Die Frage, ob das Gehirn lediglich Informationen empfängt oder auch aktiv sendet, ist ein zentrales Thema der modernen Hirnforschung. Lange Zeit wurde angenommen, dass die Rolle des Gehirns primär in der Verarbeitung eingehender Informationen besteht. Neueste Forschungsergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass Nervenzellen im Gehirn nicht nur Empfänger, sondern auch aktive Sender sind, die die Kommunikation und Anpassungsfähigkeit des Gehirns maßgeblich beeinflussen.
Die Grundlagen der neuronalen Kommunikation
Um zu verstehen, wie das Gehirn funktioniert, ist es wichtig, die Grundlagen der neuronalen Kommunikation zu betrachten. Das Gehirn besteht aus etwa 86 Milliarden Neuronen, die über Synapsen miteinander verbunden sind. Diese Synapsen ermöglichen die Übertragung von Informationen in Form von elektrischen und chemischen Signalen.
Elektrische und chemische Signalübertragung
Innerhalb eines Neurons wird ein einkommendes Signal elektrisch weitergeleitet. Zwischen zwei Neuronen erfolgt die Signalübertragung in der Regel chemisch über Neurotransmitter. Die elektrische Weiterleitung folgt dem Alles-oder-Nichts-Prinzip: Erst wenn die Signalstärke einen Schwellenwert überschreitet, wird im Axon ein Aktionspotenzial generiert.
Die Synapsen spielen eine entscheidende Rolle bei der Umwandlung des elektrischen Signals in ein chemisches. Sie setzen Neurotransmitter in den synaptischen Spalt zwischen Sender- und Empfängerzelle frei. Die Empfängerzelle kann die Neurotransmitter über Rezeptoren aufnehmen und in ein elektrisches Signal, das postsynaptische Signal, zurückübersetzen.
Die Rolle der Synapsen
Die Synapsen sind die zentralen Schaltstellen der Informationsübertragung im Gehirn. Jede Nervenzelle hat bis zu 10.000 Synapsen, im Extremfall sogar mehr als 100.000. Da die synaptischen Endigungen der Senderzelle die Empfängerzelle nicht direkt berühren, bleibt ein winziger Spalt von 20 bis 50 Nanometern zwischen beiden. Um diese Barriere zu überwinden, nutzen die meisten Synapsen chemische Botenstoffe.
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An der postsynaptischen Zelle befinden sich Rezeptormoleküle, die auf bestimmte Neurotransmitter spezialisiert sind. Die Neurotransmitter erzeugen in der Empfängerzelle das postsynaptische Potenzial, eine Veränderung im Membranpotenzial des Neurons. Das chemische Signal wird also wieder in ein elektrisches zurückübersetzt.
Neurotransmitter: Botenmoleküle im Gehirn
Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe, die für die Kommunikation zwischen Nervenzellen unerlässlich sind. Sie können exzitatorisch (erregend) oder inhibitorisch (hemmend) wirken und so die Entstehung eines neuen Aktionspotenzials beeinflussen. Die Wirkung der Neurotransmitter ist vielfältig und beeinflusst zahlreiche Prozesse im Körper, von Bewegungen bis hin zu Emotionen.
Ein Beispiel für die Bedeutung von Neurotransmittern ist Dopamin. Dieser Neurotransmitter ist entscheidend an der Kontrolle von Bewegungen beteiligt und kann bei einer verringerten Freisetzung zu Bewegungsstörungen wie Parkinson führen.
Die aktive Rolle der Senderzelle
Traditionell wurde der Empfängerseite eine aktivere Rolle beim Auf- und Abbau von Synapsen zugemessen. Neuere Forschungen haben jedoch gezeigt, dass auch die Sendeeinheit aktiv auf aktuelle Bedürfnisse reagiert und so maßgeblich zur Anpassungsfähigkeit des Gehirns beiträgt.
Veränderungen an den Sendestationen
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Neurobiologie konnten erstmals zeigen, dass die Sendestationen einer Synapse eine deutlich aktivere Rolle beim Auf- und Abbau spielen als bisher gedacht. Wenn sich der Informationsfluss verringert, den eine Nervenzelle weitergeben muss, werden viele der nun überflüssigen Sendestationen abgebaut. Interessanterweise bleibt die Anzahl der Sendestationen insgesamt ungefähr gleich, da an anderer Stelle neue Sendestationen entstehen.
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Diese Beobachtung deutet darauf hin, dass Nervenzellen nicht nur Informationen empfangen und weiterleiten, sondern auch aktiv ihre Kommunikationswege anpassen, um den aktuellen Anforderungen gerecht zu werden. Es könnte sein, dass auf diese Weise Synapsen zu hemmenden Nervenzellen entstehen, die eine Weitergabe des abgeschwächten Informationsflusses weiter reduzieren.
Die Bedeutung der Anpassungsfähigkeit
Die Anpassungsfähigkeit des Gehirns ist eine seiner herausragenden Eigenschaften. Sie basiert auf der Veränderlichkeit der Synapsen, die je nach Bedarf auf- und abgebaut werden können. Diese Flexibilität ermöglicht es dem Gehirn, sich an neue Situationen anzupassen, zu lernen und sich zu erinnern.
Die Erkenntnis, dass sowohl die Empfänger- als auch die Senderzelle aktiv an diesen Prozessen beteiligt sind, erweitert unser Verständnis der neuronalen Kommunikation und ihrer Bedeutung für die Funktionsweise des Gehirns.
"Hinter vorgehaltener Hand": Die Rolle der Astrozyten
Die Kommunikation zwischen Nervenzellen ist nicht immer direkt und ungefiltert. Oft findet sie "hinter vorgehaltener Hand" statt, wobei spezialisierte Zellen im Gehirn, die Astrozyten, eine wichtige Rolle spielen.
Die Funktion der Astrozyten
Astrozyten sind Gliazellen, die das ausgeschüttete Glutamat rasch wieder aufnehmen und so die Kommunikation gewissermaßen abschirmen. Sie entsenden Fortsätze in die Nähe von Synapsen, die sogenannten perisynaptischen Astrozytenfortsätze (PAPs). Diese PAPs verfügen über spezialisierte Transporter, die wie kleine Staubsauger das Glutamat um die Synapsen entfernen.
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Dieser Mechanismus verhindert, dass die Neurotransmitter andere Neuronen in der Nachbarschaft reizen und sorgt so für eine präzisere Signalübertragung. Die Effektivität dieses Mechanismus wird jedoch streng reguliert und kann sich je nach Situation ändern.
Zelluläres Lernen und die Rolle der PAPs
Wissenschaftler haben herausgefunden, dass sich die PAPs bei Lernprozessen zurückziehen. Durch eine mehrfach wiederholte elektrische Reizung wird eine Art "zelluläres Lernen" ausgelöst, das dazu führt, dass die Empfängerzelle langfristig stärker auf die Signale der Senderzelle anspricht (Long-Term Potentiation, LTP).
Durch den Rückzug der PAPs steigt die Wahrscheinlichkeit, dass benachbarte Zellen ebenfalls durch die Glutamat-Ausschüttung angeregt werden. Die Signalübertragung wird also weniger exklusiv, was möglicherweise eine wichtige Voraussetzung für das Lernen weiterer Inhalte ist.
Die Größe der Synapsen und die Diskretion der Kommunikation
An manchen Synapsen scheint die Kommunikation per se weniger diskret zu sein als an anderen. Je größer ein Spine (ein winziger Fortsatz der nachgeschalteten Nervenzelle) ist, desto lückenhafter ist die Umkleidung durch die PAPs und desto mehr Glutamat kann entkommen. In der Nachbarschaft großer und entsprechend starker Synapsen kommt es daher vermutlich häufiger zur Erregung weiterer Nervenzellen.
Mit anderen Worten: Nervenzellen mit starken synaptischen Verbindungen sprechen selten hinter vorgehaltener Hand.
Neue Erkenntnisse zur Synapsenentstehung
Die Entstehung von Synapsen ist ein komplexer Prozess, der für die Erregungsübertragung von einer Nervenzelle zur anderen unerlässlich ist. Forschende haben nun einen entscheidenden Mechanismus aufgedeckt und die Identität der axonalen Transportvesikel aufgeklärt.
Der Transport von Synapsenmolekülen
Synaptische Vesikel sind Membranbläschen, welche die Botenstoffe enthalten und die jede Synapse auf Vorrat anlegt, damit sie elektrische Signale in chemische umwandeln kann. Für den axonalen Transport dieser Vesikel wird eine Maschinerie aus Motorproteinen angeworfen, wobei das Kinesin "KIF1A" eine wichtige Rolle spielt. Mutationen in KIF1A können den axonalen Transport präsynaptischer Proteine behindern und zu neurologischen Symptomen wie Bewegungsstörungen, Ataxie oder geistigen Behinderungen führen.
Interessanterweise stammen die axonalen Transportvesikel nicht aus dem Golgi-Apparat, sondern teilen sich Markierungen mit dem endolysosomalen System, das in anderen Zellen den Abbau von defekten Proteinen bewirkt. Dies deutet darauf hin, dass Neuronen eine Art neue Organelle erfunden haben, eine Transportorganelle, die es wahrscheinlich in dieser Form nur in Nervenzellen gibt.
Mögliche klinische Anwendungen
Die neuen Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung könnten eines Tages auch für die Klinik nützlich sein. 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.
Die Rolle von Opioiden im Furchtnetzwerk
Das Furchtnetzwerk im Gehirn spielt eine wichtige Rolle bei der Regulation von Angstreaktionen. Opioide, wie zum Beispiel das Schmerzmittel Morphin oder das körpereigene "Glückshormon" Endorphin, können die Kommunikation innerhalb dieses Netzwerks beeinflussen.
Die Wirkung von Opioiden auf die Nachrichtenübertragung
Nervenzellen in den Nuclei mediani thalami (N. mediani thalami), Kerngebiete des Thalamus, die eine wichtige Rolle im Furchtnetzwerk spielen, besitzen viele Andockstellen für Opioide. Opioide können die Nachrichtenübertragung von den N. mediani thalami zu Nervenzellen in der Amygdala beeinflussen, indem sie die eingehende elektrische Aktivität reduzieren.
Mit anderen Worten: Die Opioide schalten die Kommunikation zwar nicht vollständig ab, aber sie drehen am Lautstärkeregler auf leise. Wenn die Nervenzellen in der Amygdala die "Weiterleiten!"-Nachrichten von den N. mediani thalami nun nicht mehr so gut verstehen, kann das dazu führen, dass sie nicht ausreichend aktiviert werden, um die Informationen ihrerseits zur nächsten Kontaktstelle weiterzuleiten.
Mögliche Auswirkungen auf Stressreaktionen
Körpereigene Opioide können helfen, mit Stresssituationen besser umzugehen und weniger negativ oder ängstlich zu reagieren. Dies könnte daran liegen, dass die Opioide den Informationspfad von den N. mediani thalami zur Amygdala blockieren. Da diese Kommunikation durch Opioide gehemmt wird, könnten Menschen mit höheren körpereigenen Opioidleveln besser davor gewappnet sein, in Stresssituationen mit Angst oder Panik zu reagieren.
Hirn-zu-Hirn-Kommunikation: Ein Blick in die Zukunft
Ein faszinierendes Gebiet der Hirnforschung ist die Möglichkeit der direkten Hirn-zu-Hirn-Kommunikation. In einem Experiment konnten Forscher zeigen, dass es möglich ist, Botschaften von einem Gehirn zu einem anderen zu übertragen.
Das Experiment
Die Forscher erzeugten Hirnsignale, die über das Internet in ein "Empfänger"-Labor geschickt wurden. Dort wurden sie mit Hilfe der Transkraniellen Magnetstimulation (TMS) auf das Gehirn eines Empfängers übertragen. Die Empfänger-Probanden schafften es in nahezu allen Fällen, die per Gehirn von dem "Sender" übermittelten und in ihr eigenes Gehirn eingespeisten Botschaften korrekt zu dekodieren.
Die Bedeutung der Ergebnisse
Dieses Experiment zeigt, dass eine Gehirn-zu-Gehirn-Kommunikation beim Menschen möglich ist. Die Forscher erwarten, dass in nicht allzu ferner Zukunft Computer noch weitaus flüssiger direkt mit dem menschlichen Gehirn interagieren werden und dass sowohl Hirn-Computer- als auch Hirn-zu-Hirn-Kommunikation zur Routine werden wird.