Das menschliche Gehirn ist ein komplexes Organ, dessen Funktionsweise uns immer noch vor Rätsel stellt. Ein wichtiger Aspekt ist die ständige Umstrukturierung der Synapsen, der Verbindungsstellen zwischen Nervenzellen. Dieser Prozess ist entscheidend für das Lernen, das Gedächtnis und das Vergessen.
Die Bedeutung des Vergessens
Es mag paradox erscheinen, aber das Vergessen ist für unser Gehirn genauso wichtig wie das Erinnern. Es ist kein Fehler im System, sondern ein Mechanismus, der hilft, Ordnung zu halten. Unser Gehirn filtert aktiv irrelevante Informationen heraus, um Platz für Neues zu schaffen. Wie ein Spamfilter sortiert es, was wichtig ist und was nicht. Die meisten Synapsen werden bereits in ihrer Entstehung durch ein Protein blockiert, um zu verhindern, dass sich Nervenzellen wahllos miteinander verbinden.
Das Rätsel der Auswahl
Wie das Gehirn entscheidet, was gespeichert und was verworfen wird, ist noch weitgehend unbekannt. Auch wie gespeicherte Informationen wieder abgerufen werden, gibt der Wissenschaft noch Rätsel auf.
Es gibt jedoch seltene Fälle von Menschen, die scheinbar nichts vergessen können. Jill Price, eine Frau aus Kalifornien, kann sich an jedes Detail ihres Lebens seit Februar 1980 erinnern. Sie erinnert sich an banale Dinge wie Mahlzeiten, Kleidung und Wetter, aber auch an Medienereignisse, von denen sie gehört hat.
Die Synapse im Fokus der Forschung
Seit über einem Jahrhundert konzentriert sich die Hirnforschung auf die Synapse, den Ort, an dem Nervenzellen aufeinandertreffen, ohne sich jedoch tatsächlich zu berühren. Der italienische Anatom Santiago Ramón y Cajal entdeckte im späten 19. Jahrhundert diesen winzigen Spalt zwischen den Zellen. Das sendende Neuron (präsynaptisch) und das empfangende Neuron (postsynaptisch) kommunizieren über diesen Spalt.
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Eine elektrische Erregung läuft entlang des Axons des präsynaptischen Neurons bis zum Spalt. Dort werden Neurotransmitter wie Dopamin, Adrenalin, Acetylcholin oder Glutamat freigesetzt. Diese Botenstoffe docken an Rezeptoren auf der postsynaptischen Zelle an und öffnen Kanäle, durch die Calciumionen (Ca2+) in die Zelle strömen. Wenn genügend Ca2+ eindringt, wird das elektrische Gleichgewicht gestört und ein Potenzial ausgelöst, das die Botschaft weiterleitet.
Synaptische Plastizität: Die Grundlage des Lernens
"Lernen bedeutet im Grunde genommen, diesen Prozess so zu verändern, dass es leichter oder schwieriger wird, die Nervenzelle auf der anderen Seite des Spalts zu erregen", erklärt Dominique de Quervain, Gedächtnisforscher an der Universität Basel. Dieses Phänomen wird als synaptische Plastizität bezeichnet.
Langzeitpotenzierung (LTP): Ein Schlüsselmechanismus
1973 entdeckten Timothy Bliss und Terje Lømo die Langzeitpotenzierung (LTP), einen Mechanismus, der die synaptische Übertragung effektiver macht. Eine starke Stimulation des sendenden Neurons führt nicht nur zu einer starken Reaktion im empfangenden Neuron, sondern verstärkt auch dessen Reaktion auf spätere schwache Reize.
Diese Entdeckung bestätigte die These des kanadischen Psychobiologen Donald Hebb aus dem Jahr 1949: Wenn eine Nervenzelle A wiederholt eine Nervenzelle B aktiviert, ändert sich die Verschaltung so, dass es für A immer leichter wird, B zu stimulieren. Dieses Prinzip, bekannt als "Neurons that fire together, wire together", erklärt die Entstehung von Assoziationen.
Phasen der Langzeitpotenzierung
Die Langzeitpotenzierung ist ein komplexer Prozess mit vermutlich einer frühen und einer späten Phase. In der frühen Phase wird der Bedarf an Potenzierung ermittelt, wenn eine Synapse mit hoher Frequenz aktiviert wird. Der NMDA-Rezeptor spielt dabei eine Schlüsselrolle, da er sowohl auf präsynaptische Botenstoffe als auch auf postsynaptische Potenziale reagiert. Wenn beide Bedingungen erfüllt sind, strömt zusätzliches Ca2+ in die Zelle, was die Transmitter-Ausschüttung verstärkt.
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Um eine dauerhafte Veränderung der Synapse zu erreichen, ist die zweite Phase erforderlich. Durch weitere Reizung wird eine Kaskade chemischer Prozesse in Gang gesetzt. Ein "second messenger" aktiviert die Produktion von Proteinen, die zum Zellkern wandern und den Ausbau der Synapse fördern.
Weitere Mechanismen der Umgestaltung
Neben der LTP gibt es weitere Mechanismen, die die Signalnetze im Gehirn permanent umgestalten. Neue Synapsen entstehen, andere fallen weg, und Zellen können sich durch neue "Berührungspunkte" stärker miteinander verknüpfen oder voneinander abkoppeln. In einigen Bereichen des Gehirns, wie dem Hippocampus, wachsen sogar beim Erwachsenen neue Nervenzellen nach (Neurogenese).
Emmy Noether-Förderung für Forschung an der Goethe-Universität
Dr. Tobias König und Prof. Dr. Till Stephan von der Goethe-Universität Frankfurt erhalten eine Emmy Noether-Förderung der Deutschen Forschungsgemeinschaft. König erforscht die Stabilität geometrischer Funktionalungleichungen, während Stephan den Transport und die Synthese von Lipiden zwischen Zellorganellen untersucht.
Die Entwicklung des Gehirns im Kindesalter
Das Gehirn eines Erwachsenen wiegt durchschnittlich 1.245 g bei Frauen und 1.375 g bei Männern. Es besteht aus rund 100 Milliarden Nervenzellen (Neuronen), die über 100 Billionen Synapsen miteinander kommunizieren.
Beim Fötus entwickelt sich zunächst eine Unmenge von Neuronen, von denen ein Großteil noch vor der Geburt wieder abgebaut wird. Ein Neugeborenes hat zwar die gleiche Anzahl an Neuronen wie ein Erwachsener, aber diese sind noch klein und wenig vernetzt. In den ersten drei Lebensjahren nimmt die Zahl der Synapsen rasant zu. Mit drei Jahren hat ein Kind bereits doppelt so viele Synapsen wie ein Erwachsener.
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Bis zum Jugendalter wird rund die Hälfte der Synapsen wieder abgebaut, bis die für Erwachsene typische Anzahl von 100 Billionen erreicht wird. Diese Überproduktion und Selektion von Synapsen ermöglicht dem Kind, sich schnell an seine Umwelt anzupassen und unterschiedliche Verhaltensweisen, Sprachen und Lebensstile zu erlernen.
Die Umwelt, das Erfahrene, Gelernte und Erlebte, bestimmt zu einem großen Teil die Struktur des Gehirns. Unbenötigte Synapsen werden eliminiert, häufig benutzte verstärkt. Zugleich werden immer wieder neue Synapsen gebildet, insbesondere im Rahmen von Gedächtnisprozessen.
Entwicklungsfenster und kritische Phasen
Die Überproduktion und Selektion von Synapsen erfolgen in verschiedenen Regionen des Gehirns mit unterschiedlicher Geschwindigkeit und Intensität. Oft wird von "Entwicklungsfenstern" oder "kritischen Phasen" gesprochen, in denen das Gehirn für bestimmte Lernerfahrungen besonders empfänglich ist. Werden diese Perioden verpasst, könnte ein Kind im jeweiligen Bereich kaum noch dieselbe Leistungsfähigkeit erreichen wie andere.
Ein Beispiel ist der Spracherwerb: Das Baby kann schon alle Laute jeder Sprache unterscheiden, das Kleinkind alle Phoneme korrekt nachsprechen. Innerhalb weniger Lebensjahre werden aber die Synapsen eliminiert, die diese Leistung ermöglichen, aber nicht benötigt werden, da sich das Kind in der Regel ja nur eine Sprache mit einer sehr begrenzten Zahl von Phonemen aneignet. Deshalb kann ab dem Schulalter, insbesondere ab der Pubertät, eine neue Sprache nicht mehr perfekt erlernt werden.
Lernen und Gedächtnis
Nicht alle Eindrücke und Wahrnehmungen können im Gehirn gespeichert werden. Vielmehr wird ausgewählt: Das Gehirn ignoriert bereits Bekanntes, unterscheidet Wichtiges von Unwichtigem, bildet Kategorien, Muster und Hierarchien, ordnet Ereignisse in sinnvollen Sequenzen, stellt Beziehungen zu anderen Daten her, fügt neu Gelerntes in bereits abgespeichertes Wissen ein.
Eindrücke und Informationen werden leichter behalten, wenn sie mit Emotionen verknüpft sind, wenn sie neuartig, ungewöhnlich und besonders interessant wirken, wenn sie leicht in die vorhandenen Gedächtnisinhalte integriert werden können und wenn ein Lebens- bzw. Alltagsbezug gegeben ist.
Individuelle Unterschiede und Umwelteinflüsse
Die Gehirnentwicklung wird sowohl durch Erbe als auch durch Umwelt beeinflusst. Rund 60% aller menschlichen Gene wirken auf die Gehirnentwicklung ein. Der IQ ist aber nur zu etwa 50% genetisch bedingt, der Schulerfolg sogar nur zu 20%.
Die Umgebung wirkt schon vor der Geburt auf die Gehirnentwicklung ein, insbesondere über den Körper der Mutter. Negative Einflussfaktoren sind beispielsweise Fehlernährung, Rauchen, Alkohol- oder Drogenmissbrauch, Stress oder der Umgang mit giftigen Substanzen am Arbeitsplatz während der Schwangerschaft. Nach der Geburt wird die Gehirnentwicklung z.B. gehemmt durch längere Krankenhausaufenthalte oder Heimunterbringung, da dann Säuglinge bzw. Kleinkinder zu wenig Stimulierung erfahren.
Forschung an der Meeresschnecke Aplysia
Die Meeresschnecke Aplysia californica ist ein wichtiges Tiermodell zur Erforschung der molekularen Mechanismen des Lernens. Forscher wie Eric Kandel haben an diesem Tier den Kiemenrückzugsreflex untersucht und die Rolle von Neurotransmittern und Molekülen im synaptischen Spalt aufgeklärt.
Künstliche Intelligenz und neuronale Netze
Künstliche Intelligenz (KI) und Deep Learning sind aktuelle Schlagworte. Künstliche neuronale Netze, inspiriert von der Funktionsweise des menschlichen Gehirns, werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, von Sprachassistenten bis hin zu Münzsortierautomaten.
Ein künstliches neuronales Netz besteht aus miteinander vernetzten Neuronen, die Eingaben entgegennehmen, verarbeiten und eine Ausgabe erzeugen. Durch das Anpassen der Gewichte der Verbindungen zwischen den Neuronen lernt das Netz, bestimmte Aufgaben zu lösen.
Deep Learning verwendet tiefe neuronale Netze mit vielen verdeckten Schichten, um komplexe Datenrepräsentationen zu extrahieren. Diese Netze sind jedoch oft "Black Boxes", da die von ihnen gelernten Zusammenhänge für Menschen schwer nachvollziehbar sind.
Die Pubertät: Eine Großbaustelle im Gehirn
Auch in der Pubertät verändert sich das Gehirn massiv. Die Geschlechtshormone lösen die körperliche Entwicklung zur geschlechtlichen Reife aus, und die Hirnstruktur wird umgebaut.
Zum Start der Pubertät kommt es zu einer "Reifung" der grauen Substanz der Großhirnrinde. Von den vielen Verbindungen zwischen den Nervenzellen, die während der Lernprozesse in der Kindheit ausgebildet wurden, wird ein großer Teil wieder aufgelöst. Zugleich kommt es zu einem Ausbau der Nervenfasern, über die die Informationen zwischen den Nervenzellen nun schneller vermittelt werden.
Diese Veränderungen führen dazu, dass Jugendliche impulsiver reagieren, Risiken eingehen und sich stärker mit ihrer Identität auseinandersetzen. Der Präfrontalcortex, der für die Impulskontrolle und die Fähigkeit, längerfristig zu planen, zuständig ist, reift erst später aus.
Erin Schuman erhält den Körber-Preis für die Europäische Wissenschaft
Erin Schuman, Direktorin am Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt, erhält den mit einer Million Euro dotierten Körber-Preis für die Europäische Wissenschaft. Schuman hat entdeckt, dass Proteine, die für die Kommunikation zwischen Nervenzellen, für die Gedächtnisbildung und für die gesamte Entwicklung des Gehirns entscheidend sind, lokal an den Synapsen gebildet werden.