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Funktioniert unser Langzeitgedächtnis digital?

Der Hippocampus ist eine Struktur im Gehirn, die maßgeblich dafür verantwortlich ist, dass wir uns längerfristig erinnern. Personen, deren Hippocampus zerstört ist, vergessen umgehend Situationen, die sie gerade erlebt haben, oder Mitmenschen, die sie kurz zuvor gesehen haben. „Bisher nahmen wir an, dass die Informationsspeicherung im Hippocampus von der Stärke der dortigen Nervenzellverbindungen, den Synapsen, abhängig ist“, sagt Prof. Dr. Thomas Oertner, Direktor des Instituts für Synaptische Physiologie am ZMNH. Synapsen sind die Strukturen, mit denen eine Nervenzelle in Kontakt zu einer anderen Zelle, etwa einer Sinnes-, Muskel-, Drüsen- oder Nervenzelle steht. Sie dienen der Übertragung von Informationen und spielen eine wichtige Rolle bei deren Speicherung. Für ein funktionierendes Langzeitgedächtnis, so die gängige Lehrmeinung, müssen die Zellverbindungen stark sein und unbegrenzt stabil bleiben. Dieser Prozess wird als „long-term plasticity“ bezeichnet und ist seit mehreren Jahren ein zentrales Thema der neurobiologischen Forschung.

Das Team um Prof. Oertner ist jetzt zu neuen, anderen Ergebnissen gekommen. Mit experimentellen Tricks beeinflussten sie synaptische Verbindungen so, dass diese Informations-Autobahnen quasi in Tempo 30-Zonen umgewandelt wurden. „Wir haben die Stärke der Synapsen drastisch reduziert und die Zellverbindungen dann weiter beobachtet“, erläutert Prof. Oertner. Das Ergebnis nach sieben Tagen war verblüffend. „50 Prozent der manipulierten Synapsen lösten sich auf, die anderen 50 Prozent kehrten in den Ausgangszustand zurück“, sagt Dr. Simon Wiegert aus dem ZMNH, Erstautor der jetzt veröffentlichten Studie. „Eine stabile Langzeitveränderung der Synapsen gibt es offenbar nicht. Demnach muss das Langzeitgedächtnis auch anders als bislang angenommen funktionieren.“

Die Studie legt den Wissenschaftlern zufolge den Schluss nahe, dass das Gehirn ähnliche Strategien wie ein digitaler Computer verwendet, um Informationen über lange Zeiträume zu speichern. Dabei speichert der Hippocampus zunächst Information in „analoger“ Form, indem die Stärke der Synapsen verändert wird. Doch dieser Zustand ist instabil. Nach wenigen Tagen wird diese analoge Speicherung durch eine „digitale“ Form der Speicherung ersetzt – einige Synapsen fallen aus, andere kehren in den Ausgangszustand zurück. „Digitale Speicherung ist wesentlich weniger anfällig für langsamen Zerfall. Das könnte erklären, wieso wir uns an Schlüsselerlebnisse aus Kindheit und Jugend bis ins hohe Altern erinnern“, so Dr. Wiegert.

Für ihre Arbeit nutzen die Grundlagenforscher ein sogenanntes Zwei-Photonen-Mikroskop, um funktionelle Messungen an einzelnen Synapsen in intaktem Gewebe durchzuführen. Diese neue Technik erlaubt es den UKE-Wissenschaftlern erstmals, Nervenzellen im Labor über mehrere Tage hinweg kontinuierlich bei der Arbeit zu beobachten. (Quelle: idw)

Literatur:
J. Simon Wiegert and Thomas G. Oertner: Long-term depression triggers the selective elimination of weakly integrated synapses. PNAS 2013 ; published ahead of print November 4, 2013.

J. Simon Wiegert and Thomas G. Oertner (2011) Dendritische Spines: Dynamische Bausteine des Gedächtnisses. Neuroforum 1/11: 12-20.

Synthetisches Bewusstsein: Wie Bewusstsein funktioniert und Roboter damit ausgestattet werden können

Arterienverkalkung: Hilft Pizza dagegen?

(idw). Oregano gibt nicht nur der Pizza ihren typischen Geschmack. Das Gewürz enthält auch eine Substanz, die unter anderem gegen Entzündungen zu helfen scheint. Das haben Forscher der Universität Bonn und der ETH Zürich herausgefunden. Sie verabreichten den Wirkstoff namens Beta-Caryophyllen (E-BCP) Mäusen, die eine entzündete Pfote hatten. In sieben von zehn Fällen besserten sich daraufhin die Symptome. Möglicherweise lässt sich E-BCB auch gegen Erkrankungen wie Osteoporose oder Arterienverkalkung einsetzen. Die Studie erscheint am Montag, 23. Juni, in den “Proceedings of the National Academy of Sciences” (PNAS).
E-BCP ist ein typischer Inhaltsstoff vieler Gewürz- und Nahrungspflanzen. So kommt die Substanz unter anderem auch in Basilikum, Rosmarin, Zimt und schwarzem Pfeffer vor. Mit unserer Nahrung nehmen wir täglich bis zu 200 Milligramm des ringförmigen Moleküls auf.

Unbekannt war bislang, dass es im Körper segensreiche Wirkungen entfalten kann: “Nach unseren Ergebnissen ist E-BCP entzündungshemmend”, erklärt Professor Dr. Andreas Zimmer vom Bonner Life&Brain-Zentrum. “Aber nicht nur das: Experimente an Mäusen haben gezeigt, dass die Substanz sogar bei Osteoporose wirksam ist.”

Beta-Caryophyllen dockt spezifisch an bestimmte Empfänger-Strukturen in der Zellmembran an, die so genannten Cannabinoid-CB2-Rezeptoren. Dadurch verändert sich das Verhalten der Zelle: Sie schüttet dann beispielsweise weniger entzündungsfördernde Signalstoffe aus. “Wir haben Mäuse, die unter einer entzündlichen Schwellung der Pfote litten, mit E-BCP behandelt”, erläutert Dr. Jürg Gertsch von der ETH Zürich. “In bis zu 70 Prozent der Fälle klang die Schwellung daraufhin ab.”

Pizza macht nicht high

Damit könnte E-BCP als Ausgangspunkt für neue Medikamente in Frage kommen. Besonders attraktiv für Pharmaforscher ist dabei, dass die Substanz in der Natur so häufig vorkommt. Dazu gesellt sich aber noch ein zweiter Vorteil: Beta-Caryophyllen hat im Gegensatz zu anderen Substanzen, die auf den CB2-Rezeptor wirken, keine berauschende Wirkung.

Der CB2-Rezeptor hat nämlich einen “Bruder” namens CB1, der vor allem Drogenforschern ein Begriff ist. CB1 kommt unter anderem in den Nervenzellen des Gehirns vor. An ihn können beispielsweise bestimmte Inhaltstoffe der Hanfpflanze andocken. Was dann passiert, wissen Marihuana-Konsumenten allzu genau.

CB1 und CB2 sind zwar keine Zwillinge, aber doch sehr eng verwandt. Substanzen, die CB2 stimulieren, wirken daher oft auch berauschend. Anders E-BCP: Es ist der erste bekannte natürliche Wirkstoff, der spezifisch an CB2 bindet und nicht an CB1 – deshalb macht Pizza auch nicht high.

Beide Rezeptoren sind Teil des so genannten Endocannabinoid-Systems. Forscher schreiben ihm mehr und mehr eine wichtige Rolle bei verschiedenen Erkrankungen zu: Läuft es aus dem Ruder, können vermutlich Herzkrankheiten, Allergien, chronische Schmerzen oder auch Gedächtnisstörungen die Folge sein. “Endocannabinoide sind Substanzen, die der Körper selbst bildet und die ihn im Gleichgewicht halten”, erklärt Zimmer. So wirken sie bei einer Entzündung wie ein Tritt auf die Bremse: Sie verhindern, dass das Immunsystem zu viel des Guten tut und Abwehrreaktion außer Kontrolle gerät.

Auch chronische Störungen wie Morbus Crohn – eine Entzündung des Darmtrakts – lassen sich vielleicht mit E-BCP in den Griff bekommen. “Die Verbindung könnte ein wichtiger Faktor in der Ernährung sein, um derartige Zivilisationskrankungen zu bremsen”, vermutet Dr. Jürg Gertsch. Wer künftig alle Speisen mit Oregano würzt, lebt damit aber trotzdem nicht unbedingt gesünder. “Das Endocannabinoidsystem kommt dann zum Zuge, wenn bei Stoffwechselprozessen das Gleichgewicht gestört ist”, sagt Professor Zimmer. “Es ist ähnlich wie mit Antidepressiva: Die helfen zwar bei Depressionen. Ein Gesunder bekommt durch sie aber keine bessere Laune.”