Warum einige blitzschnell begreifen – Studie findet biologischen Schlüssel im Gehirn

Warum fällt es manchen leicht, sich neue Inhalte rasch einzuprägen, während andere länger brauchen? Unterschiede beim Lernen werden oft mit Fleiß, Motivation oder Begabung erklärt. Doch im Gehirn läuft offenbar schon vor dem ersten Aha-Moment ein Prozess ab, der das Lerntempo vorgibt. Eine neue Studie richtet den Blick dafür auf ein Tier, das überraschend grundlegende Einblicke in diese biologischen Abläufe ermöglicht: die Honigbiene. Ihre Hirnchemie zeigt, welche Prozesse einsetzen, noch bevor ein Reiz bewusst mit einer Bedeutung verknüpft wird.

Ein internationales Forschungsteam unter Leitung des Fralin Biomedical Research Institute der Virginia Tech hat gezeigt, dass bestimmte chemische Signalmuster im Bienenhirn vorhersagen, wie schnell ein Tier neue Reize mit einer Belohnung verknüpft. Im Zentrum steht das Zusammenspiel der Botenstoffe Octopamin und Tyramin. Ähnliche, evolutionär sehr alte Signalsysteme existieren auch im menschlichen Gehirn.

Gehirn zeigt Lerntempo schon vor dem ersten Erfolg

Im Labor verknüpften die Wissenschaftler einen bestimmten Duft mit einer Zuckerbelohnung. Honigbienen lernen solche Zusammenhänge normalerweise schnell. Sobald sie den Geruch mit Futter verbinden, strecken sie beim Duft allein ihren Rüssel aus. Dieses Verhalten lässt sich klar beobachten und messen.

Doch nicht alle Tiere reagierten gleich. Einige Bienen lernten bereits nach drei Durchgängen. Andere brauchten bis zu acht Wiederholungen. Manche zeigten innerhalb der Versuchszeit keine entsprechende Reaktion.

Gleichzeitig zeichneten die Forschenden im lebenden Bienenhirn in Echtzeit die Konzentration von vier Botenstoffen auf: Dopamin, Serotonin, Octopamin und Tyramin. Die Messung erfolgte im Antennallobus, einem frühen Verarbeitungszentrum für Gerüche. Zum Einsatz kamen winzige Elektroden sowie ein Verfahren, das maschinelles Lernen nutzt, um mehrere chemische Signale gleichzeitig auszuwerten.

Zwei alte Signalstoffe geben den Takt vor

Entscheidend war nicht die Menge eines einzelnen Botenstoffs. Ausschlaggebend war das Verhältnis zwischen Octopamin und Tyramin. Diese Stoffe gelten bei Insekten als funktionelle Gegenstücke zu Adrenalin und Noradrenalin beim Menschen. Bereits beim ersten Kontakt mit dem Duft – noch bevor Zucker als Belohnung folgte – zeigte sich ein klares Muster. Bienen mit einem frühen und ausgeprägten Gegensignal zwischen Octopamin und Tyramin lernten später schneller.

Read Montague, Neuroökonom und Leiter der Studie, erklärt: „Diese Systeme sind evolutionär sehr, sehr alt und wir tragen sie noch immer in unserem Gehirn.“ Das Verhältnis der beiden Stoffe könne einen neurochemischen Typ beschreiben, der beeinflusst, wie empfindlich ein Individuum auf neue Informationen reagiert.

Das gleiche chemische Muster tauchte erneut auf, als die Biene erstmals korrekt auf den Duft reagierte. Das spricht für eine stabile Eigenschaft und nicht für einen Zufallseffekt.

Dopamin und Serotonin verhielten sich anders. Ihre Werte sanken im Verlauf des Trainings kontinuierlich. Ein direkter Zusammenhang mit der Geschwindigkeit des Lernens ließ sich bei diesen Stoffen nicht nachweisen.

Honigbienen als präzises Modell für Lernprozesse

Honigbienen eignen sich besonders gut für solche Untersuchungen. Sie leben nur wenige Wochen als Sammelbienen und bewegen sich in einem Radius von etwa fünf bis acht Kilometern um ihren Stock. „Eine Biene kommt nicht mit dem Wissen zur Welt, das sie braucht, um Blumen zu finden und Nektar zu sammeln“, sagt Brian Smith von der Arizona State University, Mitautor der Studie. „Das ist ein riesiges Gebiet für ein Tier mit einem winzigen Gehirn.“ Blüten öffnen und schließen sich im Tagesverlauf. Nahrungsquellen verändern sich ständig. „Die Biene muss eine Lernmaschine sein“, so Smith.

Montague hatte bereits 1995 ein Computermodell veröffentlicht, das beschreibt, wie einzelne Nervensignale Bienen bei der Nahrungssuche steuern. Nun gelang erstmals die direkte Messung der beteiligten Botenstoffe während des Lernens. „Es war erstaunlich zu sehen, wie komplex diese Tiere sind und wie schnell manche von ihnen lernen“, sagt Seth Batten aus Montagues Team.

Signalstoffe prägen Lernen und Verhalten

Die beteiligten chemischen Systeme existieren seit mehr als 130 Millionen Jahren. Sie beeinflussen nicht nur das Lernverhalten von Insekten, sondern steuern beim Menschen Aufmerksamkeit, Motivation und Entscheidungsverhalten. „Wenn wir neuronale Netzwerke verstehen, erhalten wir Einblicke darin, wie größere Gehirne funktionieren“, sagt Smith. Veränderungen vergleichbarer Systeme spielen unter anderem bei Suchterkrankungen, Depressionen und Aufmerksamkeitsstörungen eine Rolle.

Honigbienen sind zudem zentrale Bestäuber in der Landwirtschaft. „Ein Großteil unserer Nahrungsmittelproduktion hängt von Bienen ab“, betont Smith. Wer versteht, wie sie lernen und Entscheidungen treffen, versteht auch besser, wie sie sich in verändernden Umweltbedingungen zurechtfinden.

Kurz zusammengefasst:

• Das Lerntempo wird im Gehirn früh festgelegt: Noch bevor eine Biene einen Duft mit Zucker verknüpft, zeigt das Zusammenspiel der Botenstoffe Octopamin und Tyramin, wie schnell sie lernen wird.
• Nicht Übung allein entscheidet: Unterschiede beim Lernen haben eine messbare biologische Grundlage, denn bestimmte chemische Signale im Gehirn beeinflussen Aufmerksamkeit und Aufnahmebereitschaft bereits vor dem eigentlichen Lernprozess.
• Altes Prinzip mit Bedeutung für den Menschen: Die beteiligten Botenstoffsysteme existieren seit über 130 Millionen Jahren und ähneln Signalwegen im menschlichen Gehirn, die Motivation, Aufmerksamkeit und Reaktionsgeschwindigkeit steuern.

Übrigens: Nicht nur Botenstoffe im Gehirn bestimmen unser Lerntempo – auch Stress und zu viele Aufgaben können dazu führen, dass Belohnungen kaum noch wirken. Mehr dazu in unserem Artikel.

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