Wie lernt der Mensch?Lernen im Spannungsfeld von

Neurobiologie und Erziehungswissenschaften

Prof. Dr. med. Henning Scheich

Leibniz-Institut für Neurobiologie Magdeburg

Linear frequenzmodulierte Töne (FM)

“Upward”Fr

eque

ncy

Time

“Downward”

Time

ModulationDirection

Freq

uenc

y

Duration

Frequency range

Aufgaben- und lernabhängigeGehirnaktivität

RL

Zuhören Kategorisieren

RL

x=-51, y=-30, z=10

Arbeitsgedächtnisaufgabe

0

2000

4000

6000

8000

10000

0.0 1.0 2.0 3.0 d'

IWV T3 left

0

2000

4000

6000

8000

10000

0.0 1.0 2.0 3.0 d'

IWV T3 right

Kategorisierungsaufgabe (Gestaltbildung)rechter Hörkortexlinker Hörkortex

Leistungsverbesserung

0

2000

4000

6000

8000

10000

0.0 1.0 2.0 3.0 d'

IWV T3 left

0

2000

4000

6000

8000

10000

0.0 1.0 2.0 3.0 d'

IWV T3 right

Arbeitsgedächtnisaufgabe

rechter Hörkortexlinker Hörkortex

Brechmann et al., 2003

Blitz

Wasser Steine Holz Heu Gras

Nutzung des Feuers

Assoziationsbildung

InduktiveLogik

Feuer

Ensemble-Bildung von Neuronen beim synaptischen Gedächtnis

Erfahrungsabhängige Synapsenselektion

100 1000 100000

10

20

30

40

50

60

70

Tage nach Empfängnis

Anz

ahl S

ynap

sen

/ 100

µm

3

Geb

urt

7.5

Mon

ate

3.5

Jahr

e

Pube

rtät

Visueller CortexAuditorischer CortexPräfrontaler Cortex

200 500 2000 5000

nach Huttenlocher & Dabholkar (1997)

Synapsenselektion verläuft in Phasen

Lernkorrelate individueller Synapsen

ZwischenfazitLernprozesse bis zur Pubertät führen• zur Abspeicherung von Informationen

und• gleichzeitig zur Strukturierung des noch unfertigen

Gehirns im Sinne von später ausbaubaren Fähigkeiten.

Die Strukturierung in der Hirnrinde hat ihrenHöhepunkt im Vorschul- und Grundschulbereich.

WichtigDie Übertragung von Kurzzeit- ins Langzeitgedächtnisfolgt Auswahlprinzipien, die einer bewußten Kontrolle kaum zugänglich sind.

Sie dauert mindestens 24 Stunden.

Wir können die Wahrscheinlichkeit beeinflussen, mit der Informationen in das Gedächtnis übertragen werden (emotionale und kognitive Bewertung).

Vertiefung von Information fördert die Verankerung,Reizüberflutung stört sie massiv.

Current concepts in procedural consolidationEdwin M. Robertson, Alvaro Pascual‐Leone & R. Chris MiallNature Reviews Neuroscience 5, 576‐582 (July 2004)

a | With blocked practice, only one task can be learnt. For example, skill in task A will be lost by practising task B. b | By contrast, random interleaved practice allows skill in all three tasks to be acquired.

Retrograde Interferenz bei Vorschulkindern:2 Geschichten erzählen, Test nach 24 Stunden

The role of intentional forgetting in reducing children's retroactive interference.Howe ML. Dev Psychol. 2002 Jan;38(1):3-14.

Fig. 1. Experimental procedure. (A) Study phase. Three novel objects, either all the same instance or all different instances, were presented and given a label (e.g., “wug”) in massed or spaced presentations. (B) Distractor phase. A novel object was presented without a label (e.g., “it”) followed by a play period. (C) Test phase. Four objects were presented and the child was asked to identify the target (e.g., “Can you hand me the wug?”).

Fig. 2. Mean number of correct responses (out of a possible eight) by presentation style (massed or spaced) and learning style (memory or category). Error bars represent standard errors.

Cognition. 2008 Oct;109(1):163‐7. The spacing effect in children's memory and category induction.  Vlach HA, Sandhofer CM, Kornell N.

Langzeitgedächtnis-Retention (Mathematikaufgaben) nach verteiltem und gehäuftem Lernen

Massed but not spaced training impairs spatial memory.Commins S, Cunningham L, Harvey D, Walsh D.Behav Brain Res. 2003 Feb 17;139(1-2):215-23.

Spacing of repetitions improves learning and memory after moderate and severe TBI.Hillary FG, Schultheis MT, Challis BH, Millis SR, Carnevale GJ, Galshi T, DeLuca J.J Clin Exp Neuropsychol. 2003 Feb;25(1):49-58.

Fig. 1. Mean (standard error of the mean) number of words recalled for spaced, massed, and once presentedlearning conditions for immediate and delay recall trials.

Worterinnerung bei TBI

Optimale Verankerung von Informationen im Langzeitgedächtnis erfordert:

• begrenzte Informationsmenge pro Zeiteinheit

• inhaltliche Abwechslung bzw. Pausen

• Wiederholungen

„Internes Belohnungssystem“

Neuigkeit aktiviert das Mittelhirn -Kortex Dopamin System

Bunzeck & Düzel, 2003

Hirnaktivierung im präfrontalen Cortex beim ProblemlösenLernen aus Erfolgen / Misserfolgen

Unterscheidungslernen in der Shuttlebox

Dopamin-Ausschüttung beim „Umlernen“

Die dopaminerge Synapse:

COMT

COMT

ASTROCYTEDAT1

MAO

AC+ -

COMTD1 D5 D2 D3 D4

MAO

s

AC

D1-like

SKF 38393 SCH-23390

-+

PKARap

Raf

MEK

ERK mTOR

4E-BP1 S6K

Translation

Rapamycin-

NR

Dopamin als Neuromodulator

VehicleSKF-38393

D [%

]

0

5

10

15

20

25

30

35

Session1 21 2 3 4 5 1 2 3 4 5 Block

# ##

#

*#*

Proteinsynthese-abhängige Gedächtniskonsolidierung durch Dopamin-

D1-Agonist im Hörkortex

Localization of stimulation sites using histological analysis. b and d aremagnification of the area surrounding the stimulation site in the ventraltegmental area from panels a and c (rectangular areas). IP -interpeduncular nucleus; SNc - substantia nigra pars compacta; SNrsubstantia nigra pars reticulate; VTA - ventral tegmental area.

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Session

CR

Rat

e

FS (n = 6)

VTA (n = 6)

FS+VTA(n = 6)

××

×

××

×

×

×× ×

×

"Superlearning"

Problemorientiertes Lernen mit Tiefenhirnstimulation

Aquisition Extinktion

Dopamin-Steuerung von Lernen über internes Belohnungssystem:

• Motivation (Neugier, „Aha“-Erlebnisse)

• Gedächtniskonsolidierung (Proteinsynthese, Synapsenumbau)