Wie das Gehirn Verbindungen knüpft

Lernen bringt man gemeinhin mit dem Schaffen von Verknüpfungen zwischen Nervenzellen in Beziehung. Forscher haben jetzt eine neue Methode entdeckt, wie sich diese Verbindungen verstärken

Übung macht den Meister - der Spruch, den schon Oma auf den Lippen hatte, ist zum Leidwesen vieler Schüler nur allzu wahr. Doch warum das so ist, darüber war sich die Wissenschaft bisher gar nicht so einig. Klar war bis dato nur, was zu dem Prozess beiträgt, den man üblicherweise mit Lernen und Gedächtnis in Verbindung bringt - dem Schaffen und Verstärken synaptischer Verbindungen zwischen Nervenzellen. Bei Vögeln, Reptilien und auch uns Säugetieren sind Rezeptoren für N-methyl-D-aspartat (kurz NMDA) in den meisten Gehirnarealen notwendig, um diese Verknüpfungen anzuregen und zu verstärken.

Allerdings weisen sie eine Besonderheit auf, die eigentlich den genervten Schülern Raum zur Hoffnung geben könnte: Sie können, ähnlich wie Muskelzellen, „übertrainiert“ werden. Nach der ersten Lernphase verschlechtern die NMDA-Rezeptoren die von ihnen provozierten Verbindungen wieder. Wäre das Bild damit komplett, stünde es allerdings ziemlich schlecht um unsere intellektuellen Fähigkeiten - Lernen wäre dann nur auf einem gewissen grundlegenden Niveau möglich, wir würden dauernd wieder alles vergessen. Gewiss, genau das passiert manchen Menschen - aber es liegt auch dann nicht an den NMDA-Rezeptoren.

Ein von den im Labor der Forscher beobachteten Mausneuronen inspiriertes Gemälde (Bild: Joana I. Ricou)

Es gibt nämlich, das beschreibt ein amerikanisch-deutsches Forscherteam in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Science einen weiteren Prozess, der genau an dieser Stelle einsetzt. Diesen Prozess entdeckten die Forscher, als sie die Tasthaare von Mäusen reizten. Es handelte sich dabei jedoch nicht um gewöhnliche Mäuse, sondern um eine transgene Variante mit einer besonderen Eigenschaft: sie konnte ihre Umgebung nur durch ein einzelnes Tasthaar erspüren. Bei Mäusen sind die Tasthaare insofern etwas besonders, als sie direkt mit einem festen Gehirnareal verbunden sind und man deshalb die Wirkung externer Stimuli auf das Gehirn direkt beobachten kann.

Um dem gesuchten Prozess auf die Spur zu kommen, blockierten die Forscher um Alison Barth nacheinander die verschiedenen Rezeptoren, die auf die Synapsenbildung wirken können. Dabei zeigte sich zunächst, dass NMDA-Rezeptoren für die anfängliche Verknüpfung unbedingte Voraussetzung sind. Sie wirken dieser später aber direkt entgegen - und dabei handelt es sich nicht um eine simple Sättigung.

In der zweiten Phase, in der NMDA-Rezeptoren den Lerneffekt wieder zunichte machen würden, kommt jedoch ein neuer Rezeptor ins Spiel, nämlich der für Metabotropes Glutamat (mGlu). Blockierten die Wissenschaftler die NMDA-Rezeptoren nach der anfänglichen Phase, setzte sich die Verstärkung der Synapsen fort. Blockierten sie hingegen die mGlu-Rezeptoren, verstärkten sich die Verknüpfungen nicht weiter. Dieses Ergebnis erhielten die Forscher sowohl an entsprechenden Geweben im Labor als auch bei Experimenten mit lebenden Mäusen.

Zudem wiesen die Wissenschaftler auch nach, dass die so erreichte Synapsenverstärkung tatsächlich einem Lernprozess zuzuordnen ist, die Mäuse lernten schneller oder langsamer, je nachdem, welcher Rezeptor blockiert worden war. Unmittelbare Auswirkungen haben diese Erkenntnisse in der Praxis nicht. Den Prozess des Lernens wirklich zu verstehen, könnte sich aber etwa bei der Bekämpfung von Alzheimer als nützlich erweisen.

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