Lernen und Gedächtnis: Synaptische Plastizität

Synaptische Plastizität ist ein dynamischer Prozess, den Schülerinnen und Schüler nur durch aktive Manipulation der Modelle verstehen. Konkrete Experimente mit Synapsen und Signalverstärkung machen die abstrakten molekularen Mechanismen greifbar und nachvollziehbar.

• Klasse 12
• Biologie der Oberstufe: Von den Molekülen zur Biosphäre
• 4 Aktivitäten
• 25 Min.–45 Min.

Lernziele

1. Erklären Sie die Rolle von Neurotransmittern und Rezeptoren bei der synaptischen Signalübertragung.
2. Analysieren Sie die molekularen Mechanismen, die LTP und LTD zugrunde liegen, einschließlich der Beteiligung von NMDA- und AMPA-Rezeptoren.
3. Bewerten Sie die Bedeutung der synaptischen Plastizität für die Bildung und Konsolidierung von Erinnerungen in verschiedenen Hirnregionen.
4. Entwerfen Sie ein einfaches Modell, das die Veränderung der synaptischen Stärke durch wiederholte Aktivierung darstellt.

Forschungskreis

⏱ 45 Min.·Kleingruppen

Modellbau: Synapse konstruieren

Schüler bauen eine Synapse mit Knet, Stäbchen und Glitzer: Präsynaptischer Knopf mit Vesikeln, Spalt und postsynaptische Rezeptoren. Gruppen testen Plastizität, indem sie Verbindungen verstärken oder schwächen. Diskutieren Sie Veränderungen in Stärke.

Vorbereitung & Details

Erklären Sie das Konzept der synaptischen Plastizität und ihre Bedeutung für Lernen und Gedächtnis.

Moderationstipp: Beim Modellbau der Synapse darauf achten, dass Schülerinnen und Schüler sichtbare Veränderungen an den 'Synapsen' vornehmen, z.B. durch Farbmarkierungen oder bewegliche Teile, um LTP und LTD zu simulieren.

Setup: Gruppentische mit Zugang zu Quellenmaterialien

Materials: Quellensammlung, Arbeitsblatt zum Forschungszyklus, Leitfaden zur Fragestellung, Vorlage für die Ergebnispräsentation

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Selbststeuerung
• Selbstwahrnehmung

Planspiel

⏱ 30 Min.·Partnerarbeit

Planspiel: LTP-Demonstration

Nutzen Sie Software oder Karten: Schüler simulieren neuronale Impulse und markieren LTP durch Häufung. Wiederholen Sie Stimulationen, messen Sie Signalstärke. Vergleichen Sie mit LTD durch seltene Impulse.

Vorbereitung & Details

Analysieren Sie die zellulären Mechanismen der Langzeitpotenzierung (LTP) und Langzeitdepression (LTD).

Moderationstipp: Bei der Simulation von LTP die Schüler anweisen, die Stimulationssequenz genau zu protokollieren und die Signalstärke vor und nach der Simulation zu messen, um die Wirkung zu dokumentieren.

Setup: Flexibler Raum für verschiedene Gruppenstationen

Materials: Rollenkarten mit Zielen und Ressourcen, Spielwährung oder Token, Rundenprotokoll

• Anwenden
• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Sozialbewusstsein
• Entscheidungsfähigkeit

Lernen an Stationen

⏱ 40 Min.·Kleingruppen

Lernen an Stationen: Hirnregionen zuordnen

Vier Stationen mit Modellen von Hippocampus, Amygdala, Kortex und Kleinhirn. Gruppen ordnen Funktionen zu Lernen/Gedächtnis zu, notieren Belege. Rotieren alle 10 Minuten.

Vorbereitung & Details

Bewerten Sie die Rolle verschiedener Hirnregionen bei der Gedächtnisbildung und -speicherung.

Moderationstipp: Während des Stationenlernens die Gruppen wechseln lassen, sobald eine Station abgeschlossen ist, um eine zügige aber vertiefte Auseinandersetzung mit den Hirnregionen zu fördern.

Setup: Im Raum verteilte Tische/Stationen

Materials: Stationskarten mit Arbeitsanweisungen, Unterschiedliche Materialien je Station, Timer für die Rotation

• Erinnern
• Verstehen
• Anwenden
• Analysieren
• Selbststeuerung
• Beziehungsfähigkeit

Rollenspiel

⏱ 25 Min.·Ganze Klasse

Rollenspiel: Lernprozess nachstellen

Schüler verkörpern Neuronen, Synapsen und Moleküle. Simulieren Sie LTP durch wiederholte Signale. Reflektieren Sie in Plenum, wie Plastizität Lernen erklärt.

Vorbereitung & Details

Erklären Sie das Konzept der synaptischen Plastizität und ihre Bedeutung für Lernen und Gedächtnis.

Moderationstipp: Im Rollenspiel die Lernenden gezielt auffordern, ihre Handlungen mit den physiologischen Prozessen (z.B. Kalziumeinstrom) zu verknüpfen und laut zu benennen, was sie 'im Gehirn' nachstellen.

Setup: Spielfläche oder entsprechend angeordnete Tische für das Szenario

Materials: Rollenkarten mit Hintergrundinfos und Zielen, Szenario-Briefing

• Anwenden
• Analysieren
• Bewerten
• Sozialbewusstsein
• Selbstwahrnehmung

Dieses Thema unterrichten

Synaptische Plastizität sollte als Prozess und nicht als Fakt gelehrt werden. Vermeiden Sie Frontalunterricht zu NMDA-Rezeptoren und Kalzium, sondern bauen Sie stattdessen Modelle und Simulationen ein, die diese Prozesse erlebbar machen. Forschung zeigt, dass Schülerinnen und Schüler besonders gut lernen, wenn sie selbst Veränderungen an Systemen vornehmen und deren Auswirkungen beobachten können. Betonen Sie die Zeitabhängigkeit: LTP braucht Wiederholung und kann rückgängig gemacht werden, was oft unterschätzt wird.

Was Sie erwartet

Am Ende können die Lernenden LTP und LTD erklären, ihre molekularen Grundlagen benennen und Zusammenhänge zu Lernprozessen herstellen. Sie erkennen, dass Synapsen veränderbar sind und nicht starr wie einfache Schalter funktionieren.

Vorsicht vor diesen Fehlvorstellungen

Häufige Fehlvorstellung

Synapsen sind fest und unveränderlich.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Während der Aktivität 'Modellbau: Synapse konstruieren' beobachten Sie, wie Schülerinnen und Schüler durch wiederholtes Stimulieren sichtbar Veränderungen an ihren Modellen vornehmen und so die Plastizität selbst erzeugen.

Häufige Fehlvorstellung

Lernen verändert nur einzelne Neuronen, nicht Netzwerke.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Während der Aktivität 'Stationen: Hirnregionen zuordnen' lassen Sie die Gruppen ein Netzwerk aus Synapsen bauen und zeigen, wie LTP in einer Kette von Neuronen wirkt, was die netzwerkweite Wirkung verdeutlicht.

Häufige Fehlvorstellung

LTP ist sofortig und dauerhaft.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Während der Aktivität 'Simulation: LTP-Demonstration' fordern Sie die Schülerinnen und Schüler auf, die Simulation mehrmals mit unterschiedlichen Parametern zu wiederholen und zu beobachten, wie sich die Signalstärke über die Zeit verändert.

Ideen zur Lernstandserhebung

Diskussionsfrage

Nach der Aktivität 'Rollenspiel: Lernprozess nachstellen' stellen Sie die Frage: 'Wie könnte die Fähigkeit zur synaptischen Plastizität erklären, warum manche Menschen schneller lernen als andere?' Bitten Sie die Schüler, ihre Antworten auf die Mechanismen aus dem Rollenspiel zu stützen.

Kurze Überprüfung

Während der Aktivität 'Simulation: LTP-Demonstration' geben Sie den Schülerinnen und Schülern eine Tabelle mit zwei Spalten: 'Faktoren, die LTP fördern' und 'Faktoren, die LTD fördern'. Bitten Sie sie, jeweils drei Faktoren einzutragen und zu erklären, wie diese die synaptische Stärke beeinflussen.

Lernstandskontrolle

Nach der Aktivität 'Modellbau: Synapse konstruieren' lassen Sie die Schüler auf einer Karteikarte die Begriffe LTP und LTD definieren und eine Analogie aus dem Alltag finden, z.B. wie LTP wie ein Muskelaufbau durch Training wirkt.

Erweiterungen & Unterstützung

• Fordern Sie schnelle Schüler auf, eine eigene Simulation zu entwickeln, die sowohl LTP als auch LTD in einer einzigen Aktivität abbildet.
• Geben Sie Schülerinnen und Schülern, die Schwierigkeiten haben, eine strukturierte Vorlage für das Synapsenmodell mit vorgegebenen Bauteilen und Beschriftungen.
• Vertiefen Sie mit interessierten Lernenden die Rolle des Hippocampus bei der Gedächtnisbildung und lassen Sie sie eine Präsentation zu aktuellen Studien erstellen.

Schlüsselvokabular

Synaptische Plastizität	Die Fähigkeit synaptischer Verbindungen zwischen Neuronen, ihre Stärke im Laufe der Zeit zu verändern, was die Grundlage für Lernen und Gedächtnis bildet.
Langzeitpotenzierung (LTP)	Ein Prozess, bei dem die synaptische Übertragung durch wiederholte hochfrequente Stimulation verstärkt wird, was zu einer langanhaltenden Erhöhung der Effizienz der synaptischen Übertragung führt.
Langzeitdepression (LTD)	Ein Prozess, bei dem die synaptische Übertragung durch wiederholte niederfrequente Stimulation geschwächt wird, was zu einer langanhaltenden Abnahme der Effizienz der synaptischen Übertragung führt.
NMDA-Rezeptor	Ein Typ von Glutamatrezeptor im Gehirn, der eine Schlüsselrolle bei der synaptischen Plastizität spielt, insbesondere bei der Induktion von LTP und LTD, da er spannungsabhängig und ligandengesteuert ist.
Hippocampus	Eine Hirnstruktur, die für die Bildung neuer Erinnerungen und die räumliche Navigation von zentraler Bedeutung ist und eine hohe synaptische Plastizität aufweist.