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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)