Wie Lernen und Gedächtnisleistung im Gehirn gesteuert werden

Forscher des Dartmouth College in den USA haben in einer wissenschaftlichen Studie den „Lautstärkeregler“ im Gehirn identifiziert, der Lernen und Gedächtnis unterstützt.

• Diese Entdeckung könnte bei der Behandlung neurologischer Störungen wie Alzheimer (Demenz), Parkinson, Migräne und Epilepsie helfen.

Studie entdeckt „molekularen Regulator“ im Gehirn, der Lernen und Gedächtnis unterstützt

Ein „molekularer Lautstärkeregler“, der elektrische Signale im Gehirn reguliert, hilft laut Forschungsergebnissen beim Lernen und Gedächtnis. Das molekulare System steuert die Stärke der elektrischen Signale, die über die Synapsen zwischen den Nervenzellen fließen.

Die Identifizierung des Kontrollmechanismus und des Moleküls, das ihn reguliert, könnte Wissenschaftlern bei der Suche nach Behandlungsmöglichkeiten für neurologische Erkrankungen wie Demenz, Alzheimer, Parkinson und Epilepsie helfen.

• Die in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichten Forschungsergebnisse beschreiben die erste Studie darüber, wie die Form elektrischer Signale zur Funktion von Synapsen beiträgt.

Die Synapsen im Gehirn sind laut Michael Hoppa, Professor für Biowissenschaften in Dartmouth und Leiter der Forschungsarbeiten, sehr dynamisch und kommunizieren in einem Spektrum von Flüstern bis Rufen. Diese Entdeckung bringt die Forschenden auf einen direkteren Weg zur Behandlung hartnäckiger neurologischer Störungen.

Synapsen sind winzige Kontaktstellen, die es Nervenzellen im Gehirn ermöglichen, mit unterschiedlichen Frequenzen zu kommunizieren. Dabei wandelt das Gehirn die elektrischen Signale der Nervenzellen in chemische Neurotransmitter um, die diese synaptischen Spalträume durchqueren.

• Die Menge des freigesetzten Neurotransmitters verändert die Anzahl und das Muster der Neuronen, die in den Schaltkreisen des Gehirns aktiviert werden. Diese Veränderung der Stärke der synaptischen Verbindungen bestimmt, wie gelernt wird und wie sich Erinnerungen bilden.

Welche Prozesse unterstützen Gedächtnis und Lernen?

Diese Gedächtnis- und Lernprozesse werden durch zwei Funktionen unterstützt. Die erste, Fazilitation genannt, besteht aus einer Reihe von immer schneller werdenden Spitzen, die die Signale verstärken, die die Form einer Synapse verändern.

Die zweite, die Depression, schwächt die Signale ab. Zusammen halten diese beiden Formen der Plastizität das Gehirn im Gleichgewicht und verhindern neurologische Störungen wie Krampfanfälle.

• Facilitation ist eine Erhöhung der Anzahl freigesetzter Vesikel. Facilitation wird an vielen Synapsen mit niedriger anfänglicher Freisetzungswahrscheinlichkeit (p) beobachtet, während Synapsen mit hoher anfänglicher Freisetzungswahrscheinlichkeit normalerweise eine nutzungsabhängige Depression zeigen.

Mit zunehmendem Alter, so die Forscher, ist es von entscheidender Bedeutung, dass wir in der Lage sind, verstärkte Synapsen aufrechtzuerhalten. Wir brauchen eine gute Balance der Plastizität in unserem Gehirn, aber auch eine Stabilisierung der synaptischen Verbindungen, so die Wissenschaftler.

• Die Forschung konzentrierte sich auf den Hippocampus, das Zentrum des Gehirns, das für Lernen und Gedächtnis zuständig ist.

Besseres Verständnis der Funktionsweise des Gehirns bei Gedächtnisbildung und Lernen

In der Studie fanden die Forscher heraus, dass die elektrischen Spitzen als analoge Signale übertragen werden, deren Form die Menge der chemischen Neurotransmitter beeinflusst, die an den Synapsen freigesetzt werden.

Der Mechanismus funktioniert ähnlich wie ein Lichtdimmer mit variablen Einstellungen. Frühere Forschungen betrachteten die Spikes als ein digitales Signal, das eher einem Lichtschalter gleicht, der nur in den Stellungen „an“ und „aus“ funktioniert.

Die Entdeckung, dass diese elektrischen Spitzen analog sind, eröffne neue Einblicke in die Funktionsweise des Gehirns bei der Gedächtnisbildung und beim Lernen, so die Wissenschaftler.

• Die Verwendung analoger Signale bietet eine einfachere Möglichkeit, die Stärke von Schaltkreisen im Gehirn zu kontrollieren, so In Ha Cho, Postdoktorand in Dartmouth und Erstautor der Studie.

1970 untersuchte der Nobelpreisträger Eric Kandel den Zusammenhang zwischen Lernen und der Veränderung der Form elektrischer Signale bei Meeresschnecken. Damals glaubte man nicht, dass dieser Prozess in den komplexeren Synapsen des Säugetiergehirns abläuft.

Negative Auswirkungen auf Lernen, Gedächtnis und Schlaf

Neben der Entdeckung, dass die elektrischen Signale, die über die Synapsen im Hippocampus des Gehirns fließen, analog sind, entdeckten die Wissenschaftler in Dartmouth auch das Molekül, das die elektrischen Signale reguliert.

Von diesem Molekül – Kvβ1 genannt – war bereits bekannt, dass es die Kaliumströme reguliert, aber es war nicht bekannt, dass es eine Rolle in der Synapse spielt, die die Form der elektrischen Signale steuert. Diese Forschungsergebnisse helfen zu erklären, warum der Verlust von Kvβ1-Molekülen bei Mäusen und Fruchtfliegen negative Auswirkungen auf Lernen, Gedächtnis und Schlaf hatte.

Die Forschungsergebnisse zeigen auch die Prozesse auf, die es dem Gehirn ermöglichen, mit so wenig Energie eine so hohe Rechenleistung zu erzielen. Mit einem einzigen analogen elektrischen Impuls können Multi-Bit-Informationen übertragen werden, was eine bessere Steuerung mit niederfrequenten Signalen ermöglicht.

Auf diese Weise, so die Wissenschaftler, kann besser verstanden werden, wie unser Gehirn in der Lage ist, auf der Ebene eines Supercomputers mit viel niedrigeren elektrischen Impulsraten und der Energie einer Kühlschrank-Glühbirne zu arbeiten.

Seit Jahrzehnten suchen Wissenschaftler nach den molekularen Regulatoren der synaptischen Plastizität und konzentrieren sich dabei auf die molekulare Maschinerie der chemischen Freisetzung. Bisher waren Messungen der elektrischen Impulse aufgrund der geringen Größe der Nervenendigungen nur schwer zu beobachten.

Die neuen Forschungsergebnisse wurden durch eine in Dartmouth entwickelte Technologie ermöglicht, bei der die Spannung und die Freisetzung von Neurotransmittern mit Techniken gemessen werden, die Licht zur Messung elektrischer Signale in synaptischen Verbindungen zwischen Nervenzellen im Gehirn verwenden.

• In künftigen Arbeiten will das Team herausfinden, wie diese Entdeckung mit Veränderungen des Hirnstoffwechsels zusammenhängt, die während des Alterns auftreten und weit verbreitete neurologische Störungen verursachen.

Nach Ansicht der Forscher befindet sich das molekulare System in einem Bereich des Gehirns, der leicht durch Medikamente beeinflusst werden kann und sich daher für die Entwicklung von medikamentösen Therapien eignen könnte.

Ohne Gedächtnis kein Lernen

Lernen (Lernprozesse) und Erinnern (Gedächtnisprozesse) sind eng miteinander verknüpft und überschneiden sich zum Teil inhaltlich.

Lernen umfasst den Aufbau bzw. die Korrektur von individuellen Wissensbeständen (Gedächtnisbeständen) und stellt eine dauerhafte Veränderung des Gelernten in den Vordergrund, die nur dann von Dauer sein kann, wenn sie im Gedächtnis verankert wird.

• Damit wird das Gedächtnis (Erinnerungsvermögen) zu einer unverzichtbaren Voraussetzung für Lernprozesse.

Lange Zeit glaubte man, der Hippocampus sei das Erinnerungszentrum des Gehirns.

Inzwischen konnte nachgewiesen werden, dass Erinnerungen und die damit verbundenen Sinneswahrnehmungen in der motorischen Großhirnrinde, einem Teil des Großhirns, gespeichert werden.

• Dort laufen auch sämtliche Sinneseindrücke wie Hören, Sehen, Riechen, Fühlen und Schmecken zusammen.

Quellen

• Journal „Proceedings of the National Academy of Sciences“ / Dartmouth College
• In Ha Cho, Lauren C. Panzera, Morven Chin, Scott A. Alpizar, Genaro E. Olveda, Robert A. Hill, Michael B. Hoppa. The potassium channel subunit Kvβ1 serves as a major control point for synaptic facilitation. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020; 202000790 DOI: 10.1073/pnas.2000790117 

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