Die Moleküle der Erinnerung

Moleküle des Gedächtnis

Früher glaubten Forscher, Erinnerungen seien in einzelnen Molekülen abgespeichert. Dank einer riesigen Meeresschnecke wissen sie heute: Es sind tausende Moleküle beteiligt.

Wissenschaftliche Betreuung: Hans J. Markowitsch

Veröffentlicht: 07.09.2011

Das Eiweiß NMDA

NMDA ist ein Eiweißkomplex in der Membran von Nervenzellen, der durch einen Kanal Kalziumionen (Ca+) in das Innere der Zelle lassen kann. Im Ruhezustand ist der Kanal durch ein Magnesiumion blockiert. Nur wenn zwei Ereignisse gleichzeitig eintreffen, öffnet sich der Kanal: Der Botenstoff Glutamat muss an den NMDA-Komplex binden und ihn gewissermaßen „aufschließen“, und die Nervenzelle muss elektrisch erregt sein. Ist das der Fall, kann Kalzium in die Zelle einströmen und dort eine ganze Kaskade in Gang setzen, die letztlich wieder die Übertragung an der Synapse dauerhaft verstärkt. Auf diese Weise können zwei Ereignisse miteinander verknüpft werden: Das Ereignis, das zur elektrischen Erregung der Zelle geführt hat, und das Ereignis, das die Ausschüttung von Glutamat durch eine andere Nervenzelle bewirkte.


Das Wichtigste in Kürze
  • Die Meeresschnecke Aplysia ist wegen ihrer wenigen und dabei sehr großen Nervenzellen ein wichtiges Tiermodell zur Erforschung der molekularen Mechanismen des Lernens.
  • Die Forschung konzentriert sich auf den Kiemenrückzugsreflex des Tieres, der abgeschwächt (Habituation), verstärkt (Sensitivierung) oder dauerhaft verstärkt (Konditionierung) werden kann.
  • Grundlage der Veränderung ist das Zusammenspiel unterschiedlicher Moleküle in den Nervenzellen und von Transmittern im synaptischen Spalt
  • Eric Kandel erhielt für seine Forschung hierzu den Nobelpreis.

Der Titel klingt skurril: „Gedächtnistransfer durch Kannibalismus bei Plattwürmern“. Doch die Arbeit, die 1962 im „Journal of Neuropsychiatry“ erschien, löste in der Fachwelt hitzige Debatten aus. Schließlich zeigte der Gedächtnisforscher James McConnell darin offenbar, dass Gedächtnis essbar ist. Er hatte Würmern mit einem elektrischen Schock beigebracht, vor einer Lichtquelle zu flüchten, sie dann zerkleinert und an Artgenossen verfüttert. Die so ernährten Würmer lernten schneller, vor der Lichtquelle zu flüchten als Kontrolltiere, behauptete der Wissenschaftler nun.

McConnell meinte auch herausgefunden zu haben, in welchen Molekülen die Erinnerungen gespeichert waren: RNS, Moleküle, die der DNS sehr ähnlich sind, und unter anderem in Zellen genutzt werden, um die Informationen unseres Erbguts aus dem Zellkern in die Zelle zu transportieren.

McConnells Studien gelten heute als fehlerhaft, seine Idee, dass einzelne Moleküle eine Erinnerung beinhalten, als widerlegt. Aber auch Erinnerungen, die als Erregungsmuster zahlreicher Nervenzellen im Gehirn abgelegt sind, müssen eine physische Grundlage haben. Welche Moleküle sind also beteiligt am Gedächtnis?

Gedächtnis

Gedächtnis/-/memory

Gedächtnis ist ein Oberbegriff für alle Arten von Informationsspeicherung im Organismus. Dazu gehören neben dem reinen Behalten auch die Aufnahme der Information, deren Ordnung und der Abruf.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Ein außergewöhnliches Tier

Die besten Antworten, die heute auf diese Frage gegeben werden können, verdankt die Forschung einem außergewöhnlichen Tier: Aplysia californica, dem kalifornischen Seehasen. Dabei handelt es sich um eine Meeresschnecke, die über 70 Zentimeter lang und zwei Kilogramm schwer werden kann. Das Entscheidende für Hirnforscher aber: Sie hat verhältnismäßig wenige Nervenzellen, nur etwa 20.000, und diese Zellen gehören zu den größten bekannten Zellen im Tierreich.

Dem Forscher Eric Kandel gelang es, diesen riesigen Neuronen gewissermaßen beim Lernen zuzugucken. Schlüssel zum Erfolg: der Kiemenrückzugsreflex. Aplysia atmet durch Kiemen, die sich aus dem Hinterteil ausstülpen. Weil die Kiemen sehr empfindlich sind, zieht die Schnecke sie bei Gefahr, oder wenn ein Forscher das Tier in der Nähe der Kiemen berührt, ein. An diesem einfachen Reflex konnten Kandel und Kollegen die molekularen Mechanismen des Lernens untersuchen. Denn Aplysia lässt sich dressieren.

Berührt ein Forscher das Tier immer wieder, schwächt sich der Kiemenrückzugsreflex ab. Forscher sprechen von Habituation. Kandel und andere Forscher konnten zeigen, dass dafür ein ganz einfacher Mechanismus verantwortlich ist. Denn an dem Kiemenrückzugsreflex sind im Grunde nur zwei Nervenzellen beteiligt: Eine Zelle – die sensorische Nervenzelle – registriert die Berührung. Sie gibt diesen Reiz an eine andere Zelle weiter, das Motoneuron, das die Muskeln an den Kiemen aktiviert und so den Reflex auslöst.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Habituation

Habituation/-/habituation

Werden Reize wiederholt angeboten, ohne dass sie einen Effekt haben, findet eine Gewöhnung an diese Reize statt. Dadurch schwächt sich die Reaktion ab und bleibt mit der Zeit ganz aus. Es kann sogar zu einer Löschung, einer Extiktion von erlerntem Verhalten kommen.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Lernen auf Zellebene

Den Ort, wo die beiden Zellen aufeinandertreffen, nennen Forscher die Synapse. Dort sind die beiden Zellen nur durch einen winzigen Spalt getrennt. Die Erregung kommt bei der Zelle auf einer Seite der Synapse als elektrisches Signal an, dort werden daraufhin zahlreiche Bläschen mit dem Botenstoff Glutamat in den synaptischen Spalt entleert. Die Botenstoffe docken an Rezeptoren der Zelle auf der anderen Seite des Spaltes und lösen so wieder eine elektrische Erregung aus. Das Motoneuron feuert und aktiviert die Muskeln, die die Kiemen zurückziehen.

Wird dieser Reflex aber mehrmals hintereinander ausgelöst und immer wieder Glutamat an der Synapse ausgeschüttet, befindet sich irgendwann weniger Glutamat in den Bläschen. Beim nächsten Reiz werden dann weniger Glutamatmoleküle in den synpatischen Spalt entleert. Der Reiz reicht nicht mehr aus, um das Motoneuron zu aktivieren.

Synapse

Synapse/-/synapse

Eine Synapse ist eine Verbindung zwischen zwei Neuronen und dient deren Kommunikation. Sie besteht aus einem präsynaptischen Bereich – dem Endknöpfchen des Senderneurons – und einem postsynaptischen Bereich – dem Bereich des Empfängerneurons mit seinen Rezeptoren. Dazwischen liegt der sogenannte synaptische Spalt.

Glutamat

Glutamat/-/glutamate

Glutamat ist eine Aminosäure und der wichtigste erregende (exzitatorische) Neurotransmitter, der bei der Informationsübertragung zwischen Neuronen an deren Synapsen als Botenstoff dient.

Rezeptor

Rezeptor/-/receptor

Signalempfänger in der Zellmembran. Chemisch gesehen ein Protein, das dafür verantwortlich ist, dass eine Zelle ein externes Signal mit einer bestimmten Reaktion beantwortet. Das externe Signal kann beispielsweise ein chemischer Botenstoff (Transmitter) sein, den eine aktivierte Nervenzelle in den synaptischen Spalt entlässt. Ein Rezeptor in der Membran der nachgeschalteten Zelle erkennt das Signal und sorgt dafür, dass diese Zelle ebenfalls aktiviert wird. Rezeptoren sind sowohl spezifisch für die Signalsubstanzen, auf die sie reagieren, als auch in Bezug auf die Antwortprozesse, die sie auslösen.

Motoneuron

Motoneuron/-/motoneuron

Neurone, die vom zentralen Nervensystem zur Muskulatur ziehen und deren Aktivität steuern.

Die Mechanismen der Sensitivierung

Auch den umgekehrten Effekt kann man bei Aplysia beobachten. Erhält die Schnecke vor der Berührung einen elektrischen Schock am Schwanz, so zieht sie die Kiemen besonders schnell und heftig ein, egal wo sie danach berührt wird. Forscher sprechen von einer Sensitivierung.

Dabei kommt eine dritte Nervenzelle ins Spiel: Das Interneuron. Das sensorische Neuron am Schwanz aktiviert diese Zelle zusätzlich zum Motoneuron. Das Interneuron hat Verbindungen zu den Synapsen der vielen sensorischen Neuronen, die mit dem Motoneuron verbunden sind. Dort schüttet die Zelle Serotonin aus. Das Serotonin wird von Rezeptoren auf der Zelloberfläche der sensorischen Neurone aufgenommen. Das führt dazu, dass innerhalb der Zelle ein Eiweiß namens Adenylatcyklase aktiv wird, das aus Molekülen namens Adenosintriphosphat (ATP) zyklisches Adenosinmonophosphat (cAMP) herstellt. cAMP aktiviert wiederum ein anderes Molekül: Proteinkinase A, das wiederum dafür sorgt, dass an der Synapse mehr Bläschen mit Neurotransmitter vorliegen, die bei der nächsten Stimulierung freigesetzt werden können.

Folgt kurz darauf eine Berührung der Schnecke, kommt es deshalb zu der besonders heftigen Reflexreaktion. Diese Prozesse formen allerdings nur das Kurzzeitgedächtnis der Schnecke. Kommt die Berührung mehr als eine Sekunde nach dem elektrischen Reiz, fällt die Reaktion normal aus.

Sensitivierung

Sensitivierung/-/sensetization

Erweist sich ein Reiz – eine Berührung, ein Ton – mehrfach als wichtig, reagiert das Nervensystem künftig intensiver auf diesen Reiz. Diese Sensitivierung ist ein Lernprozess, der auch auf Zellebene stattfindet. Das Gegenteil ist die Habituation.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Motoneuron

Motoneuron/-/motoneuron

Neurone, die vom zentralen Nervensystem zur Muskulatur ziehen und deren Aktivität steuern.

Synapse

Synapse/-/synapse

Eine Synapse ist eine Verbindung zwischen zwei Neuronen und dient deren Kommunikation. Sie besteht aus einem präsynaptischen Bereich – dem Endknöpfchen des Senderneurons – und einem postsynaptischen Bereich – dem Bereich des Empfängerneurons mit seinen Rezeptoren. Dazwischen liegt der sogenannte synaptische Spalt.

Serotonin

Serotonin/-/serotonin

Ein Neurotransmitter, der bei der Informationsübertragung zwischen Neuronen an deren Synapsen als Botenstoff dient. Er wird primär in den Raphé-​Kernen des Mesencephalons produziert und spielt eine maßgebliche Rolle bei Schlaf und Wachsamkeit, sowie der emotionalen Befindlichkeit.

Rezeptor

Rezeptor/-/receptor

Signalempfänger in der Zellmembran. Chemisch gesehen ein Protein, das dafür verantwortlich ist, dass eine Zelle ein externes Signal mit einer bestimmten Reaktion beantwortet. Das externe Signal kann beispielsweise ein chemischer Botenstoff (Transmitter) sein, den eine aktivierte Nervenzelle in den synaptischen Spalt entlässt. Ein Rezeptor in der Membran der nachgeschalteten Zelle erkennt das Signal und sorgt dafür, dass diese Zelle ebenfalls aktiviert wird. Rezeptoren sind sowohl spezifisch für die Signalsubstanzen, auf die sie reagieren, als auch in Bezug auf die Antwortprozesse, die sie auslösen.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

cAMP

Zyklisches Adenosinmonophosphat/-/cyclic adenosine monophosphate Cyclo-AMP

Das zyklische Adenosinmonophosphat ist ein zweiter Bote, ein second Messenger in der intrazellulären Signalweiterleitung. Es dient insbesondere der Aktivierung von Proteinkinasen. Diese lösen eine Aktivierung von Enzymen und Genen aus.

Synapse

Synapse/-/synapse

Eine Synapse ist eine Verbindung zwischen zwei Neuronen und dient deren Kommunikation. Sie besteht aus einem präsynaptischen Bereich – dem Endknöpfchen des Senderneurons – und einem postsynaptischen Bereich – dem Bereich des Empfängerneurons mit seinen Rezeptoren. Dazwischen liegt der sogenannte synaptische Spalt.

Neurotransmitter

Neurotransmitter/-/neurotransmitter

Ein Neurotransmitter ist ein chemischer Botenstoff, eine Mittlersubstanz. An den Orten der Zell-​Zellkommunikation wird er vom Senderneuron ausgeschüttet und wirkt auf das Empfängerneuron erregend oder hemmend.

Kurzzeitgedächtnis

Kurzzeitgedächtnis/-/short-term memory

Als Kurzzeitgedächtnis wird eine Art Zwischenspeicher des Gehirns bezeichnet, in dem Informationen mehrere Minuten lang behalten werden können. Der Umfang ist mit 7±2 Informationseinheiten (Chunks) sehr begrenzt. Dies können beispielsweise Zahlen, Buchstaben oder Wörter sein.

Lernprozesse einer Meeresschnecke

Eric Kandel und seinem Forscherteam gelang es aber nicht nur, diese kurzfristigen zellulären Prozesse am Aplysiamodell zu erklären. Ein drittes Phänomen, die klassische Konditionierung, ermöglichte ihnen auch einen Blick auf die Entstehung länger anhaltender Erinnerungen. Denn werden der elektrische Schock und die Berührung immer wieder zusammen ausgeführt, zieht die Schnecke nach einigen Malen die Kiemen auch dann schnell und heftig ein, wenn sie lediglich berührt wird – und dieser Effekt kann auch nach Tagen und Wochen, manchmal sogar Monaten beobachtet werden. Die Schnecke hat gelernt.

Diesen Prozess konnten Kandel und seine Kollegen studieren, indem sie die Zellen aus Aplysia isolierten und in einer Petrischale untersuchten. So konnten sie genau bestimmen, was innerhalb der Zellen, die ihre Aktivität steigern, passiert: Auch in diesem Fall beginnt alles in der Zelle mit cAMP. Werden aber genügend Moleküle der Proteinkinase A aktiviert, wandern sie in den Zellkern und aktivieren dort das Eiweiß CREB1.

Das Molekül kurbelt die Aktivität zahlreicher Gene an und sorgt so dafür, dass verschiedene Eiweiße vermehrt gebildet werden. Zu diesen Eiweißen gehören auch die Neurotrophine, Signalmoleküle, die die Synapse stärken. Kein Wunder, dass Experimente gezeigt haben, dass ohne CREB1 keine Erinnerung möglich ist. Im Jahr 2000 wurde Kandel „für seine Entdeckung, wie die Effektivität der Synapsen verändert werden kann und mit welchen molekularen Mechanismen das erfolgt“ mit dem Medizinnobelpreis ausgezeichnet.

cAMP

Zyklisches Adenosinmonophosphat/-/cyclic adenosine monophosphate Cyclo-AMP

Das zyklische Adenosinmonophosphat ist ein zweiter Bote, ein second Messenger in der intrazellulären Signalweiterleitung. Es dient insbesondere der Aktivierung von Proteinkinasen. Diese lösen eine Aktivierung von Enzymen und Genen aus.

Gen

Gen/-/gene

Informationseinheit auf der DNA. Den Kernbestandteil eines Gens übersetzen darauf spezialisierte Enzyme in so genannte Ribonukleinsäure (RNA). Während manche Ribonukleinsäuren selbst wichtige Funktionen in der Zelle ausführen, geben andere die Reihenfolge vor, in der die Zelle einzelne Aminosäuren zu einem bestimmten Protein zusammenbauen soll. Das Gen liefert also den Code für dieses Protein. Zusätzlich gehören zu einem Gen noch regulatorische Elemente auf der DNA, die sicherstellen, dass das Gen genau dann abgelesen wird, wenn die Zelle oder der Organismus dessen Produkt auch wirklich benötigen.

Synapse

Synapse/-/synapse

Eine Synapse ist eine Verbindung zwischen zwei Neuronen und dient deren Kommunikation. Sie besteht aus einem präsynaptischen Bereich – dem Endknöpfchen des Senderneurons – und einem postsynaptischen Bereich – dem Bereich des Empfängerneurons mit seinen Rezeptoren. Dazwischen liegt der sogenannte synaptische Spalt.

Synapse

Synapse/-/synapse

Eine Synapse ist eine Verbindung zwischen zwei Neuronen und dient deren Kommunikation. Sie besteht aus einem präsynaptischen Bereich – dem Endknöpfchen des Senderneurons – und einem postsynaptischen Bereich – dem Bereich des Empfängerneurons mit seinen Rezeptoren. Dazwischen liegt der sogenannte synaptische Spalt.

Moleküle des Gedächtnisses

Ist CREB1 also das Molekül des Gedächtnisses? „Nein“, sagt André Fischer, Neurowissenschaftler an der Universität Göttingen. Wenn ein Gen eine wichtige Rolle in der Synapse spiele, dann sei es nicht erstaunlich, dass Tiere, bei denen das Gen komplett stillgelegt sei, nicht mehr Lernen könnten. „Aber es gibt nicht das eine Molekül, das für Erinnerungen wichtig ist“, sagt Fischer.

Tatsächlich spielt zum Beispiel das Molekül NMDA eine ähnlich wichtige Rolle wie CREB1 bei der Entstehung eines Gedächtnisses. Neben CREB1 und NMDA finden Fischer und zahlreiche andere Wissenschaftler immer neue Moleküle, die für das Gedächtnis wichtig sind. Doch letztlich führen die meisten Wege zurück in den Zellkern zum Erbgut. „Dort werden dann bestimmte Gene langanhaltend an– oder abgeschaltet“, sagt Fischer. Dadurch sind Moleküle an der Synapse häufiger oder seltener vorhanden, die elektrische Erregung passiert leichter oder wird erschwert. Letztlich geht es also tatsächlich um DNS und RNS. Zumindest damit hatte McConnell recht.

Gen

Gen/-/gene

Informationseinheit auf der DNA. Den Kernbestandteil eines Gens übersetzen darauf spezialisierte Enzyme in so genannte Ribonukleinsäure (RNA). Während manche Ribonukleinsäuren selbst wichtige Funktionen in der Zelle ausführen, geben andere die Reihenfolge vor, in der die Zelle einzelne Aminosäuren zu einem bestimmten Protein zusammenbauen soll. Das Gen liefert also den Code für dieses Protein. Zusätzlich gehören zu einem Gen noch regulatorische Elemente auf der DNA, die sicherstellen, dass das Gen genau dann abgelesen wird, wenn die Zelle oder der Organismus dessen Produkt auch wirklich benötigen.

Synapse

Synapse/-/synapse

Eine Synapse ist eine Verbindung zwischen zwei Neuronen und dient deren Kommunikation. Sie besteht aus einem präsynaptischen Bereich – dem Endknöpfchen des Senderneurons – und einem postsynaptischen Bereich – dem Bereich des Empfängerneurons mit seinen Rezeptoren. Dazwischen liegt der sogenannte synaptische Spalt.

Gedächtnis

Gedächtnis/-/memory

Gedächtnis ist ein Oberbegriff für alle Arten von Informationsspeicherung im Organismus. Dazu gehören neben dem reinen Behalten auch die Aufnahme der Information, deren Ordnung und der Abruf.

Gedächtnis

Gedächtnis/-/memory

Gedächtnis ist ein Oberbegriff für alle Arten von Informationsspeicherung im Organismus. Dazu gehören neben dem reinen Behalten auch die Aufnahme der Information, deren Ordnung und der Abruf.

Gen

Gen/-/gene

Informationseinheit auf der DNA. Den Kernbestandteil eines Gens übersetzen darauf spezialisierte Enzyme in so genannte Ribonukleinsäure (RNA). Während manche Ribonukleinsäuren selbst wichtige Funktionen in der Zelle ausführen, geben andere die Reihenfolge vor, in der die Zelle einzelne Aminosäuren zu einem bestimmten Protein zusammenbauen soll. Das Gen liefert also den Code für dieses Protein. Zusätzlich gehören zu einem Gen noch regulatorische Elemente auf der DNA, die sicherstellen, dass das Gen genau dann abgelesen wird, wenn die Zelle oder der Organismus dessen Produkt auch wirklich benötigen.

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