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.

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

Das Gehirn - ein Baustelle

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

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.“

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.

Der Fruchtfliegenembryo ist übersichtlich und leicht zugänglich. Und das erleichtert den Wissenschaftlern die Handhabung.

Die Dynamik an der Synapse

Durch Import von Glutamat-Rezeptoren wachsen die postsynaptischen Rezeptorfelder. Photoaktivierung macht die neu eingetretenen Rezeptoren sichtbar, die sich an neu entstandenen (weiße Pfeile) bzw. stark ausgewachsenen Synapsen (gelbe Pfeile) befinden.

Im Alter von einem Tag legen die Wissenschaftler ihre Larven unter hoch auflösende High-Tech-Mikroskope und schicken sie mit einem herkömmlichen Narkotikum für Minuten in einen Tiefschlaf. Dank der Fortschritte in der konfokalen und Zweiphotonen-Mikroskopie, die störendes Streulicht eliminieren, lassen sich auch tief liegende Gewebestrukturen brillant abbilden. Ganze Serien von Fotos halten nicht nur das anatomische Geschehen an den Synapsen über lange Zeiträume fest, sondern auch das Verhalten, also die zeitliche und räumliche Dynamik der leuchtenden Rezeptoren und anderer Proteine. „Das ist das Besondere“, sagt Sigrist. Diese Methodik verheißt am lebenden Tier Antworten auf wichtige Fragen: Wie schafft es die Zelle, an einem bestimmten Ort neue Synapsen zu bilden? Spalten sich die Synapsen? Oder entstehen sie neu? Welche Rolle spielen die Rezeptoren? Wie verteilen sie sich?

Schon die ersten Ergebnisse haben die Forscher verblüfft. Zuvor gab es Hinweise aus statischen Zellkulturversuchen, dass sich schon existierende Synapsen bei Plastizitätsprozessen teilen. Anders die Synapsen in den Drosophila-Larven: Sie formieren sich immer von Neuem. „Da haben sie auf einmal einen Kern“, sagt Sigrist, „und der wächst dann etwa 24 Stunden lang zu einer bestimmten Größe, ehe er stabil bleibt“. Besonders augenscheinlich lässt sich das beobachten, wenn man die Tiere konkreten Reizen aussetzt – wie etwa einer Art Fitnesstraining. Sport für Fliegen in der Kinderstube! Mit einem Trick überlisten die Forscher ihre eher faul fressenden Zöglinge. Stundenlang drehen sich die Nährplatten mit den Tieren um die eigene Achse. Mithin geraten die Larven leicht kopfüber, was ihnen offenkundig missfällt: Sie bewegen sich daher stetig der Drehrichtung entgegen.

Derlei Sporteinheiten wirken sich dramatisch an der Verbindung von Nerven- zu Muskelzellen aus: Binnen drei Tagen verdoppelt sich die Zahl der Synapsen. „Hier zeigt sich, wie sich ein Mehr an neuronaler Aktivität in ein Mehr an synaptischer Struktur umsetzt“, erklärt Sigrist. Im Zuge dieses Plastizitätsprozesses karrt die Zelle hunderte Glutamat-Rezeptoren an den Ort der neu zu bildenden Synapse. Ganze Rezeptorfelder reifen in einem Tag heran, deren finale Größe charakteristisch für eine Synapse ist. Bei diesen Versuchen haben die Forscher die Mobilität der Glutamat-Rezeptoren live im lebenden Tier an einzelnen Synapsen verfolgen können. Ergebnis: Der Import neuer Rezeptoren kontrolliert das Wachstum der „Empfangsfelder“. Stabile Synapsen hingegen stoppen die Einfuhr der Moleküle.

Dass die Glutamat-Rezeporen für die Funktion der Synapsen unverzichtbar sind, war lange bekannt. Dennoch galten sie eher als Statisten denn als entscheidende Protagonisten der Plastizität. Stephan Sigrist sieht das jetzt anders: „Sie bestimmen, ob und wie eine neue synaptische Struktur gebildet wird.“ Sobald die Wissenschaftler die Rezeptoren mit gentechnologischen Mitteln vermehren, wirkt das wie ein Startschuss für den Bau von Synapsen. Und umgekehrt: Fährt man die Zahl der Rezeptoren herunter, kollabiert das System.

Ein neuer Hauptdarsteller

Indem neue Synapsen angelegt werden, wird die Informationsübertragung effektiver. Aus einem Datenpfad erwächst ein Datenhighway – ein Prozess, den die Wissenschaftler „Langzeitpotenzierung“ nennen. „Bei gleichem Input bekommen Sie dann am anderen Ufer der Synapse mehr Erregung“, sagt Sigrist. Wie sich zeigt, ist die Dynamik der Glutamat-Rezeptoren auch dabei ein Schlüsselprozess. Tatsächlich, so enthüllen elektronenmikroskopische Aufnahmen, knüpfen beide Seiten der Synapse nur sehr zaghaften und lockeren Kontakt, wenn die Proteine fehlen.

Durch Reizung potenzierte Synapsen indes streiten regelrecht um Botenstoffe, haben Sigrists Kollegen vom Max-Planck-Institut für Neurobiologie an Hirnschnitten mit intakten Nervenverknüpfungen ermittelt. So schwächen besser verstärkte Synapsen schwächere Verbindungen in der Nachbarschaft, indem sie Ressourcen abziehen. „Bereiche, die aktiver an Lernen und Gedächtnis beteiligt sind, können weniger aktive Bereiche hemmen“, sagt Tobias Bonhoeffer, Abteilungsdirektor am Martinsrieder Institut – was womöglich zum Löschen nicht mehr benötigter Informationen und damit zum Vergessen führt.

Ähnliches hat Sigrist in seinem Modellorganismus noch nicht gesehen. Ohnehin bleibt es schwierig genug, die wirklich wichtigen Prozesse bei der Plastizität zu entlarven. Schon an einigen der vielen „Stellrädchen“, sagt der Neurobiologe, habe sein Team gedreht. Aber selbst wenn man einen Teil der beteiligten Proteine gentechnisch ausschaltet, „ist der Rest der Mannschaft noch immer stark genug, um neue intakte Synapsen zu kreieren“. Um dennoch die plastischen Hauptdarsteller aufzuspüren, will Stephan Sigrist jetzt die Transportraten der Proteine in den Fliegenlarven abbilden und die Erkenntnisse auf Säugetiere übertragen. Denn nicht nur die Proteine sind ähnlich, „sondern auch die Logik des ganzen Systems“.

aus: MaxPlanckForschung 1/2005; Autor: Klaus Wilhelm