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Lernen von Zelle zu Zelle

Der Mensch lernt sein Leben lang. Grundlage dafür sind winzige Veränderungen in der Art und Weise, wie Zellen im Gehirn miteinander kommunizieren – indem etwa ihre Aktivität über die so genannte Langzeitpotenzierung beeinflusst wird.

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Eine der zentralen Fragen der Hirnforschung lautet: Was genau passiert im Gehirn, wenn wir lernen? Im Detail kann das bis heute niemand beantworten, aber seit mehr als einhundert Jahren steht eine winzige Struktur im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit: die Synapse – der Ort, wo zwei Nervenzellen aufeinander treffen.

Allerdings berühren sich die beiden Zellen dort gar nicht. Das entdeckte schon der berühmte Anatom Santiago Ramón y Cajal am Ende des 19. Jahrhunderts, als er angefärbte Hirnschnitte unter dem Mikroskop untersuchte. Stattdessen sind die beiden Zellen durch einen winzigen Spalt von etwa 20 Nanometern getrennt, der somit 5000 Mal dünner als ein menschliches Haar ist. Das sendende Neuron auf der einen Seite wird als präsynaptisch, das empfangende auf der anderen Seite als postsynaptisch bezeichnet.

Eine elektrische Erregung läuft das Axon – das „Kabel“ – des präsynaptischen Neurons entlang, bis sie den Spalt erreicht. Dort werden daraufhin zahlreiche Bläschen mit Botenstoffen in den synaptischen Spalt entleert. Je nach Synapse kann es sich dabei um Dopamin, Adrenalin, Acetylcholin, Glutamat oder eine andere Substanz handeln. Die Botenstoffe docken auf der anderen Seite des Spalts an Rezeptoren auf der Oberfläche der postsynaptischen Zelle an. Daraufhin öffnet sich beim „Empfänger“ ein Kanal und Ca2+ strömt ins Innere der Zelle. War die „Botschaft“ des Senders intensiv genug, gelangt also genügend Ca2+ ins Innere des Empfängers, dann wird dessen elektrisches Gleichgewicht gestört und damit ein Potential ausgelöst – die Botschaft reist auf diese Weise weiter zur nächsten Station.

Das Wichtigste in Kürze

  • Die Übertragung von elektrischer Erregung erfolgt an der Synapse, wo chemische Botenstoffe aus der präsynaptischen Zelle Vorgänge in der postsynaptischen Zelle auslösen.
  • Informationen werden gespeichert, indem sich diese Reizweiterleitung oder die Verschaltung der Zellen verändert.
  • Eine Zelle, die häufig eine andere Zelle aktiviert, wird immer besser darin, sie zu aktivieren. Dieser Effekt heißt Langzeitpotenzierung (LTP). Der gegenteilige Effekt heißt Langzeitdepression (LTD).
  • Darüber hinaus können sich auch beim Erwachsenen ganz neue Synapsen und sogar neue Zellen bilden.

Wissenschaftsgeschichtliches

Die Formulierung "Neurons that fire together, wire together" wird oft auf Donald Hebb zurückgeführt. Tatsächlich stammt das Prinzip von ihm, doch die erste Quelle, die wir gefunden haben, ist eine Artikel von Siegrid Löwel und Wolf Singer, erschienen in Science 1992: Löwel, S. and Singer, W. (1992) Selection of intrinsic horizontal connections in the visual cortex by correlated neuronal activity. Science 255: 209-212. Feedback erwünscht: kennt jemand ältere Quellen?


„Lernen bedeutet im Grunde genommen, diesen Prozess so zu verändern, dass es leichter oder schwieriger wird, die Nervenzelle auf der anderen Seite des Spalts zu erregen“, sagt Dominique de Quervain, der an der Universität Basel die molekularen Grundlagen des Gedächtnisses erforscht. Wissenschaftler nennen das Phänomen synaptische Plastizität. Es ist die Grundlage für ständige Veränderungen im Gehirn und erlaubt dem Menschen bis ins hohe Alter, neue Dinge zu erlernen, neue Erfahrungen zu machen.

Lernen vom Nachbarn: die Langzeitpotenzierung

Aber wie verändern Erfahrungen die Synapse? 1973 entdeckten Timothy Bliss und Terje Lømo einen Mechanismus. Die beiden Neurowissenschaftler untersuchten einzelne Synapsen. Sie stimulierten die präsynaptische Zelle mit einer winzigen Elektrode und maßen dann die Erregung der postsynaptischen Zelle. Ein schwacher Reiz führte dabei auch nur zu einer schwachen Reaktion des zweiten Neurons. Wurde das sendende Neuron aber stark stimuliert, führte das nicht nur zu einer starken Reaktion im empfangenden Neuron. Hinterher reagierte es auch viel stärker auf einen schwachen Reiz des ersten Neurons – und das auch noch Stunden später. Die synaptische Übertragung war durch die Aktivität offenbar effektiver geworden.

Der Effekt wird als Langzeitpotenzierung bezeichnet, meist als LTP abgekürzt, vom englischen „long-term potentiation“. Er war das erste Beispiel dafür, dass Erfahrungen die Aktivität von Nervenzellen ändern können, und er schien direkt auf eine These zurückzuweisen, die der kanadische Psychobiologe Donald Hebb 1949 aufgestellt hatte. Wenn eine Nervenzelle A immer wieder eine Nervenzelle B aktiviere, glaubte Hebb, ändere sich die Verschaltung der beiden Zellen so, dass es für A immer leichter werde, B zu stimulieren.

Die Hypothese der Langzeitpotenzierung besagt, dass sich die Synapse verändern kann, wenn sie intensive oder häufige Erregungspotentiale weiter leitet.
Die Hypothese der Langzeitpotenzierung besagt, dass sich die Synapse verändern kann, wenn sie intensive oder häufige Erregungspotentiale weiter leitet.
Stark vereinfacht kann man sich so auch die Entstehung bestimmter Assoziationen vorstellen. Nimmt man zum Beispiel die Farbe Rot immer wieder auf Warnschildern und als Stoppsignal an Ampeln wahr, dann kann man sich vorstellen, dass es dem „Rot“-Neuron immer leichter fällt, auch das „Stopp“-Neuron zu aktivieren, bis die beiden fast automatisch zusammen aktiv werden. Nur, dass es in Wirklichkeit nicht einzelne Nervenzellen sind, die solche Konzepte codieren, sondern vermutlich die Aktivitätsmuster ganzer Zellnetzwerke. Oder in Hebbs Kurzform: „Neurons that fire together, wire together“. Also: Zellen, die gleichzeitig aktiv sind, verschalten sich auch.

Funktionsweise der Langzeitpotenzierung

Nun ist die Langzeitpotenzierung ein komplexer Prozess, der noch nicht umfänglich verstanden ist. Einige Aspekte aber scheinen relativ sicher: So gibt es vermutlich eine frühe und eine späte Phase der LTP. Nach dem Modell des amerikanischen Neurowissenschaftlers Eric Kandel – bekannt vor allem für seine Forschungsergebnisse an der Meeresschnecke Aplysia – könnte dies so ablaufen: In der frühen Phase der LTP wird als erstes der Bedarf an einer Potenzierung ermittelt. Bedarf besteht, wenn eine Synapse mit hoher Frequenz aktiviert wird, was bei einem starken Reiz der Fall ist, und sich so äußert, dass präsynaptisch Botenstoffe noch ausgeschüttet werden, während gleichzeitig bereits postsynaptisch elektrische Potenziale ausgelöst werden.

Diese Koinzidenz festzustellen, ist Sache des so genannten NMDA-Rezeptors: Da er nicht nur Transmitter-gesteuert – also nicht nur auf die präsynaptische chemische Botenstoffe reagiert –, sondern zusätzlich sensitiv für postsynaptische Potenziale ist, wird er erst aktiv, wenn beide Gegebenheiten vorliegen. Ist dies der Fall, strömt zusätzliches Ca2+ in die Zelle, es werden weitere Kanäle öffnet und es wandert ein Botenstoff von der Postsynapse zur Präsynapse, wo er die Transmitter-Ausschüttung verstärkt. Schon nach dieser frühen Phase der LTP werden also vermehrt Botenstoffe ausgeschüttet, die postsynaptisch mehr Kanäle aktivieren können, wodurch dort die Entstehung eines elektrischen Potenzials erleichtert wird.

Diese erste Phase ist allerdings vergänglich – sie wird nur kurzfristig aufrechterhalten. Um eine andauernde Veränderung der Synapse zu erreichen, braucht es die zweite Phase. Diese kommt erst durch weitere Reizung in Gang und sorgt für eine ganze Kaskade chemischer Prozesse. Wichtigster Aspekt dabei ist, dass nach dem ersten chemischen Botenstoff außerhalb der Zelle – dem Botenstoff des Senders – in der postsynaptischen Nervenzelle nun ein zweiter Botenstoff, ein so genannter „second messenger“, aktiviert wird. Er setzt in der Nervenzelle die Produktion von Proteinen in Gang, die vom Zellkern zur Synapse wandern und dort für deren Ausbau sorgen.

Präsynaptisch findet ein ähnlicher Prozess statt, so dass auf beiden Seiten die Kontaktfläche vergrößert wird und zusätzlich neue Kontaktstellen gebildet werden können. All diese Veränderungen führen letztlich aber zum selben Ergebnis: Nervenzelle A wird immer besser darin, Nervenzelle B zu aktivieren.

Die Langzeitpotenzierung (LTP) ist ein molekularer Mechanismus, der vermutlich entscheidend zur Gedächtnisbildung beiträgt. Hier ein Modell der LTP, in dem die frühe und späte Phase erklärt wird.
Die Langzeitpotenzierung (LTP) ist ein molekularer Mechanismus, der vermutlich entscheidend zur Gedächtnisbildung beiträgt. Hier ein Modell der LTP, in dem die frühe und späte Phase erklärt wird.
Hemmung durch Langzeitdepression

Gäbe es jedoch nur eine solche positive Rückkopplung, würde das allerdings dazu führen, dass sich immer mehr und mehr Neurone gegenseitig aktivieren. Deshalb gibt es in der Natur auch einen Gegenspieler-Effekt, der wenige Jahre nach der LTP entdeckt wurde: die Langzeitdepression (LTD, long-term depression). Dabei führt eine Aktivierung des präsynaptischen Neurons, die nicht ausreicht, um das postsynaptische Neuron zu aktivieren, dazu, dass es immer schwerer für die erste Zelle wird, die zweite zu stimulieren. Der Vorgang der LTD ist zudem ebenfalls für das Lernen wichtig. Auch hier sind die molekularen Mechanismen nicht bis ins Detail geklärt.

Aber auch wenn viele Details von LTP und LTD noch unklar sind. Eines wissen Forscher sicher: es sind nicht die einzigen Mechanismen, die die Signalnetze in unserem Gehirn permanent umgestalten. So ist inzwischen klar, dass auch bei erwachsenen Menschen immer noch neue Synapsen entstehen und andere wegfallen, Zellen sich also durch neue „Berührungspunkte“ stärker miteinander verknüpfen oder voneinander abkoppeln können.

Darüber hinaus gibt es Bereiche im Gehirn, in denen auch beim erwachsenen Menschen ganz neue Nervenzellen nachwachsen. Bis in die 60er-Jahre war es zwar Lehrmeinung, dass so eine „Neurogenese“ beim Erwachsenen nicht stattfinde, inzwischen ist aber klar, dass es zum Beispiel im Hippocampus so etwas wie „Geburtsstätten“ neuer Nervenzellen gibt. Einiges deutet daraufhin, dass diese neuen Zellen auch eine wichtige Rolle beim Lernen spielen könnten. Sie sind aber nur das beeindruckendste Zeichen dafür, wie das menschliche Gehirn sich ständig verändert, umgebaut wird, lernt.

Kommentare
Stefan Pschera

Ein Beispiel:
Die Synapse ist ein winziger Teil einer Erregungsleitung. Was passiert bei einer Änderung an einer Synapse am motorischen Ausgang? Dann passiert das Greifen leicht verändert. Der Apfel wird exakter gegriffen oder auch nicht. Dann aber erfolgt ein Umbau an den Synapsen. Ist jedoch das Greifen korrekt, kann das Greifen so wiederholt werden. Die Synapse verfestigt.
FAZIT: Wenn sich Erregungsleitung bewährt, so sind die beteiligten Synapsen korrekt gesetzt. D.h. die Synapse wird über die Erregungsleitung bewertet.
02.04.2013 21:27 Uhr
3D-Gehirn
Infos zum Beitrag
Wissenschaftliche Betreuung:
Prof. Dr. Hans J. Markowitsch
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