Von Christian E. Elger
30. Juli 2008 Die Erforschung des menschlichen Gedächtnisses und seiner Störungen ist untrennbar mit der Epilepsieforschung verbunden. Es sind die teils tragischen Ergebnisse von Eingriffen an solchen Patienten, die uns entscheidende Erkenntnisse lieferten. Denn tatsächlich war schon früh klar, dass die Komplexität des menschlichen Gedächtnisses in Tiermodellen kaum angemessen erfasst werden kann. Einen entscheidenden Beitrag hat dafür ein siebenundzwanzigjähriger kanadischer Epilepsiepatient geleistet. Er ist mit seinen Initialen H. M. als Schlüsselfall in die Wissenschaftsgeschichte des menschlichen Gedächtnisses eingegangen.
In den fünfziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts war das Montreal Neurological Institute die weltweite Hochburg der Epilepsiechirurgie, bei der der Entstehungsort für epileptische Anfälle nach aufwendiger Vordiagnostik durch einen Neurochirurgen aus dem Gehirn entfernt wird. Besonders häufig wurden und werden Patienten mit Epilepsien des Schläfenlappens operiert.
Das deklarative Gedächtnis
Bereits damals war erkennbar, dass Epilepsien des Schläfenlappens, die besonders häufig durch Medikamente nicht zu kontrollieren sind, zu Gedächtnisstörungen im sogenannten deklarativen Gedächtnis führen können. Das deklarative Gedächtnis betrifft unser ganzes biographisches Erleben – das episodische Gedächtnis –, und es trägt auch das gesamte Wissen, das wir im Laufe des Lebens ansammeln, das semantische Gedächtnis. Damit war klar, dass die Strukturen des Schläfenlappens bei dieser Form des Gedächtnisses eine wichtige Rolle spielen. Das sogenannte prozedurale Gedächtnis hingegen war in keinem Fall einer Temporallappenepilepsie betroffen. Dieses Gedächtnissystem speichert Fähigkeiten wie Schwimmen oder Radfahren. Im Gegensatz zum deklarativen Gedächtnis, das im Alter vor allem bei Demenzerkrankungen sehr schnell nachlassen kann, ist das prozedurale Gedächtnis außerordentlich robust. Auch bei der Alzheimerschen Demenz bleibt das prozedurale Gedächtnis lange Zeit unangetastet.
Man verstand es schon damals, Epilepsieherde aus dem Gehirn ohne nachträgliche Störungen der Sprache oder Motorik zu entfernen, da diese Regionen der Hirnrinde durch elektrische Reize zuvor individuell ermittelt und so beim Eingriff verschont werden konnten. Der Schläfenlappen aber war lange Terra incognita. Eingriffe blieben ohne wesentliche Folgen für das Gedächtnis. Die erfolgreichen Gehirnchirurgen wurden daher immer mutiger. Dies sollte sich bald ändern.
Der Fall H. M.
Im Jahre 1953 betrat H. M. das Montreal Neurological Institute. Seine seit dem zehnten Lebensjahr bestehende Epilepsie war schwer belastend. Er war intelligent und litt daher besonders unter den Einschränkungen durch die Erkrankung bei der Ausbildung und im Beruf. Die medikamentöse Therapie war weitgehend erfolglos geblieben, und ein erfolgreicher hirnchirurgischer Eingriff versprach eine Wende im Leben des jungen Mannes. Trotz des experimentellen Charakters der chirurgischen Epilepsietherapie entschlossen sich Mutter und Sohn für den Eingriff, dessen Indikation nur auf theoretischen Überlegungen basierte. Der Neurochirurg William B. Scoville vermutete einen Anfallsherd in beiden mittleren Strukturen des Schläfenlappens, nämlich im Hippocampus, im Mandelkern und im umliegenden Hirngewebe.
Hippocampus heißt Seepferdchen. Der Name kommt von der besonderen anatomischen Struktur dieses Hirnabschnittes, dessen Form und Oberfläche einem Seepferdchen ähnelt. Er liegt in der Tiefe des mittleren Schläfenlappens und ist doppelt in beiden Großhirnhälften vorhanden. Scoville, ein außerordentlich erfolgreicher und geschickter Neurochirurg, stellte sich der schwierigen Aufgabe, beide Strukturen in einer langen und technisch anspruchsvollen Operation unter örtlicher Betäubung vollständig zu entfernen. Dies gelang, wie wir heute an Hand späterer bildgebender Untersuchungen des Gehirns von H. M. sehen können, außerordentlich gut. Der Patient erholte sich sehr rasch von dem schweren Eingriff. Leider traten kurz nach der Operation bereits wieder erste Anfälle auf, so dass die Operation das eigentliche Ziel der Anfallskontrolle verfehlte und nur eine Besserung der Anfallssituation bewirkte. H. M. leidet bis heute an seltenen epileptischen Anfällen.
Brenda Milner, eine engagierte Neuropsychologin, stellte bereits kurz nach der Operation fest, dass für H. M. eine weit größere Katastrophe als die fehlende Anfallskontrolle eingetreten war: Er litt an einer massiven Gedächtnisstörung. Neue Informationen oder Erlebnisse waren ein bis zwei Minuten verfügbar. Danach fehlte jede Erinnerung an das unmittelbar zuvor Erlebte oder neu vermitteltes Wissen. H. M. konnte seine Autobiographie von diesem Zeitpunkt an nicht fortschreiben. Aber auch Erinnerungen an die Zeit vor der Operation waren zunächst nicht mehr zugänglich. In den folgenden Monaten erholte sich dieser Bereich des deklarativen Gedächtnisses bis auf die drei Monate vor der Operation, die nie mehr aufrufbar waren. Weitere Untersuchungen zeigten eine unveränderte Intelligenz, weitgehend normale Sprache und ein uneingeschränktes Vermögen, motorische Fähigkeiten auszuführen oder gar neue zu erlernen.
Eine Seite reicht aus
Für die Gedächtnisforscher war dieses tragische Schicksal mit einem Erkenntnissprung verbunden. Es war deutlich geworden, dass der mittlere Schläfenlappen eine bisher ungeahnte Schlüsselrolle bei der Bildung des deklarativen Gedächtnisses spielt. Keine wesentliche Bedeutung hat er für das Kurzzeitgedächtnis für wenige Minuten und für das prozedurale Gedächtnis, das bei H. M. ja nach wie vor einwandfrei funktionierte. Deutlich wurde auch, dass die Intaktheit einer Seite für die Aufrechterhaltung der Funktion ausreichen kann, da bereits vorher zahlreiche Patienten erfolgreich ohne gravierende Gedächtnisfolgen nur auf einer Seite am Schläfenlappen operiert worden waren. In der Folgezeit wurden von mehr als hundert Wissenschaftlern Untersuchungen an H. M. durchgeführt und in Fachartikeln dokumentiert.
Seitdem konnten, wiederum im Kontext der Epilepsiechirurgie, weitere Erkenntnisse zur Rolle des mittleren Schläfenlappens gewonnen werden, da in diese Strukturen bei manchen Patienten aus diagnostischen Gründen Elektroden eingeführt werden müssen. Es zeigte sich dabei, dass der Hippocampus entscheidend für eine bewusste Erinnerung ist. Der Hippocampus erweist sich somit als eine Art Flaschenhals für jegliche Form der Gedächtnisbildung im Rahmen des biographischen Erlebnisgedächtnisses und des semantischen Wissensgedächtnisses.
Mindestens in den ersten Monaten der Gedächtnisbildung liegt eine noch instabile Form der Gedächtniskonsolidierung vor, so dass der Hippocampus in dieser Zeit für die Aufrechterhaltung bereits gespeicherter Inhalte benötigt wird. Nach einer gewissen Zeit, so vermutet man, scheint das Langzeitgedächtnis den Hippocampus nicht mehr zu benötigen. So hatte H. M. immer noch Zugriff auf seine Erinnerungen an Erlebnisse, die mehr als drei Monate vor der Operation stattfanden, obwohl er keine Hippocampi mehr besaß.
Alte versus neue Erinnerungen
Bei Patienten mit Demenzerkrankungen zeigt sich ebenfalls, dass alte Erinnerungen viel robuster sind als neue. Die Betroffenen können lange zurückliegende Erlebnisse detailreich berichten, während der Urlaub des letzten Jahres völlig in Vergessenheit geraten ist. Im weiter fortgeschrittenen Stadium werden auch enge Angehörige nicht mehr erkannt. Jugendbilder der betreffenden Personen können dagegen zugeordnet werden.
Die explizite, frei abrufbare Erinnerung ist nicht die einzige Form der Speicherung deklarativer Gedächtnisinhalte. „Vertrautheit“ ist eine Art Vorstufe des sicheren Wiedererkennens. Diese vage Form der Erinnerung ist nicht auf den Hippocampus angewiesen. Die Erregung einer unmittelbar daneben gelegenen Struktur, des Gyrus parahippocampalis, reicht dagegen aus, um ein Vertrautheitsgefühl zu erzeugen. Die beiden Schläfenlappen haben sich spezialisiert. Ähnlich wie Sprache bei den meisten Menschen in der linken Hirnhälfte organisiert ist, sind sprachbezogene Gedächtnisinhalte besonders auf einen intakten linken Hippocampus angewiesen. Diese Spezialisierung ist nicht so konsequent wie bei der Sprache selbst. Während Sprachfunktionen nach einem linksseitigen Schlaganfall oft unwiderruflich verloren sind, übernimmt bei einem Epilepsiepatienten, dessen linker Hippocampus geschädigt ist, der rechte Hippocampus die entsprechenden Funktionen. Eingriffe an nur einem Hippocampus, wie sie heute im Rahmen der Epilepsiechirurgie in großer Zahl durchgeführt werden, sind daher auch ohne relevante Beeinträchtigung der noch vorhandenen Gedächtnisleistungen möglich. Bei Kindern zeigen sich nach einer erfolgreichen Operation manchmal sogar positive Erholungseffekte in der Gedächtnisentwicklung.
Eingebettet ins limbische System
Der Hippocampus ist Teil des limbischen Systems, das für viele essentielle Funktionen verantwortlich ist. Zu ihm gehört auch der für das Gedächtnis überaus wichtige Mandelkern, ein Komplex von Nervenzellkernen, der vor und ein wenig oberhalb des Hippocampus liegt. Diese Hirnstruktur ist anatomisch eng mit dem Hippocampus und dem Belohnungssystem des Gehirns verbunden und verarbeitet Emotionen. Welchen Einfluss dies auf die Gedächtnisbildung hat, lässt sich unschwer durch einen Selbstversuch ermitteln: Schließen Sie die Augen, und versuchen Sie, sich dabei die Erinnerungen an den berühmten 11. September 2001 aufzurufen. Sie werden feststellen, dass Sie noch genau wissen, wo Sie an diesem Tage waren und mit welchen Personen Sie zuerst über das schreckliche Ereignis gesprochen haben. Eine Erinnerung an den 3. September 2007, der noch nicht einmal ein Jahr zurückliegt, dürfte den meisten dagegen schwerfallen. Extreme Ereignisse sind emotional extrem aufgeladen und werden fast unauslöschlich in das Gedächtnis eingraviert.
Neben emotionalen Verknüpfungen werden Erinnerungen dann besser abgelegt, wenn die Erlebnisse mit einer Belohnung verknüpft sind. Dies ist nicht nur in einem praktischen Sinne zu verstehen, sondern auch dahin gehend, dass ein begleitender Reiz, der zur Aktivierung des Belohnungssystems, deutlich erinnerungsverstärkend wirkt. Auch ein Lernerlebnis selbst, beispielsweise die eigenständige Lösung einer Aufgabe, kann dieses System aktivieren.
Wie funktioniert Langzeitspeicherung?
Die große Frage ist: Was passiert, nachdem eine erinnerungswürdige Information den Flaschenhals Hippocampus passiert hat? Wie sieht die Langzeitspeicherung der unglaublichen Datenmengen aus, die wir durch unser Leben im Gehirn ansammeln? Wie sind Erinnerungen kodiert? Eindeutig ist, dass dies nur auf einer Vernetzungsveränderung von Nervenzellen beruhen kann. Jede Nervenzelle hat eine große Menge von Antennen – Dendriten –, die die Information von wahrscheinlich bis zu zehntausend anderen Nervenzellen aufnehmen. Wie Dornen an einem Ast ragen sie aus den Dendriten hervor und suchen Kontakt zu den informationsweiterleitenden Fortsätzen – den Axonen – anderer Nervenzellen. Die Verbindungen verändern sich in Abhängigkeit von der Nutzung innerhalb weniger Stunden und sind daher imstande, Nervenzellnetze aufzubauen, die der längerfristigen Informationsspeicherung dienen können. Die Position der Dornen am Dendriten bestimmt die Wertigkeit einer Verbindung. Aber die oft schnellen Veränderungen der Kontakte zwischen den Nervenzellen sprechen dagegen, dass dies das endgültige Geheimnis der Langzeitspeicherung ist. Zumindest was das Arbeitsgedächtnis angeht, gibt es inzwischen Beobachtungen, die stattdessen für eine biochemische Speicherung von Inhalten, zumindest des Kurzzeitgedächtnisses, sprechen. Wie die genau aussieht, weiß man nicht genau, möglicherweise sind es Veränderungen in der Membran der Nervenzellen.
Christian E. Elger ist Direktor der Bonner Universitätsklinik für Epileptologie und Mitbegründer von „Life & Brain“, einer Bonner Firma zur Erforschung des Gehirns.
Die bereits erschienenen Folgen sowie weitere Informationen zum Thema finden Sie im Internet auf unseren Seiten www.faz.net/hirntraining.
Ein personalisierbares Angebot für Hirntrainingswillige, das die F.A.Z. im Internet zusammen mit den Experten von „HappyNeuron“ anbietet, ist unter der Adresse: http://www.faz.net/gehirntraining zu finden.
Die Auflösung des Rätsels:
A +5 -3 +5 -3 +5 = 47
B -13 -7 -13 -7 -13 = 33
C -5 -4 -5 -4 -5 = 63
D /2 /2 /2 /2 /2 = 2
E -18 -18 -18 -18 -18 = 13
F x3 /2 x3 /2 x3 = 27
Text: F.A.Z.
Bildmaterial: F.A.Z.
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