Bestimmte Fehler lassen unser Gehirn schneller lernen

Wer stolpert, daneben greift oder beim Sport eine Bewegung verpatzt, lernt oft schon beim nächsten Versuch daraus. Noch bevor Menschen den Fehler richtig einordnen, hat der Körper die Bewegung oft schon angepasst. Eine neue Studie im Fachjournal Nature zeigt nun, warum das nicht bei jedem Patzer passiert: Das Kleinhirn öffnet offenbar nur für einen kurzen Moment ein Lernfenster. Erst wenn Fehlersignale stark genug und gut abgestimmt eintreffen, kann das Gehirn Bewegungen gezielt korrigieren.

Wissenschaftler der Duke University School of Medicine und der Harvard Medical School haben diesen Mechanismus bei Mäusen untersucht. Konkret geht es um eine Hirnregion, die bei jeder präzisen Bewegung mitarbeitet: Das Kleinhirn hilft beim Gehen, Greifen, Balancieren und beim Erlernen neuer Abläufe. Sogenannte Kletterfasern melden dort Bewegungsfehler an Purkinje-Zellen. Diese Zellen entscheiden mit, ob aus einem Fehltritt eine bessere Bewegung wird.

Kleinhirn öffnet ein kurzes Fenster, um aus Fehlern zu lernen

Fehlerhafte Bewegungen lösen im Kleinhirn starke Signale aus. In den Fortsätzen von Purkinje-Zellen steigt dann Kalzium an. Diese Signale helfen dem Gehirn, Verbindungen zwischen Nervenzellen anzupassen. So kann eine Bewegung beim nächsten Versuch besser gelingen.

Doch das System arbeitet nicht wie ein offener Kanal. „Kletterfasern aktivieren auch hemmende Zellen, die diese Kalziumsignale eigentlich verhindern sollten“, erklärt Court Hull von der Duke University School of Medicine. Die offene Frage lautete also, wie dieselben Fasern Lernen fördern und bremsen können.

Eine innere Bremse steuert das Lernen aus Fehlern

Die Studie nennt zwei Gruppen dieser Bremszellen. Eine Gruppe dämpft die Lernsignale direkt, die andere Gruppe nimmt diese Dämpfung für einen kurzen Moment zurück.

So entsteht ein fein gesteuerter Ablauf: Das Gehirn verstärkt Fehlermeldungen nicht pausenlos. Es lässt sie nur dann stärker wirken, wenn der richtige Moment kommt. Erst dann können Purkinje-Zellen im Kleinhirn kräftige Kalziumsignale bilden. Diese helfen dem Gehirn, Verbindungen zwischen Nervenzellen anzupassen.

„Der Schlüssel liegt in Bremsen, die neuronale Plastizität kontrollieren können“, sagt Fernando Santos Valencia, Erstautor der Studie. Mit Plastizität meinen Hirnforscher die Fähigkeit des Gehirns, seine Verschaltungen zu verändern. Diese Veränderung braucht es, damit aus einem Bewegungsfehler eine bessere Bewegung werden kann.

Warum manche Fehlersignale stärker wirken

Die Messdaten zeigen, wie gezielt dieser Schaltkreis arbeitet. Die Kletterfasern, die Fehlersignale weiterleiten, erreichen zwar beide Gruppen hemmender Zellen. Sie docken aber viel häufiger an jener Zellgruppe an, die die Bremse löst. Pro Kletterfaser fanden die Forscher dort rund 2,4-mal so viele Kontaktstellen.

Auch einzelne Zellen waren unterschiedlich stark eingebunden. Eine Zelle aus der bremslösenden Gruppe erhielt im Schnitt Kontakt von 1,80 Kletterfasern. Bei der direkt bremsenden Gruppe waren es nur 0,40. Dazu kamen mehr Kontaktstellen und größere Kontaktflächen. Das spricht dafür, dass Fehlersignale bevorzugt jenen Weg nehmen, der das Lernfenster öffnet.

Beim Lernen aus Fehlern zählt auch das Timing

Messungen bei wachen, laufenden Mäusen zeigten, wie schnell dieser Ablauf ist. Nach einem Fehlersignal stieg die Aktivität bei 78 Prozent der bremslösenden Zellen. Bei 63 Prozent der direkt bremsenden Zellen sank sie. Das Ganze spielte sich in Tausendstelsekunden ab.

Besonders stark wurde der Effekt, wenn mehrere Fehlersignale fast zur selben Zeit eintrafen. In der Studie reichte dafür ein Abstand von bis zu fünf Millisekunden. Dann ließ die innere Bremse stärker nach. Die Purkinje-Zellen konnten größere Kalziumsignale bilden. Für das Kleinhirn zählt also nicht nur, dass ein Fehler passiert. Wichtig ist auch, wie gebündelt die Signale eintreffen.

Erkrankungen könnten mit gestörter Balance zusammenhängen

Der medizinische Teil bleibt vorsichtig. Die Arbeit liefert keinen neuen Therapieansatz. Sie hilft aber, Bewegungslernen im Kleinhirn besser zu verstehen. „Ein Ungleichgewicht von Erregung und Hemmung im Kleinhirn könnte auch zu motorischer Fehlfunktion oder beeinträchtigtem motorischem Lernen führen“, meint Hull.

Die Forscher nennen sogenannte Ataxien als Beispiel. Dabei geraten Bewegungen aus dem Takt, Betroffene gehen unsicher oder greifen ungenau. Hull formuliert den Ausblick zurückhaltend: „Die Hoffnung ist, dass wir durch das Verständnis dieses Schaltkreises erkennen können, welche Elemente bei Kleinhirnerkrankungen wie Ataxien nicht normal funktionieren.“

Kurz zusammengefasst:

• Das Kleinhirn fördert das Lernen aus Fehlern, indem es Bewegungsfehler über sogenannte Kletterfasern erkennt und an Purkinje-Zellen weitergibt.
• Eine Nature-Studie zeigt, dass das Gehirn dabei nicht jeden Patzer gleich stark nutzt, sondern eine innere Bremse nur kurz löst.
• Besonders wirksam werden Fehlersignale, wenn mehrere Signale fast zeitgleich eintreffen und dadurch stärkere Kalziumsignale entstehen.

Übrigens: Während das Kleinhirn aus Fehlern lernt, sortiert ein anderes Netzwerk im Gehirn blitzschnell, welche Eindrücke überhaupt unsere Aufmerksamkeit bekommen. Erst erkennt es grobe Reize wie Farbe oder Bewegung, dann schärft es den Blick für Details. Mehr dazu in unserem Artikel.

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