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Neue Theorie der Synapsenbildung im Gehirn

11.10.2013
Dem Jülicher Neuroinformatiker Dr. Markus Butz ist es gelungen, die Neuvernetzung im visuellen Kortex auf eine einfache homöostatische Regel zurückzuführen, wie sie auch vielen anderen selbstregulierenden Prozessen in der Natur zugrunde liegt.

Gemeinsam mit seinem Amsterdamer Kollegen Dr. Arjen van Ooyen liefert er damit zugleich eine neue Theorie für die Plastizität des Gehirns – und einen neuen Ansatz für das Verständnis von Lernvorgängen und die Therapie von Schädigungen und Erkrankungen des Gehirns.


Reorganisation im visuellen Kortex: vor (links), unmittelbar nach (Mitte) und in der späten Phase (rechts) nach Schädigung der Netzhaut. Die meisten Neurone in der Projektionszone des Netzhautschadens können infolge neu gebildeter Verbindungen zu Nachbarzellen wieder ihr ursprüngliches Aktivitätslevel erreichen. Die Farben im unteren Bildteil zeigen die Positionen in der Netzhaut an, von denen der Input stammt, auf den die Nervenzellen am stärksten reagieren.

PLOS Computational Biology (Creative Commons License / CC BY 2.5: http://creativecommons.org/licenses/by/2.5/)

Das menschliche Gehirn verändert sich ein Leben lang. Unablässig bilden sich neue Verbindungen aus, während unnütze Synapsen gekappt werden. Nach welchen Mechanismen, ist bisher kaum bekannt. Dem Jülicher Neuroinformatiker Dr. Markus Butz ist es nun gelungen, die Neuvernetzung im visuellen Kortex auf eine einfache homöostatische Regel zurückzuführen, wie sie auch vielen anderen selbstregulierenden Prozessen in der Natur zugrunde liegt. Gemeinsam mit seinem Amsterdamer Kollegen Dr. Arjen van Ooyen liefert er damit zugleich eine neue Theorie für die Plastizität des Gehirns – und einen neuen Ansatz für das Verständnis von Lernvorgängen und die Therapie von Schädigungen und Erkrankungen des Gehirns.

Das Gehirn erwachsener Menschen ist keineswegs fest verdrahtet. Das haben Wissenschaftler in den letzten Jahren mit verschiedenen bildgebenden Verfahren immer wieder festgestellt. Die sogenannte neuronale Plastizität spielt nicht nur eine Schlüsselrolle für das Lernen. Sie ermöglicht es dem Gehirn auch, sich von Schäden zu erholen und Funktionsverluste zu kompensieren. Noch relativ jung ist die Erkenntnis, dass sich auch im erwachsenen Gehirn nicht nur bestehende Synapsen anpassen, sondern sich darüber hinaus beständig neue Verbindungen aufbauen und reorganisieren. Bislang war jedoch nicht bekannt, wie diese natürlichen Umbauprozesse im Gehirn gesteuert werden. In der frei zugänglichen Fachzeitschrift PLOS Computational Biology stellen Butz und van Ooyen nun eine einfache Regel vor, die diese Neuvernetzung der Neurone erklären kann (DOI: 10.1371/journal.pcbi.1003259).

„Die sogenannte Strukturplastizität des Gehirns ist sehr wahrscheinlich die Basis für Langzeitgedächtnisbildung“, erläutert Markus Butz, seit wenigen Monaten im neugegründeten Simulation Laboratory Neuroscience des Jülich Supercomputing Centre (JSC) tätig. „Nicht nur beim Lernen, sondern insbesondere nach der Amputation von Körperteilen, Hirnverletzungen oder nach neurodegenerativen Erkrankungen oder Schlaganfällen bilden sich massiv neue Synapsen aus, um das Gehirn an die dauerhafte Veränderung der eingehenden Reize anzupassen.“

Aktivität reguliert Synapsenbidung
Triebkraft für die Neubildung von Synapsen ist demnach das Bestreben der Neurone, ein vorgegebenes elektrisches Aktivitätslevel einzuhalten. Fällt die durchschnittliche elektrische Aktivität unter einen bestimmten Wert, beginnt das Neuron, aktiv neue Kontaktstellen aufzubauen. Diese sind die Basis für neue Synapsen, die zusätzlichen Input liefern. Die Feuerrate steigt. Der Mechanismus greift auch umgekehrt: Sobald das Aktivitätslevel eine Obergrenze überschreitet, reduziert sich die Anzahl der synaptischen Verbindungen und steuert so einer übermäßigen Erregung entgegen. Die Feuerrate sinkt. Solche Formen der homöostatischen Regulierung sind in der Natur häufig anzutreffen, etwa bei der Thermoregulation oder dem Erhalt des Blutzuckerspiegels.

Ohne eine gewisse Erregung der Neurone geht es allerdings nicht, betont Markus Butz: „Eine Nervenzelle, die keine Reize mehr erhält, verliert noch zusätzlich Synapsen und stirbt nach einer gewissen Zeit ab. Diese Einschränkung müssen wir berücksichtigen, damit die Ergebnisse in unseren Simulationen mit den Beobachtungen übereinstimmen.“ Anhand des visuellen Kortex haben die Neurowissenschaftler im Detail untersucht, nach welchen Prinzipien sich Nervenzellen neu zusammenschließen und bestehende synaptische Verbindungen aufgeben. In diesem Hirnabschnitt erneuern sich kontinuierlich etwa zehn Prozent der Synapsen. Nach Schädigung der Netzhaut steigt diese Zahl noch deutlich an. Mithilfe von Computersimulationen gelang es den Autoren, diese Reorganisation der Neurone so zu rekonstruieren, wie sie sich experimentell im visuellen Kortex von Mäusen und Affen nach einer Schädigung der Netzhaut nachweisen ließ.

Der visuelle Kortex bietet sich zur Demonstration der Wachstumsregel an, weil er „retinotop“ aufgebaut ist. Das bedeutet, auf der Netzhaut (Retina) im Auge nebeneinander abgebildete Punkte liegen wie auf einer Karte auch als Projektion nebeneinander auf der Sehrinde. Werden Bereiche der Netzhaut beschädigt, verändert sich der Input der damit verbundenen Projektionszellen. „In unseren Simulationen lässt sich erkennen, dass sich diese Bereiche, die keinen Input mehr von der Netzhaut erhalten, zunehmend quer vernetzen, sodass sie vermehrt Signale von ihren Nachbarzellen aufnehmen“, erklärt Markus Butz. Die Querverbindungen nehmen dabei langsam von außen nach innen zu, ähnlich wie bei dem Schließen einer Wunde, bis das ursprüngliche Aktivitätslevel annähernd wiederhergestellt ist.

Synaptische und strukturelle Plastizität
„Mit der neuen Wachstumsregel lässt sich die strukturelle Plastizität auf ein ähnlich einfaches Prinzip zurückführen wie die synaptische Plastizität“, erläutert Mitautor Arjen van Ooyen, der bereits seit Jahrzehnten an Modellen für die Entwicklung von Nervennetzen forscht. Bereits 1949 hatte der Psychologieprofessor Donald Olding Hebb festgestellt, dass sich Verbindungen zwischen Neuronen, die sich häufig aktivieren, verstärken. Solche, die sich gegenseitig nur wenig beeinflussen, schwächen sich dagegen ab. Viele Wissenschaftler gehen heute davon aus, dass diese Hebbsche Regel eine zentrale Rolle für Lern- und Gedächtnisvorgänge spielt. Während die synaptische Plastizität in erster Linie kurzfristige Prozesse von der Dauer weniger Millisekunden bis zu mehreren Stunden umfasst, erstreckt sich die strukturelle Plastizität eher über größere Zeitskalen von mehreren Tage und Monaten.

Die Strukturplastizität ist daher gerade für die (Früh-)Rehabilitation neurologischer Patienten von zentraler Bedeutung, die ebenfalls über Wochen und Monate andauert. Wenn es gelingt, die Synapsenbildung korrekt vorauszuberechnen, so die große Vision, könnten sich daraus wertvolle Hinweise für die Therapie von Schlaganfall-Patienten ergeben. Mit dem Wissen, wie sich die Hirnstruktur eines Patienten im Verlauf der Therapie verändern und umformen wird, könnten Ärzte die optimalen Zeitpunkte für Stimulations- und Ruhephasen festlegen und so die Wirksamkeit der Therapie verbessern.

Neuer Ansatzpunkt für zahlreiche Anwendungen
„Bisher ist man davon ausgegangen, dass die Strukturplastizität ebenfalls der Hebbschen Plastizität folgt. Die aktuelle Arbeit legt nah, dass die Strukturplastizität eher einer homöostatischen Regel gehorcht, was bislang nicht berücksichtigt wurde“, hebt Prof. Abigail Morrison, Leiterin des Jülicher Simulation Labs Neuroscience, hervor. Ihr Team arbeitet bereits daran, die neue Regel in die frei verfügbare Simulationssoftware NEST zu integrieren, die von Wissenschaftlern weltweit vielfach genutzt wird.

Die Ergebnisse sind auch für das Human Brain Project von Bedeutung. Neurowissenschaftler, Ärzte, Informatiker, Physiker, Mathematiker und Computerspezialisten arbeiten darin europaweit zusammen, um das gesamte menschliche Gehirn auf Höchstleistungsrechnern der nächsten Generation zu simulieren und es auf diese Weise besser zu verstehen. „Aufgrund der komplizierten synaptischen Verschaltung des menschlichen Gehirns ist es unplausibel, dass es seine Fehlertoleranz und Flexibilität mit statischen Verbindungsregeln erreicht. Deshalb werden Modelle für einen Selbstorganisationsprozess benötigt“, erläutert Prof. Markus Diesmann vom Jülicher Institut für Neurowissenschaften und Medizin, der an dem Projekt beteiligt ist. Er leitet den Bereich Computational and Systems Neuroscience (INM-6), der an der Schnittstelle zwischen neurowissenschaftlicher Forschung und Simulationstechnologie angesiedelt ist.

Originalpublikation:
A simple rule for dendritic spine and axonal bouton formation can account for cortical reorganization after focal retinal lesions
Markus Butz, Arjen van Ooyen
PLoS Comput Biol (published online 10 October 2013); DOI: 10.1371/journal.pcbi.1003259

Article (frühestens verfügbar ab 10.10.2013, 23:00 Uhr): http://www.ploscompbiol.org/article/info:doi/10.1371/journal.pcbi.1003259

Weiterführende Informationen:
Jülich Supercomputing Centre (JSC), Simulation Laboratory Neuroscience: http://www.fz-juelich.de/ias/jsc/slns
Institut für Neurowissenschaften und Medizin, Computational and Systems Neuroscience (INM-6): http://www.fz-juelich.de/inm/inm-6/EN/Home/home_node.html
Butz M, Wörgötter F, van Ooyen A (2009) Activity-dependent structural plasticity. Brain Res Rev 60: 287-305: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0165017308001513
van Ooyen A (2011) Using theoretical models to analyse neural development. Nat Rev Neurosci 12: 311-326:

http://www.nature.com/nrn/journal/v12/n6/full/nrn3031.html?message=remove&type=access_denied

Ansprechpartner:
Dr. Markus Butz-Ostendorf, Jülich Supercomputing Centre (JSC)
Tel. 02461 61-3523
m.butz@fz-juelich.de
Pressekontakt:
Tobias Schlößer
Tel. 02461 61-4771
t.schloesser@fz-juelich.de

Annette Stettien | Forschungszentrum Jülich
Weitere Informationen:
http://www.fz-juelich.de

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