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Prof. Dr. Tobias Bonhoeffer

Jahrbuchbeitrag 2009 - Abteilung: Synapsen - Schaltkreise - Plastizität

Dem Lernen auf der Spur

On the tracks of learning

Autoren

Tobias Bonhoeffer

Abteilungen

Zelluläre und Systemneurobiologie

Wissenschaftler beginnen zu verstehen, was im Gehirn passiert, wenn es lernt oder vergisst. Gleich eine ganze Reihe von Entdeckungen zeigt, wie und wo Nervenzellen Kontakte zu Nachbarzellen aufbauen, oder was passiert, wenn der Informationsfluss unterbrochen wird oder nach längerer Pause erneut aufgebaut werden soll. Die Ergebnisse geben Einblick in grundlegende Vorgänge des Gehirns.

Scientists are beginning to get the gist of what happens in the brain when it learns or forgets something. A whole series of discoveries now shows how and where nerve cells create contacts between each other, or what happens, when the flow of information is disrupted or needs to be reestablished after a period of time. The results provide an intimate view into the fundamental functions of the brain.

Cogito ergo sum – Ich denke, also bin ich. Dieser Grundsatz des französischen Philosophen René Descartes zeigt, welche zentrale Rolle die Fähigkeit zu denken im menschlichen Bewusstsein einnimmt. Denken, das ist die innerliche Beschäftigung mit Begriffen, Erinnerungen und Vorstellungen; ein Prozess, in den neue Erfahrungen einfließen und aus dessen Gesamtanalyse individuelle Schlussfolgerungen gezogen werden. Dass Denken im Gehirn stattfindet, steht mittlerweile außer Frage. Doch wie speichern die dort ansässigen Nervenzellen eine Erfahrung? Wie ist es möglich, neue Dinge zu lernen? Und wie finden Erinnerungen und neu gelernte Informationen zu einem Gedanken zusammen? Diese Fragen beschäftigen Naturwissenschaftler und Philosophen schon seit langem. Den Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Neurobiologie gelang nun gleich eine ganze Reihe neuer Einblicke in die Funktionsweise des Gehirns.

Flexible Datenverarbeitung


<p style="text-align: left;" _mce_style="text-align: left;">Abb. 1: Jede Nervenzelle kommuniziert über viele tausend Kontaktstellen mit ihren Nachbarzellen. Der flexible Auf- und Abbau dieser Kontakte ermöglicht es, Informationen zu verarbeiten und zu speichern</p>
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Abb. 1: Jede Nervenzelle kommuniziert über viele tausend Kontaktstellen mit ihren Nachbarzellen. Der flexible Auf- und Abbau dieser Kontakte ermöglicht es, Informationen zu verarbeiten und zu speichern

[weniger]

Das menschliche Gehirn besteht aus rund hundert Milliarden Nervenzellen (Abb. 1). Doch das ist erst der Anfang: Jede dieser Zellen ist über viele tausend Kontaktstellen mit ihren Nachbarzellen verbunden. Wissenschaftler gehen davon aus, dass erst der flexible Auf- und Abbau dieser Kontaktstellen es ermöglicht, Informationen zu verarbeiten und zu speichern. Um etwas zu lernen, also neue Informationen verarbeiten zu können, gehen Nervenzellen neue Verbindungen miteinander ein. Steht zum Beispiel eine Information an, für die es noch keinen Verarbeitungsweg gibt, wachsen von der entsprechenden Nervenzelle feine Fortsätze auf ihre Nachbarzellen zu. Bildet sich am Ende des Fortsatzes eine spezielle Kontaktstelle, eine Synapse, ist der Austausch von Informationen zwischen den Zellen möglich – die neue Information wird gelernt. Löst sich der Kontakt wieder auf, wird das Gelernte vergessen. Auch andere Gehirnfunktionen sind nur dann möglich, wenn Nervenzellen zur richtigen Zeit und am richtigen Ort über solche Kontakte Informationen austauschen können.

Leitsystem für Informationen

An den Synapsen fließt die neuronale Information entlang einer Einbahnstraße: von der Sendeeinheit zur Empfangseinheit der nachgeschalteten Zelle. Wissenschaftler können beobachten, wie von nachgeschalteten Zellen aktiv Fortsätze auswachsen oder sich wieder zurückziehen, wenn Informationen verarbeitet werden. Der anscheinend eher statischen Sendeeinheit maßen sie daher nur eine reagierende Rolle beim Aufbau neuer Synapsen zu. Diese Annahme war jedoch falsch, wie die Martinsrieder Neurobiologen nun zeigen konnten [1]. Erstmals gelang es ihnen, nicht nur die Empfänger-Seite, sondern auch die Sendestationen über einen längeren Zeitraum zu beobachten. Hierzu markierten sie einige Nervenzellen mit einem roten Fluoreszenzfarbstoff und färbten die mit ihnen verbundenen Zellen grün. Mithilfe eines hochauflösenden Zwei-Photonen-Mikroskops konnten sie so die Veränderungen beider Synapsenseiten im Zeitraffer beobachten. Schnell war klar, dass die Sendeeinheit einer Synapse eine deutlich aktivere Rolle bei deren Auf- und Abbau spielt als bisher gedacht. Verringert sich der Informationsfluss, den eine Nervenzelle weitergeben muss, so werden viele der nun überflüssigen Sendestationen abgebaut.

Unerwartet war, dass die durchschnittliche Anzahl der Sendestationen gleich blieb. So wurde ihre Anzahl zwar bei einer Verringerung des Informationsflusses reduziert; im gleichen Zeitraum entstanden jedoch an anderen Stellen neue Sendestationen. Da nur die ursprünglich miteinander kommunizierenden Nervenzellen farblich markiert waren, konnten die Wissenschaftler nicht erkennen, ob die neuen Sender Informationen an bisher nicht an der Kommunikation beteiligte Nervenzellen weitergaben. Es könnte sein, dass hier Synapsen zu hemmenden Nervenzellen entstehen, die eine Weitergabe des abgeschwächten Informationsflusses weiter reduzieren. Ob das der Fall ist, wollen die Wissenschaftler nun mit neuen Methoden untersuchen.

 
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