Umlernen: Mechanismus im Gehirn entdeckt

Joël Frei
Forschung
Verband
Welche biologischen Prozesse liegen dem Umlernen zugrunde? Forschende der Universität Zürich entdecken Gehirnmechanismus.

Menschen wie auch Tiere haben eine erstaunliche Fähigkeit, sich an neue Umweltbedingungen anzupassen. Das zeigt sich auch während der Corona-­Pandemie. Die meisten begrüssen sich ohne Händeschütteln, man reist mit Maske im öffentlichen Verkehr und niest in die Armbeuge. Doch nicht nur in einer Ausnahmesituation ist die Fähigkeit, gewohntes Verhalten abzulegen und ein neues zu erlernen, unabdingbar.

Doch welche biologischen Prozesse liegen dem Umlernen zugrunde? Zwar weiss man, dass die Grundlage für diese Fähigkeit die neuronale Plastizität ist. Doch Forschende verstehen die ihr zugrunde liegenden Mechanismen noch sehr unvollständig. Einer Forschungsgruppe um Fritjof Helmchen, Professor für Neurowissenschaften an der Universität Zürich, gelang es nun in einem Experiment mit Mäusen, mehr über diese Mechanismen zu erfahren.

Dafür simulierten die Forschenden einen Lernprozess unter kontrollierten Bedingungen und analysierten dabei anhand von molekularbiologischen und bildgebenden Techniken die Funktion einzelner Nervenzellen in den beteiligten Hirnarealen. Die Mäuse wurden erst in einer spezifischen Verhaltensweise trainiert und mussten in einer zweiten Phase des Experiments ein neues Verhalten lernen. 

Die Analysen ergaben, dass eine Gruppe von Hirnzellen des orbitofrontalen Kortex während des Umlernens besonders aktiv ist. Diese Zellen haben lange Fortsätze, die bis in das Areal der sensorischen Nervenzellen reichen, die bei Mäusen Tastreize verarbeiten. In diesem Areal folgten die Zellen zunächst dem alten Aktivitätsmuster, ein Teil passte sich dann aber der neuen Situation an. Wurden die betreffenden Hirnzellen des orbitofrontalen Kortex gezielt ausgeschaltet, so funktionierte das Umlernen nicht und die Nervenzellen im sensorischen Areal zeigten keine Anpassung ihrer Aktivität. «Wir konnten also zeigen, dass eine direkte Verbindung vom orbitofrontalen Kortex zu sensorischen Hirnarealen besteht, und dass dort ein Teil der Nervenzellen umgepolt wird», schreibt Fritjof Helmchen. Der Neurowissenschaftler folgert: «Die Plastizität dieser Zellen und die Instruktion durch die höhere Instanz des orbitofrontalen Kortex scheinen für die Flexibilität unseres Verhaltens und die Möglichkeit, sich auf neue Situationen einzustellen, entscheidend.»

Die Forschenden gehen davon aus, dass sich diese Prozesse in ähnlicher Weise auch im menschlichen Gehirn abspielen. Sollte dies der Fall sein, könnten ihre Erkenntnisse zum besseren Verständnis von psychischen Erkrankungen, bei denen die Flexibi­lität des Verhaltens gestört ist, beitragen – etwa bei Formen von Autismus und Schizophrenie. 

Banerjee, A., Parente, G., Teutsch, J., Lewis, C., Voigt, F. & Helmchen, F. (2020). Value-guided remapping of sensory cortex by lateral orbitofrontal cortex. Nature, 585, 245–250. doi: 10.1038/s41586-020-2704-z

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