Großhirnrinde lernt schneller als gedacht

An der Speicherung von Informationen im Gehirn ist die Großhirnrinde offenbar deutlich früher und stärker beteiligt als bislang angenommen. Das konnten Forscher aus Tübingen nun mit hochauflösenden bildgebenden Verfahren nachweisen.

Die Prozesse, die bei der Bildung einer Gedächtnisspur ablaufen, blieben lange Zeit unaufgeklärt. Traditionelle Modelle gehen davon aus, dass es im Gehirn zwei Gedächtnissysteme gibt: zum einen den Hippocampus, der große Informationsmengen schnell aufnimmt, und zum anderen die Großhirnrinde, in der sich Gedächtnisspuren, also dauerhafte Änderungen durch Speicherung und Festigung neuer Informationen nur langsam, aber stabil entwickeln.

Untersuchung der physischen Spuren des Lernens

In der neuen Studie stellten die Wissenschaftler ihren Probanden eine Lernaufgabe, in der sie sich in mehreren Runden Objektpaare und deren räumliche Anordnung auf einem Bildschirm einprägen mussten, ähnlich wie bei dem Gesellschaftsspiel „Memory“. Während sie diese Aufgabe ausführten, wurde ihre Gehirnaktivität in einem Magnetresonanztomografen (MRT) aufgezeichnet. Zusätzlich setzten die Forscher einen Diffusions-MRT ein, bei dem die Stärke der Bewegung von Wassermolekülen im Gehirn quantitativ dargestellt wird. Die Messungen wurden zu drei Zeitpunkten durchgeführt: unmittelbar vor der Lernaufgabe, 90 Minuten und zwölf Stunden danach. „Durch den Vergleich der Diffusionsaufnahmen vor und nach dem Lernen mit einer Kontrollbedingung können wir Rückschlüsse auf kleinste Veränderungen in der Gewebestruktur ziehen, die durch den Lernvorgang verursacht wurden“, erklärte Svenja Brodt vom Tübinger Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik. Dadurch ließen sich Gedächtnisspuren auch später noch im inaktiven Zustand beobachten, nachdem die Lernaufgabe abgeschlossen ist.

„Wir bewegen uns weg von reinen Momentaufnahmen, die während des Aufnehmens oder Abrufens von Informationen durch funktionelle Magnetresonanztomografie gemacht werden können, hin zur Untersuchung der physischen Spuren, die die Speicherung von Informationen in unserem Gehirn hinterlässt“, so Brodt. Mithilfe der Diffusionsbildgebung konnten die Forscher bereits 90 Minuten nach dem Lernprozess strukturelle Veränderungen in der Großhirnrinde messen und zwar in genau jenen Regionen, die während der Lernaufgabe starke gedächtnisbezogene Aktivität gezeigt hatten. Die größten Veränderungen zeigte der hintere Teil des Scheitellappens, der posteriore Parietalkortex. Je stärker diese Veränderungen waren, desto besser konnten sich die Probanden die Objektpaare langfristig merken.

Stabile Veränderungen in der Großhirnrinde

„Diese Strukturveränderungen sind kein kurzfristiges Nebenprodukt einer erhöhten Zellaktivität während des Lernens, da sie über mindestens zwölf Stunden stabil bleiben“, sagte die Studienleiterin Dr. Monika Schönauer. Aus Studien an Tieren wisse man, dass diese Veränderungen mit Prozessen einhergehen, die direkt mit einer Verstärkung der synaptischen Verbindungen zusammenhängen. „Unsere Ergebnisse bestätigen, dass die Großhirnrinde schon früh im Lernvorgang hinzugezogen wird, und unmittelbar an der physischen Speicherung der Informationen beteiligt ist“, sagte Schönauer. „Die frühere Annahme, dass die Großhirnrinde nur langsam lernt, ist nun nicht mehr haltbar.“

Die neuen Erkenntnisse böten eine Erklärung dafür, dass es selbst Patienten mit Schädigungen im Hippocampus teilweise möglich ist, neue Informationen zu lernen und zu behalten. Die weitere Erforschung der Bedingungen, unter denen Informationen direkt in der Großhirnrinde gespeichert werden, könne langfristig zur Entwicklung von neuen Lernstrategien bei bestimmten Gedächtnisstörungen beitragen, ergänzte Prof. Steffen Gais, der Leiter der Arbeitsgruppe.

Originalpublikation:
Brodt S. et al.: Fast track to the neocortex: A memory engram in posterior parietal cortex.
Science 2018;362(6418):1045-1048.