Neuronale Plastizität

Das Gehirn ist kein fest verdrahtetes Netz: Seine Verbindungen verändern sich mit jeder Erfahrung.

• Neuronale Plastizität:Fähigkeit von Synapsen, Nervenzellen und ganzen Hirnarealen, sich durch Aktivität in Funktion und Struktur zu verändern.
• Hebb-Regel:Sind zwei verbundene Nervenzellen wiederholt gleichzeitig aktiv, wird die Synapse zwischen ihnen verstärkt: „cells that fire together, wire together“ (D. HEBB, 1949).
• Glutamat:wichtigster erregender Transmitter im Gehirn; bindet postsynaptisch an zwei Arten ligandengesteuerter Ionenkanäle, die nach künstlichen Stoffen benannt sind, die sie gezielt öffnen: AMPA- und NMDA-Rezeptoren.
• AMPA-Rezeptor:öffnet sich sofort, wenn Glutamat bindet, und lässt vor allem Na⁺ einströmen; er erzeugt das normale EPSP.
• NMDA-Rezeptor:im Ruhepotenzial durch ein Mg²⁺-Ion verstopft. Nur wenn Glutamat gebunden ist und die Membran zugleich stark depolarisiert ist, wird Mg²⁺ herausgedrängt und Na⁺ sowie Ca²⁺ strömen ein.
• Langzeitpotenzierung (LTP):hochfrequente Reizung (z. B. 100 Hz) → zeitliche Summation, starke Depolarisation → Mg²⁺-Block gelöst → Ca²⁺-Einstrom → Enzyme aktiviert → zusätzliche AMPA-Rezeptoren in die Membran eingebaut → derselbe Reiz erzeugt ein größeres EPSP. Entdeckt im Hippocampus, einer Hirnregion, die für die Gedächtnisbildung wichtig ist.
• Späte LTP:bei wiederholter Reizung aktiviert Ca²⁺ über Enzyme Transkriptionsfaktoren; neue Genexpression und Proteinsynthese halten die Verstärkung Stunden bis Wochen.

Hält die Verstärkung an, verändert sich auch die Gestalt der Nervenzellen und sogar die Größe ganzer Hirnareale.

• Dornfortsätze (Spines):winzige Ausstülpungen der Dendriten, etwa 1–2 µm lang, mit Hals und Köpfchen; auf fast jedem sitzt eine erregende Synapse.
• Strukturelle Plastizität:nach dem Lernen wachsen innerhalb von Stunden bis Tagen neue Spines, bestehende vergrößern sich, neue Synapsen entstehen; im lebenden Tier mit dem Zweiphotonenmikroskop direkt beobachtbar.
• „Use it or lose it“:selten genutzte Synapsen und Spines werden abgebaut; so bleiben vor allem die gebrauchten Verbindungen erhalten, besonders ausgeprägt in Kindheit und Jugend.
• Hirnareale:Londoner Taxifahrer haben einen größeren hinteren Hippocampus als Vergleichspersonen, umso größer, je länger sie im Beruf sind (MAGUIRE, 2000).
• Jonglierstudie:nach drei Monaten Jongliertraining nimmt die graue Substanz (Hirngewebe mit Zellkörpern, Dendriten und Synapsen) in einem Areal für Bewegungssehen zu, nach drei Monaten Pause wieder ab (DRAGANSKI, 2004).
• Bedeutung:Grundlage von Lernen und Gedächtnis; nach einem Schlaganfall können benachbarte, gesunde Areale durch gezieltes Training Aufgaben des zerstörten Gewebes übernehmen.

Der Ausschnitt zeigt 20 µm eines Dendriten aus der Großhirnrinde einer Maus, einmal vor (Tag 0) und einmal nach vier Tagen Training einer neuen Greifbewegung (Tag 4). Markieren Sie in beiden Bildern alle Dornfortsätze per Klick — mit der Tastatur wandern Sie mit den Pfeiltasten und markieren mit Enter —, prüfen Sie die Zählung und schauen Sie sich dann die Überlagerung an.

Halte fest: Nach dem Training trägt derselbe Dendritenabschnitt mehr Dornfortsätze. Die Überlagerung zeigt, dass die Zunahme aus zwei Vorgängen besteht: Viele Spines entstehen neu, einige verschwinden, die meisten bleiben. (Modelldaten, angelehnt an Zweiphotonen-Aufnahmen im lebenden Tier.)