Wiener Neurowissenschafter schauen dem Gehirn beim Lernen zu

24. Oktober 2013, 16:59
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Strukturelle Änderungen im Gehirn von Labortieren "live" beobachtet

Wien - Einem Forscher-Team um den Neurobiologen Simon Rumpel am Wiener Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie (IMP) ist es gelungen, am lebenden Gehirn zu beobachten, wie sich Nervenzellen beim Lernen und Erinnern verhalten. Die Forscher verfolgt dabei mit neuartigen mikroskopischen Techniken die Veränderungen in der Verschaltung von Nervenzellen während des Lernprozesses.

"Das Gehirn ist durch eine enorme Plastizität charakterisiert. Es bildet ständig neue Verbindungen zwischen Nervenzellen, sogenannte Synapsen, und baut diese wieder ab", sagte Rumpel, der mit Kaja Moczulska am IMP solche Prozesse erforscht. Bekannt ist, dass lang anhaltende Lernprozesse sowohl zu Änderungen in der Genexpression auf molekularer Ebene führen als auch zu direkten Veränderungen des Aussehens der beteiligten Neuronen im Gehirn - zu strukturellen Änderungen.

Änderungen an Neuronen direkt beobachten

Mit der Zwei-Photonen-Mikroskopie lassen sich seit einiger Zeit strukturelle Änderungen an Neuronen direkt beobachten. Fluoreszierend werden jene "Dornen" auf den neuronalen Fortsätzen dargestellt, die den Verbindungsstellen zwischen Nervenzellen entsprechen. Diese Strukturen sind nur Tausendstel Millimeter groß. Die Methode eröffnet Rumpel und seinen Kollegen buchstäblich einen Blick ins Gehirn der Versuchstiere, in diesem Fall Mäuse. Durch Wiederholung dieser Beobachtungen lassen sich diese Abläufe über einen längeren Zeitraum verfolgen.

Die Versuchsanordnung: Die Wissenschafter riefen bei einem Teil der Mäuse einen konditionierten Reflex als Langzeit-Gedächtnisinhalt hervor. Die Tiere vernahmen zunächst einen Ton, dann folgte ein leichter Schock an einem Bein. Rumpel: "Schon nach fünf Mal regelmäßiger Abfolge waren die Tiere konditioniert. Das Gehirn lernt sehr schnell."

Ähnlich wie bei den Versuchen von Iwan Petrowitsch Pawlow ("Pawlowscher Hund"; Pawlow starb 1936) verbinden die Tiere den Ton und den zu erwartenden Schock. Der Wissenschafter: "Setzt man die Mäuse in eine andere Umgebung als jene, in der die Lernerfahrung erfolgte, reagieren sie auf den Ton genauso wie in der ersten Box. Sie 'frieren ein'." Das ist die klassische Angstreaktion. Erfolgen Ton und Reiz in zu großen Zeitabständen, wird diese Verbindung über das Erlernen des Pawlow-Reflexes nicht hergestellt.

Die Wiener Wissenschafter beobachteten nun die sichtbaren Strukturveränderungen an den Neuronen in der Hörrinde des Gehirns der Versuchstiere. Rumpel: "Bei den Tieren, bei denen der Pawlowsche Reflex auftrat, zeigte sich eine vermehrte Ausbildung von Dornenfortsätzen als mögliches Zeichen des Langzeitgedächtnisses."

Erinnerung und Langzeitgedächtnis

In einem zweiten Schritt untersuchten die Wissenschafter die Vorgänge bei der Erinnerung an gemachte Erfahrungen. Frühere Arbeiten hatten gezeigt, dass beim Abrufen der Erinnerung ähnliche molekulare Prozesse ablaufen wie bei der Gedächtnisbildung selbst. Diese wurden als Hinweis interpretiert, dass jede Erinnerung zu einer Veränderung der Gedächtnisspur führt. Tatsächlich beobachteten auch die Wiener Forscher eine Aktivierung von "frühen Genen" nach der Erinnerung, ähnlich wie nach der ursprünglichen Gedächtnisbildung.

Doch zwischen Gedächtnisbildung und Erinnerung gibt es offenbar gravierende Unterschiede. Rumpel: "Es zeigte sich, dass einige molekulare Prozesse beim Erinnern denen bei der Bildung des Gedächtnisses ähnlich waren, die sichtbare Struktur der synaptischen Verbindungen jedoch unverändert blieb." Der "Blick ins Gehirn" mit dem Zwei-Photonen-Mikroskop zeigte, dass sich bei den erhaltenen Dornenfortsätzen der Neuronen in der Hörrinde der Versuchstiere keine Neubildungen ergaben, wie die Forscher im Wissenschaftsmagazin "PNAS" schreiben.

In Zukunft wollen die IMP-Neurobiologen diese Untersuchungen vertiefen und analysieren, wie Synapsen durch zwei aufeinanderfolgende Lernerfahrungen beeinflusst werden. Dies könnte dazu führen, dass man besser versteht, wie eine zweite Lernerfahrung im gleichen Schaltkreis abgespeichert wird, ohne die Erinnerung an die erste zu löschen. (APA/red, derStandard.at, 26.10.2013)

  • Ein Schnittpräparat der Hörrinde eines Maushirns: Eine einzelne Nervenzelle ist durch ein grün fluoreszierendes Protein markiert. Erregende Synapsen sind als sogenannte "dendritische Dornen" entlang der Fortsätze deutlich erkennbar.
    foto: imp

    Ein Schnittpräparat der Hörrinde eines Maushirns: Eine einzelne Nervenzelle ist durch ein grün fluoreszierendes Protein markiert. Erregende Synapsen sind als sogenannte "dendritische Dornen" entlang der Fortsätze deutlich erkennbar.

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