Was Nerven verbindet

Wären wir reine Reiz-Reaktions-Maschinen, wäre unser Leben ziemlich langweilig, vorhersehbar, und ohne Ziel und Zweck. Man stelle sich beispielsweise vor: Wir stürzten uns immer sofort auf Essen, sobald wir welches erblicken – auch wenn wir gar keinen Hunger verspüren. Doch zum Glück sind wir im Allgemeinen recht flexibel in unserem Verhalten. Möglich wird das durch die Vernetzung von Nervenzellen über Synapsen. ▸  Synapsen: Schnittstellen des Lernens  

Wie sich die Vernetzung der grauen Zellen auf unser Verhalten auswirkt, nimmt Ilona Grunwald Kadow seit Jahren unter die Lupe. „Unsere Entscheidungen beruhen darauf, wie wir Situationen einschätzen“, sagt die Neurowissenschaftlerin der TU München. „Diese Einschätzung wird wiederum durch unsere Erfahrung bestimmt, durch unsere momentanen Bedürfnisse und dadurch, was uns gerade von der Sinneswahrnehmung dargeboten wird.“ Es macht beispielsweise einen großen Unterschied, ob ein Organismus gerade hungrig ist oder nicht. Hungrige Tiere bewerten Gerüche und Geschmack höher als sonst. Denn in solchen Fällen wird in verschiedenen Hirnregionen an den Synapsen verstärkt das „Belohnungshormon“ Dopamin ausgeschüttet. „Neurone, die Dopamin produzieren, beeinflussen die sinnliche Wahrnehmung und erlauben so, das Verhalten flexibel an aktuelle Situationen anzupassen“, sagt Grunwald Kadow. 

In einer kürzlich veröffentlichten  Studie  hat sie sich bei über 400 lebenden Taufliegen die Reaktion aller Dopamin produzierenden Neurone angesichts von Geschmacks- und Geruchsreizen angeschaut. Das Ergebnis: Bestimmte Neurone scheinen beispielsweise zu registrieren, ob das Tier sich gerade bewegt, ruht oder sich putzt. Riecht das Tier etwas Verlockendes und der wohlige Duft verstärkt sich noch, wenn das Tier sich bewegt, dann folgt das Signal: Geh weiter in diese Richtung. Grunwald untersucht nicht die Zellkörper, sondern die Synapsen. Vorgeschaltete Neurone senden Informationen wie Gerüche an nachgeschaltete Neurone, die dann steuern, ob sich der Organismus bewegt oder nicht. 

Wie eine solche Kommunikation konkret aussehen kann, hat Kadow bereits in einer 2015 veröffentlichten  Studie  ans Licht gebracht. Gemeinsam mit Kollegen setzte sie Taufliegen zwei Gerüche vor, die bei den Tieren widerstreitende „Gefühle“ auslösen: den verführerischen Futtergeruch Essig und CO₂, das Gefahr bedeuten kann. Riechen die Tiere CO₂, wird eine angeborene Fluchtreaktion ausgelöst. Was die Entscheidungsfindung für die Tiere aber nicht gerade leichter macht: CO₂ wird vertrackter Weise auch von überreifen Früchten produziert – eine begehrte Nahrungsquelle für viele Insekten. Futter suchende Fliegen müssen daher in solchen Fällen in der Lage sein, ihre angeborene Abneigung gegen CO₂ zu ignorieren. In der Studie zeigte sich: Der Geruch von Essig aktivierte tatsächlich bestimmte dopaminerge Neurone. Und die unterdrückten wiederum die Aktivität in Synapsen, die auf negative Duftstoffe wie CO₂ reagieren. Dadurch reagierten die hungrigen Fliegen weniger auf die potenzielle Gefahr und konnten sich der Quelle des verführerischen Dufts widmen. 

„Manche Aktivität von dopaminergen Synapsen verändert dabei die Antwort von nachgeschalteten Neuronen nur kurzfristig und beeinflusst somit eine akut anstehende Entscheidung“, sagt Kadow. „Aber vor allem eine wiederkehrende Aktivität kann zu langfristigen Veränderungen in der Kommunikation zwischen Neuronen führen.“ Auf diesem Wege lernen Lebewesen. Beim Lernen bilden sich auf Nervenzellen winzige Fortsätze aus. Um einen synaptischen Kontakt herzustellen, wachsen bei einander gegenüberliegenden Nervenzellen diese Fortsätze zu pilzartigen Strukturen. Auf der vorgeschalteten Seite des Neurons – da, wo der Reiz herkommt – bilden sich axonale Endknöpfchen. Auf der gegenüberliegenden Empfängerseite entstehen so genannte dendritische Dornen. Das Zusammenspiel beider Fortsätze ermöglicht den Informationsaustausch zwischen verschiedenen Nervenzellen. Dabei gilt die Lernregel: Neurone, die gemeinsam feuern, verdrahten sich untereinander. ▸ Das Nervensystem – ein Wandlungskünstler.

Um neue Verdrahtungen live mitzuerleben, setzt Mark Hübener auf die Zwei-Photonen-Mikroskopie. „Sie erlaubt es, auch sehr feine Strukturen im intakten Nervensystem zu untersuchen“, sagt der Neurobiologe am Max-Planck-Institut für Neurobiologie in Martinsried bei München „Der Vorteil ist, dass man tiefer ins Gewebe schauen kann als mit einem normalen Mikroskop, – bis zu einem Millimeter." Denn bei der Zwei-Photonen-Mikroskopie nutzt man Licht einer langen Wellenlänge, nämlich Infrarotlicht. Es dringt leichter durch das Gewebe als kurzwelligeres Licht. Außerdem ist es sehr viel weniger schädlich für das Gewebe, anders als etwa UV-Licht.    

„Für unsere Erforschung der Plastizität von Synapsen ist die Methode deshalb so geeignet, weil Synapsen sehr kleine Strukturen sind und oft tief im Gehirn liegen." Sowohl die axonalen Endknöpfchen als auch die dendritischen Dornen sind nur zwei bis drei Tausendstel Millimeter groß. In seinen Versuchen lässt Hübener Versuchstiere beispielsweise eine neue Fertigkeit lernen. Über Tage oder Wochen hinweg kann er dann wiederholt schauen, ob das Lernen etwa mit der Bildung von dendritischen Dornen einhergeht. „Wenn beispielsweise ein dendritischer Dorn auf der nachgeschalteten Seite der Synapse größer wird oder überhaupt sich erst ausbildet, dann wissen wir: Synaptische Verbindungen sind stärker geworden bzw. neu entstanden.“ Es hat also eine Veränderung stattgefunden, die dem Lernen zugrunde liegt. Genauso kann man mit der Zwei-Photonen-Mikroskopie auf der vorgeschalteten Seite der Synapse Veränderungen der axonalen Endknöpfchen unter die Lupe nehmen. 

Lernt eine Synapse gerade, und muss dafür umgebaut werden, kommen verschiedene molekulare Prozesse zum Zuge. Bei Nervenzellen wird ein Teil der RNA, der Abschrift der DNA, nicht nur im Zellkörper, sondern auch vor Ort an den Dendriten in neue Proteine übersetzt. Zu diesem Zweck muss die Abschrift zielgerichtet zu den Synapsen transportiert werden. Doch wie die Zelle sicherstellt, dass der richtige Bauplan an die richtige Adresse geliefert wird, lag bislang weitgehend im Dunkeln. Mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie hat Michael Kiebler vom Biomedizinischen Centrum der Ludwig-Maximilians-Universität München Zellkulturen vom Hippocampus der Ratte untersucht. Wie sich herausstellte, zirkulierte dieselbe RNA immer wieder vom Zellkörper in die Fortsätze und zurück, bis sie von einer Synapse benötigt wurde. Dabei dienen bestimmte Erkennungssequenzen in der RNA als eine Art Briefmarke für den Transport und sorgen dafür, dass die Abschrift an die richtigen Stellen der Zelle gelangt. Anschließend kann die Abschrift in Proteine für den benötigten Umbau der Synapse übersetzt werden. 

Neben Experimenten helfen Forschern auch Computermodelle, um den ausgetüftelten Mechanismen an den Synapsen auf den Grund zu gehen. Christian Leibold von der Ludwig-Maximilians-Universität in München treibt um, was zwischen den beiden Ohren passiert. „Schall benötigt unterschiedlich viel Zeit, um das linke bzw. rechte Ohr zu erreichen“, sagt der Neurobiologe. „Über diese zeitliche Differenz kann das Gehirn den Schall lokalisieren.“ Dabei erzeugen Neurone der medialen oberen Olive (MSO) anhand ihrer Empfindlichkeit für diese Zeitdifferenzen ein neuronales Abbild des akustischen Raumes. Mit Computermodellen simuliert Leibold die Schallverarbeitung der MSO-Neurone. Diese Nervenzellen haben vier Eingangspfade an der Synapse. Zwei erregende vom rechten bzw. linken Ohr. Sie erhöhen die Wahrscheinlichkeit, dass das Neuron feuert. Daneben gibt es noch zwei hemmende, die den gegenteiligen Effekt haben. Im Computermodell haben Leibold und seine Kollegen dann untersucht, wie schnell diese erregenden und hemmenden Potentiale an der Synapse sein müssen, um die in Experimenten gezeigte Empfindlichkeit der Neurone für Zeitdifferenzen erklären zu können. In ihrem Modell können die Forscher an vier Zahlen drehen, beispielsweise das Verhältnis von erregenden und hemmenden Potentialen verändern. „Tatsächlich reicht es aus, an diesen vier Zahlen zu drehen, um alle im Experiment gezeigten Antworten der Zelle zu erklären“, so Leibold. Den Forschern geht es wie den Synapsen selbst: Sie lernen ständig dazu.

Zum Weiterlesen:

• Siju, K.P et al.: Valence and State-Dependent Population Coding in Dopaminergic Neurons in the Fly Mushroom Body. In: Current Biology, Volume 30 (11), P2104-2115.e4, June 08, 2020. doi: https://doi.org/10.1016/j.cub.2020.04.037
• Bauer, K.E. et al.: Live cell imaging reveals 3'-UTR dependent mRNA sorting to synapses. Nat Commun. 2019 Jul 18;10(1):3178. doi: 10.1038/s41467-019-11123-x.