handlungen, differenziert.

Deklaratives (explizites) Gedächtnis:
- Episodisches Gedächtnis:
  - Persönliche Erlebnisse und Ereignisse
  - Hirnregion: Medialer Temporallappen, Hippocampus/Thalamus
- Semantisches Gedächtnis:
  - Fakten und Allgemeinwissen
  - Hirnregion: Medialer Temporallappen, Hippocampus/Thalamus
Nicht-deklaratives (implizites) Gedächtnis:
- Prozedurales Gedächtnis:
  - Fertigkeiten und Gewohnheiten
  - Hirnregion: Striatum, Kleinhirn
- Assoziatives Lernen:
  - Klassische und operante Konditionierung
  - Hirnregionen: Amygdala für emotionale Reaktionen, Kleinhirn für motorische Reflexe
- Nicht-assoziatives Lernen:
  - Habituation: Gewöhnung an wiederholte Reize
  - Sensitivierung: Verstärkte Reaktion auf wiederholte oder starke Reize
  - Hirnregion: Reflexkreise

Gedächtnisstörungen

Gedächtnisstörungen können die Fähigkeit einer Person beeinträchtigen, Informationen zu speichern, zu behalten oder abzurufen.

Anterograde Amnesie:

Definition: Unfähigkeit, nach einem Ereignis, das die Amnesie ausgelöst hat, neue Erinnerungen zu bilden
Ursachen: Oft durch Hirnverletzungen, Operationen oder Krankheiten wie Demenz. Die Ursache liegt in einem beidseitigen Funktionsverlust der Hippocampi
Folgen: Betroffene können sich an Informationen und Erlebnisse, die nach dem auslösenden Ereignis liegen, nicht erinnern und sich neue Inhalte bzw. Erlebnisse nicht merken. Es ist ausschließlich das deklarative Gedächtnis beeinträchtigt

Retrograde Amnesie:

Definition: Verlust von Erinnerungen, die vor einem auslösenden Ereignis liegen
Ursachen: Kann durch Traumata, Schlaganfälle oder neurologische Erkrankungen verursacht werden
Folgen: Betroffene erinnern sich nicht an bestimmte Abschnitte ihrer Vergangenheit

Interferenz:

Definition: Schwierigkeiten beim Lernen neuer Informationen oder Abrufen von Erinnerungen aufgrund der Überlagerung (Interferenz) von älteren oder neueren Informationen
Arten:
- Proaktive Interferenz: Frühere Lerninhalte stören die Aufnahme neuer Informationen
- Retroaktive Interferenz: Neu gelernte Informationen stören das Abrufen bereits gespeicherter Inhalte

Info
Klinischer Ausblick: Korsakow-Syndrom
Eine schwere Gedächtnisstörung, meist verursacht durch langanhaltenden Alkoholmissbrauch
Symptome: Schwere anterograde und retrograde Amnesie, Konfabulationen (Erfinden von Geschichten, um Gedächtnislücken zu füllen)
Betroffene Hirnregionen: Oft sind Strukturen wie der Thalamus und der Hypothalamus betroffen, die für Gedächtnis und Lernprozesse wichtig sind

Lernen auf zellulärer Ebene

Einleitung

Lernen auf zellulärer Ebene, insbesondere durch Langzeitpotenzierung (LTP), involviert eine Reihe molekularer Mechanismen, die die synaptische Übertragung verstärken und damit zur Gedächtnisbildung beitragen. Die Langzeitpotenzierung tritt in den Pyramidenzellen des Hippocampus auf. Wenn eine Präsynapse kurzzeitig hochfrequent Aktionspotenziale aussendet, kann dies an glutamatergen Synapsen eine Langzeitpotenzierung auslösen. Dies führt dazu, dass das postsynaptische Neuron auf nachfolgende einzelne Stimuli stärker als zuvor reagiert, und diese erhöhte Reaktionsfähigkeit wird langfristig (über Stunden oder sogar Wochen) beibehalten.

Normale exzitatorische synaptische Übertragung:

Während einer regulären synaptischen Aktivität erzeugt ein postsynaptisches Neuron ein exzitatorisches postsynaptisches Potential (EPSP) mit einer spezifischen Amplitude.

Neurotransmitter-Freisetzung: Präsynaptische Neuronen setzen Glutamat in den synaptischen Spalt frei
Postsynaptische Rezeptoren: Glutamat bindet an postsynaptische AMPA- Rezeptoren
Ionenkanäle: Die Bindung von Glutamat an AMPA-Rezeptoren öffnet Ionenkanäle, wodurch Natriumionen (Na⁺) in das postsynaptische Neuron einströmen und dieses depolarisieren
NMDA-Rezeptor: Ist durch Magnesium blockiert

Frühe Phase der Langzeitpotenzierung:

AMPA-Rezeptor-Aktivierung: Glutamat öffnet die AMPA-Rezeptoren → Na⁺-Einstrom und es entsteht zunächst ein geringes EPSP
NMDA-Rezeptor-Aktivierung: Bei starker Depolarisation (durch vermehrte Glutamat-Freisetzung aus der Präsynapse) werden Magnesiumionen (Mg²⁺), die normalerweise die NMDA-Kanäle blockieren, dissoziiert, wodurch Calciumionen (Ca²⁺) in das Neuron einströmen können
Intrazelluläre Signalwege: Das einströmende Ca²⁺ aktiviert Proteinkinasen wie die Calmodulin-abhängige Kinase und die Proteinkinase C, die dann AMPA- Rezeptoren phosphorylieren und ihre Aktivität und Durchlässigkeit für Ionen erhöhen
Präsynaptische Veränderung: Zudem regen Ca²⁺-Ionen die Bildung retrograder Botenstoffe an, wie z.B. von Stickstoffmonoxid (NO), welches zurück in die Präsynapse diffundiert und die Freisetzung von Transmittern erhöht
Erhöhung der AMPA-Rezeptoren: Die Zahl der AMPA-Rezeptoren an der postsynaptischen Membran kann zunehmen, was die synaptische Stärke weiter verstärkt

Späte Phase der Langzeitpotenzierung

Dauer: Die späte Langzeitpotenzierung hält über einen Zeitraum von Stunden bis Wochen an
Protein-Synthese und Genexpression: Aktivierte Signalwege führen zur Transkription neuer Gene und Synthese von Proteinen, die für die langfristige Verstärkung der Synapsen notwendig sind
Strukturelle Synapsenänderungen: Langfristige strukturelle Veränderungen umfassen das Wachstum neuer dendritischer Dornfortsätze und die Verstärkung bestehender synaptischer Verbindungen
AMPA-Rezeptoren: Eine fortlaufende Rekrutierung und Internalisierung von AMPA-Rezeptoren sorgt für eine dauerhafte Verstärkung der synaptischen Effizienz

Langzeitdepression

Langzeitdepression (LTD) ist der Prozess, bei dem die Effizienz der synaptischen Übertragung nach längerer niederfrequenter Stimulation abnimmt. Die LTD ist auch ein wichtiger Mechanismus für Lernen und Gedächtnisbildung und kann heute als eine eigenständige Form der synaptischen Plastizität beschrieben werden, anstatt nur als ein umgekehrter Prozess der Langzeitpotenzierung. Langzeitdepression wurde unter anderem in der Sehrinde, der Amygdala, im Hippocampus und im Kleinhirn gemessen.

Die LTD beginnt meist mit der Aktivierung von Glutamatrezeptoren, insbesondere von NMDA- und metabotropen Glutamatrezeptoren (mGluRs). Diese Aktivierung führt zu einem Einstrom von Calciumionen in die postsynaptische Zelle. Im Gegensatz zur Langzeitpotenzierung, bei der hohe Kalziumkonzentrationen zu einer Verstärkung der Synapse führen, verursachen moderate und anhaltende Kalziumspiegel die Aktivierung von Proteinphosphatasen wie PP1 und PP2B (Calcineurin). Diese Phosphatasen dephosphorylieren synaptische Proteine, einschließlich AMPA- Rezeptoren, und fördern deren Endozytose und Abbau.

Ein weiterer wichtiger Mechanismus der LTD ist die Aktivierung der mGluR- abhängigen Signalkaskade, die zur Produktion von Endocannabinoiden führen kann. Diese retrograden Botenstoffe wirken auf präsynaptische CB1-Rezeptoren und reduzieren die Freisetzung von Neurotransmittern.

Zusammen führen diese Prozesse zu einer Abschwächung der synaptischen Stärke, was als Langzeitdepression bezeichnet wird. Die genauen Mechanismen hinter der LTD sind noch weitgehend unerforscht.

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Gedächtnis

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Gedächtnisstörungen

Klinischer Ausblick: Korsakow-Syndrom

Lernen auf zellulärer Ebene

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Normale exzitatorische synaptische Übertragung:

Frühe Phase der Langzeitpotenzierung:

Späte Phase der Langzeitpotenzierung

Langzeitdepression

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