Mechanismen und Sequenzen der Plastizität
Wir definieren Plastizität als die Befähigung von Organismen, andauernde, aber dennoch reversible strukturelle und damit verbundene funktionelle Veränderungen von neuronalen Verbindungen als Reaktion auf Interaktionen mit der Umwelt herauszubilden. Unser Ziel besteht in der Ausarbeitung einer Theorie struktureller Plastizität des Gehirns sowie deren Überprüfung über verschiedene Fertigkeitsdomänen, Entwicklungsstufen und Spezies hinweg.
Einer von Greenough und Kollegen eingeführten einflussreichen Unterscheidung folgend lassen sich zwei Plastizitätsformen voneinander abgrenzen. Zum einen ermöglicht die „erfahrungserwartende“ Form Organismen, arttypisches Verhalten wie die visuelle Wahrnehmung auszubilden. Die enge Verbindung zwischen Reifung und Plastizität ist dieser Form inhärent. Zum anderen reagieren Organismen auf individuelle Herausforderungen während der gesamten Ontogenese mit einer „erfahrungsabhängiger“ Plastizität, zum Beispiel durch das Erlernen einer spezialisierten Fertigkeit wie dem Geigenbau. Diese zweite Plastiziätsform bildet die Quelle individualisierter Entwicklung (Freund et al., 2013).
Die Grenzen zwischen diesen beiden Plastizitätsformen sind fließend. Das erfahrungsabhängige Vermögen, sich Fertigkeiten anzueignen, die der spezifischen Umwelt eines bestimmten Individuums idiosynkratisch entsprechen, stellt selbst eine evolutionäre Anpassung dar und kann daher mittelbar auch als erfahrungserwartend angesehen werden. Die Evolution “erwartet” (d.h. ermöglicht es), dass Individuen sich auf idiosynkratische Weisen entwickeln. Deswegen halten wir die Annahme für plausibel, dass sich die Mechanismen der beiden Plastizitätsformen einander ähneln. Insbesondere sollte Verstärkungslernen in beiden Fällen eine entscheidende Rolle spielen.
Auf der Basis dieser allgemeinen Betrachtungen bestimmen sich die Hauptziele dieses Projekts. Erstens gründet unsere Arbeit auf einem theoretischen Modell erfahrungsabhängiger Plastizität. Wir möchten dieses Modell überprüfen, wann immer es die Daten erlauben. Zweitens untersuchen wir Plastizität über ein weites Spektrum von Altersgruppen und Fertigkeiten hinweg, um allgemeine sowie bereichsspezifische Merkmale plastischer Veränderungen über die Lebensspanne zu erkunden. Drittens versuchen wir, die nach wie vor bestehende Lücke zwischen Tiermodellen und der Forschung zur menschlichen Plastizität zu schließen, um zu einem mechanistischem Verständnis der menschlichen Plastizität zu gelangen (Hille et al., 2024). Eine vierte Forschungslinie, die Plastizität als Quelle der Individualität untersucht, wird im ATLAS-Projekt (Leitung: Sarah Power) verfolgt.
Im Folgenden präsentieren wir unser theoretisches Modell und berichten über unsere empirische Arbeit in drei verschiedenen Fertigkeitsbereichen.
Die Expansions-, Explorations-, Selektions- und Verfeinerungstheorie plastischer Veränderung
Lövdén et al. stellten 2020 die Expansions-, Explorations-, Selektions- und Verfeinerungstheorie des Erwerbs neuer Fertigkeiten vor (englisch EESR – expansion, exploration, selection, and refinement theory of plastic change) (Lövdén et al., 2020; siehe Hille et al., 2024, für eine revidierte Fassung; siehe Lindenberger & Lövdén, 2019, für eine entwicklungsbezogene Diskussion). Den Ausgangspunkt bildet eine Situation, in der die verfügbaren neuronalen Ressourcen für die Anforderungen der zu lernenden Aufgabe unzureichend sind (Lövdén et al., 2010). Aufgrund dieser Diskrepanz werden neue Synapsen in relevanten kortikalen Arealen gebildet und der sich ergebende größere Konnektivitätsraum wird anschließend exploriert, um diejenigen neuronalen Schaltkreise zu finden, die der Ausführung des zielrelevanten Verhaltens dienen. Schließlich wird der am besten funktionierende Schaltkreis durch einen teilweise durch den Neurotransmitter Dopamin vermittelten Prozess des Verstärkungslernens ausgewählt, und die neuronale und behaviorale Variabilität beginnt abzunehmen (mehr erfahren).
Kognitive Fertigkeiten
Unsere Forschung in diesem Bereich folgt drei Pfaden. Erstens haben wir Daten der FLEX-Studie analysiert, einer großen Trainingsstudie zum Aufgabenwechsel bei Kindern, die in Zusammenarbeit mit Yana Fandakova und Silvia Bunge geplant und durchgeführt wurde. Zweitens bauen wir auf die Ergebnisse der FLEX-Studie auf, indem wir gegenwärtig die Ontogenese hierarchischer Kontrolle in der Kindheit untersuchen. Drittens haben wir untersucht, wie Altersunterschiede in der Entwicklung verschiedener Gehirnregion das Sequenzlernen beeinflussen (mehr erfahren).
Musikalische Fertigkeiten
Dieser Zweig des Projekts untersucht plastische Veränderungen in Gehirnstrukturen und -funktionen, die mit dem Erwerb und der Meisterung musikalischer Fertigkeiten einhergehen. Viele Befunde aus Studien mit Musikerexpert*innen sowie musikalische Trainingsinterventionen zeigen, dass die Ausübung musikbezogener Fertigkeiten mit Unterschieden und Veränderungen der grauen und der weißen Substanz sowie funktioneller Aktivierungs- und Konnektivitätsmuster assoziiert ist. Während einige Veränderungen abgrenzbare Gehirnregionen wie Teile des auditorischen und des motorischen Kortex betreffen, sind andere Veränderungen über Hirnnetzwerke verteilt. Unsere Forschung auf diesem Gebiet hat drei Schwerpunkte. Erstens haben wir Plastizität bei angehenden professionellen Musiker*innen untersucht. Zweitens liegt unser gegenwärtiger Fokus auf der Betrachtung von gesangsinduzierter Plastizität in der Kindheit. Drittens planen wir in Zusammenarbeit mit Kolleg*innen vom MPI für Empirische Ästhetik, die neuronalen Repräsentationen von Tonhöhe und Timbre bei erfahrenen Musiker*innen zu bestimmen (mehr erfahren).
Sensomotorische Fertigkeiten
Die von uns zurzeit untersuchten sensomotorischen Fertigkeiten unterscheiden sich sehr in Bezug auf ihre Komplexität. Um die EESR-Theorie so direkt wie möglich zu erproben, haben wir ein Paradigma für Menschen entwickelt, das dem Greifverhalten mit einer Pfote bei Nagern möglichst nahekommt (Hille et al., 2024). Um plastische Veränderungen in komplexeren Kontexten zu untersuchen, haben wir zwei Sportarten ausgewählt, Abfahrtski und Kampfsport (mehr erfahren).