Heute richtig, morgen falsch und übermorgen wieder richtig. In unserem Alltag werden zuvor gültige Zusammenhänge ständig ungültig oder erhalten eine neue Bedeutung. Wir müssen daher tagtäglich alte Regeln verwerfen und neue lernen. Dabei helfen uns molekulare Belohnungssignale in unserem Gehirn, die bei richtigen Entscheidungen ausgeschüttet werden und bei Fehlentscheidungen ausbleiben. Als Lernsignal besonders wichtig ist dabei der Botenstoff Dopamin. Aber was genau passiert beim Umlernen in unserem Gehirn? Und wie ermöglicht es uns eine flexible und schnelle Anpassung an die geltenden Bedingungen?
Blick ins Mäusehirn
Das haben nun Forschende um Ezgi Acun vom Leibniz-Institut für Neurobiologie in Magdeburg näher untersucht. Dafür führten sie ein Langzeitexperiment mit Mongolischen Wüstenrennmäusen durch. Darin mussten die Tiere über mehrere Wochen hinweg zwischen zwei Tönen unterscheiden. Kletterten sie beim falschen Ton über eine Hürde in der Testbox, erwartete sie auf der anderen Seite ein leichter Elektroschock vom Boden der Kammer. Blieben die Mäuse beim richtigen Ton auf Ausgangsseite und vermieden das Klettern, erhielten sie ebenfalls einen Fußschock.
Nachdem die Mäuse diese Regel sicher beherrschten, vertauschten die Forschenden die Bedeutungen der Töne mehrfach, so dass die Tiere immer wieder umlernen mussten. Um sichtbar zu machen, was dabei im Mäusegehirn passiert, implantierten Acun und ihre Kollegen den Tieren hochauflösende Elektroden in das Areal des Kortex, welches fürs Hören zuständig ist. Diese Elektroden nahmen auf, was in den einzelnen neuronalen Schichten des Gehirns geschieht, während die Mäuse aus ihren Fehlern bei der Tonzuordnung lernten.
Die Auswertung ergab: Unmittelbar nachdem sich die Regeln geändert hatten, waren Neuronen in den tiefen kortikalen Schichten der Tiere besonders stark aktiv. Diese Hirnstrukturen sind bekanntermaßen eng mit Rückkopplung, Fehlerverarbeitung und motorischer Anpassung verknüpft. Je länger die Mäuse dann den neuen Regeln ausgesetzt waren, desto besser lernten sie diese und zeigten eine zunehmend bessere Leistung bei der Tonzuordnung. Parallel dazu verschob sich die Aktivität in ihrem Gehirn: Statt der tieferen Hirnschichten wurden dann zunehmend die oberen Schichten des Kortex aktiv, wie die Messignale enthüllten. Diese neuronalen Strukturen sind für präzise Wahrnehmung, sensorische Integration und sichere Entscheidungsprozesse zuständig, wie das Team erklärt.
Fehler führen zu Anpassungen im Gehirn
Acun und ihre Kollegen schließen daraus, dass flexibles Lernen kein gleichförmiger Prozess ist. Vielmehr geht Umlernen und Anpassen mit tiefgreifenden schrittweisen Umstrukturierungen einher, an der verschiedenen Schichten der Hirnrinde beteiligt sind. Dabei aktivieren Fehlentscheidungen über den Botenstoff Dopamin gezielt neuronale Netzwerke in den tiefen Hirnschichten und stoßen dort Anpassungen an, wie die Tests ebenfalls ergaben. Anfänglich zeigen sich dadurch breit verteilte, unspezifische Aktivitäten in diesen tiefen Schichten. Später gehen diese in hochfokussierte rhythmische Aktivitätsmuster in den oberen Schichten des Kortex über, wie Messungen der Beta- und Gamma-Oszillationen ergaben. Demnach ist der Lernprozess auf Ebene der neuronalen Netzwerke auch zeitlich präzise getaktet und in verschiedene schrittweise Lernphasen unterteilt.
