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Wenn sich Regeln plötzlich ändern, muss das Gehirn blitzschnell reagieren. Ein Forschungsteam aus Magdeburg und Berlin zeigt nun erstmals detailliert, wie sich Lern- und Entscheidungsprozesse schichtweise im Kortex des Gehirns neu organisieren, wenn zuvor gültige Zusammenhänge ihre Bedeutung verlieren. Die Studie liefert grundlegende neue Einblicke in die neurobiologischen Mechanismen von Lernen, Fehlerverarbeitung und Entscheidungsfindung – und macht deutlich: Fehler sind kein Störsignal, sondern der Motor flexibler Anpassung.
Heute richtig, morgen falsch – und übermorgen wieder richtig: Unser Alltag verlangt ständig, dass wir alte Regeln verwerfen und neue lernen. Wie das Gehirn diese Flexibilität ermöglicht, haben Forschende nun erstmals „Schicht für Schicht“ sichtbar gemacht. In einem Langzeitexperiment mit Mongolischen Wüstenrennmäusen mussten die Tiere über mehrere Wochen hinweg zwischen zwei Tönen unterscheiden. Nachdem sie diese Regel sicher beherrschten, wurden die Bedeutungen der Töne wiederholt vertauscht. Die Tiere mussten also immer wieder umlernen, während parallel die Aktivität einzelner Schichten ihres Hörkortex mit implantierten, hochauflösenden Elektroden gemessen wurde. Dieses experimentelle Design erlaubte es den Forschenden, die fein abgestufte Dynamik zwischen Fehlern, Lernen und der neuronalen Organisation über lange Zeiträume hinweg sichtbar zu machen.
Die Ergebnisse zeigen: Flexibles Lernen ist kein gleichförmiger Prozess, sondern geht mit einer tiefgreifenden funktionellen Umstrukturierung über die verschiedenen Schichten der Hirnrinde einher. Unmittelbar nach einem Regelwechsel dominieren die tiefen kortikalen Schichten die neuronale Aktivität. Diese sind eng mit Rückkopplung, Fehlerverarbeitung und motorischer Anpassung verknüpft. Mit zunehmender Lernerfahrung und stabiler Leistung verschiebt sich die Hauptaktivität in die oberen Hirnschichten, die für präzise Wahrnehmung, sensorische Integration und sichere Entscheidungsprozesse zuständig sind. „Unsere Daten zeigen, wie sich das Gehirn beim Umlernen neu organisiert – von Fehlersignalen in tiefen Hirnschichten hin zu stabilen Entscheidungsnetzwerken in den oberen Schichten. Fehler sind damit kein Störfaktor, sondern die biologische Grundlage für flexible Anpassung“, sagt Prof. Dr. Max Happel, Leiter der Studie.
Wenn Fehler das Gehirn neu verdrahten
Besonders deutlich wird in den Messungen die zentrale Rolle von Fehlern – nicht nur für das Umlernen, sondern auch für die zeitliche Entstehung von Entscheidungen. Fehlentscheidungen aktivieren gezielt neuronale Netzwerke in den tiefen Hirnschichten und stoßen dort die Anpassung der Entscheidungsregeln an. Dieses Signal entspricht dem sogenannten Reward-Prediction-Error – der Differenz zwischen erwarteter und tatsächlicher Belohnung – einem zentralen, dopaminabhängigen Lernsignal des Gehirns.
Frühere Arbeiten der Arbeitsgruppe um Prof. Happel zeigten bereits, dass dopaminerge Modulation bevorzugt in den tiefen kortikalen Schichten wirkt. Die neue Studie bestätigt nun funktionell genau diesen Mechanismus während des aktiven Umlernens: Dopaminabhängige Fehlersignale treiben die neuronale Reorganisation in den tiefen Schichten an und ermöglichen so die flexible Anpassung an neue Regeln. Bestimmte Aktivitätsmuster erlauben es, richtige und falsche Entscheidungen bereits mehrere Sekunden vor der tatsächlichen Reaktion vorherzusagen. Entscheidungen werden demnach schrittweise vorbereitet, während das Gehirn fortlaufend Fehler, Erwartungen und Konsequenzen miteinander verrechnet. Fehler sind damit nicht nur der Auslöser für Regelanpassung, sondern auch ein früher Taktgeber für die spätere Entscheidung.
Zeitliche Dynamik und Bedeutung der Ergebnisse
Auch die Rhythmen des Gehirns spielen beim Umlernen eine zentrale Rolle. Die Forschenden konnten zeigen, dass unterschiedliche Lernphasen durch spezifische Beta- und Gamma-Oszillationen geprägt sind. Während frühes Lernen von breit verteilter, unspezifischer Aktivität begleitet wird, zeigen sichere Entscheidungen hochfokussierte rhythmische Muster in den oberen Schichten des Kortex. Lernen ist damit nicht nur ein struktureller, sondern auch ein zeitlich präzise getakteter Prozess auf Ebene neuronaler Netzwerke. Die Ergebnisse gehen über eine reine Beschreibung einzelner Aktivitätsmuster hinaus und tragen zum grundlegenden Verständnis bei, wie das Gehirn flexibles Umlernen organisiert. Sie liefern Ansatzpunkte dafür, wie Fehlerverarbeitung, Entscheidungsaufbau und neuronale Dynamik über verschiedene Hirnschichten zusammenspielen. Perspektivisch können solche Befunde helfen, bestehende Modelle des Lernens und der Entscheidungsfindung weiterzuentwickeln.
Über die Institutionen
Die MSB Medical School Berlin ist eine private, staatlich anerkannte Hochschule in Berlin, die sich in Lehre und Forschung auf den Bereich Gesundheit und Medizin spezialisiert hat. Das Leibniz-Institut für Neurobiologie in Magdeburg ist ein führendes Forschungsinstitut auf dem Gebiet der Neurowissenschaften mit einem Fokus auf Lernen und Gedächtnis.
Prof. Dr. Max Happel – Prorektor für Forschung, MSB Medical School Berlin
E-Mail: max.happel@medicalschool-berlin.de
https://Weitere Informationen finden Sie online in der Originalpublikation unter:
https://www.nature.com/articles/s42003-025-09336-6
https://Und unter: https://communities.springernature.com/posts/when-rules-change-how-the-brain-lea...#
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars
Biology, Medicine, Psychology
transregional, national
Research results, Transfer of Science or Research
German
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