Unser Gehirn ist ein faszinierendes Organ, das uns ermöglicht, zu lernen, uns zu erinnern und uns an verschiedene Situationen anzupassen. Diese Fähigkeiten beruhen auf der komplexen Vernetzung von Nervenzellen, den Neuronen, über spezielle Kontaktstellen, die Synapsen. Dieser Artikel beleuchtet, wie Synapsen funktionieren, wie sie sich verändern und wie diese Veränderungen das Lernen ermöglichen.
Die Grundlagen der neuronalen Vernetzung
Unser Nervensystem besteht aus etwa 100 Milliarden Nervenzellen, die miteinander vernetzt sind und dadurch zu komplexen Rechenleistungen in der Lage sind. Nervenzellen kommunizieren über Synapsen miteinander, an denen Signale in Form von Botenstoffen übertragen werden. Die Nervenzellen besitzen eine Antennenregion, die durch den Zellkörper und deren Fortsätze (Dendriten) gebildet wird. Die Signale werden dann verrechnet und durch ein „Kabel“, das Axon, in Form von elektrischen Impulsen weitergeleitet.
Synapsen: Die Schaltstellen des Gehirns
In der Senderregion verzweigt sich das Axon und bildet Kontaktstellen aus, die Synapsen, an denen die Signale auf andere Nervenzellen übertragen werden. Dort werden die aus dem Axon eintreffenden elektrischen Impulse in chemische Signale umgewandelt. Die Information fließt dabei nur in einer Richtung: Eine Zelle "redet", die andere "hört zu". Die präsynaptischen Nervenenden enthalten die als Neurotransmitter bezeichneten Signalmoleküle, die in kleinen membranumschlossenen Vesikeln gespeichert sind. Jedes Nervenende im zentralen Nervensystem enthält durchschnittlich mehrere 100 synaptische Vesikel. Es gibt jedoch große Unterschiede: Spezialisten unter den Synapsen können mehr als 100.000 Vesikel enthalten, wie beispielsweise die Synapsen, die unsere Muskeln steuern.
Wenn ein elektrisches Signal im Nervenende eintrifft, werden Calcium-Kanäle in der Plasmamembran aktiviert, durch die Calcium-Ionen vom Außenraum in das Innere der Synapse strömen. Sie treffen auf eine molekulare Maschine, die sich zwischen der Membran der Vesikel und der Plasmamembran befindet und die durch die hereinströmenden Calcium-Ionen aktiviert wird. Diese Maschine bewirkt, dass die Membran der Vesikel, die sich in der Startposition befinden, mit der Plasmamembran verschmilzt. Auf der anderen Seite des synaptischen Spaltes treffen die Botenstoffe auf Andockstellen in der Membran des Empfänger-Neurons, die die elektrischen Eigenschaften dieser Membran regulieren. Dadurch ändert sich der Membranwiderstand. Die Empfängerzelle kann die Spannungsänderung, die dadurch entsteht, in einem rasanten Tempo verarbeiten. Zwischen dem Eintreffen des Impulses bis zur Spannungsänderung auf der anderen Seite des synaptischen Spalts vergeht nur etwa eine tausendstel Sekunde. Damit stellt die synaptische Übertragung einen der schnellsten biologischen Vorgänge dar.
Die Rolle der synaptischen Vesikel
Die synaptischen Vesikel sind keineswegs nur eine Art membranumhüllte „Konservendose“ zur Speicherung der Botenstoffe. In ihrer Membran befindet sich eine ganze Reihe von Proteinen, die sich seit Millionen von Jahren durch die Evolution kaum verändert haben. Eine Gruppe dieser Proteine, die Neurotransmitter-Transporter, ist dafür verantwortlich, die Botenstoffe aus dem Zellplasma in die Vesikel hineinzupumpen und dort anzureichern. Dazu ist viel Energie erforderlich. Diese wird von einem weiteren Proteinmolekül bereitgestellt, einer Protonen-ATPase (V-ATPase), die unter Verbrauch von Adenosintriphosphat (ATP) Protonen in die Vesikel hineinpumpt. Neben diesen für das „Auftanken“ erforderlichen Proteinen enthalten die Membranen synaptischer Vesikel weitere Komponenten, die dafür sorgen, dass die Vesikel mit der Plasmamembran verschmelzen können (darunter das SNARE-Protein Synaptobrevin und den Calcium-Sensor Synaptotagmin) und nach der Membranfusion wieder in das Nervenende zurücktransportiert werden. Die synaptische Vesikel werden anschließend im Nervenende über einige Zwischenschritte wieder recycelt und neu mit Botenstoffen befüllt.
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Forschung zur Funktionsweise der Synapsen
Die Funktionsweise der synaptischen Vesikel auf molekularer Ebene zu verstehen, ist eine aufwendige Arbeit. Es ist gelungen, Vesikel, die unterschiedliche Botenstoffe transportieren, voneinander zu trennen und miteinander zu vergleichen. Anders als vorher vermutet, unterscheiden sie sich nur geringfügig in ihrer Zusammensetzung. Ein zweiter Schwerpunkt der Forschung besteht darin, die Proteinmaschine, die die Membranfusion bewerkstelligt, in ihren funktionellen Details zu verstehen. Für die Fusion selber sind SNARE-Proteine verantwortlich - kleine Proteinmoleküle, die in der Plasmamembran wie in der Vesikelmembran sitzen. Kommen die Membranen nahe aneinander, lagern sich die dieser Proteine aneinander, wobei sie sich in Richtung der Membran wie Taue miteinander verdrillen. Bei dieser Zusammenlagerung wird Energie freigesetzt, die für das Verschmelzen der Membranen benutzt wird. Um zu verstehen, wie diese Zusammenlagerung die Verschmelzung der Membranen bewirkt, wurden die SNARE-Proteine in künstliche Membranen eingebaut, an denen man die Fusion mit hochauflösenden Methoden, darunter der Kryo-Elektronenmikroskopie, untersuchen konnte. Dabei wurden erstmalig Zwischenstufen der Fusionsreaktion identifiziert. Fortschritte sind ebenfalls bei der Frage erzielt worden, wie die einströmenden Calcium-Ionen die Fusionsmaschine aktivieren. Trotz großer Fortschritte sind die komplexen molekularen Prozesse immer noch nicht vollständig verstanden: Umso erstaunlicher ist es, wie reibungslos Nervenzellen miteinander kommunizieren, wie effektiv die Fusionsmaschinerie in der Synapse funktioniert, bei jeder unserer Bewegungen, in unserem Fühlen und Denken. Deshalb forschen Wissenschaftler auf der ganzen Welt weiterhin daran, diese Prozesse noch besser zu verstehen.
Synaptische Plastizität: Die Grundlage des Lernens
Die Vernetzung von Nervenzellen über die Synapsen ermöglicht uns, unser Verhalten flexibel an verschiedene Situationen anzupassen. Die synaptische Plastizität beschreibt die Fähigkeit von Synapsen, ihre Struktur und Funktion im Laufe der Zeit zu verändern. Diese Veränderungen können die Stärke der Signalübertragung zwischen Neuronen beeinflussen, was die Grundlage für Lernen und Gedächtnis bildet.
Wie Lernen die Synapsen verändert
Beim Lernen wachsen auf Nervenzellen wenige tausendstel Millimeter lange Fortsätze. Um einen synaptischen Kontakt herzustellen, wachsen bei einander gegenüberliegenden Nervenzellen diese Fortsätze zu pilzartigen Strukturen. Auf der vorgeschalteten Seite des Neurons - da, wo der Reiz herkommt - bilden sich axonale Endknöpfchen. Auf der gegenüberliegenden Empfängerseite entstehen so genannte dendritische Dornen. Das Zusammenspiel beider Fortsätze ermöglicht den Informationsaustausch zwischen verschiedenen Nervenzellen. Dabei gilt die Lernregel: Neurone, die gemeinsam feuern, verdrahten sich untereinander.
Die Rolle von Dopamin
Neurone, die Dopamin produzieren, beeinflussen die sinnliche Wahrnehmung und erlauben so, das Verhalten flexibel an aktuelle Situationen anzupassen. Manche Aktivität von dopaminergen Synapsen verändert dabei die Antwort von nachgeschalteten Neuronen nur kurzfristig und beeinflusst somit eine akut anstehende Entscheidung. Aber vor allem eine wiederkehrende Aktivität kann zu langfristigen Veränderungen in der Kommunikation zwischen Neuronen führen.
Experimentelle Methoden zur Untersuchung der synaptischen Plastizität
Um neue Verdrahtungen live mitzuerleben, wird die Zwei-Photonen-Mikroskopie eingesetzt. „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. „Für unsere Erforschung der Plastizität von Synapsen ist die Methode deshalb so geeignet, weil Synapsen sehr kleine Strukturen sind und oft tief im Gehirn liegen." Sowohl die axonalen Endknöpfchen als auch die dendritischen Dornen sind nur zwei bis drei Tausendstel Millimeter groß. In seinen Versuchen lässt Hübener Versuchstiere beispielsweise eine neue Fertigkeit lernen. Über Tage oder Wochen hinweg kann er dann wiederholt schauen, ob das Lernen etwa mit der Bildung von dendritischen Dornen einhergeht. „Wenn beispielsweise ein dendritischer Dorn auf der nachgeschalteten Seite der Synapse größer wird oder überhaupt sich erst ausbildet, dann wissen wir: Synaptische Verbindungen sind stärker geworden bzw. neu entstanden.“ Es hat also eine Veränderung stattgefunden, die dem Lernen zugrunde liegt.
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Molekulare Mechanismen der synaptischen Plastizität
Lernt eine Synapse gerade, und muss dafür umgebaut werden, kommen verschiedene molekulare Prozesse zum Zuge. Bei Nervenzellen wird ein Teil der RNA, der Abschrift der DNA, nicht nur im Zellkörper, sondern auch vor Ort an den Dendriten in neue Proteine übersetzt. Zu diesem Zweck muss die Abschrift zielgerichtet zu den Synapsen transportiert werden. Doch wie die Zelle sicherstellt, dass der richtige Bauplan an die richtige Adresse geliefert wird, lag bislang weitgehend im Dunkeln. Mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie hat Michael Kiebler vom Biomedizinischen Centrum der Ludwig-Maximilians-Universität München Zellkulturen vom Hippocampus der Ratte untersucht. Wie sich herausstellte, zirkulierte dieselbe RNA immer wieder vom Zellkörper in die Fortsätze und zurück, bis sie von einer Synapse benötigt wurde. Dabei dienen bestimmte Erkennungssequenzen in der RNA als eine Art Briefmarke für den Transport und sorgen dafür, dass die Abschrift an die richtigen Stellen der Zelle gelangt.
Lernen und Gedächtnis: Prozesse im Gehirn
Lernen und die Ausbildung des Gedächtnisses sind Prozesse, die sowohl anatomisch als auch physiologisch eng miteinander verbunden sind. Der Begriff Lernen beschreibt das Erlangen von Erkenntnissen und ist die Basis für das Abspeichern von Inhalten im Gedächtnis. Neurophysiologische Grundlage des Lernens ist die neuronale Plastizität. Lernen umfasst also Auf- und Abbauprozesse des Gehirns.
Gedächtnistypen und ihre Funktionen
Das Gedächtnis unterscheidet sich in Abhängigkeit der Speicherzeit und Kapazität in das Ultrakurzzeitgedächtnis, das Kurzzeitgedächtnis, das Arbeitsgedächtnis und das Langzeitgedächtnis. Physiologische Grundlage des Gedächtnisses ist der Papez-Neuronenkreis. Er sorgt für den Übergang von Inhalten vom Kurzzeit- ins Langzeitgedächtnis. Für das Abspeichern von Informationen im Langzeitgedächtnis ist wichtig, dass die abzuspeichernden Informationen wiederholt werden (Konsolidierung). Gut nachvollziehbar ist dieser Prozess beim Erlernen von komplexen Bewegungsabläufen.
Der Hippocampus: Eine zentrale Schaltstelle für das Gedächtnis
Im Gehirn gibt es keinen zentralen Ort, an dem Informationen gespeichert werden, aber der Hippocampus ist eine zentrale Schaltstelle für viele Gedächtnisinhalte. 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. Einzelfakten attraktiv zu präsentieren oder in Form eines Rätsels finden zu lassen, sei deshalb gewiss ein guter Ratschlag fürs Lernen. "Geschichten und Zusammenhänge treiben uns um, nicht Fakten", meint der Psychiater. Sprich: Geschichtszahlen zu büffeln oder die Knochen des menschlichen Skeletts auswendig zu lernen, ist höchst ineffektiv und oft verlorene Zeit. Fakten sollten in einem Kontext stehen, der den Schüler bewegt und interessiert.
Einfluss von Technologien auf die Leistungsfähigkeit des Gehirns
Bei vielen Menschen haben moderne Technologien einen festen Platz im Alltag und nehmen Denkprozesse ab, die sonst das Gehirn erledigen würde. Da sich das Leben für viele Personen immer mehr in der Online-Welt abspielt, haben sich Forschende damit beschäftigt, wie Technologien das Gehirn und das Verhalten verändern können. Ein recht neuer Begriff in Verbindung mit Technologien ist die sogenannte „Digitale Demenz“. Er drückt aus, dass bei Personen kognitive Fähigkeiten (Kommunikationsfähigkeit, Gedächtnis, Aufmerksamkeit, Entscheidungsfähigkeit) nachlassen, wenn sie übermäßig viel digital unterwegs sind. Ein Beispiel: Wenn Personen ihre Termine in der Kalenderfunktion des Smartphones verwalten, müssen sie sich nicht selbst erinnern - eine Technologie-Abhängigkeit, selbst bei einfachen Aufgaben, kann langfristig zu einer verminderten Leistung beim Gedächtnisabruf führen. Studienergebnisse legen zudem nahe, dass digitale Tools wie Smartphones und soziale Medien eine Teilaufmerksamkeit begünstigen. Das geschieht durch dauerhafte Ablenkungen, hervorgerufen durch ständige Benachrichtigungen oder permanentes Scrollen. Wer dauerhaft teilaufmerksam ist, bei dem können die Produktivität und das Gedächtnis nachlassen.
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Technologien sind aber nicht grundsätzlich schlecht zu bewerten, es kommt auf die Auswahl an. So gibt es durchaus Online-Anwendungen, die neuronale Schaltkreise anregen und so die Hirnleistungen verbessern, einen wohltuenden Schlaf ermöglichen oder andere positive Effekte auf die Gehirngesundheit ausüben. Technologien bieten auch erweiterte Möglichkeiten, um zu lernen - selten war es so einfach, eine neue Sprache einzustudieren. Außerdem können sie soziale Kontakte über weite Distanzen hinweg unterstützen.
Tipps, um das Gehirn trotz und mit Technologien zu trainieren
Gedächtnistraining findet jeden Tag statt, bewusst und unbewusst. Wer sich gezielt Zeit für die Förderung der Gehirnleistungen nehmen möchte, kann das mit speziellen Apps tun. Ob tatsächlich ein Effekt eintritt, hängt aber stark von den App-Inhalten ab und kann nicht pauschal beantwortet werden. Personen können ihr Gehirn zudem trainieren, indem sie bewusst auf Technologien wie den Smartphone-Kalender oder den Taschenrechner verzichten - so kommen die grauen Zellen wieder in Schwung. Auch mit Tanzen, Musizieren, Lesen oder Bewegung bringen Menschen geistige Fitness in ihren Alltag.