Das Gehirn ist ein komplexes Netzwerk, das aus verschiedenen Zelltypen besteht, von denen Nervenzellen und Gliazellen die wichtigsten sind. Gliazellen spielen eine wichtige Rolle bei der Isolierung der "Verkabelung" von Nervenzellen und der Gewährleistung optimaler Arbeitsbedingungen. Eine aktuelle Studie der Universität Bonn hat jedoch eine weitere Funktion von Gliazellen in Nagetieren entdeckt: Sie spielen eine wichtige Rolle beim räumlichen Lernen. An der Studie war auch das Deutsche Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) beteiligt.
Die Rolle von Astrozyten bei der räumlichen Erinnerung
Jeder Ort hat einzigartige Eigenschaften, die ihn unverwechselbar machen. Wenn wir einen Ort zum ersten Mal besuchen, speichern wir diese Kombination von Funktionen. Mechanismen wie die dendritische Integration synaptischer Aktivität ermöglichen dies. Professor Dr. Christian Henneberger vom Institut für Zelluläre Neurowissenschaften am Universitätsklinikum Bonn erklärt: "Wir konnten zeigen, dass Astrogliazellen oder Astrozyten eine wichtige Rolle bei dieser Integration spielen."
Die Forscher untersuchten Neuronen im Hippocampus von Nagetieren. Dieser Bereich des Gehirns spielt eine wichtige Rolle bei Gedächtnisprozessen, insbesondere beim räumlichen Gedächtnis. "Im Hippocampus gibt es Neuronen, die genau darauf spezialisiert sind - die Ortszellen", sagt Henneberger. Allein im Hippocampus der Maus gibt es etwa eine Million solcher Zellen.
Dendritische Integration und synaptische Aktivität
Ortszellen haben lange Ausläufer, die Dendriten. Diese sind wie eine Baumkrone verzweigt und mit zahlreichen Kontaktstellen übersät. Hier werden Informationen empfangen, die unsere Sinne uns über einen Ort vermitteln. Diese Kontakte werden Synapsen genannt. Dr. Kirsten Bohmbach, die die meisten Experimente in der Studie durchgeführt hat, erklärt: "Wenn Signale gleichzeitig an vielen benachbarten Synapsen eingehen, bildet sich ein starker Spannungsimpuls im Dendrit - ein sogenannter Dendriten-Spike." "Dieser Prozess wird als dendritische Integration bezeichnet: Der Spike entsteht nur, wenn eine ausreichende Anzahl von Synapsen gleichzeitig aktiv ist."
Ortszellen erzeugen in regelmäßigen Abständen Aktionspotentiale. Die Geschwindigkeit, mit der sie dies tun, kann stark variieren. Wenn sich Mäuse jedoch in einer neuen Umgebung orientieren, schwingen sich ihre Ortszellen immer in einem bestimmten Rhythmus ein - sie erzeugen dann fünf bis zehn Spannungsimpulse pro Sekunde. Dieser Rhythmus bewirkt, dass die Nervenzellen bestimmte Botenstoffe freisetzen. "Das D-Serin wandert dann zu den Dendriten der Ortszellen", erklärt Bohmbach. "Dort sorgt es dafür, dass die dendritischen Spikes leichter entstehen und zudem deutlich kräftiger ausfallen." Wenn sich Mäuse im Orientierungsmodus befinden, können sie sich dadurch leichter neue Orte merken und wiedererkennen.
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Die Bedeutung von Astrozyten für die räumliche Erinnerung
"Wenn wir die Hilfe von Astrozyten bei Mäusen unterdrücken, erkennen sie bekannte Orte seltener wieder", sagt Henneberger. Dies gilt jedoch nicht für Orte, die besonders relevant sind, z. B. weil sie eine potenzielle Gefahr darstellen: Diese werden von den Tieren weiterhin gemieden. "Der von uns entdeckte Mechanismus steuert also die Schwelle, ab der Ortsinformationen gespeichert oder wiedererkannt werden."
Die Ergebnisse geben neue Einblicke in die Funktionsweise und Steuerung des Gedächtnisses. Die Forschungsergebnisse sind auch Ausdruck einer erfolgreichen universitätsinternen Zusammenarbeit.
Beobachtung einzelner Nervenverschaltungen im Gehirn
Wenn sich ein Objekt vor unserem Auge bewegt, feuern bestimmte Nervenzellen in unserem Hinterkopf elektrische Signale ab - je nach Bewegungsrichtung sind andere Zellen aktiv. Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) können jetzt im Gehirn beobachten, wie einzelne dieser Nervenzellen solche Bewegungssignale empfangen und verarbeiten: Zum ersten Mal kann eine neue Mikroskopiemethode einzelne Nervenverschaltungen (Synapsen) darstellen, die ein Tausendstel Millimeter klein sind. Zukünftig könnte die Methode helfen zu verstehen, wie Lernen auf der Ebene einer Nervenzelle funktioniert.
Licht, das auf die Netzhaut des menschlichen Auges fällt, trifft dort auf 126 Millionen Sinneszellen, die es in elektrische Signale umwandeln. Bereits die kleinste Einheit des Lichts, ein Photon, kann eine der Sinneszellen stimulieren. Daraus folgt: Riesige Datenmengen müssen verarbeitet werden, damit wir sehen können. Die Wissenschaftler um den TUM-Neurophysiologen Prof. Arthur Konnerth interessieren sich für eine bestimmte Art von Nervenzellen in der Sehrinde, die auf Bewegungen reagieren. Ob vor dem Auge ein Balken von unten nach oben wandert oder von rechts nach links: Stets reagieren andere Nervenzellen der Sehrinde.
Die Rolle von Dendriten beim Empfang von Signalen
Wie die gesendeten Impulse dieser "Richtungs"-Neuronen aussehen, ist gut bekannt - doch wie sieht das Eingangssignal aus? Fortsätze oder Dendriten einer Nervenzelle (hell, im Zentrum) im Gehirn einer Maus. Mithilfe der Dendriten empfängt die Nervenzelle Signale von anderen Nervenzellen. Um mehr über das Eingangssignal herauszufinden, schauten Konnerth und seine Mitarbeiter einer Maus beim Sehen zu. Dazu verfeinerten sie eine Mikroskopiemethode, mit der sich bis zu einem halben Millimeter in das Hirngewebe hineinblicken und eine einzelne Zelle beobachten lässt, die sogenannte 2-Photonen-Fluoreszenz-Mikroskopie. Gleichzeitig leiteten sie mit haarfeinen Pipetten elektrische Signale an einzelnen Baumfortsätzen derselben Nervenzelle ab (Patch-Clamp-Technik).
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Konnerth: "Ähnliche Versuche wurden bisher nur in Kulturschalen mit gezüchteten Nervenzellen gemacht, lebendes Gewebe ist viel komplexer." Der Lohn der Anstrengungen: Konnerth und seine Kollegen entdeckten, dass ein "Richtungs"-Neuron bei mehreren, unterschiedlichen Bewegungen des Balkens vor dem Auge Signale von den mit ihm vernetzten Nervenzellen empfängt.
Die Bedeutung des Lernens an einer einzelnen Nervenzelle
"Hier wird es richtig spannend", meint Konnerth. Denn die "Richtungs"-Nervenzelle versendet nur ein Ausgangssignal wie zum Beispiel "bewegt sich von unten nach oben". In Zukunft will Konnerth mit seinem Forschungsansatz auch den Prozess des Lernens an einer einzelnen Nervenzelle beobachten. Viele Nervenenden senden praktisch nie Signale an den Antennenbaum eines "Richtungs"-Neurons. Wenn das Auge etwa andere Arten von Bewegungen wahrnimmt, könnten solche stummen Nervenenden aktiv werden. Das würde den Verrechnungsmechanismus der "Richtungs"-Nervenzelle so verändern, dass sie ihre bevorzugte Richtung ändert: Die Maus würde lernen, bestimmte Bewegungen vielleicht besser oder schneller zu sehen.
"Da wir mit unserer Methode gleichzeitig die Verschaltung und das Verhalten ein und derselben Nervenzelle im Gehirn beobachten können, werden wir einen wichtigen Beitrag zum Verständnis von Lernen leisten können", ist Konnerth überzeugt.
Lokale Proteinsynthese in Dendriten
Die molekularen Grundlagen des Lernens und der Erinnerung sind noch weitgehend unverstanden. Nervenzellen leiten nicht nur Informationen untereinander weiter, sondern sie entscheiden auch darüber, was wir uns merken und was wir vergessen. Wissenschaftler haben ein Testsystem entwickelt, mit dem sie die Bildung von Proteinen in einer lebenden Nervenzelle direkt sichtbar machen können.
Eine einfache und auch recht wahrscheinliche Erklärung dafür lautet: Wir haben Erinnerungen, weil sich unsere Nervenzellen Dinge merken können. Nervenzellen haben unzählige Verbindungsstellen zu anderen Zellen. Jeder dieser Kontakte - die Synapsen - kann nicht nur moduliert werden, es können sich auch jederzeit neue Synapsen bilden. Eine typische Nervenzelle sieht daher aus wie ein Baum mit vielen Ästen und Blättern. Um alle seine Blätter am Leben zu halten, muss der Baum Wasser und Nährstoffe bis in seine entferntesten Äste transportieren. Auch die Nervenzelle verfährt so und transportiert Moleküle bis in die entlegendsten Enden ihrer Dendriten zu den Synapsen. Diese Moleküle sind zum Beispiel spezielle Proteine, aber auch Ribonukleinsäuren - Blaupausen des Genoms für die Herstellung von Proteinen.
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Neuere Forschungsergebnisse legen nun nahe, dass die Proteinsynthese nicht nur in der Nähe des Zellkerns, wo die RNA-Blaupausen entstehen, sondern auch in weiter entfernten Abschnitten der Dendriten stattfindet. Wissenschaftler vermuten deshalb heute, dass eine Nervenzelle über die lokale Proteinsynthese in Dendriten das für den Umbau, Abbau oder die Neubildung von Synapsen benötigte "Baumaterial" genau dort herstellt, wo es schließlich auch eingebaut wird. Eine solche lokale Veränderung der Proteinzusammensetzung in der Nervenzelle wäre eine originelle Möglichkeit, wie diese Zelle "lernen" und die so gespeicherten Informationen wieder abrufen könnte.
Sichtbarmachung der Proteinsynthese in lebenden Nervenzellen
Um das herauszufinden, müsste man die molekularen Vorgänge in einer lebenden Nervenzelle direkt beobachten können. Forschern ist es gelungen, eine neuartige Methode zu entwickeln, mit der man die Synthese eines fluoreszierenden "Reporter-Proteins" direkt sichtbar machen kann. Dazu griffen sie auf Eisenspeicherproteine zurück, die Zellen benutzen, um die Eisenkonzentration in ihrem Inneren genauestens zu regulieren. Setzt man einen solchen "Eisenschalter" vor eine beliebige Reporter-RNA, die den Bauplan für das Grüne Fluoreszierende Protein (GFP) enthält, wird dieses Protein nur in Anwesenheit von Eisen erzeugt. In einem zweiten Schritt fügten die Wissenschaftler der Reporter-RNA an ihr Ende noch ein molekulares Sortiersignal an. Dieses sorgt dafür, dass diese RNA tatsächlich in die Dendriten transportiert wird.
Die Forscher haben dann an derart präparierten lebenden Nervenzellen untersucht, ob das Reporter-Protein hergestellt wird, wenn sie in den Zellen die Eisenkonzentration erhöhen. Tatsächlich aktivierte die Anwesenheit von Eisen die Proteinsynthese, die über die grüne Fluoreszenz des Reporterproteins direkt in der Zelle optisch nachweisbar war. Doch zudem registrierten die Forscher eine deutliche Steigerung der Neusynthese des Proteins, wenn die untersuchten Neuronen gleichzeitig elektrisch aktiv waren. Damit haben die Wissenschaftler einen ersten wichtigen Hinweis darauf gefunden, dass die synaptische Aktivität direkt die lokale Proteinsynthese regulieren könnte. In ihrem Gefolge eintretende molekulare Veränderungen würden dann dazu führen, dass existierende Synapsen in ihrem gesamten Aufbau reorganisiert und beispielsweise stabilisiert werden. Dies könnte eine der molekularen Grundlagen von Lernprozessen darstellen.
Die Rolle der Kinase SLK bei der Entwicklung von Nervenzellen
Forschende der Universität Bonn haben die Funktion des Enzyms SLK für die Entwicklung der Nervenzellen im Gehirn aufgeklärt. Fehlt es, verzweigen sich die Fortsätze der Neuronen weniger stark. Außerdem lässt sich die Aktivität der Zellen dann schlechter hemmen. Dazu passt, dass in erkranktem Gehirngewebe von Epilepsie-Patienten weniger SLK vorkommt. Bei epileptischen Anfällen kommt es zu einer Übererregung von Nervenzell-Verbünden. Eventuell können die Befunde dabei helfen, die Therapie der Erkrankung zu verbessern.
SLK zählt zur großen Gruppe der Kinasen. Diese Enzyme sind ausgesprochen wichtig: Sie hängen Phosphatgruppen (das sind kleine Molekülreste mit einem Phosphor-Atom im Zentrum) an Proteine und verändern so deren Aktivität. Von der Kinase SLK war bereits bekannt, dass sie eine wichtige Rolle bei der Embryonalentwicklung spielt: Sie beeinflusst unter anderem das Wachstum von Zellen und ihre Wanderung im Körper - Prozesse, die auch für die Reifung der Neuronen essentiell sind. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler hemmten in Neuronen von Mäusen die Produktion des SLK-Proteins. „Zugleich veränderte sich das Aussehen der Nervenzellen“, sagt Anne Quatraccioni.
Der Einfluss von SLK auf die inhibitorischen Synapsen
Die Dendriten ähneln einer Art Baum, der mit winzigen Kontaktstellen übersät ist, den Synapsen. Dort docken Ausläufer anderer Nervenzellen an und geben elektrische Impulse an den Baum weiter. Die beobachtete „Ausdünnung“ betraf nicht die dicken Hauptäste, sondern ausschließlich die kleinsten Verästelungen. Die Synapsen an diesen kleinen Zweigen nennt man exzitatorisch: Signale, die dort empfangen werden, wirken erregend. Wenn es weniger Seitenzweige gibt, konzentrieren sich die Synapsen auf eine geringere Fläche - dadurch würde ihre Dichte zunehmen. Normalerweise führt das dazu, dass ihr Einfluss größer wird; die Nervenzelle lässt sich also (da die Synapsen exzitatorisch wirken) leichter erregen.
„Erstaunlicherweise konnten wir aber keine erhöhte Dichte der exzitatorischen Synapsen feststellen“, betont Quatraccioni. „Dennoch waren die betroffenen Neuronen erregbarer. Die Ursache ist nicht in den feinen Verästelungen zu finden, sondern in den dicken Hauptzweigen. Auch dort sitzen zahlreiche Synapsen, allerdings ein anderer Typ: Sie wirken inhibitorisch. Jedes Signal, das bei diesen Synapsen eingeht, verhindert, dass die Nervenzelle feuert. „Die Mäuse bildeten zunächst eine normale Menge dieser inhibitorischen Synapsen“, erklärt Quatraccioni. „Nach einigen Lebenstagen begann ihre Dichte jedoch abzunehmen. SLK scheint also wichtig zu sein, um die normale Menge inhibitorischer Synapsen aufrechtzuerhalten. Ohne die Kinase lassen sich die betroffenen Nervenzellen mit der Zeit immer schlechter hemmen. Dazu passt, dass die Forschenden in Hirngewebe von Epilepsiekranken einen SLK-Mangel in Nervenzellen nachweisen konnten.
Die Bedeutung von SLK für die Therapie von Epilepsie
Die Ergebnisse könnten erklären, warum bei manchen Erkrankten die Wirkung der Medikamente mit der Zeit nachlässt. „Vielleicht rührt dieser Effekt nicht von einer Resistenz gegen die Wirkstoffe, sondern von dem fortschreitenden Verlust der hemmenden Synapsen“, sagt Prof. Dr. Susanne Schoch McGovern. Sie könnten zudem auch therapeutische Relevanz haben: „Oft versuchen wir, die Übererregung der Nervenzellen durch Medikamente zu verhindern, die die inhibitorischen Synapsen stimulieren“, erklärt Schoch McGovern. „Bei einem SLK-Mangel könnte das die falsche Strategie sein: Dort gibt es irgendwann nur noch so wenige inhibitorische Synapsen, dass das nicht mehr funktioniert.
Das "Wood Wide Web": Kommunikation und Austausch zwischen Bäumen
Bis ein kleiner Sämling Fotosynthese in nennenswertem Umfang betreiben kann, dauert es. Durch die dichten Kronen der älteren und höheren Bäume dringt kaum Licht - wie also überleben die kleinen Bäume so lange? Die kanadische Forscherin Suzanne Simard hat erstaunliche Beobachtungen gemacht und das Wood Wide Web spielt dabei eine entscheidende Rolle. In verschiedenen Experimenten konnten Simard und ihr Team diesen Austausch von Stoffen beobachten. Besonders viele Pilzverflechtungen bilden sich zwischen großen "Mutterbäumen" und ihren eigenen Sämlingen. Und mehr noch: Vom großen Mutterbaum gelangt sogar eine Zuckerlösung zum Sämling, die den kleinen Baum ernährt.
Pflanzen-Neurobiologie: Pflanzliche Synapsen und pflanzliche Intelligenz
Im noch relativ jungen Forschungsfeld der Pflanzen-Neurobiologie beschäftigen sich Wissenschaftler:innen tatsächlich mit pflanzlichen Synapsen und pflanzlicher Intelligenz. Die Schlussfolgerungen daraus sind aber in der Wissenschaft zum Teil sehr umstritten. Selbst einige Pflanzenforschende sprechen von einer Art Pflanzenbewusstsein.
Zwar besitzen Bäume und Pflanzen keine Nervenzellen, aber sie produzieren Hormone, mit denen sie Sinnesreize durch ein feines Adergeflecht zu ihren eigenen Organen übermitteln - auf diese Weise fühlen, sehen, hören und kommunizieren sie. Pflanzen sind intelligent und haben wie Tiere ein Interesse an ihrer eigenen Existenz, die sie mit allen Mitteln bewahren wollen. Sie haben einen Standpunkt, eine Perspektive und reagieren unmittelbar auf das, was ihnen zustößt.
Die Sinne der Pflanzen: Sehen, Riechen und mehr
Pflanzen sind blind, aber sie können auf Lichtunterschiede reagieren und sind Meisterinnen darin. Pflanzen haben elf verschiedene Lichtsensoren, und damit sieben mehr als der Mensch in seinen Augen. Pflanzen übersetzen Lichtsignale in einen Wachstumsimpuls.
Pflanzen können auch riechen. Sie reagieren auf chemische Signale in der Luft und setzen diese in ein bestimmtes Verhalten um. Pflanzenfamilien verfügen über Duftstoffvokabeln, die dazu dienen, sich vor dem Angriff gefräßiger Insekten zu schützen und Artgenossen vorzubereiten.
Die Kontroverse um pflanzliche Intelligenz
Neurobiologie - das Wort sei schlicht falsch, sagen einige Wissenschaftler. Denn nur Tiere haben Neurone, also Nerven. Und, so das herrschende Dogma, ohne Nerven kann es keine Intelligenz geben, keine Erfahrung, kein Lernen, keine Individualität, kein Schmerzempfinden: „No brain, no pain“.
Pflanzen besitzen zwar keine Synapsen, die etwa eine Verletzung an eine zentrale Instanz wie das Gehirn weitermelden würden. Ihre Kommunikation funktioniert aber ebenso gut, wenn der Signalstoff einen ganzen Baum einhüllt und durch den Wald driftet. Versuche zeigen, dass sich Gewächse auch ohne Neuronenbahnen an Vergangenes erinnern und sogar lernen können.