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Lernen und Gedächtnis im Schlaf

Hausarbeit (Hauptseminar) 2014 20 Seiten

Biologie - Humanbiologie

Leseprobe

Inhalt

Einleitung

II. Theoretische Grundlagen
II.1. Schlaf und Schlafphasen
II.2. Lernen und Gedächtnis
II.3. Gehirnareale und ihre Funktionen beim Lernen

III. Lernen und Gedächtnis im Schlaf
III.1. Die Theorie der aktiven Systemkonsolidierung
III.2. Qualitative und quantitative Gedächtniskonsolidierung
III.3. Schlafzeitpunkt und andere Faktoren
III.4. Konsolidierung im SWS und im REM Schlaf
III. 5. Neuronales Replay und Hippocampal-kortikaler Dialog
III.6. Synaptische Homöostase

IV. Diskussion

V. Literatur

I. Einleitung

Warum wir schlafen müssen und welche Vorgänge genau während des Schlafes im Ge- hirn stattfinden, ist eine Frage, die heute noch sehr aktuell und nicht weitreichend er- forscht ist. Keine bestehende Theorie, die erklären kann, warum der Schlaf für uns le- bensnotwendig ist, konnte sich bisher durchsetzen. Wie wir jedoch wissen, spielt der Schlaf eine besondere Rolle, wenn es um die Einordnung, Umstrukturierung und Festi- gung von Erinnerungen geht. Hier soll nun darauf eingegangen werden, was die neusten Erkenntnisse im Hinblick auf diese sogenannte Gedächtniskonsolidierung im Schlaf sind, wie das Gehirn im Schlaf mit neuen Lerninhalten umgeht, sie sortiert und verar- beitet.

Dazu soll zunächst auf die theoretischen Grundlagen des Schlafes im Allgemeinen (z.B. verschiedene Schlafphasen) eingegangen werden sowie auf die Grundlagen von Lernen und Gedächtnis und auch auf die verschiedenen Gehirnareale, in denen die Lerninhalte verarbeitet werden. So kann dann im nächsten Teil näher dargestellt werden, welche Phasen während des Schlafs für die Gedächtniskonsolidierung von besonderer Bedeu- tung sind und welche verschiedenen Arten des Lernens auf unterschiedliche Weise im Schlaf verarbeitet werden. Dazu sollen aktuelle Studien und Aufsätze herangezogen und genauer vorgestellt werden, die sich mit diesem Thema auseinandergesetzt haben.

Besonders hervorzuheben ist dabei die Arbeit von Susanne Diekelmann und Jan Born: The memory function of sleep (2010)1 . Jan Born, Neurowissenschaftler an der Universi- tät Tübingen, ist einer der Vorreiter im Gebiet der Schlaf- und Gedächtnisforschung, die sich mit dem Schwerpunkt Gedächtniskonsolidierung während des Schlafes beschäftigt. Außerdem liegen zahlreiche andere Studien vor, die darauf abzielten, herauszufinden, inwieweit sich die Gedächtnisleistung im Schlaf verbessert bzw. welche Faktoren die Gedächtniskonsolidierung beeinflussen können. Außerdem werden verschiedene Mo- delle vorgestellt, die den Ablauf der Gedächtniskonsolidierung während des Schlafs erklären sollen, z.B. das Modell der aktiven Systemkonsolidierung, welches auf dem Zwei-Stufen-Modell von Kurz- und Langzeitgedächtnis basiert oder auch das Modell der synaptischen Homöostase.

II. Theoretische Grundlagen

II.1. Schlaf und Schlafphasen

Anfang der 1920er Jahre gelang dem deutschen Psychiater Hans Berger die Entwick- lung des Enzephalogramms (EEG) mit dem die Messung der elektrischen Hirnströme möglich wurde. Wie sich herausstellte, verändern sich diese Hirnströme im Laufe der Nacht im menschlichen Schlaf wesentlich. So wurden z.B. durch Blake und Gerard langsamer werdende EEG Wellen im Schlaf nachgewiesen, dies wurde später mit einer zunehmenden Schlaftiefe in Verbindung gebracht2. Anfang der 1950er Jahre beschrie- ben Aserinsky und Kleitmann Auffälligkeiten in Form von plötzlich einsetzenden, schnellen Augenbewegungen3. Die Schlafphase, in der dieses Phänomen am häufigsten auftritt, wurde dementsprechend REM Schlaf (rapid eye movement sleep) genannt. Durch Experimente, bei denen Probanden gezielt aus dem REM Schlaf geweckt wur- den, ist außerdem bekannt, dass diese Phase besonders mit lebhaften Träumen einher- geht. Daher wird der REM Schlaf auch oft Traumschlaf genannt.

Später wurden die Schlafphasen des normalen Schlafes nach noch genaueren Kriterien, die sich aus der Auswertung des EEG ergaben, standardisiert und eingeteilt. Demnach unterscheidet man, abgesehen vom Wachzustand, zwischen fünf verschiedenen Schlaf- stadien. Davon ist einer der REM-Schlaf, die anderen non-REM Schlafstadien werden zumeist als S1-S4 gekennzeichnet, wobei S4 das tiefste Schlafstadium beschreibt. Die beiden tiefsten Schlafstadien S3 und S4 werden zusammen unter dem Namen SWS Schlaf (slow wave sleep) eingeordnet, oft auch Tiefschlaf genannt. Die Phasen S3 und S4 werden durch eine noch höhere Amplitude und niedrigere Frequenz der EEG Oszil- lationen als in den beiden vorhergehenden Stadien bestimmt. Liegt der Anteil dieser sogenannten Delta-Wellen über 50%, so befindet sich die Person im Stadium 4. Der REM Schlaf unterscheidet sich hingegen gravierend von den SWS Phasen. Die hier

auftretenden Wellen sind viel schneller und ähneln eher dem Stadium 1, was den Über- gang vom Wachzustand beschreibt oder im Schlaf nach Körperbewegungen auftritt4.

Der Verlauf der Schlafphasen von S1 bis zum REM Schlaf wird als ein Schlafzyklus beschrieben. Dieser dauert in der Regel von etwa 80 bis zu 100 Minuten und wiederholt sich während einer Nacht gewöhnlich vier bis sechs Mal5. Besonders fällt auf, dass in der ersten Hälfte der Nacht die SWS Phasen deutlich überwiegen, während in der zwei- ten Nachthälfte die REM Phasen, die von lebhaften Träumen geprägt sind, dominieren.

In der Abbildung 1a sehen wir einen typischen Verlauf einer Nacht, wie sie bei gesun- den jungen Erwachsenen auftritt. In Abbildung 1b sehen wir spezifische Muster von Oszillationen, wie sie in den verschiedenen Phasen besonders häufig auftreten. Typisch für den SWS Schlaf sind hierbei neben den langsamen Oszillationen auch die sogenann- ten Spindeln sowie die sharp-wave-ripples. Über diese Oszillationen können Rück- schlüsse auf Aktivitäten im Neokortex und Hippocampus geschlossen werden, die eng mit der Gedächtniskonsolidierung zusammenhängen, wie sich durch Experimente ge- zeigt hat (siehe auch III.5.). Der REM Schlaf wird hingegen typischerweise von PGO

(ponto-geniculo-occipital) Wellen und theta activity begleitet6.

Sowohl die Schlafdauer wie auch die Schlafarchitektur ändern sich jedoch im Laufe des Lebens erheblich. Beispielsweise ist der Anteil an REM Schlaf während der ersten Le- bensmonate ungefähr doppelt so hoch wie beim Erwachsenen. Der Tiefschlaf in der 4.

Phase nimmt kontinuierlich im Laufe des Lebens deutlich ab, so ist er bei jungen Men- schen noch sehr ausgeprägt, während er im Alter fast gar nicht mehr vorkommt7.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1. Schlafphasen und Oszillationen. Born, S.115.

II.2. Lernen und Gedächtnis

Lernen und Gedächtnis bezieht drei unterschiedliche Phasen ein: Informationsaufnah- me, Konsolidierung und Informationsabruf. Je nach Art der Information finden diese Prozesse auf verschiedene Weise statt. Grundsätzlich kann das Gedächtnis in zwei Komponenten unterteilt werden: Das Kurzzeitgedächtnis (auch Arbeitsgedächtnis ge- nannt) sowie das Langzeitgedächtnis. Im Kurzzeitgedächtnis werden Inhalte nur vorü- bergehend behalten, bevor sie entweder vergessen oder ins Langzeitgedächtnis übertra- gen werden.

Eine nähere Unterteilung des Langzeitgedächtnisses ist in Abb. 2 zu sehen. Hier wird grundsätzlich zwischen dem deklarativen und dem prozeduralen (oder auch non- deklarativen) Gedächtnis unterschieden. Das deklarative Gedächtnis ermöglicht es uns, uns an Fakten und Ereignisse zu erinnern. Um die Information abzurufen wird ein akti- ver Suchprozess benötigt. Das deklarative Gedächtnis kann erneut unterteilt werden in das episodische Gedächtnis („Ereigniswissen“) und das semantische Gedächtnis („Fak- tenwissen“). Im episodischen Gedächtnis werden Ereignisse bzw. Erlebnisse aus der eigenen Vergangenheit gespeichert (was ist passiert, wo und wann?). Im semantischen Gedächtnis wird hingegen allgemeines Wissen um Fakten und Bedeutungen (die nicht unbedingt an ein spezifisches Ereignis gebunden sind) verankert. Beispielsweise „Paris ist die Hauptstadt von Frankreich“. Deklarative Gedächtnisinhalte werden meist be- wusst aufgenommen und wieder abgerufen, dieser Vorgang wird als explizites Lernen bezeichnet8.

Im prozeduralen (non-deklarativen) Gedächtnis werden z.B. motorische Fertigkeiten erlernt (Klavierspielen, Gehen, Fahrradfahren). Diese Inhalte werden zumeist unbe- wusst erlernt und abgerufen (Implizites Lernen). Wir können z.B. gehen oder Fahrrad fahren ohne uns dabei bewusst an jede Muskelbewegung erinnern zu müssen. Ebenfalls Teil des non-deklarativen Gedächtnisses ist die klassische oder die operante Konditio- nierung (auch hier wird unbewusst gelernt). Das sogenannte Priming – ebenfalls Teil des non-deklarativen Gedächtnisses – beschreibt eine unbewusste Erwartungshaltung, die wir gegenüber einem bestimmten Reiz einnehmen, da ein vorangegangener Reiz uns beeinflusst hat. So werden z.B. Gegenstände, die wir nur im Augenwinkel gesehen ha- ben und nicht bewusst wahrgenommen haben, wenn wir ihnen erneut in Form eines Reizes begegnen, besser erkannt, als wie wenn wir sie noch nie gesehen hätten. Ein an- deres Beispiel wäre, dass etwa die Bedeutung des Wortes „Krankenschwester“ schneller erfasst wird, wenn wir zuvor schon das Wort „Doktor“ gelesen haben. Auch hier wird unbewusst, nachdem wir die Bedeutung des ersten Wortes erfasst haben, eine Erwar- tungshaltung eingenommen, welche die Erfassung des folgenden Reizes beeinflussen kann9.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2. Langzeitgedächtnis. Birbaumer, S. 203.

II.3. Gehirnareale und ihre Funktionen beim Lernen

Unterschiedliche Gedächtnisinhalte werden in unterschiedlichen Bereichen des Gehirns verarbeitet und gespeichert. In Abbildung 3 sieht man den Querschnitt des Gehirns und fürs Lernen relevante Hirnbereiche. Eine bedeutende Rolle für alle Arten von Lerninhal- ten spielt der Neokortex (oder auch: Großhirnrinde, engl.: cerebral cortex), insbesonde- re für die Langzeitspeicherung von Informationen, aber auch für die Verarbeitung von Inhalten des Kurzzeitgedächtnis die dann ebenso noch in anderen Hirnbereichen um- strukturiert werden. Für das Kurzzeitgedächtnis ist im Neokortex vor allem der präfrontale Bereich zuständig. In anderen Bereichen werden sowohl deklarative als auch prozedurale Gedächtnisinhalte aufgenommen, nachdem sie in anderen Hirnbereichen verarbeitet wurden. Für die Weiterverarbeitung von prozeduralen Gedächtnisinhalten ist außer dem motorischen Kortex (mittlerer Bereich im Neokortex, der sich in einem Strei- fen von der einen zur anderen Seite erstreckt) insbesondere das Striatum mit den Basal- ganglien von Bedeutung. Aber auch das Zerebellum spielt eine entscheidende Rolle bei der prozeduralen Gedächtnisverarbeitung, insbesondere was die zeitliche und räumliche Abstimmung motorischer Fähigkeiten angeht und auch bei der Konditionierung10.

Für deklaratives Lernen ist abgesehen vom Neokortex der Hippocampus der wichtigste Bereich im Gehirn. Hier werden deklarative Inhalte reaktiviert, verarbeitet und zurück in andere Bereiche des Neokortex näher des Hippocampus zur Langzeitspeicherung übertragen. Bei der Konsolidierung deklarativer Gedächtnisinhalte lässt sich daher ein fortlaufender Dialog von Informationsabläufen zwischen Hippocampus und Neokortex feststellen. Man spricht hier auch von Hippocampus-abhängigen Lernvorgängen, wäh- rend das Erlernen prozeduraler Informationen als Hippocampus-unabhängig bezeichnet wird (siehe auch Kap. III)11.

Natürlich können bei Lernvorgängen auch sehr unterschiedliche Faktoren zusammen- spielen, z.B. können Lerninhalte auch mit Emotionen verknüpft sein. Diese werden im Gehirn vor allem in der Amygdala verarbeitet und können sowohl auf deklarative als auch auf prozedurale Lernvorgänge Einfluss haben. Beispielsweise können besonders emotionsreiche Erlebnisse zu deutlich lebhafteren und langanhaltenden deklarativen Erinnerungen führen. Ebenso können Lerninhalte mit einer bestimmten Motivation ver- bunden sein (z.B. Belohnung oder Bestrafung), was nachweislich auch das Ergebnis der Lernleistung beeinflussen kann, da auch hier andere Bereiche im Gehirn an der Verar- beitung der Informationen mitwirken12.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Aktivierte Gehirnareale beim Lernen. Eichenbaum, S. 1747.

III. Lernen und Gedächtnis im Schlaf

III.1. Die Theorie der aktiven Systemkonsolidierung

Ein grundlegendes Problem bei der Bildung des Langzeitgedächtnis ist das sogenannte Dilemma zwischen Plastizität und Stabilität, d.h. das Problem, wie das Gehirn neue Informationen speichern kann (Plastizität), ohne dabei alte Informationen zu über- schreiben (Stabilität). Zur Lösung dieses Problems ist heutzutage das bereits zuvor er- wähnte zwei-Stufen-Modell von Kurz- bzw. Langzeitgedächtnis allgemein anerkannt. Im Kurzzeitgedächtnis können Informationen schneller gelernt werden und es dient als zwischenzeitlicher Puffer, der die Informationen nur vorübergehend behält. Das Lang- zeitgedächtnis nimmt Informationen langsamer auf, dient dafür aber als längerfristiger Speicher.

Jan Born und Susanne Diekelmann entwickeln zur Erklärung der Gedächtniskonsolidie- rung das Modell der sogenannten aktiven Systemkonsolidierung (active system consolidation). Die Theorie der aktiven Systemkonsolidierung besagt, dass neue Infor- mationen zunächst in beiden Speichern aufgenommen werden. Im darauffolgenden Konsolidierungsprozess werden die neu aufgenommenen Informationen wiederholt im Kurzzeitspeicher reaktiviert, was eine gleichzeitige Reaktivierung im Langzeitspeicher anregt. Auf diese Weise werden neue Erinnerungen schrittweise neu verteilt, so dass Informationen im Langzeitgedächtnis gefestigt werden. Dabei werden neue Erinnerun- gen nicht isoliert reaktiviert, sondern zusammen mit anderen, älteren Erinnerungen in Verbindung gebracht, die einen Bezug oder eine Ähnlichkeit gegenüber den neuen Er- innerungen aufweisen. So agiert das Kurzzeitgedächtnis gewissermaßen als „Trainer“ des Langzeitgedächtnisses, der neue Erinnerungen nach und nach an das bereits existie- rende Netzwerk von Informationen im Langzeitspeicher anpasst. Diese Theorie wird „Systemkonsolidierung“ genannt, weil es dabei zu einer Neuverteilung von Informatio- nen zwischen zwei verschiedenen neuronalen Systemen, nämlich dem Kurz- und dem Langzeitgedächtnis, kommt. Bei deklarativen Lerninhalten werden diese Systeme ins- besondere durch den Hippocampus als Kurzzeitspeicher bzw. durch den Neokortex als Langzeitspeicher repräsentiert. Da im Wachheitszustand das Gehirn vor allem mit der Aufnahme von neuen Informationen beschäftigt ist, findet dieser Konsolidierungspro- zess zwar nicht ausschließlich, aber doch hauptsächlich während des Schlafes statt. Die aufgestellte Hypothese wäre also, dass wir schlafen müssen und den damit einherge- henden Verlust des Bewusstseins in Kauf nehmen müssen, damit unser Gehirn nicht der Interferenz von ständig eingehenden Reizen ausgesetzt ist, die die Gedächtniskonsoli- dierung behindern würden13.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Zwei-Stufen Gedächtnismodell. Born, S.118.

[...]


1 Born J, Diekelmann S: The memory function of sleep. Nat Rev Neurosci 11: 114-126 (2010) .

2 Engelmann S.: Prozedurale Gedächtniskonsolidierung während Schlaf- und ruhiger Wachperioden am Tag, Phil. Diss., Freiburg 2010, S.2.

3 Ebd., S.2.

4 Born: Memory, S.115.

5 Engelmann: Gedächtniskonsolidierung, S.4.

6 Born: Memory, S.115.

7 Engelmann: Gedächtniskonsolidierung, S.5.

8 Vgl. Birbaumer N, Schmidt R: Biologische Psychologie. 7. überarb. u. erg. Auflage, Heidelberg 2010, S.201.; Brudy J: Schlaf und Gedächtnis. Spektralanalyse des Schlaf-Elektroenzephalogramms und Ge- dächtniskonsolidierung bei Patienten mit primärer Insomnie und gesunden Probanden, Phil. Diss., Frei- burg 2009, S. 21f..

9 Vgl. Birbaumer: Psychologie, S. 202.

10 Eichenbaum H.: Memory and the Brain. Scholarpedia 3(3) (2008), S.1747.

11 Vgl. Born: Memory, S.114.

12 Ebd., S.116.

13 Vgl. Born: Memory, S. 118; Göder R. et al.: Schlaf, Lernen und Gedächtnis. Relevanz für Psychiatrie und Psychotheorapie. Heidelberg 2014, S.50.

Details

Seiten
20
Jahr
2014
ISBN (eBook)
9783656823766
ISBN (Buch)
9783656827221
Dateigröße
987 KB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v283193
Institution / Hochschule
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Note
1,7
Schlagworte
lernen gedächtnis schlaf

Autor

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Titel: Lernen und Gedächtnis im Schlaf