Neurobiologie des Lernens. Hebb Postulat Die synaptische Verbindung von zwei gleichzeitig erregten Zellen wird verstärkt

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Käthe Bauer
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1 Neurobiologie des Lernens Hebb Postulat 1949 Die synaptische Verbindung von zwei gleichzeitig erregten Zellen wird verstärkt Bliss & Lomo fanden 1973 langdauernde Veränderungen der synaptischen Aktivität, im Hippocampus des Kaninchens, wenn der Erregungsablauf dem Postulat von Hebb entsprach: Long term potentiation LTP Verantwortlich ist der NMDA-Rezeptor: N Methyl D Aspartat Rezeptor Maximale Erregung bei: 1) Bindung von Glutamat an den Rezeptor 2) Postsynaptischer Depolarisation [Massiver Einstrom von Ca ++ ] 1

2 Hinweise zur Stützung der LTP-Hypothese: LTP tritt in Strukturen auf, die für das Lernen relevant sind Substanzen, welche die Lernfähigkeit beeinflussen, wirken auch auf die LTP Mausmutanten mit verminderten LTPs haben Lernschwierigkeiten In Zusammenhang mit der LTP treten am NMDA-Rezeptor Veränderungen auf: Zunahme der Anzahl von Synapsen Veränderung ihrer Gestalt Vermehrung der postsynaptischen NMDA-Rezeptoren Eric Kandel, 1929 in Wien geboren, begann in den 60er Jahren über die Neurobiologie des Lernens zu arbeiten Die Meeresschnecke Aplysia [Seehase] besitzt nur rund Neuronen Die relativ grossen Neuronen können leicht Präpariert und sogar in vitro gehalten werden 2

3 Lernabhängige Veränderungen können untersucht werden Kandels Modell für Lernprozesse war der Kiemenrückziehreflex der Aplysia Das Motoneuron L 7 bewirkt eine rasche Kontraktion der Kieme Das Sipho-System besteht aus 24 sensorischen Neuronen, von denen ein Hautreiz 6 aktiviert. Diese leiten die Erregung an 6 Motoneuronen weiter, die den Kiemenrückziehreflex bewirken Modulatorische Schaltkreise im Gehirn: Ein Zusatzreiz [Schwanzstimulation] verstärkt die sensomotorische Verbindung durch präsynaptische serotonerge Aktivierung für kurze Zeit Das modulatorische Interneuron erhöht die Glutamatausschüttung der Synapse: Serotonin camp Proteinkinase A 3

4 Diese Kette konnte durch direkte Applikation von Serotonin, camp und Proteinkinase A nachgewiesen werden E. R. Kandel Nobelpreis 2000 The molecular biology of memory storage: A dialogue between gens and synapses. [Science 2001] Gewebekulturen für einfache Lernschaltkreise Grundlage kurzfristiger Behaltensleistungen ist eine erhöhte Transmitterausschüttung. Langfristige Behaltensleistungen beruhen auf der Neubildung von Synapsen Serotonin camp Proteinkinase A aktiviert das Protein CREB 1, welches die Genexpression aktiviert Serotonin camp MAF-Kinase aktiviert das Protein CREB 2, welches die Genexpression blockiert Die dadurch ausgelöste Genexpression führt zur Produktion von (ruhender) mrna Die molekularen Grundlagen von Kurz- und Langzeitbahnung CREB = camp Response Element-binding Protein 4

5 Die Frage, warum Wachstum nur an aktivierten Synapsen auftritt, konnte an verzweigten Axonen untersucht werden, an denen die Lenkung von Proteinen aufgeklärt wurde Nur an der Synapse, an welcher Serotonin appliziert wurde, treten Veränderungen auf Proteine werden zu allen Synapsen gesandt, doch nur an den stimulierten bilden sich neue Axonendigungen aus Durch Serotonin wird das prionartige Protein CPEB [Cytoplasmatic Polyadenylation Element-binding Protein] von der rezessiven in die dominante Form umgewandelt, welche die ruhende mrna aktiviert Neuronale Plastizität: Durch solche Umstrukturierungen kann sich sogar die Grösse von kortikalen Projektionsfeldern im Anschluss an Lernprozesse verändern [M. M. Merzenich 1990] Sensibilitätssteigerung der Mittelfinger durch mehrmonatiges Training Somatosensorische Repräsentation beim Nachtaffen [Owl Monkey] 5

6 Somatosensorische Areale der Fingerspitzen vor (li) und nach (re) dem Training Auch das Dogma der Zellkonstanz ist nicht mehr aufrecht, da Nervenzellen auch postnatal gebildet werden können, wie Fernando Nottebohm erstmals am Vogelhirn gezeigt hat. Solche Neubildungen finden auch im menschlichen Gehirn statt Die Neurogenese geht vom Ependym der Ventrikel aus Dabei werden die neugebildeten Nervenzellen von Gliafasern geleitet Neurotropine (Neural Growth Factor) steuern dieses Wachstum Eine grosse Zahl von Neuronen (~ 50%) geht durch Zelltod (Apoptose) wieder zugrunde Dabei tritt eine erhebliche Umbildung der synaptischen Verbindungen auf 6

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