Gehirnstimulation von außen ermöglicht Lernprozesse
RUB-Neurowissenschaftler verbessern Tastsinn
Durch andauerndes Training lässt sich der Tastsinn kontinuierlich verbessern (perzeptuelles Lernen). Nur im Tiermodell bei der Untersuchung einzelner Nervenzellen war es bisher möglich, ohne Training allein durch Applikation elektrischer Pulse Lernprozesse direkt auszulösen. Die Wirksamkeit einer vergleichbaren Methode zur Auslösung von Lernen, bei der das Gehirn des Menschen ebenfalls direkt stimuliert wird, haben Bochumer Forscher um Associate Professor Dr. Hubert Dinse (Institut für Neuroinformatik, Abteilung Theoretische Biologe) und Prof. Dr. Martin Tegenthoff (Neurologische Universitätsklinik, BG-Kliniken Bergmannsheil) jetzt erstmals gezeigt. Mit einer Magnetspule reizten sie von außen diejenigen Gehirnbereiche, die für den Tastsinn zuständig sind: Ein Lernerfolg stellte sich ein, der in seiner Stärke mit dem von Training vergleichbar war.
Perzeptuelles Lernen - die Steigerung der Genauigkeit des Tastsinns - erfolgt durch stete Wiederholung. So lassen sich Objekte, die in ihrer Oberflächenbeschaffenheit sehr ähnlich sind, nach längerem Training allein durch Anfassen voneinander unterscheiden. Ein bekanntes Beispiel dafür ist die Fähigkeit Blindenschrift zu lesen. Die dabei eine zentrale Eigenschaft ist die der "räumlichen taktilen Auflösung", die mit hoher Genauigkeit im Labor gemessen werden kann: Der kleinste Abstand, bei dem eine Versuchsperson mit ihrem Finger noch zwei getrennte Reize wahrnimmt, ist die Zweipunktunterscheidungsfähigkeit. Jeder Mensch hat eine individuelle Zweipunktunterscheidungsschwelle, die sich durch langandauerndes Training herabsetzen lässt.
Die Auslösung von Lernprozessen an Nervenzellen ohne Training gelingt an Gehirnschnitten seit einiger Zeit: Die Forscher leiten mit Mikroelektroden schwache elektrische Ströme in die Nervenzellen. Dadurch verändert sich dauerhaft die Reiz-Übertragungsstärke der Verbindungsstellen zwischen zwei Nervenzellen, den Synapsen: Die Wissenschaftler sprechen von einer Langzeitpotenzierung (long-term potentiation, LTP). "Diese dauerhafte Veränderung ist das Grundelement des Lernens", erklärt Dinse. "Übertragen auf den gesamten Organismus heißt das, dass Lernen auch ohne Aufmerksamkeit oder Bedeutungsgehalt des Reizes funktioniert." Diese Überlegungen waren Ausgangspunkt für die neuen Untersuchungen der Bochumer Forscher.
Um einen vergleichbaren Versuch am lebenden Menschen durchzuführen, bedienten sie sich der sog. Repetitiven Transkraniellen Magnetstimulation (rTMS). Dabei werden über eine elektromagnetische Spule, die von außen auf den Kopf gelegt wird, wiederholt kurze Magnetpulse mit einer bestimmten Frequenz übertragen. Diese durchdringen ohne Beeinträchtigungen den Schädel und verursachen im Gehirn elektrische Ströme, die die Nervenzellen aktivieren. Die Bochumer Forscher konzentrierten sich auf die Hirnregion, die den Tastsinn des rechten Zeigefingers repräsentiert. Ab einer bestimmten Stärke der Magnetpulse fühlten die Probanden dort ein leichtes Kribbeln. Das Ergebnis: Nach einer Anwendung der rTMS von zwei mal neun Minuten verbesserte sich die räumliche taktile Auflösungsfähigkeit des Fingers, die Zweipunktunterscheidungsschwelle wurde kleiner. Die Verbesserung des Tastsinns war vergleichbar mit der nach längerem Training. Sie war trotz der kurzen Zeit der rTMS von zwei mal neun Minuten über etwa zwei Stunden nachweisbar, danach ging sie auf die ursprünglichen Werte zurück.
Um die Spuren der Lernprozesse sichtbar zu machen, nutzten die Bochumer Forscher in Zusammenarbeit mit dem Institut für Radiologie der BG-Kliniken Bergmannsheil die funktionelle Kernspintomographie. Damit kann man von außen die Aktivität von Nervenzellen im Gehirn messen, ohne die Versuchsperson zu schädigen oder zu belasten. Die Untersuchungen ergaben, dass nach der Magnetstimulation das aktivierte Hirnareal im Repräsentationsbereich des gereizten Zeigefingers deutlich größer war als zuvor. Betroffen war der Teil des Gehirns, der als "Eingangstor" für Informationen des Tastsinns in der Großhirnrinde dient (im primären somatosensorischen Kortex). Ebenso wie bei den Untersuchungen des Tastsinns bildeten sich die Veränderungen der Hirnaktivität innerhalb von etwa zwei Stunden wieder zurück.
Versuchspersonen mit dem am deutlichsten verbesserten Tastsinn hatten gleichzeitig auch die größten aktivierten Hirnbereiche. "Man kann also durch die jeweilige Gehirnaktivität die lernbedingte Verbesserung des Tastsinns vorhersagen", erklärt Tegenthoff. "Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen vergrößerter Hirnaktivität und einer definierten Verbesserung der Wahrnehmungsfähigkeit."
Was auf den ersten Blick aussieht wie ein Nürnberger Trichter ist tatsächlich der Ausdruck der enormen plastischen Fähigkeiten des Gehirns. Die Auslösung von Plastizität und Lernen unterliegt präzise definierten Randbedingungen. Finden diese Anwendung, werden auf zellulärer und subzellulärer Ebene Mechanismen in Gang gesetzt, die zu Veränderungen der synaptischen Übertragungsstärke führen. Diese wiederum verändern die Art und Weise, in der die neuronalen Netzwerke des Gehirns Information aus der Umwelt, hier des Tastsinns, verarbeitet. Einer der bemerkenswertesten Befunde dieser Untersuchung ist der, dass rTMS das neuronale Netzwerk nicht destabilisiert, sondern neuartiges, aber ebenfalls stabiles und organisiertes neuronales Verhaltens erzeugt.
Die aktuelle Untersuchung ist die konsequente Fortführung einer Serie von Arbeiten der interdisziplinären neurobiologischen RUB-Arbeitsgruppe. Grundlage ist ein theoretisches Konzept, wonach Lernen durch passive Stimulationen gezielt erzeugt und kontrolliert werden kann. Mögliche Einsatzgebiete einer derartigen Lerntechnik sind z.B. neurorehabilitative Verfahren bei Patienten mit schweren Hirnverletzungen oder Schlaganfällen. Weitere Untersuchungen sind nötig, um das Verfahren weiter zu optimieren, und um Möglichkeiten zu finden, die ausgelösten Lernprozesse über längere Zeit zu stabilisieren.
Originalveröffentlichung: M. Tegenthoff, P. Ragert, B. Pleger, P. Schwenkreis, A. F. Förster, V. Nicolas, H. R. Dinse; "Improvement of Tactile Discrimination Performance and Enlargement of Cortical Somatosensory Maps after 5 Hz rTMS"; PLoS Biology 2005.
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