Physiologie 5Physiologie 5PlastizitätPlastizität

Die neuronale PlastizitätDie neuronale Plastizität

DDie Fähigkeit des Gehirns, sich zu reorganisierenie Fähigkeit des Gehirns, sich zu reorganisieren und und ausgefallene Funktionen auf verschiedene Weise zu ausgefallene Funktionen auf verschiedene Weise zu kompensierenkompensieren

Die neuronale Plastizität als Grundlage des LernensDie neuronale Plastizität als Grundlage des Lernens Neubildung von NeuronenNeubildung von Neuronen,-,-die Anzahl der Synapsen und die Anzahl der Synapsen und

der synaptischen Dornen (Spines) der synaptischen Dornen (Spines) nimmt zu nimmt zu anregende Umgebunganregende Umgebung - -DeprivationDeprivation - -Hebb-SynapsenHebb-Synapsen Die neuronale Plastizität und die RegenerationDie neuronale Plastizität und die Regeneration „„Sprouting"Sprouting" - das Aussprossen von Axonkollateralen - das Aussprossen von Axonkollateralen

Entwicklung und LernenEntwicklung und Lernen I I

Frühe Erfahrungen und Frühe Erfahrungen und Interaktion mit der UmgebungInteraktion mit der Umgebung steuern Wachstum und Verbindung von Nervenzellensteuern Wachstum und Verbindung von Nervenzellen

Lernen und Reifung.Lernen und Reifung. Alle Alle Lernprozesse sind Ausdruck der PlastizitätLernprozesse sind Ausdruck der Plastizität des des

Nervensystems, aber nicht jeder plastische Prozess Nervensystems, aber nicht jeder plastische Prozess bedeutet Lernen. Unter Lernen verstehen wir den Erwerb bedeutet Lernen. Unter Lernen verstehen wir den Erwerb eines neuen Verhaltenseines neuen Verhaltens..

Damit wird Lernen von Damit wird Lernen von ReifungReifung unterschieden, bei der unterschieden, bei der genetisch programmierte Wachstumsprozessegenetisch programmierte Wachstumsprozesse zu zu Veränderungen des zentralen Nervensystems führen, die Veränderungen des zentralen Nervensystems führen, die als unspezifische Voraussetzung für Lernen fungieren. als unspezifische Voraussetzung für Lernen fungieren.

Neuronale Wachstumsvorgänge und AbbauNeuronale Wachstumsvorgänge und Abbau überflüssiger überflüssiger Verbindungen stellen die Grobverbindungen im Verbindungen stellen die Grobverbindungen im Nervensystem her; die Entwicklung von geordneten Nervensystem her; die Entwicklung von geordneten Verhaltensweisen und Wahrnehmungen hängt aber von Verhaltensweisen und Wahrnehmungen hängt aber von der der adäquaten Stimulationadäquaten Stimulation des jeweiligen neuronalen des jeweiligen neuronalen Systems in einer frühen, Systems in einer frühen, kritischen Entwicklungsperiodekritischen Entwicklungsperiode ab.ab.

Entwicklung und LernenEntwicklung und Lernen II II

Wirkung früher DeprivationWirkung früher Deprivation. Neben der genetisch gesteuerten . Neben der genetisch gesteuerten Reifung synaptischer Verbindungen ist die Reifung synaptischer Verbindungen ist die Ausbildung Ausbildung spezifischer synaptischer Verbindungenspezifischer synaptischer Verbindungen unter dem unter dem Einfluss früher Umweltauseinandersetzung unabdingbare Einfluss früher Umweltauseinandersetzung unabdingbare Voraussetzung für Lernvorgänge aller Art. Voraussetzung für Lernvorgänge aller Art.

Erfolgt die Erfolgt die Deprivation in einer kritischen PeriodeDeprivation in einer kritischen Periode, so bilden , so bilden sich die synaptischen Verbindungen für eine bestimmte sich die synaptischen Verbindungen für eine bestimmte Funktion nicht aus, und das zugehörige Verhalten kann Funktion nicht aus, und das zugehörige Verhalten kann auch später häufig nicht mehr erlernt werden. auch später häufig nicht mehr erlernt werden.

Isoliert man z.B. junge AffenIsoliert man z.B. junge Affen…… Auch beim Menschen wurden Auch beim Menschen wurden immer wieder anekdotisch Beispiele solcher immer wieder anekdotisch Beispiele solcher dauerhafter dauerhafter Störungen nach IsolationStörungen nach Isolation (Kaspar Hauser-Befunde) (Kaspar Hauser-Befunde) berichtet.berichtet.

Inaktivierung und Absterben unbenutzter NeuroneInaktivierung und Absterben unbenutzter Neurone

Durch Durch simultanes Feuernsimultanes Feuern wird nicht nur die Stärke der wird nicht nur die Stärke der Verbindung der Verbindung der kooperierenden Synapsenkooperierenden Synapsen erhöht, erhöht, sondern gleichzeitig die der sondern gleichzeitig die der inaktiveninaktiven benachbarten benachbarten Synapsen geschwächt. Synapsen geschwächt.

Durch die Durch die simultan aktiven Synapsensimultan aktiven Synapsen wird aktivitätsabhängig wird aktivitätsabhängig der Nervenwachstumsfaktor der Nervenwachstumsfaktor (Nerve Growth Factor, NGF)(Nerve Growth Factor, NGF) von den benachbarten Synapsen »abgezogen«. von den benachbarten Synapsen »abgezogen«.

Bei Bei NichtNicht--Vorhandensein des NervenwachstumsfaktorsVorhandensein des Nervenwachstumsfaktors oder oder eines ähnlichen, auf den postsynaptischen Zellen eines ähnlichen, auf den postsynaptischen Zellen aktivierten Wachstumsfaktors sterben die benachbarten aktivierten Wachstumsfaktors sterben die benachbarten nicht-aktiven Zellen ab nicht-aktiven Zellen ab (»pruning«).(»pruning«).

Der Der Abbruch alter, Abbruch alter, störender Verbindungenstörender Verbindungen durch Absterben durch Absterben oder Funktionslosigkeit nicht benutzter Zellen ist somit oder Funktionslosigkeit nicht benutzter Zellen ist somit für die Entwicklung neuer Verhaltensweisen mindestens für die Entwicklung neuer Verhaltensweisen mindestens genau so wichtig wie der genau so wichtig wie der Aufbau neuer Aufbau neuer neuronaler neuronaler VerbindungenVerbindungen..

Hebb-SynapsenHebb-Synapsen I. I.

Hebb-RegelHebb-Regel. Dabei zeigt sich ein fundamentales Prinzip . Dabei zeigt sich ein fundamentales Prinzip neuronaler Plastizität, das auch Lernvorgängen zugrundeneuronaler Plastizität, das auch Lernvorgängen zugrunde liegt und das nach seinem Entdecker, dem kanadischen liegt und das nach seinem Entdecker, dem kanadischen Psychologen Psychologen Donald HebbDonald Hebb als als Hebb-RegelHebb-Regel bezeichnet bezeichnet wird:wird:

»Wenn ein Axon des Neurons A nahe genug an einem »Wenn ein Axon des Neurons A nahe genug an einem Neuron B liegt, sodass Zelle B wiederholt oder anhaltend Neuron B liegt, sodass Zelle B wiederholt oder anhaltend von Neuron A erregt wird, so wird die Effizienz von von Neuron A erregt wird, so wird die Effizienz von Neuron A für die Erregung von Neuron B durch einen Neuron A für die Erregung von Neuron B durch einen Wachstumsprozess oder eine Stoffwechseländerung in Wachstumsprozess oder eine Stoffwechseländerung in beiden oder einem der beiden Neurone erhöht.« beiden oder einem der beiden Neurone erhöht.«

Arbeitsweise von Hebb-SynapsenArbeitsweise von Hebb-Synapsen. Während die meisten . Während die meisten Neurone des Zentralnervensystems bei wiederholter Neurone des Zentralnervensystems bei wiederholter Erregung durch ein anderes Neuron ihre Feuerrate Erregung durch ein anderes Neuron ihre Feuerrate reduzieren oder nicht verändern, haben Hebb-Synapsen reduzieren oder nicht verändern, haben Hebb-Synapsen eben diese Eigenheit, eben diese Eigenheit, bei simultaner Erregung ihre bei simultaner Erregung ihre Verbindung zu verstärken.Verbindung zu verstärken.

Hebb-SynapsenHebb-Synapsen II. II. (A(An der Realisierung der Hebb-Regel sind im Allgemeinen zwei n der Realisierung der Hebb-Regel sind im Allgemeinen zwei

präsynaptische Elemente (Synapse 1 und 2) und eine präsynaptische Elemente (Synapse 1 und 2) und eine postsynaptische Zelle beteiligt: Nehmen wir an, Synapse 1 wird postsynaptische Zelle beteiligt: Nehmen wir an, Synapse 1 wird durch einen neutralen Ton erregt, der allein nicht ausreicht, die durch einen neutralen Ton erregt, der allein nicht ausreicht, die postsynaptische Zelle, an der sowohl Synapse 1 wie Synapse 2 postsynaptische Zelle, an der sowohl Synapse 1 wie Synapse 2 konvergieren, zum Feuern zu bringen. Nun wird Synapse 2, die z. B. konvergieren, zum Feuern zu bringen. Nun wird Synapse 2, die z. B. aus einer Zelle im Auge erregt wird, kurz nach oder gleichzeitig mit aus einer Zelle im Auge erregt wird, kurz nach oder gleichzeitig mit Synapse 1 durch einen Luftstoß auf das Auge erregt, der in der Synapse 1 durch einen Luftstoß auf das Auge erregt, der in der postsynaptischen Zelle z. B. die Aktivierung eines Blinkreflexes postsynaptischen Zelle z. B. die Aktivierung eines Blinkreflexes auslöst. Dieser Akt des auslöst. Dieser Akt des Feuerns der postsynaptischen Zelle, Feuerns der postsynaptischen Zelle, ausgelöst durch Synapse 2, verstärkt nun die Aktivität aller ausgelöst durch Synapse 2, verstärkt nun die Aktivität aller Synapsen, die an dieser postsynaptischen Zelle gerade Synapsen, die an dieser postsynaptischen Zelle gerade gleichzeitig gleichzeitig aktiv waren, so auch die Erregbarkeit der »schwachen« Synapse 1. aktiv waren, so auch die Erregbarkeit der »schwachen« Synapse 1. Nach mehreren zeitlichen Paarungen der beiden Reize, Ton und Nach mehreren zeitlichen Paarungen der beiden Reize, Ton und Luftstoß, wird die Synapse 1 zunehmend »stärker« und es genügt Luftstoß, wird die Synapse 1 zunehmend »stärker« und es genügt dann der Ton allein, um die postsynaptische Zelle zum Feuern zu dann der Ton allein, um die postsynaptische Zelle zum Feuern zu bringen und damit einen Blinkreflex auszulösen: bringen und damit einen Blinkreflex auszulösen: »Klassisches »Klassisches Konditionieren«Konditionieren« des Blinkreflexes wurde somit aufgebaut.des Blinkreflexes wurde somit aufgebaut.))

Beispielsweise ist für die Ausbildung der okularen Dominanzsäulen die Beispielsweise ist für die Ausbildung der okularen Dominanzsäulen die simultane Aktivierung prä- und postsynaptischer Elemente im simultane Aktivierung prä- und postsynaptischer Elemente im visuellen Kortex aus beiden Augen notwendig. visuellen Kortex aus beiden Augen notwendig. Zeitlich simultane Zeitlich simultane AktivierungAktivierung von präsynaptischen und postsynaptischen Elementen von präsynaptischen und postsynaptischen Elementen führt also zu einer funktionellen und anatomischen Stärkung der führt also zu einer funktionellen und anatomischen Stärkung der Verbindung zwischen prä- und postsynaptischem Element in Hebb-Verbindung zwischen prä- und postsynaptischem Element in Hebb-Synapsen.Synapsen.

Plastizität des Gehirns und LernenPlastizität des Gehirns und Lernen II II

Hebb-SynapsenHebb-Synapsen ( (Donald HebbDonald Hebb))Die Die Hebb-RegelHebb-Regel stellt die neurophysiologische stellt die neurophysiologische Grundlage derGrundlage der Bildung von Assoziationen daBildung von Assoziationen dar.r. Hebb-Synapsen haben die Hebb-Synapsen haben die Eigenheit, bei simultaner Erregung ihre Verbindung zuEigenheit, bei simultaner Erregung ihre Verbindung zu verstärkenverstärken

Einfluss der UmgebungEinfluss der Umgebung

Lernen und Erfahrung sind auf Lernen und Erfahrung sind auf Reize aus der UmgebungReize aus der Umgebung angewiesen und angewiesen und führen zu verschiedenen strukturellen Änderungen, vor allem an führen zu verschiedenen strukturellen Änderungen, vor allem an kortikalen Dendritenkortikalen Dendriten

Wirkung anregender und eintöniger Umgebung.Wirkung anregender und eintöniger Umgebung. Lernen und Erfahrung zu Lernen und Erfahrung zu einer Vielzahl spezifischer und unspezifischer histologischer und einer Vielzahl spezifischer und unspezifischer histologischer und mikrobiologischer Änderungen führen.mikrobiologischer Änderungen führen.

((Tiere, die in einer Tiere, die in einer stimulierenden Umgebungstimulierenden Umgebung aufwachsen, haben aufwachsen, haben dickere und schwerere Kortizes, eine erhöhte Anzahl dendritischer dickere und schwerere Kortizes, eine erhöhte Anzahl dendritischer Fortsätze und Fortsätze und dendritischer Spinesdendritischer Spines, erhöhte , erhöhte TransmittersyntheseratenTransmittersyntheseraten, v.a. des , v.a. des AzetylcholinsAzetylcholins und und GlutamatsGlutamats, , Verdickungen der Verdickungen der postsynaptischen (subsynaptischen) Membranen,postsynaptischen (subsynaptischen) Membranen, Vergrößerungen von Zellkörpern und Zellkernen sowie Zunahmen Vergrößerungen von Zellkörpern und Zellkernen sowie Zunahmen der Anzahl und der der Anzahl und der Aktivität von GliazellenAktivität von Gliazellen. Wenn man die Tiere . Wenn man die Tiere zusätzlich zu ihrem normalen Verhalten noch in spezifischen zusätzlich zu ihrem normalen Verhalten noch in spezifischen Lernaufgaben trainiert, so kommt es zu einem vermehrten Lernaufgaben trainiert, so kommt es zu einem vermehrten Auswachsen von Auswachsen von Verzweigungen der apikalen und basalen DendritenVerzweigungen der apikalen und basalen Dendriten der kortikalen und hippokampalen Pyramidenzellen. Dieses der kortikalen und hippokampalen Pyramidenzellen. Dieses Wachstum geht mit einer Wachstum geht mit einer Vergrößerung der dendritischen SpinesVergrößerung der dendritischen Spines einher.einher.

Ort Ort und Art des Lernensund Art des Lernens. Diese Befunde machen wahrscheinlich, dass die . Diese Befunde machen wahrscheinlich, dass die apikalen dendritischen Synapsen und Spinesapikalen dendritischen Synapsen und Spines als ein wesentlicher Ort als ein wesentlicher Ort des Lernens betrachtet werden können.des Lernens betrachtet werden können.

Kortikale Kortikale KartenKarten I. I.

Die meisten Verbindungen zwischen Die meisten Verbindungen zwischen präsynaptischem und postsynaptischem Neuron präsynaptischem und postsynaptischem Neuron bestehen bereits vor der eigentlichen bestehen bereits vor der eigentlichen Lernbedingung, sodass durch Lernen vor allem Lernbedingung, sodass durch Lernen vor allem »stumme« synaptische Verbindungen »geweckt« »stumme« synaptische Verbindungen »geweckt« werdenwerden. Die Herstellung neuer Verbindungen . Die Herstellung neuer Verbindungen scheint dagegen selten zu sein. Die scheint dagegen selten zu sein. Die physiologischen und histologischen Änderungen physiologischen und histologischen Änderungen sind sind ortsspezifischortsspezifisch, d.h. sie finden dort statt, wo , d.h. sie finden dort statt, wo der Lernprozess vermutet werden kann, nämlich der Lernprozess vermutet werden kann, nämlich in der in der Umgebung der aktiven sensomotorischen Umgebung der aktiven sensomotorischen VerbindungenVerbindungen..

Kortikale Kortikale KartenKarten II. II.

Durch Lernprozesse kommt es zur Ausbreitung oder Durch Lernprozesse kommt es zur Ausbreitung oder Reduktion kortikaler Repräsentationen und KartenReduktion kortikaler Repräsentationen und Karten. . Auf Auf anatomischer Ebene zeigen sich aktivitätsabhängige anatomischer Ebene zeigen sich aktivitätsabhängige Änderungen auch an den Änderungen auch an den Modifikationen kortikaler KartenModifikationen kortikaler Karten im Gehirn. Wenn z. B. ein Tier eine bestimmte Bewegung im Gehirn. Wenn z. B. ein Tier eine bestimmte Bewegung über einen längeren Zeitraum übt, so lässt sich eine über einen längeren Zeitraum übt, so lässt sich eine Ausbreitung des »geübten« somatotopischen Areals Ausbreitung des »geübten« somatotopischen Areals (rezeptives Feld) auf benachbarte Areale nachweisen(rezeptives Feld) auf benachbarte Areale nachweisen. . Es Es lassen sich dann Zellantworten, z. B. von der postzentralen lassen sich dann Zellantworten, z. B. von der postzentralen Handregion, über früher nicht aktiven Hirnarealen, ableiten.Handregion, über früher nicht aktiven Hirnarealen, ableiten.

Diese Diese topographischen Kartentopographischen Karten sind von sind von Individuum zu Individuum zu Individuum verschieden,Individuum verschieden, je nach der bevorzugten Aktivität je nach der bevorzugten Aktivität des Sinnessystems oder des jeweiligen motorischen des Sinnessystems oder des jeweiligen motorischen Outputs. Die Outputs. Die erworbene Individualitäterworbene Individualität eines Organismus (in eines Organismus (in Abgrenzung von der genetischen) könnte somit in Abgrenzung von der genetischen) könnte somit in unterschiedlichen topographischen (ortssensitiven) und unterschiedlichen topographischen (ortssensitiven) und zeitsensitiven Hirnkarten repräsentiert sein. -zeitsensitiven Hirnkarten repräsentiert sein. -

Phantomschmerz Phantomschmerz II

Nach AmputationNach Amputation eines Glieds, Armes oder der eines Glieds, Armes oder der Brust (bei Frauen) und auch bei Brust (bei Frauen) und auch bei Querschnittslähmungen kommt es häufig zu Querschnittslähmungen kommt es häufig zu Phantomempfindungen und –schmerzenPhantomempfindungen und –schmerzen. . Der Der (die) Patient(in) spürt dabei deutlich und oft (die) Patient(in) spürt dabei deutlich und oft quälend das nicht mehr vorhandene Glied oder quälend das nicht mehr vorhandene Glied oder Teile desselben.Teile desselben.

Dabei ist auffällig, dass nach Reizung von Stumpf Dabei ist auffällig, dass nach Reizung von Stumpf oder Lippe der amputierten Seite ein starkes oder Lippe der amputierten Seite ein starkes magnetisches Feld über dem Fingerareal auftritt. magnetisches Feld über dem Fingerareal auftritt. Je größer die Je größer die Verschiebung der RepräsentationVerschiebung der Repräsentation von Lippe oder Gesicht, um so größer der von Lippe oder Gesicht, um so größer der Phantomschmerz.Phantomschmerz.

Phantomschmerz Phantomschmerz IIII

Bei der Modifikation solcher topographischer Bei der Modifikation solcher topographischer (ortssensitiver) oder zeitsensitiver Hirnkarten (z. (ortssensitiver) oder zeitsensitiver Hirnkarten (z. B. im akustischen System) zeigt sich wieder, B. im akustischen System) zeigt sich wieder, dass die dass die Hebb-RegelHebb-Regel Gültigkeit hat: die Gültigkeit hat: die Ausweitung einer topographischen Ausweitung einer topographischen Repräsentation durch Lernen wird durch Repräsentation durch Lernen wird durch gleichzeitige gleichzeitige AktivierungAktivierung einzelner Zellen von einzelner Zellen von zwei benachbarten Fasern aus benachbarten zwei benachbarten Fasern aus benachbarten Haut- oder Handregionen, z. B. bei Haut- oder Handregionen, z. B. bei sensomotorischen Aufgaben bewirkt. Es ist also sensomotorischen Aufgaben bewirkt. Es ist also nicht nur der rein quantitative Anstieg der nicht nur der rein quantitative Anstieg der Aktivität, der für die anatomischen Aktivität, der für die anatomischen Veränderungen verantwortlich ist, sondern die Veränderungen verantwortlich ist, sondern die durch durch synchrone Aktivitätsynchrone Aktivität ausgelösten ausgelösten VeränderungenVeränderungen

ZusammenfassungZusammenfassung

Für einen Für einen erfolgreichen Lernprozesserfolgreichen Lernprozess sind verschiedene sind verschiedene ParameterParameter notwendig: notwendig:

Genetisch bestimmte ReifungGenetisch bestimmte Reifung des Nervensystems, des Nervensystems, Ausbildung spezifischer synaptischerAusbildung spezifischer synaptischer VerbindungenVerbindungen

unter dem Einfluss von Umwelteinflüssen,unter dem Einfluss von Umwelteinflüssen, Abbau »überflüssiger« synaptischerAbbau »überflüssiger« synaptischer Verbindungen Verbindungen

(Pruning)(Pruning) unter dem Einfluss von Umwelteinflüssen.unter dem Einfluss von Umwelteinflüssen.

Da eine Da eine stimulierende Umgebungstimulierende Umgebung die Voraussetzung für die die Voraussetzung für die Modifikation der synaptischen Verbindungen darstellt, Modifikation der synaptischen Verbindungen darstellt, gelingt diese in anregender Umgebung besser als in gelingt diese in anregender Umgebung besser als in verarmter.verarmter.

Neuronale GrundlagenNeuronale Grundlagen:: Die makroskopischen und Die makroskopischen und mikroskopischen Veränderungen des Gehirns durch mikroskopischen Veränderungen des Gehirns durch Lernen folgen der Lernen folgen der Hebb-RegelHebb-Regel: gleichzeitige Aktivierung : gleichzeitige Aktivierung einer Zelleeiner Zelle