Das menschliche Gehirn ist ein komplexes Organ, dessen Funktionsweise noch immer viele Rätsel aufgibt. Die Erforschung der Nervenzellen (Neuronen) und ihrer Verbindungen (Synapsen) ist entscheidend, um zu verstehen, wie wir denken, lernen und uns erinnern. Dieser Artikel beleuchtet aktuelle Forschungsergebnisse und Erkenntnisse über die Funktion von Gehirnzellen, insbesondere im Hinblick auf die synaptische Kommunikation, die Rolle von Transportvesikeln und die Plastizität neuronaler Netzwerke.
Synapsen: Die Grundlage der neuronalen Kommunikation
Synapsen sind die Kontaktstellen zwischen Nervenzellen, an denen die Erregungsübertragung stattfindet. Diese Verbindungen ermöglichen die Kommunikation zwischen Neuronen und bilden die Grundlage für alle Funktionen des Nervensystems, von einfachen Reflexen bis hin zu komplexen kognitiven Prozessen.
Wie Synapsen entstehen: Ein neuer Mechanismus
Forschende vom Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP) haben zusammen mit einem internationalen Team einen entscheidenden Mechanismus bei der Entstehung von Synapsen aufgedeckt. Sie konnten die Identität der axonalen Transportvesikel aufklären, die für den Transport von Proteinen zu den Synapsen verantwortlich sind.
Um die Entstehung von Präsynapsen von Anfang an nachverfolgen zu können, haben die Forschenden in humanen Stammzellen per Genschere CRISPR ein leuchtendes Protein eingebaut und aus den so modifizierten Stammzellen Nervenzellen generiert.
Die überraschende Erkenntnis war, dass synaptische Vesikelproteine, Proteine der aktiven Zone und Adhäsionsproteine alle den gleichen Transportweg nutzen. Der Haupttreiber für diesen axonalen Transport ist das Motorprotein Kinesin "KIF1A". Mutationen in KIF1A könnten den axonalen Transport präsynaptischer Proteine behindern und zu neurologischen Symptomen wie Bewegungsstörungen, Ataxie oder geistigen Behinderungen führen.
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Eine weitere Überraschung war die zellbiologische Identität des Transportmittels: Anders als die meisten sekretorischen Vesikel stammen diese axonalen Transportvesikel nicht aus dem Golgi-Apparat, sondern teilen sich Markierungen mit dem endolysosomalen System. Dies deutet darauf hin, dass Neuronen eine neue Art von Organelle erfunden haben, die möglicherweise nur in Nervenzellen vorkommt.
Die Rolle synaptischer Vesikel
Synaptische Vesikel sind Membranbläschen, die Botenstoffe (Neurotransmitter) enthalten. Jede Synapse legt diese auf Vorrat an, um elektrische Signale in chemische umwandeln zu können. An den Synapsen wird das elektrische Signal in chemische Botenstoffe umgewandelt, die dann von den Postsynapsen anderer Nervenzellen empfangen werden. Neben der Übertragung von Erregung können Synapsen auch Informationen speichern.
Axonale Transportmechanismen und ihre Bedeutung
Der axonale Transport ist ein entscheidender Prozess für die Funktion von Nervenzellen. Er ermöglicht den Transport von Proteinen und anderen Molekülen entlang des Axons, dem langen Fortsatz der Nervenzelle, zu den Synapsen. Störungen dieses Transports können zu neurologischen Erkrankungen führen. Die neuen Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung könnten eines Tages auch für die Klinik nützlich sein. Denn wenn die Kontakte zwischen den Nervenzellen kaputtgehen, sei es durch eine Krankheit, einen Unfall oder schlicht durch den Alterungsprozess, ist es wichtig, den Mechanismus des axonalen Transports und die beteiligten Schlüsselproteine zu kennen, um therapeutisch eingreifen zu können.
Neuronale Netzwerke und ihre Plastizität
Das Gehirn besteht aus Milliarden von Nervenzellen, die in komplexen Netzwerken miteinander verbunden sind. Diese Netzwerke sind nicht statisch, sondern verändern sich ständig als Reaktion auf Erfahrungen und Lernen. Diese Fähigkeit des Gehirns zur Anpassung wird als neuronale Plastizität bezeichnet.
Die Entdeckung der neuronalen Plastizität
Bis Ende des 19. Jahrhunderts war nicht klar, ob das Gehirn ein zusammenhängendes Netz aus verschmolzenen Neuronen ist oder aus einzelnen Zellen besteht. Erst durch Camillo Golgis Entdeckung der Silbernitratfärbung wurden einzelne Neurone sichtbar - eine Technik, die Santiago Ramón y Cajal die Formulierung der Neuronendoktrin ermöglichte: Diskrete Nervenzellen sind die grundlegenden Bausteine des Gehirns.
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Die Rolle von Ortszellen im Hippocampus
Ein Beispiel für neuronale Plastizität ist die Funktion von Ortszellen im Hippocampus, einer Hirnstruktur, die für das Gedächtnis wichtig ist. Ortszellen sind Neuronen, die aktiv werden, wenn wir uns an einem bestimmten Ort befinden. Sie bilden eine Art "Ortskarte" im Gehirn, die uns hilft, uns in unserer Umgebung zu orientieren.
Eine aktuelle Studie hat gezeigt, dass Ortszellen bei weitem nicht so stabil sind wie gedacht. Forschende konnten die Aktivität einzelner Ortszellen im Mäusegehirn umprogrammieren, indem sie diese an anderen Orten stimulierten als denen, auf die sie zuvor mit Aktivität reagiert hatten. Dies deutet darauf hin, dass die "Ortskarte" im Gehirn flexibel ist und sich an neue Erfahrungen anpassen kann.
Die kortikalen Karten
Die Neuronen für alle möglichen Kategorien ordnen sich durch synaptisches Lernen zu regelmäßigen Mustern, den so genannten kortikalen Karten. Die Zellen der Assemblys können in verschiedenen Hirnarealen liegen und Informationen unterschiedlichster Art zusammenfügen. Die Neuronen der Karten hingegen sind eng benachbart, repräsentieren verschiedene Abstufungen derselben Information und werden nicht alle zugleich aktiviert.
Wissenschaftler haben die neuronale Topographie vor allem für die Kortex-Areale gut untersucht, die von den Sinnesorganen beeinflusst werden. In der Hörrinde reihen sich Neuronen, die benachbarte Tonhöhen repräsentieren, wie die Tasten eines Klaviers aneinander. Im körpersensorischen Kortex ist der Körper mehrfach in "somatotopischen" Karten abgebildet, etwa im berühmten "Homunkulus". Solche Karten bilden sich erfahrungsabhängig. So finden sich in der Sehrinde von Katzen, die ihr Leben lang nur senkrechte Striche betrachten durften, ausschließlich Neuronen, die auf senkrechte Striche ansprechen. Für andere visuelle Reize sind die Tiere unempfänglich.
Kurzzeitplastizität
Damit wir auf Grund von Sinneseindrücken oder als Ergebnis gedanklicher Prozesse unser Verhalten abrupt ändern können, müssen die Schaltkreise aus Nervenzellen in unserem Gehirn sehr reaktionsfähig sein (Kurzzeitplastizität). Die Anpassungsfähigkeit von Synapsen (Kurzzeitplastizität) ist in fast allen Nervenzellen zu beobachten. Die Entdeckung des Kalziumsensors und dessen Zielproteins wurde von führenden Neurowissenschaftlern in der Vergangenheit schon als ‚Heiliger Gral‘ der synaptischen Plastizität bezeichnet.
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Lernen und Gedächtnis
Lernen und Gedächtnis sind eng miteinander verbunden. Lernen ist der Prozess, durch den wir neue Informationen erwerben, während Gedächtnis der Prozess ist, durch den wir diese Informationen speichern und wieder abrufen. Synaptische Plastizität spielt eine entscheidende Rolle beim Lernen und Gedächtnis.
Synaptische Veränderungen beim Lernen
Sind miteinander verbundene Zellen gemeinsam aktiv, verstärken sich die Synapsen. Demnach aktiviert der Anblick beispielsweise eines Apfels immer wieder eine Anzahl miteinander verknüpfter Pyramidenzellen. Deren Verbindung verstärkt sich nach und nach, eine neuronale Assembly entsteht, deren Aktivität den Apfel repräsentiert. Je öfter sich der synaptische Lernprozess wiederholt, desto leichter lässt sich die Assembly aktivieren. Irgendwann reicht es, nur Teile des Apfels verschwommen zu erblicken, um das Zellensemble zu zünden und damit den ganzen Apfel im Geist aufscheinen zu lassen. Solch synaptisches Lernen in der Großhirnrinde ist langsam und lebt von der Wiederholung.
Die Rolle des Hippocampus beim Gedächtnis
Der Hippocampus ist eine Hirnstruktur, die für die Bildung neuer Gedächtnisse unerlässlich ist. Patienten, bei denen der Hippocampus entfernt wurde, können sich nicht mehr an neue Ereignisse erinnern. Der Hippocampus ist auch daran beteiligt, Fakten als neu oder bekannt zu bewerten. Er sorgt dafür, so Spitzer, dass wir nur das lernen, was interessant ist.
Die Bedeutung von Emotionen beim Lernen
Neurobiologische Erkenntnisse legen nahe, dass genussvolles und ängstliches Studieren tief greifend unterschiedlich verlaufen. Im "Angstmodus" steht das Gehirn unter dem besonderen Einfluss der Amygdala, zu Deutsch: des Mandelkerns, eines murmelgroßen, zum limbischen System gezählten Hirnteils. "Die Aktivität der Amygdala begünstigt einen eingeengten kognitiven Stil, der ausschließlich darauf ausgerichtet ist, den Quellen der Angst zu entkommen", erläutert Spitzer. Zumindest lässt sich jedoch aus den Erkenntnissen, wie Emotionen im Gehirn wirken, folgern, dass Lernen, Selbstständigkeit und Kreativität vor allem in einem entspannten Klima gedeihen.
Die Rolle der Gliazellen
Gliazellen sind selbst nicht direkt an der Reizweiterleitung beteiligt, im menschlichen Nervensystem erfüllen sie aber dennoch äußerst wichtige Funktionen. Als Stützzellen schützen sie die Neurone (die eigentlichen Nervenzellen), indem sie sie elektrisch abschirmen (was für eine schnelle Erregungsleitung wichtig ist) oder eingedrungenen Stoffen im Blut (zum Beispiel Medikamenten) den Zugang zum Gehirn versperren. Zudem sind die Gliazellen für die Versorgung der Neurone mit Nährstoffen zuständig. Sie steuern auch den Fluss der zerebrospinalen Flüssigkeit (auch Liquor oder Nervenwasser genannt), die Gehirn und Rückenmark bei Erschütterungen abfedert.
Lange auf die Rolle von reinem Kitt reduziert, der die Nervenzellen an Ort und Stelle hält, gibt es aktuell eine große Diskussion darüber, ob sie möglicherweise ein ganz eigenes Informationssystem innerhalb des Gehirns darstellen.
Neue Nervenzellen im erwachsenen Gehirn?
Lange Zeit galt es als Dogma, dass im erwachsenen Gehirn keine neuen Nervenzellen entstehen. Neuere Forschungsergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass dies möglicherweise nicht der Fall ist.
Stammzellen im Gehirn
Forscher haben eine "Autobahn für Stammzellen im Gehirn" entdeckt. In der Nähe der flüssigkeitsgefüllten Hirnkammer liegen dicht gedrängt die besagten Stammzellen. Dieses Reservoir für die Vorläuferzellen kennen Forscher bereits aus zahlreichen Tierstudien. Auch dass Menschen dieses Reservoir besitzen, war bereits bekannt. Jetzt wurde jedoch klar, dass die Zellen über den Schlauch, den die Forscher "Rostral Migratory Stream" nennen, zum Riechhirn gelangen.
Neurogenese im Hippocampus
Schon 1998 hatte der Neurowissenschaftler in einem evolutionär sehr alten Bereich des Gehirns - dem Hippocampus - ähnliche Hinweise gefunden. Bei der aktuellen Studie untersuchte das internationale Forscherteam die Gehirne von über 30 verstorbenen Frauen und Männern. Es setzte Antikörper ein, die sich mit den Stammzellen verbanden und diese sichtbar machten. Elektronenmikroskope konnten die Zellen so nachweisen und zeigen, dass sie von ihrem Reservoir in den Hirnkammern bis in die Riechkolben gewandert waren. Dort hatten sie sich zu reifen Neuronen entwickelt.
Auswirkungen auf die Behandlung von Hirnverletzungen
Bereits im vergangenen Jahr lieferten Forscher einen weiteren Anhalt dafür, dass Nervenzellen nach einer Hirnverletzung nachwachsen können. "Proceedings of the National Academy of Sciences" berichteten, fanden sie bei Patienten nach einem Schlaganfall ebenfalls neu gewachsene Nervenzellen.
John Eccles und die synaptische Übertragung
Der australische Neurophysiologe John Eccles leistete bahnbrechende Beiträge zum Verständnis der synaptischen Übertragung. Er konnte mit Messungen innerhalb der Nervenzelle zeigen, dass Informationen auf chemischem Weg von Neuron zu Neuron gelangen. Er fand heraus, dass es neben erregenden postsynaptischen Potenzialen auch hemmende gibt. Für seine Forschung zur synaptischen Übertragung erhielt Eccles gemeinsam mit den britischen Physiologen Alan Hodgkin und Andrew Huxley 1963 den Medizin-Nobelpreis.
Eccles' Geschichte zeigt, dass die wahre Größe eines Forschers sich auch daran zeigt, dass er in der Lage ist, einen Irrtum einzusehen und zu korrigieren. Jahrelang vertrat er leidenschaftlich eine Theorie, wie die Kommunikation zwischen Nervenzellen funktioniert. Doch dann widerlegte er mit Experimenten seine eigenen Thesen - und bekam dafür den Medizin-Nobelpreis.
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