Zelluläre Mechanismen des Lernens

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Waltraud Stieber
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1 Vorlesung Neurobiologie Zelluläre Mechanismen des Lernens Prof. Dr. Bernd Grünewald FB Biowissenschaften i Polytechnische Gesellschaft Frankfurt am Main b.gruenewald@bio.uni frankfurt.de

2 Zelluläre und molekulare Physiologie des Lernens und Gedächtnisses 1H Heterosynaptische ti Faszilitierung in Aplysia 2 Klassische Duftkonditionierung in Honigbienen 3 Langzeit-Potenzierung im 3 Langzeit-Potenzierung im Hippocampus

3 Neuronale Mechanismen der Sensitisierung Marine Nacktschnecke: Aplysia californica ein Modellsystem zum Studium der zellulären Mechanismen des Lernens

4 Sensitisierung: Kiemen- und Siphonrückzugsreflex von Aplysia Schwacher Reiz: schwacher Rückzugsreflex Starke Stimulation: heftiger Reflex Starke Reizung verstärkt die Reaktion auf schwache Reize Aplysia californica i Neuronale Plastizität Verstärkung der Sensomotorischen Synapse

5 Verschaltung des Kiemen-Rückzugsreflexes 40 Sinneszellen 6 Motoneuronen Interneurone vereinfachter Schaltkreis Senso-motorische Synapse

6 Sensitisierung: Neurobiologie Der sensitisierende Reiz verändert die senso motorische Synapse: erhöhte Amplitude des EPSP, Erhöhung des Membranwiderstandes erhöhte Erregbarkeit der Sinneszelle Verlängerung der Aktionspotenzialdauer (spike broadening) Erhöhte Transmitterausschüttung

7 Zelluläre Mechanismen der Sensitisierung: die ht heterosynaptische ti h Faszilitierung Sensitisierender Reiz Ausschüttung von Serotonin (5 HT) auf Sinneszelle : 1 2 Kurzzeit Effekte, posttranslationale Plastizität Kaskade 1: Adenylatcyclase l (AC) Erhöhung camp Spiegel PKA Aktivierung Abnahme von p[i KS K,S ], p[i KV K,V ] Abnahme von p[i K,Ca ] Synapsin Phosphorylierung Membranwiderstand, Erregbarkeit, Depolarisierung, i Vesikelmobilisierung (Synapsin) Kaskade 2: Diacylglycerol (DAG) PKC Aktivierung Zunahme von p[i Ca ] Zunahme von p[i K,V ] Spike broadening, Vesikelmobilisierung

8 Kurzzeit und Mittelzeitgedächtnis in Aplysia Mittelzeit Faszilitierung multiple 2 nd messenger Systeme: MAPK (Mitogen activated protein kinase) PKA PKC postsynaptische Ereignisse: IP3 Ca2+ CamKII wkins et al 200 Haw 6

9 Langzeit Gedächtnisbildung in Aplysia. Hawkins et al 2006 Langzeit Faszilitierung (24h) verlängerte oder wiederholte 5 HT Ausschüttung persistenteaktivierungder PKA: translocation der PKA in Kern Phosphorylierung von CREB1 Aktivierung von CREB1 Gen Transcription Proteinsynthese Aktivierung der MAPK: Phosphorylierung von Repressor CREB2 Depression von CREB2 multiple Gene reguliert: apcam (NCAM) reduziert apuch (Ubiquitin hydroxylase) aptbl 1 (tolloid BMP like protein) linked to TGF

10 Und die klassische Konditionierung?

11 Morphologie des PE1 Neurons Brandt, Rybak, Menzel, 2002

12 An identified individual neuron represents reinforcer informations in the honeybee brain citeion2 criterion CS and US representing neurons converge within the brain (overlapping innervations). VUMmx1 anatomy: ato dendritic branches w/in SOG; bilateral symmetrical arborizations w/in deuto- and protocerebrum convergence w/ olfactory pathway at antennal lobe lateralen protocerebral lobe mushroom body calyces Hammer Nature 366:59-63 (1993)

13 Morphologie des PE1 Neurons Brandt, Rybak, Menzel, 2002

14 Differenzielle Konditionierung Mauelshagen (1993) J Neurophysiol 69:609

15 Ein zelluläres Alphabet des Lernens? Kenyon cell Na + Projection neuron IK,V IK,Ca?? ICa INa ICa INa IK,St I IK,V IK,A Na + Ca 2+ ACh IK,V IK,Ca ICa INa GABA Feedback neuron Ca 2+ Ca 2+ Cl - A C Ca 2+ -dependent cam kinases P PK OA VUMmx1 neuron Physiologie des Nikotinrezeptors Zelluläre Koinzidenzdetektion A Modulation von Ionenströmen Wechselwirkung zwischen erregenden und hemmenden Transmitterrezeptoren

16 Das Morris Water-Maze

17 Hippocampus p Eingangsneurone: Schaffer-Kollaterale l Byrne & Roberts Ausgangsneurone: Pyramidenzellen

18 Induktion von hippocampaler LTP CA1 Pyramidenzelle: intrazelluläre Ableitung Kollaterale 1: tetanische Reizung - LTP Kollaterale 2: keine Reizung kein LTP = homosynaptisches LTP

19 Es gibt zwei verschiedene Typen von Glutamatrezeptoren

20 Der NMDA Rezeptor hat besondere Eigenschaften Glutamat allein aktiviert den Rezeptor nicht Depolarisation zusätzlich nötig Mg 2+ -Block in Kanalpore Leitfähig für Na +, K +, Ca 2+ Ca 2+ = second messenger

21 Langzeitpotenzierung g (LTP)

22 Zelluläre Mechanismen des Lernens Hebb'sche Regel: Donald O. Hebb "Wenn ein Axon von Zelle A eine Zelle B erregt und wiederholt oder anhaltend überschwellig depolarisiert, dann können Wachstumsprozesse oder Änderungen des Zellstoffwechsels in einer der beiden oder beiden Zellen dazu führen, daß Zelle A die Zelle B effektiver erregt." (1949)

23 Hebb sche Synapse

24 Altehrwürdige Lernregeln Aufmerksamkeit, Neugier anregen An Bekanntes anknüpfen Viele Sinneserfahrungen einbeziehen Möglichst viel selbst tun (begreifen) Neurodidaktik Die modulatorischen Systeme werden angeschaltet Assoziationsketten herstellen Die Zahl der Assoziationen werden vergrößert Instrumentelles Lernen fördert Lernen Bildhafte Vorstellungen stärken: Die Unerschöpflichkeit hk it des bildhaften veranschaulichen Gedächtnisses nutzen Die Wiederholung ist die Mutter der Weisheit Nicht zu viel auf einmal (verteilt üben) Assoziationen werden durch Wiederholung gestärkt Die Konsolidierung vom Kurz zum Langzeit Gedächtnis wird gefördert Das Gehirn nach dem Lernen schonen Eine Interferenz mit der Konsolidierung wird verhindert (Pizecker: Inhibition) Die Lernumgebung der beim Abrufen ähnlich gestalten Kontextstimuli fördern den Gedächtnisabruf

25 Literaturt Rudy The Neurobiology of Learning and Memory. Sinauer 2008 Kandel, Squire Gedächtnis. Die Natur des Erinnerns. Spektrum 2009 Domjan The Principles of Learning and Memory. Wadsworth 2006

26 Fragen Welche Faktoren sind nötig, um einen NMDA Rezeptor zu aktivieren? Für welche Ionen ist er permeabel? Welche Auswirkungen hat eine Sensitisierung an der Synapse? Wie läßt sich LTP induzieren?

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