Ob wir Fahrradfahren lernen, uns Namen merken oder neue Bewegungen einstudieren – unser Gehirn passt sich ständig an. Doch wie genau das auf Ebene der Nervenzellen funktioniert, war bislang schwer zu beobachten. Forschende des Carl-Ludwig-Instituts für Physiologie der Universität Leipzig haben nun zusammen mit Kollegen der Johns Hopkins University in den USA einen wichtigen Durchbruch erzielt. Sie können erstmals direkt beobachten, wie Nervenzellen beim Lernen arbeiten.
Die Wissenschaftler nutzen dafür eine Technik mit dem Namen "zap-and-freeze". Dabei werden Nervenzellen elektrisch gereizt und wenige Millisekunden später schockgefroren. So lassen sich Bewegungen winziger Zellbestandteile unter dem Elektronenmikroskop festhalten. Die Methode gab es bereits für gezüchtete Nervenzellen im Labor. Neu ist, dass sie jetzt auch bei intaktem Hirngewebe funktioniert – sowohl bei Mäusen als auch bei Menschen.
Botenstoffe werden recycelt
Die Forschenden untersuchten zunächst Gehirnproben von Mäusen. Sie beobachteten, wie kleine Bläschen in den Nervenzellen Botenstoffe freisetzen und dann wiederverwertet werden. Diese sogenannten Vesikel sind entscheidend dafür, dass Informationen von Zelle zu Zelle weitergeleitet werden. Ohne sie funktionieren weder Lernen noch Gedächtnisbildung.
Dann wendeten die Forschenden die Methode auf menschliches Hirngewebe an. Das Ergebnis überraschte sie positiv. Der Ablauf war derselbe wie bei Mäusen. In beiden Fällen fanden sie das Protein Dynamin1xA an den Stellen, wo die Vesikel recycelt werden. "Damit konnten wir erstmals direkt verfolgen, wie sich nach der Freisetzung von Nervenbotenstoffen die Zellmembran im menschlichen Gehirn schnell wieder erneuert", sagt Dr. Kristina Lippmann vom Carl-Ludwig-Institut der Universität Leipzig. Sie fügt hinzu, dass man mit dieser Methode die Gehirnzellen quasi beim Lernen beobachten könne.
Wichtig für Forschung zu Alter und Krankheiten
Am Carl-Ludwig-Institut in Leipzig spielten die Erfahrungen mit speziellen Mikroskopietechniken eine wichtige Rolle. Die Forschenden dort haben die Methode für Hirnschnitte angepasst und verfeinert. Sie fanden heraus, dass die Technik besonders gut geeignet ist, um bestimmte Nervenfasern zu stimulieren. Dabei konnten sie auch nachweisen, dass sich ein wichtiger Lernmechanismus auslösen lässt.
Künftig wollen die Wissenschaftler mit der Technik untersuchen, wie das Kleinhirn funktioniert. Dieser Hirnteil steuert unsere Bewegungen. Die Erkenntnisse könnten helfen zu verstehen, wie sich das Gehirn im Alter verändert oder was bei Krankheiten schiefläuft. Die Ergebnisse der Studie wurden im renommierten Fachjournal Neuron veröffentlicht.
