Stopp und Go im Denkprozess

Die Anpassungsfähigkeit des Gehirns ist enorm: Ständig wachsen neue Informationsleitungen zwischen Nervenzellen aus und ungenutzte Verbindungen werden wieder abgebaut. So wird der Datenfluss kontinuierlich optimiert und neue Informationen und Eindrücke können verarbeitet werden. Doch das Durchdenken einer neuen Situation kann auch die zeitweilige Unterdrückung unwichtiger Informationen erfordern. Daher besitzt das Gehirn auch Nervenzellkontakte, die den Informationsfluss hemmen. Bislang war jedoch unklar, wie diese hemmenden Kontakte entstehen. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Neurobiologie in Martinsried haben dies nun geklärt und fanden dabei erstaunliche Unterschiede zu den „herkömmlichen“ Nervenzellverbindungen. (Nature Neuroscience, 24. August 2008)

Denken ist ein komplexer Prozess. Wie in einem riesigen Kabelnetz fließen Informationen von einer Nervenzelle zur Nächsten. Um die ständig eintreffenden neuen Informationen verarbeiten zu können, sind die Verbindungen sehr anpassungsfähig: Sobald wir etwas Neues sehen, erleben oder tun, wachsen neue Querverbindungen zwischen einzelnen Nervenzellen aus. Über diese neuen Verbindungen kann eine Information dann an die richtigen Zellen weitergegeben und somit verarbeitet werden.

Neue Datenleitungen durch flexible Fortsätze

Der Blick durchs Mikroskop zeigt, dass der Aufbau neuer Kontakte über winzige Fortsätze geschieht. Soll etwas Neues verarbeitet werden, wachsen auf den Verästelungen einer Nervenzelle, den sogenannten Dendriten, feine Fortsätze aus. Doch wie in einem Kabelknäuel reicht das reine Überkreuzen von Kabeln nicht aus, um Informationen auszutauschen. Trifft ein Fortsatz daher auf eine Nachbarzelle, die sich zur Verarbeitung der neuen Information eignet, so reift am Ende des Fortsatzes eine Synapse. Erst diese Kontaktstelle ermöglicht die Weitergabe der Informationen von einer Zelle zur nächsten. Ist die kontaktierte Zelle für den Austausch dagegen ungeeignet, zieht sich der Fortsatz wieder zurück.

Doch wie in jedem Kabelnetz käme es auch in den Nervenleitungen schnell zu Überlastungen, wenn die Datenübertragung nicht an manchen Stellen oder zu manchen Zeiten eingeschränkt würde. So gibt es neben den flexiblen Fortsatz-Kontakten, die den Datenaustausch fördern, andere Kontakte, die den Informationsfluss hemmen. Wie diese hemmenden Kontakte entstehen, war bislang jedoch völlig unklar.

Rotes Licht für den Informationsfluss

Während sich die informationsfördernden Synapsen an den Enden der auswachsenden Fortsätze befinden, sitzen hemmende Synapsen direkt auf dem „Schaft“ der Dendriten. Solch eine Schaft-Synapse kann entstehen, wenn sich ein Dendrit und das Axon einer anderen Nervenzelle berühren. Bisher nahmen die Wissenschaftler an, dass Nervenzellen auch bei diesen hemmenden Verbindungen erst suchende Fortsätze ausschicken, um die beste Stelle für eine Schaft-Synapse zu finden. Doch diese Annahme wurde nun von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Neurobiologie widerlegt. Bei ihren Beobachtungen entstanden hemmende Synapsen nur dort, wo bereits ein physischer Kontakt zwischen einem Dendriten und dem Axon einer anderen Nervenzelle bestand.

Festgelegt und doch anpassungsfähig

Diese Beschränkung auf bereits vorhandene Kontaktstellen könnte jedoch problematisch sein: Im Gegensatz zu den beweglichen Fortsätzen können weder die Dendriten noch das Axon einer Nervenzelle ihre Position nach vollendeter Gehirnentwicklung ändern. Somit sind die möglichen Stellen für hemmende Schaft-Synapsen im erwachsenen Gehirn auf bereits vorhandene Überkreuzungen von Dendriten und Axone begrenzt. Gibt es hier also keinen Spielraum für die sonst so wichtige Flexibilität der Nervenkontakte?

Doch das Gehirn beweist auch hier Anpassungsfähigkeit. Denn nur an ungefähr 40 Prozent der Überkreuzungen von Dendriten und Axonen gab es auch eine Synapse: „Je nach Bedarf können hemmende Synapsen an noch freien Überkreuzungen aufgebaut und auch wieder entfernt werden“, erklärt Corette Wierenga ihre Beobachtungen. Schaft-Synapsen können dabei genauso schnell wie Fortsatz-Synapsen auf- und auch wieder abgebaut werden, also im Zeitraum von wenigen Minuten bis Stunden – so ein weiteres Ergebnis der Max-Planck-Forscher. So kann das Gehirn schnell reagieren, wenn es nötig wird, den Informationsfluss von einem bestimmten Dendriten zu hemmen. Als nächstes wollen die Wissenschaftler klären, inwieweit der Auf- und Abbau der hemmenden Synapsen durch die Aktivität des Gehirns beeinflusst wird.

Originalveröffentlichung:

Corette J. Wierenga, Nadine Becker, Tobias Bonhoeffer
GABAergic synapses are formed without the involvement of dendritic protrusions
Nature Neuroscience, 24. August 2008