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„Stille“ Synapsen auch im erwachsenen Gehirn

Lernprozesse verlaufen bei Erwachsenen womöglich anders als angenommen

Synapse
Inaktive Synapsen sind nicht nur im Gehirn von Babys zahlreich vertreten, sondern auch bei Erwachsenen. © cosmin4000/ iStock

Doch kein Kinderkram: Wissenschaftler haben entdeckt, dass rund jede dritte Synapse in der Hirnrinde von erwachsenen Mäusen inaktiv ist – und möglicherweise auch bei uns. Bisher dachte man, dass solche stillen Synapsen nur in der frühen Entwicklung vorkommen und Babys dabei helfen, die Informationsflut der ersten Monate zu verarbeiten. Dass stille Synapsen anders als vermutet auch im Erwachsenenalter noch bestehen, könnte erklären, wie wir auch in dieser Lebensphase noch neue Erinnerungen bilden, ohne alte dabei zu überschreiben.

Unsere Gehirnzellen sind über Synapsen miteinander verbunden. Über diese Kontaktstellen können die Zellen Informationen austauschen. Dieser Austausch wird vor allem dann wichtig, wenn wir etwas Neues lernen wollen. Vereinfacht gesagt: Speichert unser Gehirn eine neue Information ab, verstärkt sich die Kommunikation zwischen den Synapsen. Besonders gut geht das bei sogenannten stillen beziehungsweise inaktiven Synapsen. Diese „unbeschriebenen Blätter“ des Gehirns sind besonders gut zum Lernen geeignet, da sie noch form- und veränderbar sind.

Bisher ging man deshalb davon aus, dass stille Synapsen nur in der frühen Entwicklung vorkommen, in einer Zeit also, in der Babys riesige Mengen an Informationen aufnehmen und ihre Umwelt kennenlernen müssen. Laut gängiger Meinung verschwinden die stillen Synapsen nach dieser intensiven Lernphase und kommen im erwachsenen Gehirn so gut wie nicht mehr vor.

Spektakulärer Zufallsfund

Doch diese Annahme muss revidiert werden, wie Forschende um Dimitra Vardalaki vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) nun herausgefunden haben. Eigentlich erforschte das Team gerade die Synapsen von Dendriten, antennenartigen Fortsätzen der Nervenzellen, als es quasi nebenbei eine unerwartete Entdeckung machte. Der Zufallsfund gelang nur, weil Vardalaki und Kollegen mit hochauflösender Bildgebung arbeiteten, die ihre Gewebeproben von erwachsenen Mäusegehirnen stark vergrößerte.

Durch die Vergrößerung kamen Strukturen zum Vorschein, die das Team nicht erwartet hatte. „Das Erste, was uns auffiel, war, dass es überall Filopodien gab“, sagt Vardalakis Kollege Mark Harnett. Filopodien sind winzige, dünne Membranausstülpungen, die von Dendriten ausgehen. Zwar sind sie der Neurowissenschaft durchaus bekannt, doch ihre genaue Funktion lag bislang im Dunkeln.

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Die Forschenden suchten daraufhin auch in anderen Teilen des Mäusehirns nach Filopodien – und wurden fündig. So ermittelten sie etwa im visuellen Kortex der Mäuse zehnmal so viele Filopodien wie bislang angenommen. Sie machten dort 30 Prozent der dendritischen Ausstülpungen aus.

Rätselhafte Fortsätze

Doch wofür sind diese fädigen Fortsätze gut? Vardalakis und ihre Kollegen fanden recht schnell Hinweise darauf, dass sich an der Spitze der Filopodien Synapsen befinden könnten. Anders als „normale“ Synapsen hatten die Filopodien allerdings lediglich NMDA-Rezeptoren und keine AMPA-Rezeptoren. Eine aktive Synapse muss jedoch beide Arten von Rezeptoren besitzen, um korrekt arbeiten zu können. Handelte es sich bei den Filopodien also um inaktive beziehungsweise stille Synapsen?

Um das herauszufinden, wandten Vardalaki und ihre Kollegen das sogenannte Patch-Clamping an. Dabei wird die elektrische Aktivität an einem Abschnitt der Zellmembran mithilfe einer speziellen, mikroskopisch feinen Messpipette abgeleitet und gemessen. So konnten die Wissenschaftler auch die elektrische Aktivität an einzelnen Filopodien überwachen. Normalerweise wird eine solche Aktivität dann ausgelöst, wenn eine Synapse mit dem Neurotransmitter Glutamat in Kontakt kommt.

Stille Synapsen in Hülle und Fülle

Doch anders als normale Synapsen reagierten die Filopodien nicht auf das Glutamat, sondern blieben „still“. Für die Forschenden ist dies ein Hinweis darauf, dass es sich bei den Filopodien tatsächlich um inaktive Synapsen handeln könnte. Das aber bedeutet, dass es auch im Gehirn adulter Mäuse – und vermutlich auch anderer Säugetiere – noch unerwartet viele solcher stillen Synapsen gibt.

Die inaktiven Synapsen der Filopodien sind jedoch nicht zu ewiger Stille verdammt. Dem Forschungsteam gelang es, das Schweigen der Filopodien zu brechen, indem sie sie erneut Glutamat aussetzten, aber zusätzlich einen elektrischen Strom durch den Neuronenkörper leiteten. Die zuvor stillen Synapsen begannen dadurch innerhalb von Minuten, neben den NMDA-Rezeptoren auf einmal auch AMPA-Rezeptoren zu bilden. Das ermöglichte es den Synapsen, sich mit den nächstgelegenen Nervenzellen zu vernetzen. Sie wurden aktiv.

Wichtige Rolle für das Gedächtnis

Diese Erkenntnis könnte Auswirkungen auf das bislang gültige Modell der Lernprozesse im erwachsenen Gehirn haben, erklären die Forschenden. Denn wie sie in einem weiteren Experiment feststellten, lassen sich die stillen Synapsen verhältnismäßig einfach aktivieren, während reife Synapsen schwerer zu verändern sind.

„Die Synapsen im erwachsenen Gehirn haben einen viel höheren Schwellenwert, vermutlich weil man möchte, dass diese Erinnerungen ziemlich widerstandsfähig sind. Man will nicht, dass sie ständig überschrieben werden. Filopodien hingegen können akquiriert werden, um neue Erinnerungen zu bilden“, sagt Harnett.

Dank der Filopodien können wir demnach auch im Erwachsenenalter ständig Neues lernen, ohne dafür alte Erinnerungen überschreiben zu müssen. Dieser Mechanismus war bislang bei Erwachsenen in dieser Form nicht bekannt.

Ob die an Mäusen gewonnenen Erkenntnisse auch für uns Menschen gelten, ermitteln die Forschenden gerade in weiterführenden Studien an menschlichem Hirngewebe. Dabei wollen sie außerdem herausfinden, ob Alter oder neurodegenerative Erkrankungen einen Einfluss auf Anzahl und Funktion stiller Synapsen haben. (Nature, 2022; doi: 10.1038/s41586-022-05483-6

Quelle: Massachusetts Institute of Technology

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