Gehirnwellen bewegen sich beim Lernen und Erinnern in entgegengesetzte Richtungen

Unser weiches graues Gehirn organisiert seine Aktivitäten mithilfe eines Orchesters aus Wellen. Da viele Aufgaben gleichzeitig ablaufen, war lange rätselhaft, wie das Gehirn unterschiedliche Oszillationen davor bewahrt, sich zu vermischen.

Nun haben Forschende aus den USA festgestellt, dass die Richtung wandernder Gehirnwellen mit der jeweiligen Aufgabenart übereinstimmt: Lernvorgänge verlaufen in eine Richtung, während Abrufprozesse in die entgegengesetzte Richtung zurücklaufen.

„Diese Ergebnisse … helfen uns besser zu verstehen, wie das Gehirn eine breite Palette von Verhaltensweisen unterstützt, die präzise koordinierte Interaktionen zwischen Hirnregionen erfordern“, erklärt die Neurologin Uma Mohan von den US National Institutes of Health.

Wandernde Gehirnwellen während Lernen und Erinnern

Für die Studie wurden 93 Patientinnen und Patienten aus Spitälern in den gesamten USA untersucht. Ihnen waren zur Behandlung medikamentenresistenter Epilepsie bereits vorübergehend Elektroden auf der Oberfläche ihrer Grosshirnrinde eingesetzt worden. Dadurch erhielten die Forschenden Zugang zu Vorgängen, die normalerweise nicht direkt beobachtbar sind.

„Es ist eine seltene Gelegenheit, direkt im Gehirn zu beobachten, was geschieht, während die Teilnehmenden unterschiedliche kognitive Verhaltensweisen ausführen“, sagt Mohan.

Die Grosshirnrinde ist die äusserste Schicht des Gehirns. Sie ist an Bewusstsein sowie an damit verknüpften Funktionen beteiligt, etwa Aufmerksamkeit und Gedanken.

Mohan und ihr Team zeichneten Theta-Wellen mit Frequenzen von 2–8 Hz sowie Alpha-Wellen von 8–13 Hz auf, die über die Gehirnoberfläche wanderten, während die Freiwilligen verschiedene Aufgaben erledigten. Bei einer Gruppe dieser Aufgaben sollten sie Listen mit Wörtern oder Buchstaben auswendig lernen; bei der anderen sollten sie diese wieder abrufen.

„Wir betrachten neuronale Oszillationen nicht als unabhängige, unbewegliche Erscheinungen, sondern als Vorgänge, die sich ständig und spontan dynamisch über das Gehirn bewegen“, erläutert Mohan.

Unterschiedliche Signalmuster im Gehirn

Es brauchte einige Anstrengung und modernste Technik, um die vielfältigen Signalmuster zwischen einzelnen Personen zu entwirren und ein wiederkehrendes Muster zu erkennen. Bei weiteren 67 Teilnehmenden waren die Gehirnwellen während der Gedächtnisaufgabe nicht deutlich genug ausgeprägt, um sie auswerten zu können.

Die grosse Bandbreite an Unterschieden dürfte auf anatomische und physiologische Variationen zwischen Menschen zurückgehen. Nach Einschätzung des Teams könnte das erklären, weshalb die unterschiedlichen Bewegungsrichtungen zuvor übersehen wurden.

„Wir stellten fest, dass sich die Wellen meist vom hinteren zum vorderen Teil des Gehirns bewegten, während die Patientinnen und Patienten etwas in ihrem Gedächtnis abspeicherten“, erklärt Mohan.

Der Frontallappen ist jene Hirnregion, die besonders stark aktiv wird, wenn wir einen inneren Kontext bilden.

„Wenn die Patientinnen und Patienten später versuchten, dieselben Informationen wieder abzurufen, bewegten sich diese Wellen in die entgegengesetzte Richtung – vom vorderen zum hinteren Teil des Gehirns“, fährt Mohan fort.

Richtung der Gehirnwellen und Gedächtnis

Nach wie vor ist unklar, ob diese Signale die Aktivität verursachen, mit der sie verbunden sind, oder ob sie lediglich ein Nebenprodukt davon darstellen. Zumindest könnten diese wandernden Gehirnwellen jedoch dabei helfen, die Reihenfolge und zeitliche Abstimmung von Aktivitäten in verschiedenen Hirnregionen zu koordinieren.

Die neue Untersuchung liefert zumindest teilweise Unterstützung für diese Annahme.

Die Wellenoszillationen entsprechen dem Ausmass der Neuronenaktivität und ermöglichen damit einen visuellen Einblick darin, wie solche zellulären Kommunikationsvorgänge in einzelnen Impulsen durch unser Gehirn fliessen. Veränderungen in der Bewegungsrichtung der Gehirnwellen könnten an einer Neuorganisation dieser Verbindungen beteiligt sein.

Mit zunehmendem Wissen könnten sich neue Möglichkeiten ergeben, Menschen mit Problemen wie Gedächtnisverlust zu unterstützen.

„Wenn sich die Wellen einer Person in die falsche Richtung bewegen, kurz bevor sie versucht, sich an etwas zu erinnern, könnte sie sich in einem ungünstigen Gedächtniszustand befinden“, sagt Mohan. „Wenn man auf die richtige Weise Stimulation anwenden könnte, könnte man diese Wellen möglicherweise dazu bringen, sich in eine andere Richtung zu bewegen und dadurch einen grundlegend anderen Gedächtniszustand herbeiführen.“

Die meisten von uns kommen zwar gut zurecht, ohne genau zu wissen, wie unser Gehirn funktioniert. Doch gerade für den Fall, dass etwas schiefläuft, bleibt noch sehr viel zu erforschen. Zum Glück lernen Neurowissenschafterinnen und Neurowissenschafter zunehmend die Tanzschritte des Gehirns.

Diese Forschung wurde in Nature Human Behavior veröffentlicht.