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Gedächtnisforschung: Hemmender Botenstoff am Lernprozess beteiligt


Honigbienen lernen sehr schnell und haben ein hervorragendes Gedächtnis. Daher sind sie als Modellorganismen für die Forschung interessant. Da die Lernprozesse beim Menschen ähnlich ablaufen, können Erkenntnisse aus der Bienenforschung übertragen werden. Wissenschaftler der Saar-Uni haben nun erstmals an Nervenzellen von Bienen experimentell belegt, dass der Neurotransmitter Gamma-Aminobuttersäure (GABA) eine bedeutende Rolle bei Lernprozessen spielt. GABA ist einer der wichtigsten hemmenden Botenstoffe im Gehirn und spielt unter anderem bei Krankheiten wie Alzheimer und Epilepsie eine Rolle. Die Studie wurde in der renommierten Fachzeitschrift „Journal of Neuroscience“ veröffentlicht.
Mit einem Gehirn kleiner als ein Stecknadelkopf und mit weniger als einer Million Nervenzellen können sich Bienen hervorragend in der Umgebung orientieren und lernen, wo für sie wichtige Futterquellen liegen. Hierbei verknüpft ihr Nervensystem spezifische Informationen wie Düfte, Farben und Landmarken mit einer Belohnung in Form von Nektar. Dies wird im Gedächtnis gespeichert, sodass die Biene die Futterstelle auch Tage später wiederfindet.
„Bei diesen Lernprozessen spielen chemische Botenstoffe eine wichtige Rolle“, sagt Uli Müller, Professor für Zoologie und Physiologie an der Universität des Saarlandes. „Diese Neurotransmitter übermitteln Informationen zwischen Nervenzellen, wobei zwischen erregenden und hemmenden Transmittern unterschieden wird.“ Ein erregender Botenstoff wie Acetylcholin (ACh) aktiviert die nächste Nervenzelle, während ein hemmender Transmitter wie GABA die Signalübermittlung herunterregelt. Kommen nun zwei Reize wenige Millisekunden hintereinander an einer Nervenzelle an, „verrechnet“ die Zelle diese miteinander. So kann das Signal bei der Verrechnung zweier Reize besonders verstärkt oder abgemildert werden, je nachdem, welche Transmitter beteiligt sind.
Kommt es bei der Reizweiterleitung zu Änderungen, sind Nervenzellen in der Lage, darauf zu reagieren – eine Eigenschaft, die Fachleute als neuronale Plastizität bezeichnen. Sie ist maßgebend für das Lernen und die Gedächtnisbildung.
„Beim Lernen spielt die zeitliche Abfolge der Informationen, also etwa die zeitliche Paarung von Duft und der anschließenden Nektarbelohnung, eine entscheidende Rolle“, so Müller weiter. „Bei bisherigen Untersuchungen von Lernprozessen stand vor allem die zeitliche Verrechnung von erregenden Neurotransmittern im Fokus. Obwohl bekannt war, dass der hemmende Neurotransmitter GABA beim Lernen eine Rolle spielt, wurde er nicht mit diesen Prozessen in Verbindung gebracht.“

Dies ist nun erstmals Müller und seinem Mitarbeiter Davide Raccuglia in ihrer aktuellen Studie gelungen. Die Biologen haben die für das Lernen bei Insekten verantwortlichen Nervenzellen, die Kenyonzellen, isoliert und die zeitliche Verrechnung bei erregenden und hemmenden Botenstoffen untersucht. Dazu haben die Forscher die Zellen von Honigbienen und Fruchtfliegen zuerst mit dem erregenden Transmitter ACh und Sekunden später mit dem hemmenden Botenstoff GABA als auch in umgekehrter Reihenfolge stimuliert. Zur Kontrolle haben sie die Versuche jeweils nur mit dem hemmenden oder dem erregenden Botenstoff durchgeführt. Anschließend haben sie gemessen, ob sich die Signalverarbeitung der Zellen verändert hat.
„Wir haben beobachtet, dass es bei der Stimulation mit beiden Transmittern im Gegensatz zu den Kontrollversuchen noch Minuten später zu Änderungen in der Signalverarbeitung der Kenyonzellen kommt“, sagt der Neurobiologe. Durch diese zeitliche Verrechnung haben die Zellen, so Müller weiter, ein „molekulares Gedächtnis“ gebildet. Dabei hänge das Ausmaß dieser Änderungen davon ab, welcher Transmitter zuerst stimuliert und wie viele Rezeptoren die Zellen für den Neurotransmitter GABA besitzen.
Folgestudien müssen jetzt klären, welche Rolle GABA-Rezeptoren bei der Signalverrechnung beim Lernen genau spielen und ob diese beispielsweise mit Krankheiten wie Alzheimer in Zusammenhang stehen. GABA ist einer der wichtigsten Botenstoffe des menschlichen Zentralnervensystems. Er wird auch mit weiteren neurologischen Krankheiten wie Epilepsie in Verbindung gebracht.
Die Studie wurde in der Fachzeitung „Journal of Neuroscience“
veröffentlicht:
„Temporal Integration of Cholinergic and GABAergic Inputs in Isolated Insect Mushroom Body Neurons Exposes Pairing-Specific Signal Processing”.  DOI: 10.1523/JNEUROSCI.0714-14.2014

Wissenschaftliches Rätsel: Phänomenale Gedächtnisleistungen von Inselbegabten

Video: Gedaechtnis Giganten

»Solange wir das Savant-Syndrom nicht erklären können, können wir uns selbst nicht erklären«, meint Professor Darold Treffert, Chef der psychiatrischen Abteilung am St. Agnes Hospital in Fond du Lac (Wisconsin). Er ist seit mehr als 40 Jahren damit beschäftigt, inselbegabte Menschen, wie die Savants auch genannt werden, zu untersuchen. Inselbegabte sind oft behindert und hilfsbedürftig, verblüffen aber mit einem unglaublichen Gedächtnis, phänomenalen Rechenleistungen oder genialen künstlerischen Werken. Erklärungsversuche für Inselbegabung und Bewusstsein gibt es, aber können sie auch überzeugen?

Einer der alle anderen Inselbegabten übertrifft, ist Kim Peek. Schätzungsweise zwei Millionen Menschen haben ihn bei seinen öffentlichen Auftritten an Universitäten bestaunt. Kim hat sich den Inhalt von 7600 Sachbüchern Wort für Wort gemerkt. Dazu kennt er Detailinformationen ganzer Regionen: alle Städte, alle Straßen, alle Fahrpläne, dazu jeden Namen mit Adresse und Telefonnummer aus allen Telefonbüchern, die ihm jemals in die Hände gekommen sind. Nur mit Romanen fängt er nichts an. Dagegen ist für ihn die Wiedergabe der Baseball-Ergebnisse der letzten 40 Jahre und der Daten der meisten klassischen Musikstücke, wie Erstaufführung, Komponist oder Geburtsort des Komponisten eine leichte Übung. Aber wenn Kim sich selbst anziehen soll oder die Schuhe zubinden, dann scheitert er.

Kims Kopf ist von Geburt um ein Drittel größer, als der normaler Menschen. Eine enzephalografische Untersuchung zeigt aber in der Mitte seines Gehirns eine gähnende Leere. Ihm fehlt die Verbindung beider Hirnhälften und sein Kleinhirn ist verkümmert. Dagegen ist seine Leistung beim »Scannen« von Büchern, wie er es nennt, mehr als olympiareif. Er zieht beispielsweise die Telefonbücher ganz nah an seinen Augen vorbei. Die linke Seite am linken, die rechte am rechten Auge. So schafft er es, acht Seiten in 53 Sekunden zu scannen. Das sind weniger als 7 Sekunden pro Seite und ist damit schneller als der Scanner am heimischen PC. Wenn man glaubt, so schnell kann sich kein Mensch den Seiteninhalt merken, täuscht man sich. Kim kann es und er vergisst fast nichts.

»Kein Modell über Gehirnfunktionen ist komplett, bevor es nicht Kim mit einbezieht«, sagt Professor Treffert. Aber wie kann man die Leistungen der Inselbegabten erklären? Der Prozess der Signalübertragung im Gehirn funktioniert mithilfe von Nervenzellen. Diese nutzen eine Kombination aus elektrischen und chemischen Signalen, um miteinander zu kommunizieren. Wenn eine Zelle ihre elektrische Spannung ändert, führt das zur Freisetzung chemischer Botenstoffe. Diese wirken auf die nachfolgende Zelle ein. Daraufhin reagiert die nachfolgende Zelle ebenfalls mit einer Spannungsänderung und Freisetzung von Botenstoffen. Durch die Nutzung der chemischen Botenstoffe ist das ein schneckengleicher Prozess und nicht zu vergleichen mit der Hochgeschwindigkeit der Prozessoren heutiger Heimcomputer.

Den meisten Inselbegabten scheint eine gewisse Schädigung der linken Gehirnhälfte gemeinsam zu sein. Möglicherweise gibt es deshalb eine Überkompensation durch die rechte Gehirnhälfte, die für künstlerische, visuelle Fähigkeiten und konkrete Fakten zuständig ist. Was eine Überkompensation aber nicht zu erklären vermag, ist die hohe Geschwindigkeit der Gedächtnisleistungen eines Kim Peek. Und wenn man schon eine vollständige Erklärung für die Gehirnfunktion haben will, dann kann man das Bewusstsein nicht außen vor lassen. Denn eines scheint sicher: Ohne Bewusstsein wäre keine der Geistesleistungen der Inselbegabten möglich.

Als interdisziplinäre Arbeitsrichtung von Biologie und der Physik gehört es zum Aufgabenbereich der Quantenbiologie, geeignete quantenmechanische Erklärungsmodelle für die Gehirnfunktionen und Bewusstsein zu finden. Zu den bisherigen Erfolgen der Quantenbiologie zählt die Erklärung des Sehprozesses. Danach ist Sehen ein rein quantenmechanischer Prozess. Die Lichtteilchen (Photonen), die ins Auge fallen, werden von den zahlreichen Elektronen innerhalb der Netzhaut absorbiert. Das löst eine biochemische Kettenreaktion aus, die am Ende zu einem elektrischen Signal führt, welches im Gehirn weiterverarbeitet wird.

Was für die Erklärung des Sehprozesses vollbracht wurde, ist für die Beschreibung der Gehirnfunktion erst ansatzweise in Sicht. Zu sehr haben sich klassische Erklärungsmodelle ohne Quantenmechanik in den Köpfen der Forscher festgesetzt, als dass von heute auf morgen eine Änderung möglich wäre. Lieber werden unerklärliche Messwerte als sogenannte Messfehler in Kauf genommen, als dass vom klassischen Modell abgewichen wird. Ein Beispiel für eine klassische, aber falsche Erklärung ist das, was in dtv-Lexikon der Physik aus dem Jahre 1970 über die Elektrolyse (z. B. Wasserspaltung) steht: » […] Die Stromleitung innerhalb des Elektrolyten besteht in der Wanderung der positiven und negativen Ionen, die unter dem Einfluss des elektrischen Feldes zu den Elektroden gelangen […]«

Wenn alle Ionen, d. h. also elektrisch geladene Atome oder Moleküle sich tatsächlich einen Weg durch den flüssigen Elektrolyten bahnen müssten, wäre die hohe Effizienz des Vorgangs nicht zu erklären. Zumindest bei der Wasserspaltung stimmt die klassische Erklärung nicht, wie Jan Sperling in seiner Dissertation 1999 an der Freien Universität Berlin nachwies: »Es besteht keine Möglichkeit, die anomalen Abweichungen der Messwerte […] klassisch widerspruchslos zu erklären. Dagegen ist, unter Einbeziehung von Quantenkorrelation […] ein direkter Zusammenhang […] ableitbar.«

Ist aber die Quantenmechanik und Quantenbiologie einschließlich ihrer unerklärlichen ‘spukhaften Fernwirkung’, wie Albert Einstein die Quantenkorrelation bezeichnete, tatsächlich die letzte Erklärungsebene für Gehirnfunktionen und Bewusstsein, so wie im 19. Jahrhundert die angeblich unteilbaren Atome eine letzte Erklärungsebene für die physikalische Welt waren? Quantenmechanik ist in Wirklichkeit nur ein abstrakter mathematischer Formalismus, wenn auch dessen Vorhersagen beeindruckend gut bestätigt werden. Aber möchte man einem Formalismus tatsächlich den Status der letzten physikalischen Erklärungsebene zugestehen? Der Autor und Verfasser des Sachbuchs Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen beantwortet die Frage, indem er eine weitere Erklärungsebene hinzufügt. Für ihn sind es Bewusstseinseinheiten, welche die letzte physikalische Erklärungsebene darstellen: »Bewusstsein ist der fundamentale Baustein von allem was existiert«. Auf der Basis dieser Bewusstseinseinheiten beschreibt er das ‘wahre Gesicht der Wirklichkeit’. So kommt man zu dem Schluss, dass die Quantenbiologie zwar die richtige wissenschaftliche Disziplin ist, um ein komplettes Modell der Gehirnfunktionen und des Bewusstseins zu liefern, dass dieses Modell aber noch einer weiteren physikalischen Erklärungsebene bedarf, wenn man sich nicht mit einem rein mathematischen Formalismus als Erklärung zufriedengeben möchte.