Nervenzellen beim Lernen zugeschaut

Wissenschaftler vom Rudolf-Virchow-Zentrum der Universität Würzburg haben kleinste Strukturen von Nervenzellen der Fruchtfliege, die für Lernen und Gedächtnis zuständig sind, bei der Entwicklung unter dem Mikroskop beobachtet.

Sie konnten zeigen, dass der Umbau einzelner Proteine ein grundlegender Schritt bei Lernvorgängen und der Gedächtnisbildung ist. Gemeinsam mit Kollegen der Universität Göttingen und Leipzig veröffentlichen sie ihre Ergebnisse heute online in der renommierten Fachzeitschrift Nature Neuroscience. Sie liefern damit einen wichtigen Baustein für das Verständnis dieser Prozesse.

Erst seit einigen Jahren ist bekannt, dass unser Gehirn beim Lernen stark verändert wird. Ein ganzes Netzwerk an Nervenzellen ist daran beteiligt, das stark dynamisch ist. Nervenzellen werden aus- und umgebaut, neue Verbindungen geknüpft oder bereits vorhandene effizienter gemacht. Dabei wird jede einzelne Nervenzelle, die aus vielen Strukturen besteht, umgestaltet. Diese Prozesse sind bisher nur wenig verstanden, unter anderem deswegen, weil sie mit bisherigen Mikroskoptechniken im lebenden Organismus gar nicht sichtbar waren.

Wissenschaftler um Prof. Dr. Manfred Heckmann und Prof. Dr. Stephan Sigrist konnten jetzt direkt im lebenden Organismus beobachten, wie einzelne Bestandteile der Synapsen, der Kontaktstellen zwischen Nervenzellen, verändert werden.

Die Wissenschaftler untersuchten dazu Kontaktstellen bei Larven der Fruchtfliege. An diesen Kontaktstellen werden Signale von einer Nervenzelle auf die andere weitergeleitet. Dies geschieht dadurch, dass Proteine in der nachgeschalteten Zelle von der vorgeschalteten aktiviert werden und diese die Nervenzelle dann erregen. In der nachgeschalteten Zelle markierten die Forscher ganz bestimmte Proteine, die bei Nervenzellen für das Lernen und die Gedächtnisbildung zuständig sind: Glutamat-Rezeptoren. Untersuchungen im Reagenzglas deuteten bereits darauf hin, dass Glutamat-Rezeptoren beim Lernen vermehrt gebildet werden und auch kleinste Veränderungen im Aufbau der Rezeptoren bei dem Vorgang wichtig sind. Das wollten die Forscher nun im lebenden Organismus beobachten.

Veränderungen im Aufbau der Rezeptoren konnten die Forscher im Fluoreszenzmikroskop durch verschiedenfarbige Markierungen erkennen. Der Rezeptor besitzt verschiedene Bausteine, die er individuell verändern kann. Je nach Baustein ändert sich die Intensität, mit der ein Signal weitergeleitet wird. Die Forscher verfolgten die Entwicklung der Kontaktstellen über einen Zeitraum von 24 Stunden. Währenddessen konnten sie deutliche Veränderungen im Aufbau der Glutamat-Rezeptoren sehen. Zu Beginn der Entwicklung wird ein Subtyp in den Glutamat-Rezeptor eingebaut, der Signale besonders effektiv weiterleitet, am Ende ihrer Entwicklung wird er durch einen anderen ausgetauscht, der Signale weniger effektiv leitet. Dieser Prozess wird stark reguliert.

„Das macht Sinn. Zu Beginn der Entwicklung der Nervenzelle müssen wenige Rezeptoren jeweils sehr effektiv arbeiten. Mit der Zeit bilden sich an den Kontaktstellen immer mehr dieser Rezeptoren, die dann in Summe ein gleiches Signal mit weniger Intensität erreichen können. Ist das ankommende Signal groß genug, so wird nur noch der langsame Typ eingebaut. Das wird von der Zelle selbst reguliert,“ so Stephan Sigrist.

Die Ergebnisse sind auf den Menschen übertragbar, da wir ähnliche Rezeptoren besitzen und liefern einen wichtigen Baustein nicht nur zum Verständnis von Lernen und Gedächtnisprozessen. Auch zu biomedizinischen Fragestellungen: Wie Signale durch Glutamat-Rezeptoren weitergeleitet werden scheint bei Epilepsie, Schizophrenie und Alzheimer eine wichtige Rolle zu spielen.

„Activity-dependent site-specific changes of glutamate receptor composition in vivo“ A.Schmid, S. Hallermann, R.J. Kittel, O. Khorramshahi, A. Frölich, C. Quentin, T. Rasse, S. Mertel, M. Heckmann, S.J. Sigrist, 2008, Nature Neuroscience. Published online 11 May 2008; | doi:10.1038/nn.2122.

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Prof. Dr. Stephan Sigrist: stephan.sigrist@virchow.uni-wuerzburg.de