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Samstag, 03.12.2016
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Gedächtnis-Maschinerie arbeitet nur im Schlaf

Forscher enthüllen molekulare Abläufe der Gedächtnisbildung

Dass Schlafen irgendwie dazu beiträgt, zu lernen und sich Dinge zu merken, ist schon mehrfach belegt. Wie das Ganze aber funktioniert, war bisher unklar. Jetzt haben Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Neuron“ erstmals aufgedeckt, was im Gehirn auf molekularer und zellulärer Ebene geschieht – und das die Gedächtnismaschinerie tatsächlich ausschließlich im Schlaf aktiv ist.
Wenn ein Auge abgedeckt wird (rechts) verändern sich die Neuronenverbindungen und passen sich an die des anderen Auges an. Schlaf verstärkt diesen Umbau.

Wenn ein Auge abgedeckt wird (rechts) verändern sich die Neuronenverbindungen und passen sich an die des anderen Auges an. Schlaf verstärkt diesen Umbau.

Die meisten Wissenschaftler gehen heute von einem Modell der Plastizität des Cortex aus, nachdem sich die neuronalen Verbindungen durch Erfahrungen des Organismus fortwährend verändern. „Das ist im Grundsatz das, was wir für die Maschinerie des Gedächtnisses halten: die Bildung und Unterbrechung von Verbindungen zwischen Neuronen“, erklärt Marcos Frank, Assistenzprofessor für Neurowissenschaften an der Pennsylvania School of Medicine.

Um herauszufinden, wie sich dies im Schlaf- und Wachzustand unterscheidet, führten Frank und seine Kollegen Versuche mit visuellen Reizen an jungen Tieren durch, deren Gehirnzellen noch besonders plastisch sind. Sie verglichen die elektrophysiologischen und molekularen Veränderungen an Tieren, die nach einem neuen visuellen Reiz schlafen durften mit solchen, die nicht schliefen und solchen, denen ein Auge abgedeckt war. “Dies ist der erste direkte Einblick darauf, wie das Gehirn auf zellulärer Ebene die Stärke seiner Verbindungen im Schlaf verändert“, so Frank.

Ein Molekül als Lauschposten und Torwächter


Tatsächlich gelang es ihnen, auf molekularer Ebene einen wichtigen Baustein der Gedächtnisbildung zu entschlüsseln: Der Hauptfaktor in diesem Prozess ist demnach ein Molekül namens N-methyl D-aspartat Rezeptor (NMDAR). Dieses funktioniert wie eine Kombination aus Lauschposten und Türwächter: Es erhält Signale von außerhalb der Zelle in Form von Glutamat und reguliert dann seinerseits den Fluss von Kalziumionen in die Zellen. Das NMDAR öffnet seinen Ionenkanal, wenn das Neuron angeregt wird und Glutamat an den Rezeptor bindet. Das Kalzium wiederum reguliert dann weitere Enzyme im Stoffwechselprozess, die letztlich die Verbindungen zwischen den Nervenzellen verstärken oder schwächen. Das Ergebnis ist ein reorganisierter visueller Cortex.


Umbau-Maschinerie nur im Schlaf aktiv


Das alles jedoch passiert nur während des Schlafs, nicht im wachen Zustand. „Zu unserem Erstaunen stellten wir fest, dass diese Enzyme nie angeschaltet wurden, solange das Tier nicht die Chance erhielt, zu schlafen“, erklärt Frank. „Und wenn das Tier dann einschläft ist es, als wenn ein Schalter umgelegt wird: Plötzlich ist all das aktiv, das gebraucht wird um synaptische Veränderungen, die die Basis für die Gedächtnisbildung sind, zu bewirken.“ Wurde diese Enzyme künstlich blockiert, konnte keinerlei Reorganisation stattfinden – die Tiere bildeten keine Erinnerungen.

Schritt auf dem Weg zu Entschlüsselung des menschlichen Gedächtnisses


Diese Erkenntnisse ebnen einerseits den Weg zum Verständnis, warum Menschen Schlaf brauchen und warum Schlaflosigkeit so schwerwiegende Folgen auf den Geisteszustand haben kann. Andererseits lassen sie uns die Maschinerie des Gedächtnisses besser verstehen. Noch allerdings ist dabei noch längst nicht alles geklärt, so ist noch unklar, wo Langzeiterinnerungen gespeichert werden. Frank: „Wir wisse nun aber, dass Veränderungen in den Verbindungen der Hirnrinde den Kern des Rätsels bilden. Indem wir das im Tiermodell verstehen, kommen wir auch dem Verständnis seines Funktionierens beim Menschen näher.“
(University of Pennsylvania, 13.02.2009 - NPO)
 
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