Wissenschaftler entdecken, dass das ruhende Gehirn wiederholt komprimierte Erinnerungen an das abspielt, was gerade geübt wurde

In einer Studie mit gesunden Freiwilligen haben Forscher des National Institutes of Health die Gehirnaktivität erfasst, die beim Erlernen einer neuen Fähigkeit, wie zum Beispiel das Spielen eines neuen Liedes auf dem Klavier, fließt, und herausgefunden, warum kurze Trainingspausen ein Schlüssel zum Lernen sind . Die Forscher fanden heraus, dass die Gehirne der Freiwilligen während der Ruhezeiten schnell und wiederholt schnellere Versionen der Aktivität abspielten, die sie beim Eintippen eines Codes gesehen hatten. Je öfter ein Freiwilliger die Aktivität wiederholte, desto besser schnitten sie während der nachfolgenden Übungssitzungen ab, was darauf hindeutet, dass sich die Erinnerungen durch Ruhe stärken.

„Unsere Ergebnisse unterstützen die Idee, dass die Wachruhe beim Erlernen einer neuen Fähigkeit eine ebenso wichtige Rolle spielt wie das Üben. Es scheint die Zeit zu sein, in der unser Gehirn Erinnerungen an das, was wir gerade geübt haben, komprimiert und festigt“, sagte Leonardo G. Cohen, MD , leitender Forscher am National Institute of Neurological Disorders and Stroke (NINDS) des NIH und leitender Autor der Studie, die in . veröffentlicht wurde Zellenberichte. “Das Verständnis dieser Rolle der neuralen Wiedergabe kann nicht nur dazu beitragen, wie wir neue Fähigkeiten erlernen, sondern auch, wie wir Patienten dabei helfen, Fähigkeiten wiederzuerlangen, die nach neurologischen Verletzungen wie einem Schlaganfall verloren gegangen sind.”

Die Studie wurde am NIH Clinical Center durchgeführt. Das Team von Dr. Cohen verwendete eine hochempfindliche Scantechnik, die Magnetenzephalographie, um die Gehirnströme von 33 gesunden, rechtshändigen Freiwilligen aufzuzeichnen, während sie lernten, einen fünfstelligen Testcode mit der linken Hand einzugeben. Die Probanden saßen auf einem Stuhl und unter der langen, kegelförmigen Kappe des Scanners. Ein Experiment begann, als einer Versuchsperson auf einem Bildschirm der Code “41234” angezeigt wurde und sie aufgefordert wurde, diesen 10 Sekunden lang so oft wie möglich einzugeben und dann eine Pause von 10 Sekunden einzulegen. Die Probanden wurden gebeten, diesen Zyklus aus abwechselnden Übungs- und Ruhesitzungen insgesamt 35 Mal zu wiederholen.

Während der ersten Versuche verbesserte sich die Geschwindigkeit, mit der die Probanden den Code korrekt eintippten, dramatisch und flachte dann um den 11. Zyklus ab. In einer früheren Studie, die von der ehemaligen NIH-Postdoktorandin Marlene Bönstrup, MD, geleitet wurde, zeigte das Team von Dr. Cohen, dass die meisten dieser Zuwächse während kurzer Pausen stattfanden und nicht beim Tippen. Darüber hinaus waren die Zuwächse größer als die nach einer Nachtruhe und korrelierten mit einer Abnahme der Größe der Gehirnwellen, die als Beta-Rhythmen bezeichnet werden. In diesem neuen Bericht suchten die Forscher nach etwas anderem in den Gehirnwellen der Probanden.

„Wir wollten die Mechanismen hinter der Gedächtnisstärkung während der wachen Ruhe untersuchen. Mehrere Formen des Gedächtnisses scheinen auf der Wiedergabe neuronaler Aktivität zu beruhen, also haben wir beschlossen, diese Idee für das Erlernen von prozeduralen Fähigkeiten zu testen“, sagte Ethan R. Buch, Ph .D., ein wissenschaftlicher Mitarbeiter in Dr. Cohens Team und Leiter der Studie.

Um dies zu erreichen, half Leonardo Claudino, Ph.D., ein ehemaliger Postdoktorand in Dr. Cohens Labor, Dr. Buch bei der Entwicklung eines Computerprogramms, mit dem das Team die Gehirnwellenaktivität entschlüsseln konnte, die mit der Eingabe jeder Zahl im Testcode verbunden ist.

Das Programm half ihnen zu entdecken, dass eine viel schnellere Version – etwa 20-mal schneller – der während des Tippens beobachteten Gehirnaktivität während der Ruhezeiten wiedergegeben wurde. Im Verlauf der ersten elf Übungsdurchgänge wurden diese komprimierten Versionen der Aktivität viele Male – etwa 25 Mal – pro Ruheperiode wiederholt. Dies war zwei- bis dreimal häufiger als die Aktivität in späteren Ruhephasen oder nach Beendigung der Experimente.

Interessanterweise fanden sie heraus, dass die Häufigkeit der Wiederholungen während der Ruhezeit eine Gedächtnisverstärkung vorhersagte. Mit anderen Worten, die Probanden, deren Gehirne die Tippaktivität wiederholten, zeigten nach jedem Versuch häufiger größere Leistungssprünge als diejenigen, die sie seltener wiederholten.

„Während des frühen Teils der Lernkurve haben wir gesehen, dass die Wiederholung der Wachruhe zeitlich komprimiert war, häufig war und ein guter Prädiktor für die Variabilität beim Erlernen einer neuen Fähigkeit zwischen einzelnen Personen war“, sagte Dr. Buch. “Dies deutet darauf hin, dass das Gehirn während der wachen Ruhe die Erinnerungen zusammenbindet, die zum Erlernen einer neuen Fähigkeit erforderlich sind.”

Wie erwartet fand das Team heraus, dass die Replay-Aktivität häufig in den sensomotorischen Regionen des Gehirns stattfindet, die für die Bewegungssteuerung verantwortlich sind. Sie sahen jedoch auch Aktivität in anderen Gehirnregionen, nämlich dem Hippocampus und dem entorhinalen Kortex.

„Wir waren von diesen letzten Ergebnissen etwas überrascht. Traditionell dachte man, dass der Hippocampus und der entorhinale Kortex keine so wesentliche Rolle im prozeduralen Gedächtnis spielen. Im Gegensatz dazu deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass diese Regionen schnell mit dem sensomotorischen Kortex klappern, wenn diese Art von Fähigkeiten zu erlernen”, sagte Dr. Cohen. “Insgesamt unterstützen unsere Ergebnisse die Idee, dass die Manipulation der Wiederholungsaktivität während der Wachruhe ein wirksames Werkzeug sein kann, mit dem Forscher Einzelpersonen dabei unterstützen können, neue Fähigkeiten schneller zu erlernen und möglicherweise die Rehabilitation nach einem Schlaganfall zu erleichtern.”

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