Lernen und Gedächtnis

Typen des Lernens

1. Nicht-assoziatives Lernen

2. Assoziatives Lernen

Nicht-assoziatives Lernen

• Verhaltensänderung erfolgt auf einzelne, ungepaart auftretende Reize bzw. Ereignisse (Schandry, 2016)

1. Habituation

2. Sensitivierung

• Durch Lernprozesse/längerftistige Lerneffekte kommt es zu Veränderungen in der Zahl synaptischer Kontakte

• Durch dauerhaft Speicherung der Lernergebnisse (Konsolidierung) entstehen morphologische Veränderungen im neuronalen System

• Es kann zu einem Rückgang (Langzeithabituation) oder einer Zunahme (Sensitivierung) synaptischer Kontakte kommen

-> synaptische Plastizität

Klassische Konditionierung

• KK ist eine Art des Assoziationslernens

• Zeitliche Verknüpfung von CS und UCS -> Assoziation

• insbesondere bei Furchtkonditionierung spielt u.a. Amygdala eine wichtige Rolle

• Bei Schädigung der Amygdala ist Assoziatives Lernen beeinträchtigt

• Synaptische Plastizität (Veränderbarkeit): Die Effektivität der synaptischen Übertragung zwischen Neuronen ist plastisch (veränderbar).

• Langzeitpotenzierung (long-term potentiation, LTP) – Erleichterung oder Verstärkung der Erregungsübertragung von einem Neuron auf das nächste

• Langzeitdepression (long-term depression, LTD) – Abschwächung oder Reduktion der Erregungsübertragung

Hebbsche Lernregel (Donald O. Hebb)

• neurons that fire together wire together

• Neuronen, die zusammen feuern, wachsen zusammen

  • Bei weiderholter gemeinsamen Aktivität zweier Neuronen wird die Effektivtät der Erregungsübertragung von A nach B gesteigert

Post-tetanische Potenzierung

• Erforscht primär in Hippokampus-Neuronen

• Synaptischer Kontakt/Neuron wird durch hochfrequente Reize (tetanische Erregung -> 10-100 Reize pro Sekunde für mind. 1 sek) stimuliert.

• Durch die tetanische Erregung reagiert das Neuron für einen längeren Zeitraum sehr viel stärker auf später eintreffende Reize (tetanische Potenzierung)

• LTP kann bis zu 360 Tage anhalten

• LTP -> Inputspezifisch

  • Nur Impulse, die über diejenige Synapse einlaufen, die vorher auch die Potenzierung bewirkt hat, lösen erhöhte subsynaptische potenziale aus

Strukturelle Veränderungen bei LTP

• mehr NMDA Rezeptoren werden ausgebildet

• nach Stimulation mit Glutamat wird Dornfortsatz größer um mehr NMDA Rezeptor auszubilden

LTP in Hippokampusneuronen

• Assoziativität: Oft reicht Stimulation an einem einzelnen Kontakt nicht aus, um LTP auszulösen.

• Bei der post-tetanischen Potenzierung funktioniert das, aber hier ist die Reizung auch extrem stark.

• Häufig muss gleichzeitig (oder fast gleichzeitig) eine ähnliche Stimulation an weiteren Synapsen erfolgen, damit LTP ausgelöst wird. (Prinzip der Assoziativität)

LTD durch niederfrequente Stimulation (Langzeit-Depression)

• auch Input spezifisch

• Gegenstück zu LTP

Mechanismen der LTP

• Eine Klasse von Glutamatrezeptoren, die NMDA Rezeptoren, spielen eine zentralle Rolle bei der LTP

Der NMDA-Rezeptor

• Der NMDA-Rezeptor ist ein ionotroper Glutamatrezeptor und kann einen Ca2+ Kanal bilden.

• Im Ruhezustand ist er durch Mg2+ (Magnesiumblock) blockiert.

• Wenn die Zellmembran ausreichend depolarisiert wird, wird Mg2+ aus der Kanalpore gedrückt - der Kanal wird „freigegeben“.

• Erst jetzt kann der Kanal durch Bindung von Glutamat normal geöffnet werden. Dies führt zum Einstrom von Ca2+. -> Ca2+ Einstrom durch NMDA Rezeptoren

2 Bedingungen

• Glutamat muss binden

• Membran in der Rezeptor drin setzt muss ausreichend depolarisiert wird damit Ione block rausgedrückt wird aus Pore

• Da NMDA-Rezeptoren spannungs- und ligandengesteuert sind, wirken sie als Koinzidenzdetektoren

• sie werden nur aktiviert, wenn prä- und poststynaptsiches Neuron gleichzeitig aktiv sind

  
  

Die postsynaptisch erhöhte Ca2+ Konzentration führt zu Veränderungen in der Signalübertragung.

Man unterscheidet 2 Phasen:

• Frühe Phase (early LTP) -> frühe Phase/frühe Effekte

• Spätere Phase (late LTP) -> dauern länger in der Umsetzung (später Effekte)

Early LTP: präsynaptische Effekte

Bei neuer Reizung werden an der Präsynapse mehr Transmitter ausgeschüttet:

• Ein retrograder Botenstoff wird in der Postsynapse freigesetzt

• Dieser diffundiert in die Präsynapse, und führt hier über 2nd Messenger-Prozesse zur Steigerung der Glutamatausschüttung

• Bsp.: CO & NO

• zusätzliche AMPA Rezeptoren werden in die postsynaptische Membran eingebaut

• Effektivität (Leitfähigkeit) bestehender Rezeptoren wird erhöht

  -> synaptische Übertragung wird verstärkt

• Proteinkinasen können auch Transkriptionsfaktoren im Zellkern modulieren, die wiederum die Genexpression beeinflussen.

• Dies führt dann u.A. zu morphologischen Veränderung der Zelle, z.B. zur Ausbildung neuer synaptischer Kontakte.

• Diese Form der LTP ist abhängig von der Proteinsynthese.

• Strukturelle Veränderungen bei LTP (wie z.B. das bilden neuer Kanäle oder Dendritenfortsätze) sind abhängig von der Aktivierung der NMDA-Rezeptoren

• Langzeitpotenzierung (long-term potentiation, LTP) –

  Erleichterung oder Verstärkung der Erregungsübertragung

• Langzeitdepression (long-term depression, LTD) – Abschwächung oder Reduktion der Erregungsübertragung

 Bei LTD spielt ebenfalls der NMDA-Rezeptor eine wichtige Rolle:

• LTP: Hohe Ca2+-Konzentration führt zur Aktivierung von Proteinkinasen, die wiederum andere Proteine aktivieren.

• LTD: Niedrige Ca2+-Konzentration führt zur Aktivierung von Proteinphosphatasen, die einen entgegengesetzten Effekt haben.(Synaptische Kontakte/Rezeptoren werden z.B. abgebaut)

Je nach Hirnbereich und Zelltyp sind die molekularen Mechanismen bei Lernprozessen zum Teil unterschiedlich. Aber sie folgen immer dem gleichen Prinzip:

1. Neuronaler Impuls

2. Ioneneinstrom in die subsynaptische Membran

3. Aktivierung von Enzymen

4. Umbau von Proteinen

5. Kurz- und längerfristig wirkende genetische Prozesse

6. Wachstum bzw. Degeneration von Zellbereichen

a)

• Im Neokortex befinden sich die kortikalen Neuronen mit der Reizinformation (Hase, Hut, Duft)

• Alle kortikalen Zellen haben Verbindungen zu Hippocampusneuronen

• Informationsfluss läuft vom Cortex zum Hippocampus

• da die Hippocampuszellen untereinander verbunden sind und in diesem Augenblick gleichzeitig aktiviert werden, verstärken sich ihre synaptischen Verbindungen über NMDA-Rezeptoren

• Es entsteht also ein hippocampales Ensemble für die 3 im Kortex repräsentierten Stimuli

  
  

b & c)

• wenn einige Tage später Patschuli gerochen und ein Kaninschen gesehen wird, fließt erneut Information vom Cortex in den Hippocampus

• Da die Mehrheit des hippocampalen Ensembles somit aktiviert ist, fängt auch die hippocampale Zelle für den Hut Stimulius an zu feuern

• Deren Aktivität weckt die kortikale Respräsentation des Hutes

• Wenn man alos Patschuli reicht und ein Kaninchen sieht, erinnert man sich plötzlich an die ganze Szene im Zauberladen

d) Entstehung des episodischen und semantischen Gedächtnisses

• wenn an Assoziation zwischen Kaninchen und Hut zukünftig öfters gedacht wird (z.B. im Fernsehen, Roman usw.), wird die Assoziation auch auf kortikaler Ebene genügend intrakortikale synaptische Verbindungen aufbauen, sodass man auch ohne Hilfe des Hippocampus (Hippocampus unabhängig) an einen Zylinder denkt, wenn man ein (Stoff-) Kaninchen sieht

• Erinnerung hat sich von der Abhängigkeit des Hippocampus gelöst -> Übergang vom episodischen in das semantische Gedächtnis

Operante bzw. Instrumentelle Konditionierung

• „Law of Effect“ (Thorndike, 1905): Belohntes Verhalten wird verstärkt, bestraftes Verhalten wird abgeschwächt.

• Drei Komponenten (sensorischer Reiz + motorischer Akt -> verstärkender Reiz)

Klassische Konditionierung

• Zwei Komponenten (Assoziation zwischen CS und UCS wird gebildet)

• Dopamin ist relevant für die Verstärkung

• Belohnung über das Belohnungssystem führt zu Suchterzeugenden Wirkung

• Olds & Milnder: Entdeckung des Phänomens der “intrakraniellen Selbststimulation” (ICSS) in der Ratte

  • Wenn Stimulationselektrode in Bereichen des Dopaminsystems platziert wird, stimulieren sich die Tiere bis zur Erschöpfung

Rescorla-Wagner-Modell

• führt Lernen auf Erwartungsverletzung zurück

  • d.h. Lernen kann stattfinden, wenn Erwartung und eintretendes Ereignis voneinander abweichen

  • Wenn eine Handlung genau die erwartet Konsequenz hat, wird nichts gelernt