Die moderne Gehirnforschung begann mit der Phrenologie, als Franz Joseph Gall Zusammenhänge zwischen Arealen des Gehirns und kognitiven Funktionen herstellte.
Zum Thema ‘Gehirnforschung’
Wie entstehen episodische Erinnerungen?
Episodische Erinnerungen hängen von der menschlichen Fähigkeit ab, eine breite Palette multisensorischer Informationen zu verarbeiten und diese Informationen in eine kohärente, einprägsame Darstellung zu integrieren. Auf neuronaler Ebene werden diese beiden Prozesse durch neocortikale Alpha/Beta-Desynchronisation (8 bis 20 Hz) bzw. Hippocampus-Theta/Gamma-Synchronisation (40 bis 50 Hz) unterstützt.
Episodische Erinnerungen zeigen Menschen daher deren persönlich erlebte Vergangenheit, wobei man bisher vermutet hat, dass die Bildung und das Abrufen dieser Erinnerungen durch eine Arbeitsteilung zwischen dem Neocortex und dem Hippocampus unterstützt wird, wobei der erste ereignisbezogene Informationen verarbeitet und der zweite diese Informationen miteinander verbindet. Dabei wurde bisher davon ausgegangen, dass sich diese beiden Prozesse koppeln, um erfolgreich episodische Erinnerungen zu erzeugen und auch wieder abzurufen. Griffiths et al. (2019) haben nun am Menschen gezeigt, dass dieser Informationsfluss in den Hippocampus und aus dem Hippocampus durch elektrische Oszillationen verfolgt werden kann, also phasenhafte Schwingungen, die Neuronen während der Verarbeitung von Prozessen generieren. Demnach beruhen Gedächtnisbildung und -abruf wesentlich auf Synchronisationsprozessen im Hippocampus und Desynchronisationsprozesse im Cortex, wobei das Verständnis dieser Interaktionen zwischen den verschiedenen Zentren beim Aufbau von Erinnerungen eine Basis dafür bildet, etwa Gedächtnisstörungen besser behandeln zu können.
Die Forscher fanden nun, dass sich dieser Prozess während des Gedächtnisabrufs umkehrt, wobei ein bidirektionaler Informationsfluss zwischen dem Neocortex und dem Hippocampus von grundlegender Bedeutung für die Bildung und den Abruf episodischer Erinnerungen ist. Die ForscherInnen vermuten nun, dass diese Kopplung den Informationsfluss vom Neocortex zum Hippocampus während der Gedächtnisbildung widerspiegelt, und die Vervollständigung des Hippocampus-Musters, die eine Wiederherstellung der Informationen im Neocortex während des Speicherabrufs bewirkt.
Literatur
Griffiths, Benjamin J., Parish, George, Roux, Frederic, Michelmann, Sebastian, van der Plas, Mircea, Kolibius, Luca D., Chelvarajah, Ramesh, Rollings, David T., Sawlani, Vijay, Hamer, Hajo, Gollwitzer, Stephanie, Kreiselmeyer, Gernot, Staresina, Bernhard, Wimber, Maria & Hanslmayr, Simon (2019). Directional coupling of slow and fast hippocampal gamma with neocortical alpha/beta oscillations in human episodic memory. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116, doi:10.1073/pnas.1914180116.
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Erinnern ist immer auch Ergänzen
Da das menschliche Gedächtnis erfahrungsgemäß nicht in der Lage ist, sich an alle Details einer vergangenen Erfahrung zu erinnern, füllt es solche Lücken mit wahrscheinlichen Informationen auf. Um nun zu überprüfen, wie das Gehirn solche Gedächtnisinhalte beim Erinnern ergänzt, haben Staresina et al. (2019) Versuchspersonen in acht Versuchsdurchgängen jeweils zehn Landschaftsbilder gezeigt, wobei in jeder Aufnahme ein Detailfoto mit einem von zwei Objekten eingefügt war, etwa eine Himbeere oder ein Skorpion. Die Probanden – Epilepsiepatienten, denen Elektroden ins Gehirn eingepflanzt worden waren – durften jedes der zusammengesetzten Fotos drei Sekunden lang betrachten. Nach einer Pause erhielten sie in einem zweiten Durchgang nur die Landschaften zu sehen und sollten dann angeben, ob dort ursprünglich zusätzlich die Himbeere oder der Skorpion aufgetaucht waren. In der Erinnerungsphase feuerten zunächst die Nervenzellen im Hippocampus, was auch bei einer Kontrollaufgabe der Fall war, bei der die Probanden sich nur einfache Landschaftsaufnahmen einprägen mussten. Bei der Aufgabe, in der die Bilder eine zusätzliche Information enthalten hatten, dauerte die Aktivität des Hippocampus jedoch deutlich länger, wobei während dieser Verlängerung zusätzlich Neuronen im entorhinalen Cortex zu feuern begannen. Dieses Aktivitätsmuster im Cortex ähnelte stark der Erregung, die man dort in der Lernphase gemessen hatte, also bei der Betrachtung des zusammengesetzten Bildes. Diese Ähnlichkeit ging so weit, dass eine Analysesoftware aus der Aktivität des entorhinalen Cortex ablesen konnte, ob sich der jeweilige Teilnehmer gerade an einen Skorpion oder eine Himbeere erinnerte. Dabei handelt es sich um eine Re-Instanziierung, d. h., die Erinnerung versetzt die Nervenzellen in einen ähnlichen Zustand, wie sie ihn beim Betrachten des Fotos hatten. Vermutlich ist der Hippocampus für diese Re-Instanziierung verantwortlich, wobei die hippocampalen Nervenzellen, die in der Verlängerung aktiv werden, mit ihrem Erregungsmuster dem Gedächtnis möglicherweise mitteilen, wo genau der fehlende Teil der Erinnerung abgelegt ist.
Literatur
Staresina, Bernhard P., Reber, Thomas P., Niediek, Johannes, Boström, Jan, Elger, Christian E. & Mormann, Florian (2019). Recollection in the human hippocampal-entorhinal cell circuitry. Nature Communications, doi:10.1038/s41467-019-09558-3.
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Wahrnehmung und Aufmerksamkeit verändern sich im Alter
Oft leiden ältere Menschen unter Gedächtnis- oder Konzentrationsproblemen und befürchten, darin die Anzeichen einer beginnenden Demenz zu erkennen. Daher sind Untersuchungen wichtig, die herausfinden, wie sich die Wahrnehmung und Aufmerksamkeit im Alter verändern und worin sich diese Veränderungen beim gesunden Altern von einer beginnenden Demenz unterscheiden. So weiß man, dass die Geschwindigkeit aller geistigen Prozesse mit dem Lebensalter kontinuierlich abnimmt, und zwar linear bereits ab dem jüngeren Erwachsenenalter. Es zeigt sich, dass die Wahrnehmung stark von Erwartungen beeinflusst wird, wobei nicht alle Aufmerksamkeitsleistungen bei gesunden älteren Menschen verringert sind, und dass auch diese noch sehr gut in der Lage sind, sich auf Wichtiges zu konzentrieren und dabei Hinweise zu nutzen, um ihre Aufmerksamkeit und Wahrnehmung zu verbessern. Auch ist das Nachlassen der Wahrnehmungsgeschwindigkeit im Alter individuell sehr unterschiedlich ausgeprägt, was offenbar damit zusammenhängt, ob und wie stark sich die Organisation von Hirnnetzwerken verändert. Man fand in Untersuchungen typische Veränderungen in der Konnektivität bestimmter Areale, die im Zusammenhang mit der Verlangsamung der Sinnesverarbeitung stehen.
Literatur
Ruiz-Rizzo, A. L., Neitzel, J., Müller, H. J., Sorg, C. & Finke, K. (2018). Distinctive correspondence between separable visual attention functions and intrinsic brain networks. Frontiers in Human Neuroscience, 12, 89.
Ruiz-Rizzo, A. L. et al. (2019). Decreased cingulo-opercular network functional connectivity mediates the impact of aging on visual processing speed. Neurobiology of Aging, 73, 50-60.
Haupt, M., Sorg, C., Napiórkowski, N. & Finke, K. (2018). Phasic alertness cues modulate visual processing speed in healthy aging. Neurobiology of Aging, 70, 30-39.
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