Neurobiologie des Lernens - Grundlage eines Veränderungsprozesses

 

 Buy Article Permissions and Reprints

Zusammenfassung

Im Gegensatz zur vorherrschenden Lehrmeinung der 80er-Jahre zeichnet sich heute ab, dass die grundsätzliche Formbarkeit (so genannte Neuroplastizität) des menschlichen Gehirns im Normalfall ein lebenslanges Phänomen darstellt. Repräsentationen der Umgebung bilden sich im Gehirn auf neuronaler Ebene ab, werden stabilisiert, verschwinden wieder oder ändern sich. Diese Neuroplastizität geht mit Veränderungen der Biochemie der Synapsen und konsekutiv mit Veränderungen der Mikrostruktur des Gehirns einher. Neben Glutamat und Gamma-Amino-Buttersäure (GABA) nehmen Dopamin und Serotonin, aber auch Endorphine und Enkephaline und die dazugehörigen Nervenzellsysteme dabei eine Schlüsselstellung ein. Sie beeinflussen auf der Mikroebene neuronale Plastizität und modulieren auf der Systemebene beispielsweise Stimmung, wirken auf Emotionen, positive Motivation oder auf die Bewertung von Umweltreizen. Erleben, Handeln und Gestalten sowie Veränderungsprozesse im Rahmen des Lernens werden dadurch beeinflusst. Neuroplastizität verändert über diese Mechanismen kortikale und subkortikale Repräsentationen („Funktionslandkarten”). Jeder epileptische Anfall erhöht aber auch die Wahrscheinlichkeit eines weiteren epileptischen Anfalls und jede depressive Episode die Wahrscheinlichkeit einer nächsten. Vergleichbare neuronale Mechanismen finden auch statt, wenn jemand sich einer Psychotherapie oder Rehabilitation unterzieht. Im Rahmen des Beitrags werden grundlegende Mechanismen der neuronalen Plastizität im Rahmen von Lernen und Gedächtnisbildung dargestellt, und es wird versucht, diese in den Kontext sozialpsychiatrischer Interventionen zu setzen.

Abstract

In contrast to the opinion that prevailed in the 1980es, there is now increasing evidence that the plasticity of the human brain, i. e. its remarkable ability to adapt to and change with experience, is, under normal conditions, a lifelong phenomenon. Representations of the environment are associated with activations and biochemical modifications in neuronal networks, which will be stabilized, modified or will wither in the course of cumulated experience. The capability to modify the biochemistry of synapses as well as the growth and change in terms of rewiring of synapses, dendritic branching and glial cell proliferation via the dialogue of synapses and genes, results in specific changes in neuronal connectivity and function. On the neurotransmitter level, glutamate and gamma-amino-butyric acid (GABA) as well as dopamine and serotonin, but also endorphin and encephalin, have a key position in this context. These neurotransmitter systems modulate neuronal plasticity on the neuronal level; on the behavioural level they influence affect, emotion, positive motivation and the correct evaluation of environmental stimuli. Experience, action as well as learning and memory are influenced by these systems. A basic thesis of this paper is that these mechanisms are involved in neuronal plasticity and that learning and memory are thus not only used and reused in structuring the CNS during the initial establishment of connections in the immature brain, in lifelong memory consolidation or the rewiring after brain damage, but can also be used to mould experience, learning und behaviour during psychotherapy and rehabilitation in adults.

Literatur

• 1 Changeux J-P. Der neuronale Mensch. Reinbek bei Hamburg; Rowohlt 1984
  Google Scholar
• 2 Braus D F. EinBlick ins Gehirn. Moderne Bildgebung in der Psychiatrie. Stuttgart; Thieme 2004
  Google Scholar
• 3 Braus D F, Tost H, Hirsch J G, Gass A. Diffusions-Tensor-Bildgebung (DTI) und funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI) erweitern das Methodenspektrum in der psychiatrischen Forschung.  Der Nervenarzt. 2001;  72 384-390
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 4 Braus D F. A picture of the mind. Nuclear magnetic resonance tomography gives the first view of the somatic basis of psychic processes.  Medizinische Monatsschrift für Pharmazeuten. 2003;  26 45-51
  PubMedGoogle Scholar
• 5 Braus D F. Wahrnehmen zeitlicher Relationen, neuronale Synchronisation und die Schizophrenien.  Fortschr Neurol Psychiatr. 2002;  70 591-600
  Article in Thieme ConnectPubMedGoogle Scholar
• 6 Goldman-Rakic P S. Topography of cognition: parallel distributed networks in primate association cortex.  Annu Rev Neurosci. 1988;  11 137-56
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 7 Singer W. The formation of cooperative cell assemblies in the visual cortex.  J Exp Biol. 1990;  153 177-197
  PubMedGoogle Scholar
• 8 Braun K, Bogerts B. Einfluss frühkindlicher Erfahrungs- und Lernprozesse auf die funktionelle Reifung des Gehirns.  Psychother Psych Med. 2000;  50 420-427
  Article in Thieme ConnectPubMedGoogle Scholar
• 9 Braun K, Bogerts B. Erfahrungsgesteuerte neuronale Plastizität.  Nervenarzt. 2001;  72 3-10
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 10 Acosta M T, Montanez P, Leon-Sarmiento F E. Half brain but not half function.  Lancet. 2002;  360 643
  PubMedGoogle Scholar
• 11 Grafman J, Litvan I. Evidence for four forms of neuroplasticity. In: Grafman J, Christen Y (eds) Neuronal plasticity: building a bridge from the laboratory to the clinic. Berlin; Springer-Verlag 1999: 131-139
  Google Scholar
• 12 Dierks T, Linden D E, Jandl M, Formisano E, Goebel R, Lanfermann H. et al . Activation of Heschl's gyrus during auditory hallucinations.  Neuron. 1999;  22 615-621
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 13 Agid O, Kapur S, Arenovich T, Zipursky R B. Delayed-onset hypothesis of antipsychotic action: a hypothesis tested and rejected.  Arch Gen Psychiatry. 2003;  60 1228-1235
  Google Scholar
• 14 Kapur S. Psychosis as a state of aberrant salience: a framework linking biology, phenomenology, and pharmacology in schizophrenia.  Am J Psychiatry. 2003;  160 13-23
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 15 Maguire E A, Valentine E R, Wilding J M, Kapur N. Routes to remembering: the brains behind superior memory.  Nat Neurosci. 2003;  6 90-95
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 16 Tenn C C, Fletcher P J, Kapur S. Amphetamine-sensitized animals show a sensorimotor gating and neurochemical abnormality similar to that of schizophrenia.  Schizophr Res. 2003;  64 103-114
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 17 Carlsson A. A paradigm shift in brain research.  Science. 2001;  294 1021-1024
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 18 Lamas S, Perez-Sala D, Moncada S. Nitric oxide: from discovery to the clinic.  Trends Pharmacol Sci. 1998;  19 436-438
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 19 Kandel E R. The molecular biology of memory storage: a dialogue between genes and synapses.  Science. 2001;  294 1030-1038
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 20 Greengard P. The neurobiology of slow synaptic transmission.  Science. 2001;  294 1024-1030
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 21 Pöppel E. A hierarchical model of temporal perception.  Trends in Cognitive Sciences. 1997;  1 56-61
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 22 Breiter H C, Rosen B R. Functional magnetic resonance imaging of brain reward circuitry in the human.  Ann N Y Acad Sci. 1999;  877 523-547
  PubMedGoogle Scholar
• 23 Waelti P, Dickinson A, Schultz W. Dopamine responses comply with basic assumptions of formal learning theory.  Nature. 2001;  412 43-48
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 24 Small D M, Zatorre R J, Dagher A, Evans A C, Jones-Gotman M. Changes in brain activity related to eating chocolate: from pleasure to aversion.  Brain. 2001;  124 (Pt 9) 1720-1733
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 25 Small D M. Toward an understanding of the brain substrates of reward in humans.  Neuron. 2002;  33 668-671
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 26 Nestler E J. From neurobiology to treatment: progress against addiction.  Nat Neurosci. 2002;  5, Suppl 1076-1079
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 27 Herz A. Neurobiologische Grundlagen des Suchtgeschehens.  Nervenarzt. 1995;  66 3-14
  PubMedGoogle Scholar
• 28 Gerrits M A, Lesscher H B, Ree J M van . Drug dependence and the endogenous opioid system.  Eur Neuropsychopharmacol. 2003;  13 424-434
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 29 Clarke H F, Dalley J W, Crofts H S, Robbins T W, Roberts A C. Cognitive inflexibility after prefrontal serotonin depletion.  Science. 2004;  304 878-880
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 30 Kandel E R, Schwartz J H, Jessell T M. Principles of neural science. Fourth Edition ed. New York; Mc Graw-Hill 2000
  Google Scholar
• 31 Kandel E R. Psychotherapy and the single synapse: the impact of psychiatric thought on neurobiological research.  J Neuropsychiatry Clin Neurosci. 2001;  13 290-300
  PubMedGoogle Scholar
• 32 Munte T F, Altenmuller E, Jancke L. The musician's brain as a model of neuroplasticity.  Nat Rev Neurosci. 2002;  3 473-478
  PubMedGoogle Scholar
• 33 Gaser C, Schlaug G. Brain structures differ between musicians and non- musicians.  J Neurosci. 2003;  23 9240-9245
  PubMedGoogle Scholar
• 34 Pascual-Leone A. The brain that plays music and is changed by it.  Ann N Y Acad Sci. 2001;  930 315-329
  PubMedGoogle Scholar
• 35 Bartels A, Zeki S. The neural basis of romantic love.  Neuroreport. 2000;  11 3829-3834
  PubMedGoogle Scholar
• 36 Thome J, Duman R S, Henn F A. Molekulare Aspekte antidepressiver Therapie: Transsynaptische Effekte auf Signaltransduktion, Genexpression und neuronale Plastizität.  Nervenarzt. 2002;  73 595-599
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 37 Nestler E J, Barrot M, DiLeone R J, Eisch A J, Gold S J, Monteggia L M. Neurobiology of depression.  Neuron. 2002;  34 13-25
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 38 Maier W, Zobel A, Rietschel M. Genetics of schizophrenia and affective disorders.  Pharmacopsychiatry. 2003;  36, Suppl 3 195-202
  Article in Thieme ConnectPubMedGoogle Scholar
• 39 Bird A. Methylation talk between histones and DNA.  Science. 2001;  294 2113-2115
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 40 Abdolmaleky H M, Smith C L, Faraone S V, Shafa R, Stone W, Glatt S J. et al . Methylomics in psychiatry: Modulation of gene-environment interactions may be through DNA methylation.  Am J Med Genet. 2004;  127B 51-59
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 41 Aharon I, Etcoff N, Ariely D, Chabris C F, O'Connor E, Breiter H C. Beautiful faces have variable reward value: fMRI and behavioral evidence.  Neuron. 2001;  32 537-551
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 42 Wild B, Rodden F A, Grodd W, Ruch W. Neural correlates of laughter and humour.  Brain. 2003;  126 (Pt 10) 2121-2138
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 43 Blood A J, Zatorre R J. Intensely pleasurable responses to music correlate with activity in brain regions implicated in reward and emotion.  Proc Natl Acad Sci USA. 2001;  98 11818-11823
  Google Scholar
• 44 Petrovic P, Kalso E, Petersson K M, Ingvar M. Placebo and opioid analgesia - imaging a shared neuronal network.  Science. 2002;  295 1737-1740
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 45 Wager T D, Rilling J K, Smith E E, Sokolik A, Casey K L, Davidson R J. et al . Placebo-induced changes in FMRI in the anticipation and experience of pain.  Science. 2004;  303 1162-1167
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 46 Morris J S, Frith C D, Perrett D I, Rowland D, Young A W, Calder A J. et al . A differential neural response in the human amygdala to fearful and happy facial expressions.  Nature. 1996;  383 812-815
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 47 Tost H, Wendt C S, Schmitt A, Heinz A, Braus D F. Huntington's Disease: Phenomenological Diversity of a Neuropsychiatric Condition That Challenges Traditional Concepts in Neurology and Psychiatry.  Am J Psychiatry. 2004;  161 28-34
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 48 Hariri A R, Weinberger D R. Imaging genomics.  Br Med Bull. 2003;  65 259-270
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 49 Glazier A M, Nadeau J H, Aitman T J. Finding genes that underlie complex traits.  Science. 2002;  298 2345-2349
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 50 Caspi A, McClay J, Moffitt T E, Mill J, Martin J, Craig I W. et al . Role of genotype in the cycle of violence in maltreated children.  Science. 2002;  297 851-854
  Google Scholar
• 51 Caspi A, Sugden K, Moffitt T E, Taylor A, Craig I W, Harrington H. et al . Influence of life stress on depression: moderation by a polymorphism in the 5- HTT gene.  Science. 2003;  301 386-389
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 52 Gaser C, Nenadic I, Volz H P, Buchel C, Sauer H. Neuroanatomy of „hearing voices”: a frontotemporal brain structural abnormality associated with auditory hallucinations in schizophrenia.  Cereb Cortex. 2004;  14 91-96
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 53 Paquette V, Levesque J, Mensour B, Leroux J M, Beaudoin G, Bourgouin P. et al . „Change the mind and you change the brain”: effects of cognitive-behavioral therapy on the neural correlates of spider phobia.  Neuroimage. 2003;  18 401-409
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 54 Candia V, Wienbruch C, Elbert T, Rockstroh B, Ray W. Effective behavioral treatment of focal hand dystonia in musicians alters somatosensory cortical organization.  Proc Natl Acad Sci U S A. 2003;  100 7942-7946
  CrossrefPubMedGoogle Scholar

Univ.-Prof. Dr. Dieter F. Braus

NeuroImage Nord und Klinik und Poliklinik für Psychiatrie und Psychotherapie · Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf (UKE)

Martinistraße 52

20246 Hamburg

Email: dbraus@uke.uni-hamburg.de