Das Gehirn - ein Baustelle

Wenn Synapsen verstärkt werden, wachsen zunächst sogenannte dendritische Dornen aus.

Im Embryo diktiert zunächst allein die genetische Information eine grobe Vernetzung der Neuronen, bevor bei der Geburt zum Beispiel das erste Licht die ersten feineren Verschaltungen in der „Sehrinde“ stimuliert. Zu diesem Zeitpunkt hat jede einzelne Nervenzelle des Gehirns 2500 Synapsen, die nur darauf warten, modelliert zu werden. Rasant steigt deren Zahl pro Zelle bis zum dritten Lebensjahr auf 15 000 an, um sich bis ins junge Erwachsenenalter auf 30 000 zu verdoppeln. Angesichts von drei Milliarden Nervenzellen im menschlichen Gehirn wird rasch klar, dass Forscher die elementaren Prozesse der neuronalen Plastizität im Homo sapiens kaum verfolgen können. Sie verlieren sich in einem Meer des Informationsflusses. Selbst in den bevorzugten Labortieren der Wissenschaftler wie Maus oder Ratte ist das nicht anders.

Erst seit kurzem haben die Forscher ansatzweise Methoden entwickelt, um das Konzept der neuronalen Plastizität mit empirischen Daten aus intakten Organismen zu füttern – vor allem, was die langfristigen Prozesse anbelangt. So ist es unter anderem dem Team von Tobias Bonhoeffer am Max-Planck-Institut für Neurobiologie in Martinried gelungen, Nervenzellen in Schnittkulturen aus dem Maushirn mit elektrischen Reizen zu stimulieren, wobei sie dornenartige Strukturen ausbilden, so genannte spines. Ein Zeichen, dass sich Verbindungen knüpfen. Doch „inwieweit diese künstliche Situation mit den realen Verhältnissen übereinstimmt, ist noch unklar“, sagt der Göttinger Biochemiker Sigrist. Und vor allem: „Wir müssen die wichtigen Moleküle direkt beobachten können.“ Gefragt sind also Modelle, „um die Sache am intakten lebenden Tier zu betrachten, und das mit molekularer Auflösung.“

Die Larven der Fruchtfliege Drosophila vermehren sich außerordentlich rasch - für die Laborarbeit ein großer Vorteil.

Dass sich Stephan Sigrist dabei auf die Fruchtfliege kapriziert und auf Erkenntnisse auch für den Menschen hofft, klingt nur auf den ersten Blick verwegen. Denn die Natur spielt bei den elementaren Vorgängen unentwegt mit einmal bewährten, relativ simplen Bausteinen und Mustern. Wie es scheint, arbeiten die Nervenzellen aller Tiere nach einem gemeinsamen, ererbten Prinzip. Im Grunde besitzt der Mensch wahrscheinlich keine fundamental anderen Neuronen als eine Fruchtfliege. Der Unterschied liegt höchstens in den biochemischen Details des neuronalen Stoffwechsels, in der Zahl der Neuronen und der Organisation des Zentralen Nervensystems.

Nehmen wir das Glutamat: Dieser Botenstoff ist sowohl im menschlichen Gehirn wie auch im Nervensystem von Fliegen der wichtigste aktivierende Botenstoff oder besser gesagt Neurotransmitter; ein ganzer Typ Synapsen ist nach ihm benannt. Kaum ein erregender Prozess im Nervensystem läuft ohne Glutamat und seinen Rezeptor – und das vermutlich seit 700 Millionen Jahren tierischer Evolution. Kein Wunder, dass sich die Glutamat-Rezeptoren von Fliege und Mensch stark in ihrem Aufbau ähneln. Die Signalübertragung mit Glutamat ist einer der zentralen modulierenden Prozesse an der Synapse.

So nutzen auch die Larven von Drosophila den Botenstoff. Der Körper der Insekten-Embryonen bietet für die Studien der Göttinger Wissenschaftler klare Vorteile: „Er ist übersichtlich und leicht zugänglich“, meint Sigrist. Und die Larven lassen sich mit modernen Mitteln der Molekularbiologie rasch und zuverlässig bearbeiten: So schlüpfen im Göttinger Labor wöchentlich tausende Fliegenlarven, bei denen bestimmte Gene – wie etwa jene für den Glutamat-Rezeptor – mit einem Gen gekoppelt wurden, das die Bauanleitung für ein fluoreszierendes Protein trägt. Wird der Glutamat-Rezeptor hergestellt, so ist er aufgrund dieses Markers jederzeit an jedem Ort zu identifizieren. Tatsächlich wirken die „Andockstellen“ an der neuromuskulären Synapse (der Kontaktstelle zwischen Nerven- und Muskelzelle) in der durchscheinenden Larve wie bunte Farbtupfer.

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