Gehirn, Nervenzellen und Dornen
Obwohl das Gehirn bei weitem nicht die Schnelligkeit eines Computers erreicht, ist es in seiner Lernfähigkeit und seinem Erinnerungsvermögen bislang unübertroffen. Grundlage dafür ist die flexible Vernetzung der über 100 Milliarden Nervenzellen des Gehirns. Neurowissenschaftlern ist schon lange bekannt, dass die Verschaltung der Nervenzellen untereinander nicht statisch ist, sondern ständig auf sich ändernde Umweltbedingungen reagieren kann und somit eine lebenslange Veränderbarkeit bewahrt. Im Mittel haben Nervenzellen 10 000 - 100 000 Synapsen, über die sie mit anderen Nervenzellen in Kontakt stehen. Diese können neu aufgebaut, abgebaut, in ihrer Effektivität verstärkt (z.B. beim Lernen) oder abgeschwächt werden. Diese Flexibilität - auch Plastizität genannt - ist eine Grundeigenschaft des zentralen Nervensystems.
Neurowissenschaftler der Abteilung Zelluläre und Systemneurobiologie haben nun einige der bedeutenden neurochemischen und zellulären Mechanismen aufgeklärt, die für die lebenslange Formbarkeit des Nervensystems verantwortlich sind. Es gelang, erstmalig zu beobachten, dass Nervenzellen unter intensiver elektrischer Reizung, die experimentell eine erhöhte Aktivität der Nerven simuliert, dornenartige Strukturen, so genannte spines, ausbilden. Mit einiger Sicherheit wird mittlerweile vermutet, dass diese Dornen dazu dienen, weitere Synapsen mit benachbarten Nervenzellen aufzubauen. In neuesten Studien an Nervenzellen in Gewebekulturen, die aus der an Gedächtnisvorgängen wesentlich beteiligten Gehirnregion des Hippokampus stammten, konnte Valentin Nägerl mit seiner Arbeitsgruppe in der Abteilung von Tobias Bonhoeffer nun auch eine Rückbildung dieser Dornen beobachten -die Plastizität bestimmter Nervenzellen in beide Richtungen – Bildung und Rückbildung von spines - war damit erstmalig gezeigt.
Kommunikation, Neurotransmitter, Potenziale
Die Kommunikation zwischen Nervenzellen wird gemessen, indem z.B. präsynaptische Nervenfasern durch elektrische Pulse gereizt und die Reizantworten der nachgeschalteten Nervenzellen elektrophysiologisch abgeleitet werden. Die Signalantworten werden als Spannungsänderungen in den Nervenzellen gemessen. Stimulation mit hoher Reizfrequenz kann dazu führen, dass an den beteiligten Synapsen einerseits mehr Neurotransmitter von der präsynaptischen Zelle ausgeschüttet und andererseits postynaptische Reaktionen auf die Neurotransmitterfreisetzung hochreguliert werden. Dieses Phänomen wird Langzeitpotenzierung (long-term potentiation, LTP) genannt. Sie kann über mehrere Stunden und sogar Wochen bestehen bleiben und stellt somit eine Form des synaptischen Gedächtnisses dar.
Markiert man in einer Gewebekultur einzelne Nervenzellen mit fluoreszierendem Farbstoff (z.B. green fluorescent protein, GFP) und betrachtet sie nachfolgend mit einem hoch auflösenden Zweiphotonen Laser-Scanning Mikroskop, so kann man nun die Veränderungen in deren synaptischen Grundbausteinen, wie z.B. die Bildung oder das Verschwinden der Dornen, beobachten. Die einzelnen lebenden Nervenzellen können so im dichten Gewirr der zigtausend anderen Nervenzellen, die nicht gefärbt sind, unterschieden werden. Bei intensiver Reizung konnte als Erstes die bereits bekannte Entstehung von Dornen registriert werden (Abb. 1).
In weiteren Experimenten wurde nun die Reaktion von Nervenzellen auf Stimulation mit niedriger Reizfrequenz, die normalerweise zu einer mehrere Stunden dauernden Verringerung der Reizübertragung zwischen Nervenzellen führt (Langzeitdepression; long-term depression, LTD), untersucht. Bei dieser Stimulation zeigte sich eine Rückbildung von Dornen (Abb. 2). Da die Langzeitdepression das Gegenstück zur Langzeitpotenzierung ist und letztere als Grundlage für Lernen und Gedächtnis angesehen wird, nimmt man an, dass umgekehrt das Vergessen von Information auf Langzeitdepression und dem Verlust von Dornen beruht.
