Spurensuche im Netzwerk der Gedanken

Die neuromuskuläre Synapse bei Drosophila.

Sie lernen gerade Klavier? Oder Tennis? Oder Italienisch? Und freuen sich, dass es vorangeht? Oder Sie beobachten staunend, wie Ihr Kind plötzlich Dinge begreift, die ihm noch gestern rätselhaft erschienen, die es von nun an aber lebenslang beherrschen wird? Wie es das Wissen der Welt förmlich in sein Gehirn aufsaugt? Wir lernen, wir speichern und wir erinnern uns. Drei Aspekte, ein Phänomen. Und eine der prominentesten Leistungen des Gehirns, die Biologen und Mediziner brennend interessiert.

Wer untersuchen will, wie das Gehirn lernt, der kommt an einem Begriff nicht vorbei: neuronale Plastizität. Viele Neurobiologen halten sie für so etwas wie den Heiligen Gral. Unter neuronaler Plastizität versteht man die Eigenschaft des Nervensystems, seine Struktur und Funktion abzuwandeln. Hierzu zählen die Modifikation von Membranproteinen ebenso wie morphologische Veränderungen an Dendriten und Axonen, den Verästelungen einer Nervenzelle, sowie die Regulation der Informationsübertragung von Neuronen. So baut das Gehirn bei Lernprozessen unentwegt Nervenverschaltungen auf, um oder ab. Wie das im lebenden Organismus gerade bei Säugetieren wie Maus oder Mensch über längere Zeiträume abläuft, „hat man bislang nur mit größtem Aufwand verfolgen können“, sagt der Neurobiologe Stephan Sigrist.

Als ideales Studienobjekt erweist sich die Fruchtfliege Drosophila melanogaster – jener Plagegeist, der im Sommer unsere Küchen bevölkert und alles Süße anknabbert. Dem Team um Sigrist ist es geglückt, Nervenstrukturen in putzmunteren Fliegenlarven über ein bis zwei Tage zu filmen und die Plastizität bis hin zu molekularen Veränderungen zu beleuchten. „Da sind wir vorne mit dabei“, freut sich der Wissenschaftler – was einiges heißt in einem Feld, das weltweit intensiv beackert wird.

Wann immer Informationen von den Sinnesorganen aufgenommen werden und von dort hinein ins Gehirn sausen, wann immer die Nervenzellen daraus Handlungen erzeugen, wann immer sie Gedanken konstruieren, passiert nach dem Konzept der neuronalen Plastizität Außerordentliches. Schauplatz der Ereignisse: die Synapse, Kontaktstelle zwischen Nervenzellen oder auch Nerven- und Muskelzellen. „Dort unterhalten sich die Neuronen über chemische Botschaften“, sagt Sigrist. Jedes Neuron hat in der Regel nur einen einzigen Ausgang für seine Signale an andere Zellen: ein langer Fortsatz namens Axon, dessen Ende sich knöpfchenartig zur Kontaktstelle – der Synapse – ausformt. In dieser Region finden sich viele winzige mit Botenstoffen gefüllte Bläschen, die Vesikel.

Wird das Axon elektrisch erregt, verschmelzen die Vesikel mit der synaptischen Membran und entleeren so ihre chemischen Botenstoffe in den kleinen Spalt, den die Moleküle durchwandern, um am anderen Ufer an bestimmten Rezeptorproteinen der nachgeschalteten Nervenzelle anzudocken. Über diese Empfangsantennen nimmt das Neuron die chemische Botschaft auf und übersetzt sie in erneute elektrische Erregung – oder in einen Stopp der Erregung.

Auf diese Weise sind unzählige Nervenzellen in Netzwerken verknüpft, die die wundervolle Erinnerung an den ersten Kuss kodieren können oder das Trauma eines schrecklichen Unfalls. Weil Leben und Verhalten sich ständig verändern, strukturiert auch das Gehirn diese Netzwerke laufend an den Synapsen um: Es kommen neue Kontaktstellen hinzu, andere werden verstärkt oder abgebaut. Bestimmte molekulare Bausteine wie die Rezeptoren, die unerlässlich für die Synapse sind, wandern vom Zellkörper ein oder verschwinden wieder. „Struktur und Funktion verändern sich“, sagt Stephan Sigrist. Das Ergebnis dieser Dynamik kann Sekunden oder Minuten währen – oder Tage, Wochen, Monate, Jahre. Stets neue und ähnliche Umweltreize festigen diese langfristigen Netzwerke, mangelnder Input lässt sie verkümmern.