Das Nervensystem – ein Wandlungskünstler

Grafik: Haywood
Plastizität

Ob einzelne Nervenzellen oder ganze Netzwerke: Das Gehirn ist äußerst wandlungsfähig und ermöglicht uns damit, zu lernen und uns an neue Umweltbedingungen anzupassen.   

Wissenschaftliche Betreuung: Prof. Dr. Constanze Seidenbecher

Veröffentlicht: 30.04.2020

Niveau: mittel

Das Wichtigste in Kürze
  • Lange Zeit hielten Forscher das erwachsene Gehirn für eine ziemlich starre Angelegenheit. Doch längst ist klar: Unser Gehirn wird ständig umgebaut und an neue Erfordernisse angepasst.
  • Beim Lernen wachsen auf Nervenzellen winzige Fortsätze, so genannte dendritische Dornen. Dort formen sich Kontakte zu anderen Neuronen. Das wichtigste Prinzip der Plastizität ist die Hebbsche Lernregel: „Neurone, die gemeinsam feuern, verdrahten sich untereinander.“
  • Verschließt man bei Mäusen für eine gewisse Zeit ein Auge und öffnet es dann wieder, verstärkt sich die Antwort des visuellen Cortex auf Lichtreize des offen gebliebenen Auges. Zusätzlich gebildete Synapsen sind vermutlich die Ursache. 
  • Das Model vom „Running Sushi“ könnte erklären, warum sich beim  Lernen eine Synapse einer Nervenzelle verändert, während andere unverändert bleiben: Nur wenn eine Synapse signalisiert, dass sie gerade lernt, kann sie die Abschrift der DNA vom zellulären „Sushi-Band“ herunternehmen. Die DNA-Abschrift wird entpackt und in ein Protein übersetzt, welches zum Umbau der Synapse beiträgt.
Thalamus mit Fähigkeit zur Wandlung

Einer langen Zeit vorherrschenden Auffassung zufolge ist der Thalamus nur eine Art Schaltstelle zwischen dem Auge und dem visuellen Cortex, die sich nicht verändert und nicht am Lernen beteiligt ist. Zu ihrer eigenen Überraschung stießen Mark Hübener und Tobias Rose vom Max-Planck-Institut für Neurobiologie in Martinsried dort dennoch auf Veränderungen , nachdem sie bei erwachsenen Mäusen eine Zeit lang ein Auge verschlossen hatten: Die Nervenfasern des Thalamus reagierten stärker auf die Informationen des offen gebliebenen Auges. Das Dogma einer statischen Schaltstelle ist also nicht haltbar. Klar ist aber auch, dass irgendwelche Veränderungen stattfinden müssen, sonst wäre ein Lernprozess nicht möglich. Die Forscher vermuten deshalb, dass die Informationsverarbeitung an anderer Stelle passiert und zwar an einigen der zahlreichen Synapsen, die zwischen dem Auge und dem Thalamus liegen.   

Nach dem Lesen dieses Textes werden Sie wahrlich nicht mehr derselbe sein. Klingt ganz schön unbescheiden? Sicherlich. Ist aber wahr. Wissenschaftlich wahr. Lange Zeit hielten Forscher das erwachsene Gehirn zwar für eine ziemlich starre Angelegenheit. Wie bei einem Computer sollten unsere grauen Zellen fest verbunden sein. Doch längst ist klar: Unser Gehirn ist nicht starr verdrahtet wie ein Rechner. Es wird ständig umgebaut und an neue Erfordernisse angepasst, etwa wenn neue Informationen auf es einströmen und wir Neues lernen, wie beim Lesen dieses Beitrags. Jede der rund 86 Milliarden Nervenzellen in unserem Gehirn ist über Tausende von Kontaktstellen – die Synapsen – mit ihren Nachbarzellen verbunden. Das Aufnehmen von neuen Informationen, Lernen und Erinnern ist nur möglich, weil diese Verbindungen plastisch sind und fortwährend auf- und umgebaut werden. Deshalb sind auch die Synapsen zunehmend in den Blick von Forschern geraten.  

Beim Lernen wachsen auf Nervenzellen wenige tausendstel Millimeter lange Fortsätze, so genannte dendritische Dornen. Dabei handelt es sich um Strukturen, die Reize aufnehmen. Um einen synaptischen Kontakt herzustellen, wachsen bei gegenüberliegenden Nervenzellen solche feinen Haarverzweigungen sich zu pilzartigen Strukturen aus, bestehend aus einem Stiel und einem Endknöpfchen. Diese Endknöpfchen ermöglichen den Informationsaustausch zwischen verschiedenen Nervenzellen. 

„Wir glauben, dass Lernen und Erinnern hauptsächlich durch die Veränderung der Übertragungsstärke von Synapsen passieren“, sagt der Neurobiologe Tobias Rose vom Max-Planck-Institut für Neurobiologie in Martinsried. Eine Synapse verstärkt sich, indem die Endknöpfchen mehr Botenstoffe ausschütten oder mehr Rezeptoren für Botenstoffe bilden. „Wenn eine Synapse plötzlich stärker wird, kann es sein, dass eine Zelle, die vorher keinen Einfluss auf eine zweite Zelle hatte, auf einmal einen großen Einfluss auf diese zweite Zelle gewinnt“, so Rose. „Und durch dieses Verstärken können Informationen gespeichert werden.“ 


Das wichtigste Prinzip der Plastizität ist die Hebbsche Lernregel: Neurone, die gemeinsam feuern, verdrahten sich untereinander. „Wir wissen, dass durch eine gleichzeitige Aktivierung von Zellen Synapsen zwischen diesen Zellen sich verstärken“, sagt Rose. Wie plastisch auch noch das erwachsene Gehirn ist, konnte der Neurobiologe in den letzten Jahren immer wieder beobachten. Gemeinsam mit Mark Hübener, ebenfalls vom Max-Planck-Institut für Neurobiologie in Martinsried, hat Rose den visuellen Cortex bei erwachsenen Mäusen unter die Lupe genommen. Schon länger bekannt ist: Verschließt man bei Tieren für eine gewisse Zeit ein Auge und öffnet es dann wieder, verstärkt sich die Antwort des visuellen Cortex auf Lichtreize des offen gebliebenen Auges. Die Zellen reagieren also stärker auf das offen gebliebene Auge – und gleichzeitig schwächer auf das Auge, das eine Zeit lang verschlossen war. 

Erinnerung an alte Verbindungen

Wie Hübener und Rose durch das Mikroskop beobachten konnten, kamen auf Pyramidenzellen ‑ einem Typ besonders großer Nervenzellen ‑ neue dendritische Dornen und damit neue Synapsen hinzu. „Wir vermuten, dass diese zusätzlichen Nervenverbindungen der Grund für diese stärkeren Antworten waren“, sagt Neurobiologe Hübener. Eines war für die Forscher besonders überraschend: „Im Cortex kehrten die Zellen wieder zu ihrer Ursprungsaktivität zurück, sobald sie wieder über längere Zeit hinweg Informationen von dem zuvor verschlossen gehaltenen Auge erhielten.“ Es schien fast, als könnten sich die einzelnen Zellen daran „erinnern“, welche Verbindungen sie vor dem Augenverschluss eingegangen waren, um genau diese dann wiederherzustellen. Das erwachsene Gehirn könnte sich auf diesem Weg möglicherweise an veränderte Umweltbedingungen anpassen, ohne dass sich die „Grundverdrahtung“ komplett verändert.

Klar ist also auf jeden Fall, dass Synapsen beim Lernen umgebaut werden. Doch wie kommt es, dass dabei eine bestimmte Synapse einer Nervenzelle verändert wird, andere jedoch unverändert bleiben? Schließlich verfügt jede Zelle über rund fünf bis zehn Fortsätze, von denen jeder 100 bis 1000 dieser Kontaktstellen hat. Nehmen wir als Beispiel die Pawlowsche Konditionierung. Hierbei wird zum Beispiel gelernt, einen Ton mit Essen zu verknüpfen. Genauer gesagt, lernt das eine bestimmte Synapse. Passiert das ein paar Mal, reicht schon der spezielle Ton, damit diese Synapse den Ton mit Essen assoziiert. Im Zuge des Lernens wird die Synapse in ihrer Funktion und Struktur mit Hilfe neuer Proteine umgebaut.

Running Sushi

Um die benötigten Proteine herzustellen, gilt es, Abschnitte der DNA in Proteine zu übersetzen. Das Besondere an Nervenzellen ist nun, dass ein Teil der RNA – der Abschrift der DNA – nicht nur im Zellkörper, sondern auch direkt vor Ort, also in den Dendriten in Proteine übersetzt wird. Spezielle Eiweißmoleküle heften sich dafür an einen Teil der RNA und verpacken sie in bestimmte Partikel, so genannte RNA-Granula, die dann zu den Dendriten transportiert werden. 

Michael Kiebler, LMU München, spricht hier gerne von „Running Sushi“. „Bei Running Sushi kommt das Essen aus der Küche bei jedem der Plätze im Restaurant vorbei, sagt der Biochemiker. „Ganz ähnlich gelangen auch die Granula mit der RNA aus dem Zellkörper an alle Synapsen und bieten das 'Sushi' ‑ die RNA ‑ an.“ Im Restaurant kommt man nun nicht ohne Weiteres an das Sushi heran, weil oft ein Deckel darüber ist. Ähnlich sei es an den Fortsätzen der Zelle, sagt Kiebler. „Nur wenn eine Synapse signalisiert, dass sie gerade lernt, kann sie die RNA vom 'Band herunternehmen', die RNA wird vor Ort entpackt und in ein Protein übersetzt.“ Das stellt auf molekularer Ebene sicher, dass nur die lernende Synapse umgebaut wird und nicht auch noch eine andere Synapse der Nervenzelle. 

Ob RNA in Proteine übersetzt wird, hängt dabei von speziellen Bindeproteinen ab, die in den Granula enthalten sind. Eines davon, Staufen 2 genannt, heftet sich offenbar an die RNA, damit diese nicht bereits während des Transports zu den Synapsen übersetzt wird. Kiebler möchte in Zukunft vor allem eine Frage beantworten: „Wie kann eine aktiv lernende Synapse das Bindeprotein Staufen 2 so beeinflussen, dass es von der RNA herunterfällt, so dass die RNA aus den RNA-Granula entpackt und anschließend direkt an der lernenden Synapse in Proteine übersetzt werden kann?“  

Gedächtnis lahmgelegt

Dass Staufen 2 für das Lernen eine Rolle spielt, ist für Kiebler ziemlich klar. In einem Experiment hat er gemeinsam mit Kollegen Ratten gentechnisch verändert, sodass bei ihnen Staufen 2 in Nervenzellen des Hippocampus fehlte. Dieser spielt eine wichtige Rolle für das Langzeitgedächtnis. Das Ergebnis: Das generelle Langzeitgedächtnis der derart manipulierten Nager funktionierte zwar. Die Ratten lernten beispielsweise, wo sich eine Futterquelle befand. Aber wenn das Gelernte erst nach längeren Wartezeiten abgerufen wurde, war die Gedächtnisleistung der Mutanten signifikant schlechter als die der Wildtyp-Ratten. „Diese Experimente zeigen also die Bedeutung von Staufen 2 bei bestimmten langfristigen Gedächtnisprozessen auf und liefern erste Einblicke in die zugrunde liegenden Mechanismen beim Lernen“, folgert Kiebler.

Das Nervensystem ist also ein echter Wandlungskünstler – sei es im Kleinen, auf der Ebene von Synapsen zwischen einzelnen Nervenzellen, oder sei es im Großen, auf der Ebene von ganzen Netzwerken. Und bestimmt hat auch die Lektüre dieses Artikels zu einem Umbau in Ihrem Oberstübchen geführt. 

Zum Weiterlesen

  • Jaepel J et al.: Lateral geniculate neurons projecting to primary visual cortex show ocular dominance plasticity in adult mice. Nat Neurosci.2017 Dec;20(12):1708-1714. doi: 10.1038/s41593-017-0021-0. Epub 2017 Nov 13.
     
  • Berger SM et al.:.Forebrain-specific, conditional silencing of Staufen2 alters synaptic plasticity, learning, and memory in rats. Genome Biol.2017 Nov 17;18(1):222. doi: 10.1186/s13059-017-1350-8.

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