Menschen besitzen die bemerkenswerte Fähigkeit, sich an dieselbe Person oder dasselbe Objekt in völlig unterschiedlichen Situationen zu erinnern. Wir unterscheiden mühelos ein Abendessen mit einem Freund von einem geschäftlichen Treffen mit demselben Freund. Diese Flexibilität des menschlichen Gedächtnisses beruht auf komplexen neuronalen Mechanismen, die in diesem Artikel näher beleuchtet werden.
Nervenzellen: Grundbausteine des Gehirns
Hauptakteure der Höchstleistungen des Gehirns sind die Nervenzellen, Neuronen genannt. Schauen wir uns einmal an, wie so ein Neuron aufgebaut ist. Ein Neuron besteht also aus einem Zellkörper (Soma). Dieser ist vor allem für die Energieversorgung der Nervenzelle zuständig. Dazu besitzt das Neuron viele Dendriten. Dendriten sind quasi die Ohren des Neurons, sie empfangen also die Informationen von anderen Neuronen. Weil ein Neuron meist sehr viele Dendriten hat und diese sehr verzweigt sind, spricht man auch vom Dendritenbaum. Zuletzt hat das Neuron noch ein Axon. Dieses entspringt am Axonhügel des Zellkörpers. Wenn Dendriten die Ohren des Neurons sind, ist das Axon der Mund: Es trägt die Information des eigenen Neurons an andere Neurone weiter.
Synapsen: Die Verbindungsstellen zwischen Neuronen
Wo das Axon eines Neurons auf die Dendriten eines weiteren Neurons trifft, findet die Übertragung von Signalen statt. Diese Verbindungsstelle zweier Neurone nennt man Synapse. Synapsen bestehen aus:
- einem synaptischen Spalt: das ist die Lücke zwischen dem Axon des einen Neurons und einem Dendriten eines anderen Neurons
- der Präsynapse (prä = vor): Das ist der Teil vor dem synaptischen Spalt. Also meist das Axon des sendenden Neurons. Hier liegen schon kleine Bläschen bereit, die mit dem jeweiligen Botenstoff der Nervenzelle gefüllt sind.
- der Postsynapse (post = hinter): Liegt hinter dem synaptischen Spalt. Meist ein Dendrit der empfangenden Nervenzelle.
Ein Beispiel für eine Kommunikation, bei der nur eine einzige Synapse im Spiel ist, ist der Kniesehnenreflex. Trifft die Handkante (oder ein Reflexhammer) auf die Kniesehne, werden die Sehne und der daran hängende Oberschenkelmuskel minimal gedehnt. Ein Sensor im Muskel nimmt diese Dehnung auf und sendet die Information über eine Synapse direkt an die Nervenzelle, die den Oberschenkelmuskel anspannen lässt. Man bezeichnet den Kniesehnenreflex deshalb auch als “monosynaptischen Reflex” (mono = eins).
Die chemische Signalübertragung an der Synapse
Beginnen wir dafür im synaptischen Spalt zwischen zwei Nervenzellen:
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- Nervenzelle 1 schüttet Botenstoffe (Neurotransmitter) in den synaptischen Spalt aus. Dopamin, Serotonin oder Acetylcholin sind Beispiele für solche Botenstoffe.
- Sie binden an den Dendriten von Nervenzelle 2, genauer gesagt an die postsynaptische Membran des Dendriten.
- Die Bindung des Botenstoffs führt dazu, dass sich kleine Kanäle in der postsynaptischen Membran öffnen.
- Durch diese Kanäle können dann geladene Teilchen (Ionen) in die Dendriten gelangen. Solche geladenen Teilchen sind zum Beispiel Kalium, Natrium oder Chlorid. Sie führen dazu, dass die postsynaptische Membran etwas “positiver” oder etwas “negativer” geladen wird.
- Egal ob positiv oder negativ - die Spannungsänderung fließt von der postsynaptischen Membran über den Dendriten Richtung Axonhügel. Dendriten senden ihre Botschaften also in Form kleiner Spannungsänderungen.
Aktionspotential: Das "Alles-oder-Nichts"-Prinzip
Wenn entweder sehr viele Dendriten oder aber ein Dendrit sehr schnell hintereinander die gleiche Botschaft überbringen, dann wird am Axonhügel ein Aktionspotential ausgelöst. Dafür muss aber erst ein bestimmter Schwellenwert erreicht werden. Der Axonhügel verrechnet also alle einkommenden negativen und positiven Signale miteinander. Erst wenn die Summe aller eingehenden Signale den Schwellenwert erreicht, wird ein Aktionspotential ausgelöst. Dabei gilt das "Alles-oder-nichts-Prinzip": Wird der Schwellenwert am Axonhügel nicht erreicht, passiert "nichts". Wird er hingegen erreicht, wird ein Aktionspotential ausgelöst ("alles"). Dabei ist es dann ganz egal, ob der Schwellenwert gerade eben erreicht oder um ein Vielfaches übertroffen wurde - das entstehende Aktionspotential ist immer gleich.
Die Weiterleitung des Aktionspotentials
Wird der Schwellenwert am Axonhügel erreicht, öffnen sich (wieder einmal) Kanäle für geladene Teilchen (Ionen). Das führt dazu, dass die normalerweise negativ geladene Zellmembran an dieser Stelle kurzzeitig positiv wird. Ein Aktionspotential läuft immer gleichförmig ab, weil nacheinander spannungsabhängige Kanäle geöffnet und geschlossen werden. Die "Stärke" eines Aktionspotentials ist deshalb auch immer gleich - Stichwort "Alles-oder nichts-Prinzip". Das Aktionspotential breitet sich auch auf die benachbarte Zellmembran aus.
Das Axon ist von sogenannten Myelinscheiden umhüllt, die eine Art Isolierung bieten. In regelmäßigen Abständen ist diese Isolierung unterbrochen: an den Ranvier’schen Schnürringen. Diese Bauweise ermöglicht, dass die Aktionspotentiale nur an den unterbrochenen Stellen entstehen. Auf diese Weise "springt" das Aktionspotential das Axon entlang bis zur Präsynapse.
Die Rolle von Calcium an der Synapse
Hier, im Bereich der Präsynapse, liegen sogenannte spannungsgesteuerte Calciumkanäle. Spannungsgesteuert heißt, dass sie sich öffnen, wenn die Oberflächenspannung sich ändert - zum Beispiel durch ein ankommendes Aktionspotential. Durch den offenen Kanal können dann Calcium-Teilchen in die Präsynapse einströmen. Der Calciumeinstrom wiederum führt dazu, dass die kleinen Bläschen mit den Botenstoffen, die ja schon vorbereitet in der Zelle umherschwirren, durch die Zellmembran wandern und die Botenstoffe in den synaptischen Spalt freisetzen. Hier sind wir also wieder am Ausgangspunkt der Erklärung angekommen - im synaptischen Spalt. Die Botenstoffe binden wieder an die Rezeptoren des nächsten Dendriten, Kanäle öffnen sich und das ganze Spiel beginnt von vorn.
Nach einiger Zeit lösen sich die Botenstoffe übrigens wieder von den Rezeptoren, ansonsten gäbe es ja eine dauerhafte Erregung der Nervenzelle. Die Botenstoffe werden dann entweder von der Präsynapse wieder aufgenommen oder von einer Müllabfuhr in Form von Enzymen abgebaut.
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Elektrische Synapsen als Alternative
Neben den oben beschriebenen chemischen Synapsen gibt es nämlich noch eine andere Art von Synapsen: elektrische. Diese erwähnt man neben ihren berühmten chemischen Artgenossen meist gar nicht. Zu Unrecht, denn auch wenn elektrische Synapsen bisher weitaus weniger erforscht sind, kommen auch sie in allen Teilen des Gehirns vor. Außerdem funktionieren elektrische Synapsen schneller, weil keine Umwandlung elektrisch-chemisch-elektrisch stattfinden muss. Voraussetzung dafür ist aber, dass der synaptische Spalt um ein vielfaches kleiner ist, damit die elektrische Erregung von einer Nervenzelle zur nächsten "springen" kann.
Neuronale Netze: Die Grundlage komplexer Funktionen
Das neuronale Netz ist nun nichts anderes als eine Gruppe von Neuronen, die miteinander kommunizieren und auf diese Weise eine bestimmte Funktion ausüben. Jedes Neuron gibt dabei Informationen an beliebig viele andere Neuronen weiter und erhält gleichzeitig Signale von beliebig vielen anderen Neuronen. Schnittstellen sind immer die Synapsen. Dieses neuronale Netz wird aber nicht etwa einmal geknüpft und dann für immer so belassen. Vielmehr ist es im Laufe des Lebens in ständiger Veränderung. Man spricht von neuronaler Plastizität: Neue Verbindungen zwischen Synapsen werden geschaffen (z.B. wenn wir etwas Neues lernen) und bestehende Verbindungen gekappt.
Neuronale Plastizität und Langzeitpotenzierung
Wird eine Synapse sehr häufig benutzt, verändert sich zudem ihre Struktur. Zum Beispiel werden mehr Rezeptoren an der postsynaptischen Membran eingebaut oder die Menge an ausgeschütteten Botenstoffen erhöht sich. Dadurch verbessert sich die synaptische Übertragung. Diesen Mechanismus bezeichnet man als Langzeitpotenzierung. Sie ist vermutlich die Grundlage dafür, dass wir Dinge erlernen oder langfristig im Gedächtnis abspeichern können, wenn wir sie in regelmäßigen Abständen wiederholen. Andersherum werden nicht genutzte Verbindungen mit der Zeit immer schwächer.
Adulte Neurogenese: Die Neubildung von Nervenzellen im Erwachsenenalter
Durch die neuronale Plastizität werden aber nicht nur neue Verbindungen zwischen bereits bestehenden Neuronen geschaffen und verstärkt. Vielmehr werden auch komplett neu gebildete Neuronen an das bestehende Netz angeschlossen. Lange Zeit ging man davon aus, dass im Erwachsenenalter keine neuen Neurone mehr gebildet werden können. Inzwischen ist man der Meinung, dass das sehr wohl möglich ist und auch regelmäßig passiert. Das Phänomen nennt man “adulte Neurogenese” (adult = Erwachsene betreffend; Neurogenese = Neubildung von Nerven). Vor allem im Hippocampus, dem zentralen Ort für die Entstehung neuer Erinnerungen, kommt es wohl zur regelmäßigen Neubildung von Nervenzellen. Und wir können diese Neubildung vermutlich sogar selbst beeinflussen: So soll Stress die Neubildung eher behindern, während Sport sie begünstigt.
Neuronale Mechanismen des menschlichen Gedächtnisses
Das menschliche Gehirn muss Inhalt und Kontext kombinieren können, um eine nützliche Erinnerung zu bilden. Bei Nagetieren vermischen einzelne Neuronen diese beiden Informationen oft. Eine aktuelle Studie untersuchte, ob das menschliche Gehirn hier grundlegend anders funktioniert und Inhalt und Kontext getrennt abbildet, um ein flexibleres Gedächtnis zu ermöglichen.
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Getrennte Kodierung von Inhalt und Kontext
Um dies zu untersuchen, nutzten die Bonner Forschenden die elektrische Aktivität einzelner Neuronen im Gehirn von Menschen mit medikamentenresistenter Epilepsie. Diesen Patient*innen wurden zu rein diagnostischen Zwecken Elektroden im Hippocampus und umliegenden Hirnregionen implantiert - Regionen, die für das Gedächtnis essenziell sind. Dabei wurden ihnen Bildpaare gezeigt, die sie anhand unterschiedlicher Fragestellungen vergleichen mussten. Zum Beispiel mussten sie entscheiden, ob ein Gegenstand „größer“ ist, wenn der Durchgang mit der Frage „Größer?“ begann.
Das Forschungsteam analysierte über 3.000 Neuronen und identifizierte zwei weitgehend getrennte Nervenzellgruppen:
- Inhalts-Neurone feuerten als Reaktion auf spezifische Bilder (z. B. einen Keks), unabhängig von der Aufgabe.
- Kontext-Neurone feuerten als Reaktion auf spezifische Aufgabenkontexte (z. B. die Frage „Größer“), unabhängig vom gezeigten Bild.
Im Gegensatz zu Nagetieren kodierten nur sehr wenige Neuronen beides gleichzeitig.
Die Verbindung von Inhalt und Kontext
Die Verbindungen zwischen Inhalts- und Kontext-Neuronen verstärkten sich im Laufe des Experiments: Das Feuern eines Inhalts-Neurons begann, die Aktivität eines Kontext-Neurons einige zehn Millisekunden später vorherzusagen. „Es schien, als würde das ‘Keks’-Neuron lernen, das ‘Größer?’-Neuron anzuregen“, sagt Mormann. Dies geschieht im Sinne eines Torwächters für den Informationsfluss, sodass nur der relevante Kontext, welcher zuvor aktiv war, abgerufen wird.