Neue Erfahrungen verbessern das Lernen, indem sie wichtige Schaltkreise im Gehirn neu einstellen.

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Eine Studie zum räumlichen Lernen bei Mäusen zeigt, dass die Exposition gegenüber neuen Erfahrungen etablierte Repräsentationen im Hippocampus und präfrontalen Kortex des Gehirns dämpft, wodurch die Mäuse neue Navigationsstrategien lernen können. Die Studie, veröffentlicht in Nature, wurde von den National Institutes of Health unterstützt.

“Die Fähigkeit, flexibel in neuen Situationen zu lernen, ermöglicht es, sich an eine sich ständig verändernde Welt anzupassen”, bemerkte Joshua A. Gordon, M.D., Ph.D., ein Senior-Autor der Studie und Direktor des National Institute of Mental Health, Teil der NIH. “Das Verständnis der neuronalen Basis dieses flexiblen Lernens bei Tieren gibt uns einen Einblick, wie diese Art des Lernens beim Menschen gestört werden kann.”

Dr. Gordon leitete das Forschungsprojekt gemeinsam mit Joseph A. Gogos, M.D., Ph.D., und Alexander Z. Harris, M.D., Ph.D., beide von der Columbia University, New York City.

Wann immer wir auf neue Informationen stoßen, müssen diese Informationen in einem stabilen, dauerhaften Gedächtnis konsolidiert werden, damit wir sie später wieder abrufen können. Ein Schlüsselmechanismus in diesem Prozess der Gedächtniskonsolidierung ist die Langzeitpotenzierung, eine anhaltende Verstärkung der neuronalen Verbindungen auf der Grundlage der jüngsten Aktivitätsmuster. Obwohl diese Verstärkung der neuronalen Verbindungen anhaltend sein kann, kann sie nicht dauerhaft sein, da wir sonst nicht in der Lage wären, unsere Gedächtnisrepräsentationen zu aktualisieren, um neue Informationen aufzunehmen. Mit anderen Worten: Unsere Fähigkeit, uns an neue Erfahrungen zu erinnern und daraus zu lernen, hängt von einer Informationskodierung ab, die sowohl beständig als auch flexibel ist.

Um die spezifischen neuronalen Mechanismen zu verstehen, die diese Plastizität ermöglichen, untersuchte das Forscherteam unter der Leitung von Alan J. Park, Ph.D., von der Columbia University das räumliche Lernen bei Mäusen.

Räumliches Lernen hängt von einer Schlüsselschaltung zwischen dem ventralen Hippocampus (eine Struktur in der Mitte des Gehirns) und dem medialen präfrontalen Kortex (direkt hinter der Stirn) ab. Die Konnektivität zwischen diesen Hirnstrukturen verstärkt sich im Verlauf des räumlichen Lernens. Bleibt die Konnektivität jedoch auf maximaler Stärke, beeinträchtigt sie die spätere Anpassung an neue Aufgaben und Regeln. Die Forscher stellten die Hypothese auf, dass die Exposition gegenüber einer neuen Erfahrung als umweltbedingter Auslöser dienen könnte, der die etablierte hippocampal-prefrontale Konnektivität dämpft und so flexibles räumliches Lernen ermöglicht.

In der ersten Aufgabe trainierten die Forscher Mäuse, sich in einem Labyrinth auf eine bestimmte Weise zu bewegen, um eine Belohnung zu erhalten. Einige der Mäuse durften dann einen Raum erkunden, den sie vorher nicht gesehen hatten, während andere einen bekannten Raum erkundeten. Die Mäuse nahmen dann an einer zweiten räumlichen Aufgabe teil, bei der sie zu einer neuen Navigationsstrategie wechseln mussten, um eine Belohnung zu erhalten.

Wie erwartet, bevorzugten alle Mäuse zunächst ihre ursprüngliche Navigationsstrategie. Aber die Mäuse, die einen neuen Raum erkundet hatten, überwanden allmählich diese Voreingenommenheit und erlernten erfolgreich die neue Navigationsstrategie nach etwa der Hälfte der 40 Versuche umfassenden Trainingssitzung. Als die Forscher eine Untergruppe der Mäuse erneut mit der ersten Aufgabe testeten, stellten sie fest, dass die Mäuse, die der Neuheit ausgesetzt waren, in der Lage waren, wieder zur ursprünglichen Strategie zu wechseln, was darauf hindeutet, dass sie ihre Strategie entsprechend den Anforderungen der Aufgabe aktualisierten und auswählten.

Weitere Ergebnisse zeigten, dass die Auswirkungen der Neuheit über neue Räume hinausgingen: Die Begegnung mit neuen Mäusen vor der zweiten Aufgabe verstärkte ebenfalls das Lernen der neuen Belohnungsstrategie.

Veränderungen der Hirnaktivität während des Trainings enthüllten die neuronalen Mechanismen, die dieses durch die Neuheit verstärkte Lernen antreiben. Bei Nagetieren gibt es ein gut definiertes Feuermuster im Hippocampus, das als Thetawelle bekannt ist und von dem man annimmt, dass es eine zentrale Rolle beim Lernen und Erinnern spielt. Als Park und seine Mitautoren Aufzeichnungen aus dem ventralen Hippocampus untersuchten, fanden sie heraus, dass die Theta-Welle während der Erkundung der neuen Arena und der darauf folgenden Stunde stärker wurde; die Theta-Welle nahm ab, als die Mäuse in den nächsten zwei Tagen mit der Arena vertraut wurden. Die Forscher fanden heraus, dass die Neuheitsexposition auch die Kodierung der ursprünglichen Navigationsstrategie störte, indem sie das Feuermuster einzelner Neuronen im ventralen Hippocampus reorganisierte, um sie mit der Theta-Welle in Einklang zu bringen.

Gleichzeitig zeigten Neuronen im medialen präfrontalen Kortex eine verringerte Theta-Wellen-Synchronität, und die Korrelationen zwischen Hippocampus-Aktivität und präfrontaler Aktivität wurden schwächer. Diese und andere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Exposition gegenüber Neuartigkeit die synaptischen Verbindungen zwischen dem ventralen Hippocampus und dem medialen präfrontalen Cortex dämpfte und den Schaltkreis zurücksetzte, um eine anschließende Stärkung der mit dem Lernen verbundenen Konnektivität zu ermöglichen.

Durch das Auslösen dieses Resets scheint die Neuheit die Strategieaktualisierung als Reaktion auf die spezifische Belohnungsstruktur der Aufgabe zu erleichtern. Analysen des maschinellen Lernens zeigten, dass ventrale Hippocampus-Neuronen nach der Exposition gegenüber der Neuheit die Kodierung von einer Strategie, die die Belohnung bei der ersten Aufgabe vorhersagte, auf eine Strategie umstellten, die die Belohnung bei der zweiten Aufgabe vorhersagte. Die aufgabenspezifische Information wurde dann an die medialen präfrontalen Neuronen weitergeleitet, die die Kodierung entsprechend aktualisierten.

 

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