Lernprozesse im Gehirn Verkitten und wieder lösen – Umbaumaßnahmen von Hirnzellen

Manche Erinnerung aus der Kindheit ist wie in Stein gemeißelt. Tatsächlich hilft eine Art Kitt im Gehirn, die Verbindungen von Neuronen zu stabilisieren und so Gelerntes langfristig zu sichern. Um neue Dinge zu lernen, ist diese stabilisierende Matrix aber hinderlich. Das Gleichgewicht zwischen Auf- und Abbau des Gehirn-Kitts haben nun Forscher des Leibniz-Instituts für Neurobiologie im Mausmodell untersucht.

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Leibniz-Institut für Neurobiologie

Magdeburg – Das Gehirn verarbeitet als Schaltzentrale des Körpers die Sinneseindrücke. Dafür stehen ihm 100 Milliarden Nervenzellen zur Verfügung. Doch nicht nur die Anzahl ist wichtig, sondern auch der Raum zwischen den Zellen: In erwachsenen Hirnen beeinflussen um die Neurone liegende Matrixstrukturen den Informationsaustausch der Nervenzellen. Wenn dieser „Kitt“ aufgebrochen wird, kommunizieren die Zellen stärker miteinander – auch über weite Entfernungen. Das haben Forscher am Leibniz-Institut für Neurobiologie (LIN) Magdeburg in einer aktuellen Studie herausgefunden.

„Wir vermuten, dass dieser Mechanismus das Lernen im Gehirn eines Erwachsenen ermöglicht,“ sagt Dr. Max Happel, Leiter einer Arbeitsgruppe am LIN und Verantwortlicher dieser Studie. „Während unser Gehirn reift, bildet sich zwischen den Zellen eine stabilisierende Gelstruktur aus Proteinen und Zuckermolekülen: die extrazelluläre Matrix. Sie wirkt wie ein Korsett und verhindert, dass sich die Zellen im ausgereiften Gehirn wild neu vernetzen.“

Die Klaviatur im Kopf

Mit Wüstenrennmäusen haben die Wissenschaftler untersucht, wie die extrazelluläre Matrix die Verarbeitung von Sinnesinformationen beeinflusst. Sie haben dazu den Tieren Töne vorgespielt und dabei die Aktivität vieler Tausender Nervenzellen in der Hörrinde gemessen – dem Teil des Großhirns, in dem Informationen über die akustische Umwelt geordnet verarbeitet werden. „Man kann sich das wie eine Klaviatur auf einem Piano vorstellen“, vergleicht Happel. „Nah benachbarte Nervenzellen werden aktiv, wenn zwei Tonhöhen sich ähneln, und weit entfernte Nervenzellen feuern, wenn die Töne sich deutlich unterscheiden.“

Die Matrix zwischen den Nervenzellen sorgt dafür, dass die Nervenzellen in der Hörrinde erwachsener Tiere stärker mit ihren nahen Nachbarn als mit weit entfernten Nervenzellen kommunizieren. „Das enge Korsett zwischen den Zellen erfüllt die wichtige Funktion, Verbindungen zu stabilisieren, die sich im Laufe unserer frühen Erfahrungen gebildet und als sinnvoll erwiesen haben“, erläutert Dr. Matthias Deliano, Co-Leiter der Studie am LIN. Das hat allerdings eine Kehrseite: Die Matrix limitiert so auch das Bilden neuer Verbindungen zwischen den Neuronen. Sie erschwert also Lernprozesse im erwachsenen Gehirn.

Das GPS des Gehirns

Türsteher-Neurone schützen das Gehirn vor Informationsflut

Lernprozesse wie im jungen Gehirn

Um den Effekt der Matrix genauer zu untersuchen, haben die Forscher den Mäusen ein spezielles Enzym injiziert, das die Matrix-Strukturen zwischen den Nervenzellen in der Hörrinde reduziert. Die Zellen selbst oder ihre Kontaktstellen wurden nicht durch das Enzym geschädigt. Mit diesem Experiment zeigte sich: Allein die Verringerung der stabilisierenden Matrix zwischen den Zellen fördert die Kommunikation von vielen Nervenzellen, auch über größere Distanzen im Gehirn. Das Forscherteam vermutet, dass sich somit bei Lernprozessen auch wieder mehr Nervenzellen aus weiter entfernt liegenden Bereichen neu verschalten können – ganz ähnlich, wie dies in jungen Gehirnen passiert.

„Es ist faszinierend: Klebrige Gerüste, welche außerhalb der Nervenzellen liegen, beeinflussen, wie wir Informationen verarbeiten“, sagt Mohamed El-Tabbal, Erstautor der Studie. Aufgrund ihrer Erkenntnisse aus den Experimenten mit den Wüstenrennmäusen vermuten die Forscher nun, dass auch im Gehirn von erwachsenen Menschen diese Matrix-Strukturen bei Lernprozessen zumindest teilweise abgebaut werden können. „In unserer Studie konnten wir zeigen, welchen tatsächlichen Vorteil dies bei der Verarbeitung und Vernetzung von Sinnesinformation haben kann“, führt El-Tabbal aus.

Balance zwischen Stabilität und Flexibilität

Schon in früheren Studien haben die Wissenschaftler nachgewiesen, dass der fürs Lernen wichtige Botenstoff Dopamin körpereigene Enzyme aktiviert, welche die extrazelluläre Matrix im Hirn teilweise abbaut. Nach dem Lernen wird diese wieder aufgebaut, um auch neu Gelerntes langfristig abzuspeichern und in dem „Gehirn-Kitt“ zu stabilisieren. Durch die richtige Balance der Molekülketten zwischen den Nervenzellen scheint das Gehirn beides zu wahren: Stabilität von bereits Gelerntem und Flexibilität für neu Gelerntes.

Als nächstes wollen die Forscher herausfinden, ob sich mit dieser Methode neue Ansätze bei der Behandlung von Hirnerkrankungen ergeben. „Bei Angststörungen oder Suchterkrankungen entstehen in unserem Gehirn unerwünschte Verbindungen zwischen Nervenzellen. Durch eine zeitliche Befreiung der Nervenzellen aus ihrem Korsett ließen sich theoretisch ‚Fenster plastischer Formbarkeit‘ öffnen, die wir therapeutisch nutzen könnten“, resümiert Studienleiter Happel.

Originalpublikation: Mohamed El-Tabbal, Hartmut Niekisch, Julia U. Henschke, Eike Budinger, Renato Frischknecht, Matthias Deliano & Max F. K. Happel: The extracellular matrix regulates cortical layer dynamics and cross-columnar frequency integration in the auditory cortex, Communications Biology volume 4, Article number: 322 (2021); DOI: 10.1038/s42003-021-01837-4

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