FAU-Team erforscht, wie unser Hirn beim Lernen arbeitet
Wie merkt sich das Gehirn neue Wörter, Gesichter oder Bewegungen? Und welche Rolle spielt Schlaf dabei? Prof. Dr. Hajo Hamer, Leiter des Epilepsiezentrums des Uniklinikums Erlangen der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) untersucht, welche elektrischen Prozesse beim Lernen und Erinnern ablaufen.
Lernen als elektrischer Prozess
Lernen ist auch ein Zusammenspiel elektrischer Aktivitäten der Nervenzellen in unterschiedlichen Hirnregionen. Eine zentrale Rolle spielt hierbei der Hippocampus, der neue Inhalte aufnimmt und strukturiert und dessen Form an ein Seepferdchen erinnert. Der Hippocampus leitet die Inhalte weiter an den Neokortex, wo das Langzeitgedächtnis verortet ist.
Aktuelle EEG-basierte Forschung zeigt, dass Lernen an bestimmte elektrische Frequenzen gebunden ist. Diese Frequenzen folgen einer zeitlich genau abgestimmten Abfolge. Nur wenn diese Reihenfolge eingehalten wird, kann das Gehirn Informationen dauerhaft speichern. Beim Erinnern laufen dieselben Prozesse in umgekehrter Reihenfolge ab.
Forschende messen Gehirnaktivitäten ohne zusätzliche Eingriffe
Um diese Abläufe genauer zu untersuchen, nutzt Professor Hamer eine besondere klinische Situation. In seiner Studie werden ausschließlich Patientinnen und Patienten untersucht, die wegen einer Epilepsie ohnehin medizinisch behandelt werden.
Dazu implantieren Ärztinnen und Ärzte millimetergenau Tiefenelektroden ins Gehirn, unterstützt durch einen Implantationsroboter. Diese Elektroden dienen der klinischen Diagnostik, also der Suche nach den Ursprungsorten der epileptischen Anfälle im Gehirn. Gleichzeitig ermöglichen es die Elektroden den Forschenden, den Patientinnen und Patienten förmlich beim Lernen zusehen können. Von den elektrischen Signalen einzelner Nervenzellen entstehen hier EEG-Messungen mit bislang unerreichter Auflösung.
Die Lernuntersuchungen selbst stellen keinen zusätzlichen medizinischen Eingriff dar. Während ihres Klinikaufenthalts bearbeiten die Patientinnen und Patienten einfache Lernaufgaben, etwa merken sie sich Wörter oder führen Bewegungen aus. Über mehrere Tage zeichnet das Forschungsteam diese EEG-Daten kontinuierlich auf.
Was im Schlaf passiert
Die Wissenschaft weiß schon, dass neue Lerninhalte vor allem während des Schlafs dauerhaft im Gehirn gespeichert werden. Das Team um Professor Hamer möchte nun herausfinden, wie und wo genau dieser Prozess stattfindet.
Die Studie liefert bereits erste Erkenntnisse: Neben der Verarbeitung nach einem Lernreiz spielt der Zustand des Gehirns unmittelbar davor eine Rolle. Ist das Gehirn Sekundenbruchteile vor einem Lernimpuls elektrisch vorbereitet, werden Informationen zuverlässiger gespeichert. Diese Vorbereitung hängt unter anderem mit Aufmerksamkeit und allgemeiner Lernfähigkeit zusammen.
Europaweiter Forschungsverbund
Die Untersuchungen in Erlangen sind eingebettet in eine internationale Forschergruppe, die vom Europäischen Forschungsrat (ERC) gefördert wird und von der Universität Glasgow geleitet wird: „The human hippocampus as a complementary indexing machine for episodic memory“. Ziel des Advanced Grants ist es, eine charakteristische EEG-Signatur des Lernens zu identifizieren, also ein typisches Muster elektrischer Aktivität der Nervenzellen im Gehirn, wenn es sich erfolgreich Dinge merkt.
Mehr Informationen:
Prof. Dr. Hajo Hamer
Professur für Epileptologie
hajo.hamer@uk-erlangen.de