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Versuch und Irrtum: Gehirn lernt mit Fehlern

09.02.2011
In jedem Gehirn werden im Laufe seiner Entwicklung zahlreiche Nervenverbindungen geknüpft, die sich als falsch erweisen und anschliessend wieder gekappt werden müssen. Die Ausbildung von neuronalen Netzwerken ist also nicht immer zielgerichtet und fehlerfrei.

Das konnte die Forschergruppe von Prof. Peter Scheiffele am Biozentrum der Universität Basel jetzt am Beispiel sogenannter Moosfaser-Nervenzellen nachweisen. Verantwortlich für die Fehlerbehebung ist ein Protein, das Forscher ursprünglich im Zusammenhang mit Prozessen bei der Knochenbildung kannten. Die Forschungsergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe des US-Journals PLoS Biology veröffentlicht.


Verknüpfung zwischen Moosfaser-Nervenzellen (grün) und Purkinje-Nervenzellen (rot) während der Hirnreifung.


Zwei Wochen später im gereiften Stadium: Verknüpfung zwischen Moosfaser-Nervenzellen (grün) und Purkinje-Nervenzellen (rot) sind eliminiert.
(Bilder: Scheiffele)

Die Erforschung der Gehirnentwicklung sowie seiner Mechanismen in der Ausbildung von neuronalen Netzwerken spielen eine entscheidende Rolle im Verständnis sowie der Behandlung von neuronalen Krankheiten wie Autismus, Schizophrenie oder Epilepsie. „Wenn falsche Verknüpfungen zwischen Nervenzellen im Gehirn nicht anschliessend wieder eliminiert werden, kann dies zu erheblichen Störungen im Gehirn führen. Auch Autismus könnte mit dieser Form der ausbleibenden Fehlerkorrektur in Verbindung stehen", so Scheiffele.

Jede Nervenzelle muss sich im Laufe der Gehirnentwicklung mit bestimmten Partner-Nervenzellen verknüpfen, um ein leistungsfähiges Nervennetzwerk auszubilden. Moosfaser-Nervenzellen sind eine Gruppe von Nervenzellen des Kleinhirns, deren Ziel es ist, eine synaptische Verbindung zu sogenannten Körner-Nervenzellen herzustellen. Wie die Forscher jetzt zeigen konnten, verbinden sich im Zuge der Gehirnentwicklung diese Moosfaser-Nervenzellen oftmals mit sogenannten Purkinje-Nervenzellen. Diese Verbindungen sind jedoch in einem entwickelten Gehirn nicht vorgesehen und werden innerhalb einer Woche wieder getrennt.

Knochenprotein macht Fehlerkorrektur im Gehirn

Zuständig für die Fehlerbehebung ist das Protein BMP4, das die Auflösung der zuvor geschaffenen Verbindung einleitet. Ursprünglich wurde BMP4 mit der Spezialisierung von Zellen bei der Knochenbildung in Zusammenhang gebracht. Dass das Protein auch für die Stabilität bzw. den Abbruch von neuronalen Verbindungen verantwortlich ist, wusste man bisher nicht.

Zeigen konnte die Forschergruppe des Biozentrums ihre Ergebnisse am Beispiel von Mäusen. Mit Hilfe eines fluoreszierenden Proteins können Nervenverbindungen angefärbt und im Lichtmikroskop sichtbar gemacht werden. Veränderungen in der neuronalen Verknüpfung von Nervenzellen lassen sich so im Gehirn nachverfolgen. Dabei konnten die Forscher beobachten, wie Nervenverbindungen zwischen Moosfaserzellen und Purkinjezellen zunächst aufgebaut, durch das Protein BMP4 jedoch wieder eliminiert werden. „Die Ereignisse lassen sich auch auf die Entwicklung des menschlichen Gehirns übertragen und könnten für die weitere Hirnforschung eine wichtige Rolle spielen“, so Scheiffele.

Fehler sind Programm

Das Gehirn ist ein hochkomplexes Vernetzungssystem, in dem Tausende unterschiedlicher Nervenzellen neuronale Verbindungen, sogenannte synaptische Verknüpfungen, mit anderen Nervenzellen eingehen. Dabei bilden die Nervenzellen sogenannte Axone, faserförmige Fortsätze, die in verschiedene Gehirnregionen hineinwachsen, um dort Verknüpfungen zu anderen Nervenzellen herzustellen.

Das Gehirn unterliegt im Laufe eines Lebens drastischen Veränderungen. Während die neuronalen Verknüpfungen im Gehirn eines Neugeborenen noch relativ unspezifisch sind, steigert sich die Selektivität der neuronalen Verbindungen fortlaufend. Kurz: Das Gehirn lernt. Das Aufkommen dieser fehlerhaften transienten Verbindungen könnte Teil dieses Lernprozesses sein. Die Frage, welchen Vorteil diese nur für kurze Zeit bestehenden Verbindungen zwischen Nervenzellen für die Gehirnentwicklung bedeutet, wird in der weiteren Forschungsarbeit Scheiffeles nun im Vordergrund stehen.

Originalbeitrag
Anna Kalinovsky Fatiha Boukhtouche, Richard Blazeski, Caroline Bornmann, Noboru Suzuki, Carol A. Mason, Peter Scheiffele
Development of Axon-Target Specificity of Ponto-Cerebellar Afferents
PLoS Biology, published 08 Feb 2011, 10.1371/journal.pbio.1001013
Weitere Auskünfte
Prof. Dr. Peter Scheiffele, Departement Biozentrum der Universität Basel, Abteilung Neurobiologie, Klingelbergstrasse 50/70, 4056 Basel, Tel. +41 61 267 21 94, E-Mail: peter.scheiffele@unibas.ch
Heike Sacher, Public Relations, Departement Biozentrum der Universität Basel, Klingelbergstrasse 50/70, 4056 Basel,

Tel. +41 61 267 14 49, E-Mail heike.sacher@unibas.ch

Hans Syfrig Fongione | Universität Basel
Weitere Informationen:
http://www.unibas.ch

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