Gehirnfunktion: Informationsaustausch durch Nervenbahnen

Das Gehirn ist ein komplexes Organ, das durch ein Netzwerk von Nervenbahnen, bestehend aus Neuronen und Synapsen, Informationen austauscht. Dieser Austausch ermöglicht es uns zu denken, zu fühlen, zu handeln und uns an verschiedene Situationen anzupassen.

Neuronen: Die Grundbausteine des Informationsaustauschs

Neuronen, auch Nervenzellen genannt, sind die Hauptakteure des Informationsaustauschs im Gehirn. Sie sind hochspezialisierte Zellen, die Signale empfangen, verarbeiten und weiterleiten können. Jedes Neuron besteht aus drei Hauptteilen:

• Zellkörper (Soma): Der Zellkörper enthält den Zellkern und ist für die Energieversorgung des Neurons zuständig.
• Dendriten: Dendriten sind verzweigteFortsätze, die wie Antennen wirken und Informationen von anderen Neuronen empfangen. Ein Neuron kann Tausende von Dendriten besitzen, die zusammen einen Dendritenbaum bilden.
• Axon: Das Axon ist ein langer, dünner Fortsatz, der die Informationen des Neurons an andere Neuronen weiterleitet. Am Ende des Axons befinden sich die Endknöpfchen, die Neurotransmitter ausschütten, um die Signale an die nächste Zelle weiterzugeben.

Synapsen: Die Schaltstellen der neuronalen Kommunikation

Die Synapse ist die Verbindungsstelle zwischen zwei Neuronen, an der die Übertragung von Signalen stattfindet. Es gibt zwei Arten von Synapsen:

• Chemische Synapsen: An chemischen Synapsen wird das elektrische Signal des Axons in ein chemisches Signal umgewandelt. Das präsynaptische Endknöpfchen schüttet Neurotransmitter in den synaptischen Spalt aus, die an Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran des Dendriten binden. Diese Bindung führt zur Öffnung von Ionenkanälen, wodurch sich die Spannung der postsynaptischen Membran verändert.
• Elektrische Synapsen: An elektrischen Synapsen sind die prä- und postsynaptischen Zellen über Gap Junctions miteinander verbunden, die den direkten Austausch von Ionen ermöglichen. Elektrische Synapsen sind schneller als chemische Synapsen, da keine Umwandlung des Signals erforderlich ist.

Funktionsweise der neuronalen Kommunikation

Die Kommunikation zwischen Neuronen erfolgt in mehreren Schritten:

1. Empfang von Signalen: Dendriten empfangen Signale von anderen Neuronen in Form von Neurotransmittern.
2. Verrechnung der Signale: Der Zellkörper verrechnet die eingehenden Signale. Wenn die Summe der erregenden Signale einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, wird ein Aktionspotential ausgelöst.
3. Auslösung eines Aktionspotentials: Ein Aktionspotential ist eine kurzzeitige Änderung des Membranpotentials, die sich entlang des Axons ausbreitet.
4. Weiterleitung des Signals: Das Aktionspotential wird entlang des Axons bis zu den Endknöpfchen transportiert.
5. Ausschüttung von Neurotransmittern: An den Endknöpfchen werden Neurotransmitter in den synaptischen Spalt ausgeschüttet.
6. Übertragung des Signals an das nächste Neuron: Die Neurotransmitter binden an Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran des nächsten Neurons und lösen dort eine Reaktion aus.

Neuronale Netze: Komplexe Schaltkreise für spezifische Funktionen

Ein neuronales Netz ist eine Gruppe von Neuronen, die miteinander kommunizieren und auf diese Weise eine bestimmte Funktion ausüben. Jedes Neuron kann Informationen an beliebig viele andere Neuronen weitergeben und gleichzeitig Signale von beliebig vielen anderen Neuronen empfangen. Die Schnittstellen sind immer die Synapsen. Neuronale Netze sind nicht statisch, sondern verändern sich im Laufe des Lebens ständig. Neue Verbindungen zwischen Synapsen werden geschaffen und bestehende Verbindungen gekappt. Diese Veränderung wird als neuronale Plastizität bezeichnet.

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Bedeutung der Myelinscheide für die Signalübertragung

Das Axon ist von einer Myelinscheide umhüllt, die eine Art Isolierung bietet. Diese Isolierung wird von spezialisierten Gliazellen gebildet, den Oligodendrozyten. In regelmäßigen Abständen ist diese Isolierung unterbrochen: an den Ranvierschen Schnürringen. Diese Bauweise ermöglicht, dass die Aktionspotentiale nur an den unterbrochenen Stellen entstehen. Auf diese Weise „springt“ das Aktionspotential das Axon entlang, was die Geschwindigkeit der Signalübertragung deutlich erhöht.

Spezialisierung von Neuronen und Schaltkreisen

Neuronen und neuronale Schaltkreise können hochspezialisiert sein, um bestimmte Arten von Informationen zu verarbeiten. Beispielsweise gibt es Neuronen, die selektiv auf Reize verschiedener Wellenlänge und Farbe antworten (Zeki, 1980). Im visuellen System gibt es verschiedene Verarbeitungsströme, die für das Erkennen von Objekten bzw. die Steuerung von Handlungen zuständig sind (Ungerleider & Mishkin, 1982).

Plastizität des Nervensystems

Das Nervensystem ist ein Wandlungskünstler. Die Vernetzung von Nervenzellen über Synapsen ermöglicht es uns, unser Verhalten flexibel an verschiedene Situationen anzupassen. Wiederkehrende Aktivitäten können zu langfristigen Veränderungen in der Kommunikation zwischen Neuronen führen. Auf diesem Weg lernen wir. Beim Lernen wachsen auf Nervenzellen wenige tausendstel Millimeter lange Fortsätze. Diese synaptische Plastizität sorgt dafür, dass unabhängig vom Bewegungsmuster jeweils funktionell korrekte Augenbewegungen ausgelöst werden.

Einfluss von Dopamin auf die sinnliche Wahrnehmung

Neurone, die Dopamin produzieren, beeinflussen die sinnliche Wahrnehmung und erlauben so, das Verhalten flexibel an aktuelle Situationen anzupassen. In einer kürzlich veröffentlichten Studie hat sie sich bei über 400 lebenden Taufliegen die Reaktion aller Dopamin produzierenden Neurone angesichts von Geschmacks- und Geruchsreizen angeschaut. Das Ergebnis: Bestimmte Neurone scheinen beispielsweise zu registrieren, ob das Tier sich gerade bewegt, ruht oder sich putzt. Riecht das Tier etwas Verlockendes und der wohlige Duft verstärkt sich noch, wenn das Tier sich bewegt, dann folgt das Signal: Geh weiter in diese Richtung.

Rolle von RNA-bindenden Proteinen

RNA-bindende Proteine wirken auf die RNA, um die Gesundheit von Nervenzellen zu erhalten. Zum Beispiel haben wir herausgefunden, dass eine bisher unbekannte, nicht-kodierende RNA für die Bildung sogenannter neuronaler Körperchen notwendig ist. Diese Körperchen, die aus einem dichten Zusammenschluss aus RNAs und RNA-bindenden Proteinen bestehen, sind vor allem für ihre Rolle in synaptischen Prozessen wie beispielsweise der Konsolidierung von Erinnerungen bekannt.

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Bildgebende Verfahren zur Untersuchung des Nervensystems

Um neue Verdrahtungen live mitzuerleben, setzt Mark Hübener auf die Zwei-Photonen-Mikroskopie. „Sie erlaubt es, auch sehr feine Strukturen im intakten Nervensystem zu untersuchen“, sagt der Neurobiologe am Max-Planck-Institut für Neurobiologie in Martinsried bei München „Der Vorteil ist, dass man tiefer ins Gewebe schauen kann als mit einem normalen Mikroskop, - bis zu einem Millimeter." Denn bei der Zwei-Photonen-Mikroskopie nutzt man Licht einer langen Wellenlänge, nämlich Infrarotlicht. Es dringt leichter durch das Gewebe als kurzwelligeres Licht.

Bedeutung der Forschung für das Verständnis neurologischer Erkrankungen

Die Forschung widmet sich verschiedenen RNA-Prozessierungsmechanismen, die die neuronale Entwicklung und Funktion steuern. Dabei konzentrieren wir uns auf ein Phänomen, das nur in Nervenzellen vorkommt: die umfangreiche Verlängerung der 3‘-UTR bei Hunderten von mRNAs im Verlauf der Embryonalentwicklung. Als Modellorganismus dient uns die Fruchtfliege Drosophila melanogaster. Bei Fliegen und Menschen funktionieren und entwickeln sich Neuronen sehr ähnlich. Viele Gene, die beim Menschen ausschlaggebend sind für neuronale Entwicklungsstörungen und neurodegenerativen Erkrankungen, sind ursprünglich in Drosophila entdeckt worden. Ebenso sind die gleichen Proteine und Steuerungsprozesse an der Regulierung und Aufrechterhaltung der neuronalen Funktionen beteiligt.

Faktoren, die die Hirnleistung beeinflussen

Verschiedene Faktoren können die Hirnleistung beeinflussen, darunter:

• Lebensstil: Ausreichend Schlaf, ausgewogene Ernährung und regelmäßige Bewegung sind die Grundlage für einen gesunden Lebensstil.
• Geistige Aktivität: Aktivitäten wie Musizieren, Tanzen oder das Erlernen einer neuen Fremdsprache fordern das Gehirn auf besondere Weise heraus.
• Soziale Kontakte: Auch intensive soziale Kontakte wirken sich positiv auf das Gehirn aus.

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