Neuroplastizität

Neuroplastizität oder neuronale Plastizität ist eine Eigenschaft von Synapsen, Nervenzellen oder auch ganzen Hirnarealen, sich in Abhängigkeit von ihrer Verwendung zu verändern. Je nach System spricht man z.B. auch von synaptischer Plastizität oder kortikaler Plastizität. Also ist auch das Gehirn eines Erwachsenen kein starr festgelegtes, fix verdrahtetes Organ, sondern bis ins hohe Alter veränderbar. Neue Erfahrungen und Eindrücke verändern die Architektur des Gehirns, bauen Verbindungen zwischen den Nervenzellen aus und lassen neue entstehen, wobei Brücken zu vorhandenem Wissen geschlagen wenig oder ungenutzte Verbindungen abgeschwächt werden. Ohne neuronale Plastizität wäre Lernen nicht möglich. Diese Anpassungsfähigkeit des Gehirns bzw. von Nervenzellen gründet auf die Forschungsarbeit des Psychologen Donald Olding Hebb. Bei der Veränderung der Gehirnstrukturen transportieren Neurotransmitter an der Synapse Signale zu einer anderen Nervenzelle, wo sie ein elektrisches Signal auslösen, das zum Zellkörper wandert und mit anderen Reizen verrechnet wird. Wird dabei ein Schwellenwert überschritten, wird das Signal über das Axon an die nächste Nervenzelle weitergegeben. Steigt die Anzahl der Synapsen und ihre Übertragungsstärke, kann das Hirn Informationen immer differenzierter verarbeiten. Beim Lernen bilden sich neue Nervenbahnen, und bestehende werden stärker mit Myelin überzogen, einer Schicht, die für eine erhöhte Leitungsgeschwindigkeit sorgt, also ebenfalls wichtig für das Lernen ist.

Lernen und Erinnern beruhen somit auf der Plastizität des Gehirns, d. h., das Gehirn kann sich neuen Situationen deshalb anpassen, indem es die Synapsen entsprechend umbaut, auf- oder abbaut, wobei die Signalstärke die Zahl der Rezeptoren in der Nervenzellmembran immer wieder neu angepasst. Das erklärt auch, warum Menschen häufig benötigte Gedächtnisinhalte schneller parat haben als etwa Informationen, die vor Jahren für eine Prüfung gelernt und seither nie wieder benötigt worden sind. Hauptüberträger der stimulierenden Signale sind dabei die AMPA-Rezeptoren, die im Hippocampus, der Areal für das Lernen und Erinnern, die Nervenzellen die Zahl der aktiven, auf Empfang gestellten Rezeptoren ähnlich wie Antennen ausfahren oder wieder einziehen und auf diese Weise die Signalstärke regulieren. Pfennig et al. (2017) haben nun herausgefunden, dass an dieser Regulation drei Schlüsselmoleküle beteiligt sind: GRIP1, ephrinB2 und ApoER2, ein Rezeptor für das Signalmolekül Reelin. Sowohl ephrinB2 als auch Reelin sind seit Jahren für die Entwicklung des Gehirns als entscheidend bekannt, wobei bei der Ausbreitung der Neuronen während der Gehirnreifung eine Wechselwirkung zwischen dem Reelin-Signalweg und den ephrinBs stattfindet. Offenbar kann ein und derselbe Mechanismus innerhalb der Zelle ganz unterschiedliche Funktionen, also auch die Gehirn-Plastizität im Erwachsenenalter beeinflussen, wobei ApoER2 und ephrinB2 beide auch mit der Entwicklung der Alzheimer-Erkrankung in Zusammenhang gebracht werden.

Das Speichern von Informationen im Gedächtnis geschieht in drei Schritten, wobei im sensorischen Register Informationen von den Sinnesorganen als elektrische Impulse kurz zwischengespeichert werden, wobei diese Informationen schon nach wenigen Zehntelsekunden zu verschwinden beginnen. Damit sie länger gespeichert werden können, müssen sie etwa durch Repetition oder Analyse bewusst verarbeiten werden. Im Kurzzeitgedächtnis schließlich werden die Informationen aus dem sensorischen Register schließlich in eine Kette von Eiweißen übersetzt, die schon einige Sekunden bis Minuten erhalten bleibt. In diesem Arbeitsgedächtnis werden etwa fünf bis neuen verschiedene Informationen bereitgehalten. Um diese auf Dauer zu speichern, müssen sie mehrfach wiederholt und dadurch ins Langzeitgedächtnis übertragen werden, wobei die Eiweißketten damit dauerhaft in die Nervenzellen eingelagert werden.

Übrigens vermindet Stress auch die Neuroplastizität, wobei eine gestörte Neuroplastizität bei psychischen Störungen wie der Depression als eine mögliche Ursache gilt. Bisher glaubte man, dass beim wiederholten Durchleben von negativen wie positiven Erlebnissen jedes Mal dieselben Gehirnareale aktiv sind wie beim eigentlichen Ereignis und deren Strukturen verändern können. Eine Studie mit Überlebenden eines Erdbebens in China mittels Magnetresonanztomografie zeigte aber, dass traumatische Erlebnisse die Gehirnaktivität binnen weniger Tage verändern können, denn von der Katastrophe Betroffene wiesen in mehreren Gehirnarealen andere Aktivitätsmuster auf als Menschen ohne ein solches Schockerlebnis. Ein massives Trauma bzw. der posttraumatische Stress kann also offensichtlich auch den Grundzustand des Gehirns verändern.

Haenicke et al. (2018) haben das assoziative Lernen und das Gedächtnis bei der Honigbiene mit bildgebenden Verfahren untersucht und festgestellt, dass Honigbienen ihre Gedächtnisleistung durch Gerüche konditionieren und auf diese Weise ihr Verhalten beeinflussen. So funktioniert das Kurzzeitgedächtnis der Honigbiene hauptsächlich über Gerüche, die im Pilzkörper, dem olfaktorischen Lernzentrum der Biene, verarbeitet werden. Auch konnte erstmals gemessen werden, wie sich die Verbindungen zwischen Nervenzellen in diesem Teil des Gehirns plastisch verändern. Je ausgeprägter die plastische Veränderung der Verbindungen nach dem Trainieren auf einen bestimmten Duft wurde, desto zuverlässiger konnten man das erlernte Verhalten der Biene beobachten. Wenn ein Duft vorher durch Zuckerwasser belohnt worden war, ein anderer Duft aber nicht und die Biene diese Unterscheidung gelernt hat, dann streckt sie im Test ihren Rüssel heraus, sobald sie den zuvor belohnten Duft riecht, auch wenn gar keine Belohnung da ist, und der nicht-belohnte oder ein unbekannter Duft führt dann nicht zu einem Rüsselherausstrecken.

Bekanntlich kann das menschliche Gehirn immer wieder Neues lernen, ohne im Laufe des Lebens ständig wachsen zu müssen. Wenger et al. (2017) haben nachgewiesen, dass das Volumen des Gehirns in den ersten Phasen des Lernens zunimmt, und sich dann aber teilweise oder sogar vollständig normalisiert. Es scheint also effizient zu sein, erst verschiedene Strukturen und Zelltypen auszuprobieren, die besten auszuwählen und dann jene wieder loszuwerden, die nicht mehr benötigt werden. Das Gehirn probiert offenbar beim Lernen verschiedene Funktionen aus, um zu erkennen, welche Zellen die Information am besten speichern oder weitergeben können, denn nur diese werden danach behalten, während die anderen wieder abgebaut werden. Ein solcher Mechanismus findet sich etwa bei Rechtshändern, die lernten, mit ihrer linken Hand zu schreiben und zu zeichnen, denn nach einem Monat war deren Gehirnvolumen angestiegen, sichtbar in Volumenveränderungen der grauen Hirnsubstanz, jedoch drei Wochen später hatte dieses Areal sich fast wieder auf seinen Normalumfang reduziert. Dieses Phänomen der Gehirnexpansion und -renormalisierung wurde bereits in Tierstudien festgestellt, und man geht nun davon aus, dass dieser Mechanismus auch auf menschliche Gehirne zutrifft.

Übrigens ist eine der zentralen Frage der Neurowissenschaften, wie können Milliarden Nervenzellen nur durch Austausch kleiner, kurzer, etwa eine Tausendstel Sekunde dauernde elektrische Signale all das erzeugen, was Menschen subjektiv als Wahrnehmung, als Aufmerksamkeit, als Lernen oder als Gedächtnis erleben. Ein zentrales Funktionsprinzip des Gehirns besteht vermutlich darin, die effektive Stärke der Verbindungen zwischen Nervenzellen innerhalb von Bruchteilen von Sekunden so zu verändern, dass sich die informationsverarbeitende Funktion eines neuronalen Netzes grundlegend verändert. So können die neuronalen Netzwerke trotz ihrer anatomisch gegebenen und nicht rasch veränderbaren Verbindungen in einem Moment eine bestimmte Funktion lösen und im nächsten Moment, wenn eine andere Funktion erfüllt werden muss, funktionell buchstäblich umverdrahtet werden.

Ein gutes Beispiel für Neuroplastizität ist ein Experiment von Weber et al. (2019) , bei dem Erwachsene in rund einer Woche das Einradfahren erlernen konnten, obwohl diese Aktivität eine große Herausforderung für den Gleichgewichtssinn darstellt. Wöchentlich wurde vier Stunden unter professioneller Anleitung Einrad geübt, vor dem Training und nach dem Ende des Einradkurses sowie nochmals fünf Wochen später untersuchte man mittels Magnetresonanztomografie strukturelle und funktionelle Veränderungen im Gehirn. Dabei fand man signifikante Veränderungen sowohl in der grauen und der weißen Masse des Gehirns wie auch in der Dicke der Großhirnrinde, also Veränderungen in Gehirnarealen und Netzwerken der motorischen Kontrolle, der räumlich-visuellen Aufmerksamkeit und der sensorischen Informationsverarbeitung. Interessanterweise kam es während des Trainings in einem Bereich zu einer massiven Abnahme an grauer Masse, was man als neuronale Effizienzsteigerung deuten kann, denn das Gehirn hatte etwas gelernt und benötigt in Zukunft daher weniger Ressourcen für die jetzt automatisierte Koordination und Gleichgewichtskontrolle. Dafür spricht auch, dass die Abnahme umso größer war, je besser die jeweiligen Probanden das Einradfahren beherrschten. Allerdings hatte fünf Wochen nach dem Training das Volumen an dieser Stelle im Gehirn wieder zugenommen.

Giannakopoulos et al. (2020) haben untersucht, warum bei manchen Menschen das Gehirn im Alter schneller an Volumen zu verliert als bei anderen, und welche Rolle der Lebensstil dabei spielt, wie schnell und stark dieser geistige Abbau ausfällt. In einer mehrjährigen Studie untersuchten man dabei regelmäßig eine Gruppe von über 65-Jährigen, wobei neben Gehirnscans auch Lebensstil, Persönlichkeit und kognitive Fähigkeiten der Teilnehmer erfasst wurden. Es zeigte sich dabei, dass das Gehirn von Menschen mit bestimmten Persönlichkeitseigenschaften weniger an Volumen verlor, wobei dies eher unangepasste und wenig konfliktscheue Menschen waren. Weniger ausgeprägt war hingegen der Zusammenhang mit der Offenheit für neue Erfahrungen, also dem Bedürfnis, auch noch im Alter zu lernen. Als Erklärung vermutet man, dass Menschen mit solchen Eigenschaften eine höhere Plastizität und damit Anpassungsfähigkeit ihres Gehirns aufweisen. Übrigens waren diese Zusammenhhänge auch im Hinblick auf sozioökonomische Faktoren stabil, dennoch lässt sich kein kausaler Zusammenhang zwischen Persönlichkeit und Gehirnalterung daraus ableiten.

Jüngst hat sich gezeigt, dass auch selektive Serotonin-Wiederaufnahmehemmer (SSRI), häufig verschriebene Antidepressiva im Gehirn das Neurotransmitter-Regime und neuronale Netzwerke verändern und dabei auch die Neuroplastizität ankurbeln und so bestimmte Lernprozesse im Gehirn erleichtern. Reed et al. (2021) ist es mit bildgebenden Verfahren gelungen zu zeigen, dass Serotonin-Wiederaufnahmehemmer eine Veränderung der Mikrostruktur des Gehirns bewirken. Um zu untersuchen, ob Antidepressiva im Vergleich zu einem Placebo den Umlernprozess befördern, führte man eine sechswöchige Doppelblind-Studie mit achtzig gesunden Probanden und Probandinnen durch. Mittels Magnetresonanztomografie wurden die Mikrostruktur, die funktionelle und strukturelle Konnektivität sowie die Interaktion und Aktivität von Gehirnarealen gemessen, die bei Gedächtnisprozessen von besonderer Bedeutung sind, wie etwa der Hippocampus und die Insula. Zusätzlich wurde mitttels Magnetresonanzspektroskopie die Konzentration des wichtigsten erregenden Neurotransmitters, Glutamat, sowie des wichtigsten hemmenden Neurotransmitters, Gamma-Aminobuttersäure, in verschiedenen Gehirnregionen quantifiziert. Zunächst wurden bei allen Teilnehmenden die unbeeinflusste Vernetzung und die Aktivität der betreffenden Gehirnareale als auch die Konzentration von Neurotransmittern in einer Ausgangsuntersuchung gemessen. Anschließend lernte eine Gruppe täglich in einer konzentrierten Aufgabe, unbekannte Gesichter paarweise zusammenzuführen, und die andere Gruppe, chinesische Schriftzeichen mit Worten zu verknüpfen. Nach einer Vergleichsmessung begann die Einnahme von Serotonin-Wiederaufnahmehemmern bzw. Placebos über drei Wochen samt begleitendem Umlernprogramm mit neuen Gesichtspaaren und Zeichen-Wort-Paaren. Bei der abschließenden Messung zeigte sich, dass Serotonin-Wiederaufnahmehemmer bewirken, dass neue Zusammenhänge leichter gespeichert werden. Offenbar ist die Erhöhung der Neuroplastizität ein wesentlicher Wirkmechanismus von Serotonin-Wiederaufnahmehemmern, diese stellen offenbar das Gehirn auf Empfang für neue Verknüpfungen und erleichtern das Lösen von Aufgaben. In Bezug auf Depressionen kann man den Schluss ziehen, dass Serotonin-Wiederaufnahmehemmer offenbar nicht direkt akut auf die Stimmung der Betroffenen wirken, sondern die Empfänglichkeit für Umlernprozesse verändern und so unter günstigen Bedingungen aus der Depression heraus helfen.

Napoli et al. (2020) haben versucht, die zellulären und molekularen Mechanismen zu identifizieren, die diese sensiblen Phasen öffnen und wieder schließen und im Zusammenhang mit dem Altern stehen, und zwar am Beispiel der Plastizität des visuellen Cortex bei Mäusen. Visuell-cortikale Schaltkreise, die zum visuellen System zählen und das Sehen ermöglichen, weisen während des frühen Lebens eine starke Plastizität auf und werden später durch molekulare Bremsen stabilisiert, die eine übermäßige Anpassung von Verknüpfungen über einen kritischen Zeitraum hinaus begrenzen. Um Faktoren zu identifizieren, die die postnatale Entwicklung des visuellen Cortex regulieren, wurden mit RNA/RNA-Datensätzen vom sich entwickelnden visuellen Cortex von Mäusen analysiert und zu unterschiedlichen Zeitpunkten miteinander verglichen. Es gelang der Nachweis der microRNA-Familie miR-29 als einen altersabhängigen Regulator der Entwicklungsplastizität im visuellen Cortex zu identifizieren, denn mit einem 30-fachen Anstieg war miR-29a die am stärksten hochregulierte miRNA während der sensiblen Phase. Darüber hinaus wurden mehr als die Hälfte der von miR-29-regulierten Ziele mit dem Alter herunterreguliert, einschließlich der Schlüsselregulatoren der Gehirnplastizität, was ein Hinweis darauf ist, dass miR-29a ein wichtiger Regulator nachgeschalteter Entwicklungsprozesse im Gehirn ist. Weitere Untersuchungen zeigten, dass ein vorzeitiger Anstieg der miR-29a-Konzentrationen in jungen Mäusen die jugendliche Augendominanz-Plastizität blockierte und ein frühes Auftreten perineuronaler Netze verursachte, also spezialisierter Strukturen im zentralen Nervensystem, die für die synaptische Stabilisierung im erwachsenen Gehirn verantwortlich sind. Im sich entwickelnden sowie erwachsenen Gehirn spielen sie als Plastizitätsbremse eine entscheidende Rolle und halten bestehende Verbindungen zwischen Nervenzellen aufrecht. Die Blockierung von miR-29a in adulten Tieren kehrte dann die entwicklungsbedingte Herunterregulierung der miR-29a-Ziele um und induzierte eine Form der das Auge betreffenden Plastizität.

Welche Rolle spielen stille Synapsen?

Es ist bekannt, dass es während der frühen Gehirnentwicklung kritische Phasen gibt, in denen das Gehirn besonders plastisch ist und individuelle Erfahrungen dazu führen, dass neuronale Schaltkreise neu organisiert und angepasst werden. In sich entwickelnden Gehirnen findet man häufig stille Synapsen, die helfen, die Verbindungen zwischen den Hauptneuronen funktionell zu optimieren. Yusifov et al. (2021) hatten schon zuvor herausgefunden, dass die Reifung stiller Synapsen das postsynaptische Dichteprotein-95 (PSD-95) benötigt und frühe kritische Perioden schließt, jedoch sind die spezifischen Prozesse, die bestimmen, ob synaptische Verbindungen erfahrungsabhängig erhalten oder abgebaut werden, noch weitgehend unbekannt sind. Um dies zu untersuchen, bildete man Neuronen aus der Sehrinde der Maus vor und nach spezifischer Reizung eines Auges mit einem Zwei-Photonen-Mikroskop ab, wobei diese Studie nun im Gegensatz zu früheren an wachen Tieren durchgeführt wurde. Man fand nun mit einer neuen Technologie, die sehr kleine Areale abbilden kann, dass Neuronen im Gehirn erwachsener Tiere, denen PSD-95 fehlt, einen verstärkten erfahrungsabhängigen Dornenabbau aufweisen, ein Effekt, der bisher nur bei jungen Tieren beobachtet wurde. Offenbar weisen Neuronen ohne PSD-95 sowohl funktionelle als auch strukturelle Merkmale der Plastizität auf, die mit einer kritischen Periode verbunden sind, sodass diese Neuronen die jugendliche Fähigkeit haben, die Nervenzellverschaltungen, also Verbindungen zwischen Nervenzellen bis ins Erwachsenenalter umzustrukturieren.

Literatur

Giannakopoulos, Panteleimon, Rodriguez, Cristelle, Montandon, M., Garibotto, Valentina, Haller, Sven & Herrmann, Francois (2020). Less agreeable, better preserved? A PET amyloid and MRI study in a community-based cohort. Neurobiology of Aging, doi:10.1016/j.neurobiolaging.2020.02.004.
Haenicke, J., Yamagata, N., Zwaka, H., Nawrot, M. & Menzel, R. (2018). Neural Correlates of Odor Learning in the Presynaptic Microglomerular Circuitry in the Honeybee Mushroom Body Calyx. eNeuro, doi:ENEURO.0128-18.2018.
Napoli, Debora, Lupori, Leonardo, Mazziotti, Raffaele, Sagona, Giulia, Bagnoli, Sara, Samad, Muntaha, Sacramento, Erika Kelmer, Kirkpartick, Joanna, Putignano, Elena, Chen, Siwei, Terzibasi Tozzini, Eva, Tognini, Paola, Baldi, Pierre, Kwok, Jessica C. F., Cellerino, Alessandro & Pizzorusso, Tommaso (2020). MiR-29 coordinates age-dependent plasticity brakes in the adult visual cortex. EMBO reports, doi: 10.15252/embr.202050431.
Sylvia Pfennig, Franziska Foss, Diane Bissen, Eva Harde, Julia C. Treeck, Marta Segarra & Amparo Acker-Palmer (2017). GRIP1 Binds to ApoER2 and EphrinB2 to Induce Activity-Dependent AMPA Receptor Insertion at the Synapse. Cell Reports, 21, 84–96.
Reed, M. B., Vanicek, T., Seiger, R., Klöbl, M., Spurny, B., Handschuh, P., Ritter, V., Unterholzner, J., Godbersen, G. M., Gryglewski, G., Kraus, C., Winkler, D., Hahn, A. & Lanzenberger, R. (2021). Neuroplastic effects of a selective serotonin reuptake inhibitor in relearning and retrieval. NeuroImage, 236, doi:10.1016/j.neuroimage.2021.118039.
Weber, Bernhard, Koschutnig, Karl, Schwerdtfeger, Andreas, Rominger, Christian, Papousek, Ilona, Weiss, Elisabeth M., Tilp, Markus & Fink, Andreas (2019). Learning Unicycling Evokes Manifold Changes in Gray and White Matter Networks Related to Motor and Cognitive Functions. Scientific Reports, 9, doi:10.1038/s41598-019-40533-6.
Wenger, E., Brozzoli, C., Lindenberger, U., & Lövdén, M. (2017). Expansion and renormalization of human brain structure during skill acquisition. Trends in Cognitive Sciences, 21, 930-939.
Yusifov, Rashad, Tippmann, Anja, Staiger, Jochen F., Schlüter, Oliver M. & Löwel, Siegrid (2021). Spine dynamics of PSD-95-deficient neurons in the visual cortex link silent synapses to structural cortical plasticity. Proceedings of the National Academy of Sciences, doi:10.1073/pnas.2022701118.
https://www.butenunbinnen.de/nachrichten/neurowissenschaften-bremen-andreas-kreiter-100.html (21-11-06)