Wie Übung das Gehirn verändert: vom Signal zur verlässlichen Handlung

Du hältst deinem Hund die offene Hand hin. Er berührt sie mit der Nase, dein Marker kommt und anschließend die Belohnung. Von außen dauert das vielleicht zwei Sekunden. Im Gehirn treffen währenddessen Informationen über deine Hand, die eigene Bewegung und die erwartete Folge zusammen. Damit daraus ein brauchbarer Handtouch wird, müssen sich Nervenzellen aufeinander abstimmen.

Eine Nervenzelle nimmt viele ihrer Signale über verzweigte Fortsätze auf, die Dendriten. Die Kontaktstellen zwischen Zellen heißen Synapsen. Hier wird Aktivität meist mithilfe chemischer Botenstoffe weitergegeben. Diese binden an passende Rezeptoren der empfangenden Zelle und verändern, wie leicht sie selbst ein elektrisches Signal auslöst. Erregende und hemmende Einflüsse wirken dabei zusammen. Hemmung gehört deshalb genauso zur geordneten Verarbeitung wie Erregung: Sie hilft unter anderem, Aktivität zu begrenzen und zeitlich abzustimmen.

Ein solches elektrisches Signal, das Aktionspotenzial, läuft am Axon entlang. Was es im Netzwerk bewirkt, hängt davon ab, welche Zellen es erreicht, wie deren Verbindungen beschaffen sind und was dort gleichzeitig geschieht. Für eine Handlung wie „Hand berühren“ kommt es auf die Aktivitätsmuster vieler beteiligter Zellen an.

Mit Erfahrung verändert sich dieses Zusammenspiel. Bei Mäusen konnten Forschende während des Erlernens einer Greifaufgabe beobachten, wie neue kleine Kontaktstrukturen an Dendriten entstanden und ein Teil davon länger erhalten blieb. Diese dendritischen Dornen tragen viele erregende Synapsen (Xu et al., 2009).

Wenn ich im Buch von einer besser ausgebauten Route spreche, ist damit also ein verändertes Netzwerk gemeint. Für deinen Handtouch bedeutet das praktisch: Der Hund braucht verständliche Gelegenheiten, die Bewegung auszuführen und ihre Folge zu erleben. Eine möglichst hohe Wiederholungszahl hilft wenig, wenn er dabei etwas anderes übt, als du ihm eigentlich zeigen wolltest.

Du greifst nach der Leine, und dein Hund läuft bereits zur Tür. Er kennt den Ablauf und erwartet den Spaziergang. Auch im Training werden Bewegungsfolgen mit Übung flüssiger und brauchen weniger Unterstützung. Bei solchen erlernten Abläufen kommen weitere Netzwerke ins Spiel.

Die Basalganglien umfassen mehrere miteinander verbundene Kerngebiete. Zu ihnen gehört das Striatum. Sie tauschen in Schleifen Informationen mit Cortex und Thalamus aus und wirken daran mit, welche Handlung ausgeführt und wie eine Handlungsfolge gelernt wird. Unterschiedliche Verbindungen tragen dazu bei, ob Verhalten stärker am aktuell erwarteten Ergebnis ausgerichtet ist oder stärker durch vertraute Auslöser gesteuert wird.

In einem Mausversuch konnten dieselben Tiere dieselbe Hebelbewegung je nach Lernkontext eher zielgerichtet oder eher gewohnheitsmäßig zeigen. Entscheidend war unter anderem, ob die Handlung auf eine Veränderung des Belohnungswerts reagierte. Ableitungen von Nervenzellaktivität und gezielte Eingriffe in orbitofrontale und striatale Schaltkreise zeigten unterschiedliche Beiträge zur Steuerung (Gremel & Costa, 2013).

An diesem Versuch lässt sich eine wichtige Unterscheidung verstehen: Wie schnell und flüssig ein Ablauf gelingt, sagt noch wenig darüber, ob er im fachlichen Sinn eine Gewohnheit ist. Dafür wurde geprüft, ob die Tiere ihre Handlung an den veränderten Wert der Folge anpassten. Im Cockpit fassen die vertrauten Routen unterschiedliche Formen eingeübter Abläufe zusammen. Bei ihrer Erklärung kommen diese Lernnetzwerke zu den schnellen Schutzprogrammen des Autopiloten hinzu.

Für den Alltag ist das durchaus erwünscht. Ich möchte, dass ein geübter Handtouch oder einige gemeinsame Schritte leicht verfügbar werden. Gleichzeitig soll mein Hund auf Veränderungen reagieren können. Nach einem Handtouch darf mein Hund zum Beispiel wieder erkunden. Beim nächsten passenden Moment üben wir erneut, später auch an einem anderen Ort. So arbeiten wir daran, dass er den Ablauf flüssig ausführt und sich zugleich auf veränderte Bedingungen einstellen kann.

Beim ersten Handtouch findet dein Hund vielleicht eher zufällig heraus, dass die Berührung deiner Hand eine gute Folge hat. Später erwartet er diese Folge schon. Für das Lernen ist dieser Unterschied wichtig: Was ist tatsächlich passiert, und wie sehr weicht es von dem ab, womit das System gerechnet hat?

Ein Teil der Aktivität von Dopaminneuronen lässt sich als Belohnungsvorhersagefehler beschreiben. Besser als erwartet, ungefähr wie erwartet und schlechter als erwartet gehen in untersuchten Aufgaben mit unterschiedlichen Aktivitätsmustern einher. Im Verlauf des Lernens können vorhersagende Hinweise selbst solche Antworten auslösen. Nervenzellen im Mittelhirn, die Dopamin freisetzen, beeinflussen über ihre Verbindungen unter anderem Netzwerke im Striatum.

Dass hier mehr als ein begleitendes Signal vorliegt, zeigen Versuche an Ratten. Forschende aktivierten Dopaminneurone gezielt zum Zeitpunkt einer Belohnung und konnten dadurch das weitere Lernen über einen Hinweisreiz verändern (Steinberg et al., 2013). Eine aktuelle wissenschaftliche Einordnung beschreibt zugleich, warum Vorhersagefehler nicht jede Funktion und jedes Aktivitätsmuster des Dopamins erklären (Gershman et al., 2024).

Auch an einzelnen Kontaktstrukturen wird Timing sichtbar. In Hirnschnitten von Mäusen veränderte der Zeitpunkt eines dopaminergen Signals, ob zuvor angeregte dendritische Dornen sich vergrößerten. Die Forschenden untersuchten dabei genau definierte Zellen und lösten die Signale künstlich aus (Yagishita et al., 2014).

Dafür nutze ich im Buch die VIP-Kennung: Durch die bisherigen Erfahrungen bekommt dein Signal Bedeutung. Dein Hund erwartet eine bestimmte Folge, und diese Erwartung beeinflusst, was seine Aufmerksamkeit gewinnt und was er als Nächstes tut. Die Verstärkerhistorie gibt dem Funkspruch Gewicht.

Ich markiere beim Handtouch deshalb die Nasenberührung und liefere die angekündigte Belohnung anschließend zuverlässig aus. Das im Hirnschnitt untersuchte Zeitfenster lässt sich nicht als feste Trainingsfrist auf Hunde übertragen. Im Training schauen wir darauf, ob unser Ablauf dem Hund hilft, die richtige Handlung mit ihrer Folge zu verbinden. Die praktische Anleitung findest du bei Markerwort aufbauen und richtig einsetzen.

Dein Hund kann mittlerweile an einem bestimmten Zaun vorbeigehen, ohne sich in die Leine zu werfen. Einige Wochen später steht dort plötzlich ein anderer Hund, und die alte Reaktion ist wieder da. Das ist enttäuschend. Es bedeutet aber nicht, dass alle guten Erfahrungen verschwunden sind.

Lernen verändert Verbindungen auf mehreren Ebenen. Die Stärke synaptischer Übertragung kann zu- oder abnehmen; beteiligt sind unter anderem Rezeptoren und Signalwege innerhalb der Zellen. Über längere Zeit können sich Kontaktstrukturen und die Zusammenarbeit ganzer Netzwerke verändern. Auch Myelin, die von spezialisierten Gliazellen gebildete Hülle um viele Axone, gehört zur Plastizität. Es beeinflusst die Leitung elektrischer Signale und damit deren zeitliches Zusammenspiel.

Bei Mäusen beeinträchtigte das gezielte Verhindern neuer Myelinbildung den Erwerb einer bestimmten motorischen Fertigkeit auf einem anspruchsvollen Laufrad. Eine zuvor gelernte Fertigkeit blieb unter den untersuchten Bedingungen erhalten (McKenzie et al., 2014). Die Landebahn im Buch steht für solche erfahrungsabhängigen Veränderungen und dafür, dass eine Route mit geeignetem Üben leichter verfügbar wird.

Wenn eine alte Reaktion bei ausbleibender früherer Folge abnimmt, sprechen wir von Extinktion. Dabei entsteht häufig zusätzliches Lernen darüber, was unter den jetzigen Bedingungen gilt. Kontext und Zeit können mitentscheiden, welche Erfahrung später das Verhalten beeinflusst. Deshalb kann eine Reaktion nach einer Pause oder an einem anderen Ort wieder auftreten, obwohl das neue Lernen erhalten geblieben ist (Bouton et al., 2021).

Am Zaun schaue ich deshalb, was diesmal anders war, und stelle wieder eine brauchbare Ausgangslage her. Vielleicht reicht dafür mehr Abstand. Von dort aus üben wir die veränderte Situation und knüpfen an das an, was schon gelingt. Im Bordbuch stehen dann Erfahrungen mit beiden Situationen.

Du hast eine kurze, gute Einheit beendet. Dein Hund sucht seinen Liegeplatz und schläft später ein. Damit endet eure aktive Übung. Die Verarbeitung der Erfahrung läuft im Nervensystem weiter.

Beim Üben lernt dein Hund etwas hinzu. Anschließend wird weiter daran gearbeitet, die Erinnerung zu festigen und mit bisherigen Erfahrungen zu verbinden. Diese Prozesse werden unter dem Begriff Konsolidierung zusammengefasst. Schlaf verändert, wie Netzwerke miteinander arbeiten. Bestimmte Aktivitätsmuster können erneut auftreten, obwohl das Tier die ursprüngliche Aufgabe gerade nicht ausführt.

In einer klassischen Untersuchung wurden Nervenzellpopulationen im Hippocampus von drei Ratten während einer räumlichen Aufgabe und im Schlaf aufgezeichnet. Zellen, die während der Aufgabe gemeinsam aktiv waren, zeigten danach im Schlaf vermehrt gemeinsame Aktivität gegenüber dem Schlaf davor (Wilson & McNaughton, 1994).

Bei Familienhunden wurde die elektrische Gehirnaktivität während des Schlafs mit einem EEG gemessen, nachdem sie neue Wörter für bereits bekannte Handlungen gelernt hatten. Das Lernen veränderte die im EEG erfassten Aktivitätsmuster; einige Schlafmerkmale hingen mit der späteren Leistung zusammen. Ein zweites Experiment verglich verschiedene Aktivitäten nach dem Lernen. Je nach Aktivität verlief die Leistung kurz- und längerfristig unterschiedlich (Kis et al., 2017). Das EEG erfasst die gemeinsame Aktivität vieler Zellen. Es erlaubt einen anderen Einblick als die Aufzeichnung einzelner Zellen im Rattenversuch.

Im Cockpit passt dazu die Zeit zwischen den Flügen: Erfahrungen werden weiterverarbeitet, auch wenn von außen gerade wenig passiert. Ich beende eine gute Einheit deshalb gern, bevor die Qualität zerfällt. Anschließend bekommt mein Hund Gelegenheit, zur Ruhe zu kommen und ungestört zu schlafen. Beim nächsten passenden Versuch sehen wir, wie gut er wieder einsteigt und was von der Aufgabe verfügbar geblieben ist.