Simon Ehlers
Wo ich war, als Kennedy starb
Erinnerungen entstehen, wenn sich Nervenzellen im Gehirn zu neuen Netzwerken verbinden - das kann für kurze Zeit sein oder für Dauer. Die Neurobiologie findet immer genauer heraus, was bei diesem Prozess geschieht.
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Wer hat noch nicht über das eigene schlechte Gedächtnis geflucht? Etwa wenn man im Supermarkt ratlos vor den gefüllten Regalen steht und nicht mehr weiß, welche absolut unverzichtbare Zutat für das Abendessen mit Freunden noch fehlt. Oder man trifft an der Kasse überraschend eine alte Bekannte, kann sich aber partout nicht an ihren Namen erinnern. Das zweite Beispiel zeigt schon, dass es „das“ eine Gedächtnis nicht gibt. Man erkennt das Gesicht der Bekannten ja durchaus wieder, und weiß auch noch, wie und wo man sich kennengelernt hat. Nur ist der Abruf des Namens gerade blockiert.
Dank moderner Untersuchungsmethoden, die Bilder von der Gehirnaktivität gesunder Versuchspersonen liefern, sind heute die Hirnregionen recht genau bekannt, in denen sich die Gedächtnisprozesse abspielen. So sind die einzelnen Inhalte offenbar genau in den Bereichen abgelegt, die auch bei der Wahrnehmung und Verarbeitung des Erlebten beiteiligt waren. Wie die Stimme der Bekannten klingt, ist also im Hörzentrum gespeichert, ihr Aussehen im Sehzentrum, und so weiter. Sich dann später an jemanden zu erinnern, ist ein komplizierter Vorgang, bei dem die Informationen aus den einzelnen Bereichen wie ein Puzzle zusammengesetzt werden. Dabei kann es schon mal vorkommen, dass ein Puzzle-Steinchen fehlt. Ins Bewusstsein gelangt jedenfalls erst das - mehr oder weniger vollständige - Gesamtbild.
Doch wie entstehen im Gehirn diese Netzwerke aus miteinander verknüpften Gedächtnis-Fragmenten? Und was genau passiert dabei in den Nervenzellen? Um diese Fragen zu beantworten, haben Neurobiologen seit den sechziger Jahren die molekularen Prozesse in und an den Nervenzellen (Neuronen) untersucht. Sie arbeiteten anfangs aber nicht an den komplizierten Gehirnen von Säugetieren, die aus bis zu hundert Milliarden Neuronen bestehen, sondern mit einfacheren Organismen.
So wählte der österreichisch-amerikanische Neurobiologe Eric Kandel, der dieses Jahr gemeinsam mit Arvid Carlsson und Paul Greengard den Medizin-Nobelpreis erhalten hat, die Meeresschnecke Aplysia californica (Seehase) als Studienobjekt. Wenn man die Kieme von Aplysia mit einem Pinsel berührt, zieht sie sich unter den Mantelrand der Schnecke zurück. Kandel untersuchte nun, wie bestimmte Reize diesen Schutzreflex verstärken oder schwächen. Die Veränderungen, die er dabei an den Kontaktstellen (Synapsen) der Nervenzellen beobachtete, wurden in den letzten Jahren prinzipiell auch für Wirbeltiere und Menschen bestätigt.
Lernen - so die Quintessenz dieser Forschung - hinterlässt Spuren an den Synapsen, indem es ihre „Übertragungs-stärke“ verändert. Diese Modifikationen sind möglich, weil die Nervensignale an den Synapsen gleich zweimal quasi in eine andere Sprache übersetzt werden. Zuerst verwandelt die sendende Nervenzelle den elektrischen Reiz in eine chemische Botschaft, indem sie spezielle Moleküle (Neurotransmitter, wie z.B. Glutamat) in den Spalt zwischen den Zellen ausschüttet. Sie binden auf der Membran der Empfängerzelle an Ionenkanäle, durch die dann wieder ein elektrisches Signal entsteht, das von der zweiten Nervenzelle weitergeleitet wird. Wenn die erste Zelle besonders stark erregt ist und schnell hintereinander mehrere Glutamat-Salven loslässt, verändert sich an bestimmten Synapsen das Übersetzungsverhältnis zwischen dem chemischen Botenstoff und dem entstehenden elektrischen Signal. Dadurch wird die Zielzelle empfindlicher für ankommende Reize. Langzeit-Potenzierung, englisch Long Term Potentiation (LTP), nennt sich dieser Verstärkungseffekt.
Der Schlüssel zur Langzeit-Potenzierung ist eine andere Klasse von „Neurotransmitter-Empfangsstationen“ auf der Zielzelle: die NMDA-Rezeptoren. Sie werden nur aktiv, wenn die Nervenzelle durch das vorangegangene Glutamat-Dauerfeuer bereits erregt ist. Bei einem erneuten Reiz starten die NMDA-Rezeptoren eine Kettenreaktion, die letztlich die Ionenkanäle so verändert, dass sie sich leichter öffnen und in Zukunft ein kräftigeres elektrisches Signal erzeugen.
Aber eine Signalverstärkung erklärt noch keine Gedächtnisbildung. Lernprozesse erfordern, dass wirklich neue Schaltkreise entstehen; dass im Gehirn Nervenzellen anders verdrahtet werden als bisher. Und tatsächlich können die NMDA-Rezeptoren dieses leisten, indem sie einen Zusammenhang zwischen gleichzeitig auftretenden Ereignissen herstellen. Ihre Wirkung als „Koinzidenz-Detektoren“, wie der Martin Korte vom Max-Planck-Institut für Neurobiologie in Martinsried es ausdrückt, beruht darauf, dass die NMDA-Rezeptoren eine Synapse auch dann verstärken, wenn die empfangende Zelle zeitgleich von einer dritten Nervenzelle erregt wurde. Durch die LTP entsteht dann eine Art Verknüpfung zwischen den beiden Reizen, die bei der empfangenden Zelle eintreffen.
Das einfachste Beispiel für diese assoziativ wirkende LTP ist die „Klassische Konditionierung“, die schon der Russe Iwan Pawlow an Hunden beobachtet: Einem Hund wird ein Glockenton vorgespielt, und kurz darauf erhält er eine Futterration. Bestimmte Neuronen registrieren den Ton, andere den Anblick und Geruch des Futters. Dort wo diese Informationskanäle zusammenlaufen, werden die beiden Ereignisse durch LTP miteinander verkoppelt. Wenn von nun die Glocke erklingt, wird der Hund frisches Futter erwarten, und der Speichel rinnt im ins Maul: Das Tier hat einen Zusammenhang gelernt. (Dass das Glockensignal in Wahrheit nicht die Ursache für das Futterangebot ist, spielt für den Lernprozess des Hundes keine Rolle.)
Auch das Lernen von bewusst abrufbarem Wissen beruht wahrscheinlich darauf, dass sich viele tausend Nervenzellen zu jenen Netzen zusammenschließen, die in der Großhirnrinde bestimmte Erinnerungen darstellen - etwa alle Fakten und Ereignisse, die mit einer Person zusammenhängen. Gedächtniskünstler schaffen ganz bewusst solche Assoziationen, indem sie sich zu jeder Ziffer einer Telefonnummer einen Gegenstand vorstellen und daraus eine kleine Geschichte basteln. Diese können sie dann im Geiste leicht wieder erleben.
Für diese Leistungen muss nach Ansicht der Neuro-Forscher die durch NMDA-Rezeptoren in Gang gesetzte Langzeit-Potenzierung einer der entscheidenden zellulären Prozesse sein. Experimente des US-Forschers Joe Tsien von der Princeton University untermauern dieses Vorstellung: Er veränderte Mäuse so, dass bei ihnen das soganannte NR2B-Gen aktiver ist, welches die Bauanleitung für eine Untereinheit des NMDA-Rezeptors enthält. Diese „Supermäuse“ lernten besser, fanden sich beispielsweise schneller in einem Labyrinth zurecht, und erinnerten sich länger an Objekte, die ihnen von den Forschern schon einmal gezeigt wurden.
Eine langfristige Speicherung ist durch chemische Veränderungen an den Proteinen der Ionenkanäle aber nicht zu erreichen. Denn der normale Zellstoffwechsel lässt sie nach rund drei bis vier Stunden wieder verschwinden, und damit verblasst die Erinerung an das Gelernte. Diese Vorgänge entsprechen somit mechanistisch dem, was Psychologen als „Kurzzeitgedächtnis“ beschreiben.
Inhalte, die Tage oder sogar Jahre überdauern, erfordern stabilere Modifikationen der Synapsen. In dieser zweiten oder „späten“ Phase der Langzeit-Potenzierung muss die Zelle neue Proteine herstellen. Dieser Prozess der Übertragung ins Langzeitgedächnis (Konsolidierung) nimmt eine Weile in Anspruch, was begreiflich macht, warum sich Unfallopfer oft nicht an den Hergang erinnern können: Durch den Schock oder die Bewusstlosigkeit wurde die Konsolidierung unterbrochen, die letzten Ereignisse unmittelbar vor dem Unfall sind noch nicht fest gespeichert. Zudem könnt hier auch eine Erklärung - und möglicher Behandlung - für die Altersvergesslichkeit und bestimmte Demenzerkrankungen liegen. Untersuchungen an Mäusen zeigten, dass bei alten, besonders vergesslichen Tieren eine entstandene LTP nicht so lange aufrecht erhalten bleibt.
Welche Prozesse könnten bei ihnen gestört sein? Die Neuro-Wissenschaftler meinten schon länger, dass sich die synaptische Übertragung dauerhaft verstärkt, indem zusätzlich Ionenkanäle in die Membran eingebaut werden. Außerdem entstehen durch Teilung der Synapsen neue Kontakte zwischen den Neuronen. Den langersehnten Beweis für diese Vermutung erbrachten im vergangenen Jahr weltweit dann gleich drei Forscherteams - unter anderem Florian Engert und Tobias Bonhoeffer vom Max-Planck-Institut für Neurobiologie. Ihnen gelangen mikroskopische Aufnahmen von Nervenzellen, die nach der Stimulation mehr Synapsen besaßen als vorher: sichtbar gemachte Langzeit-Speicherung.
Bislang war die LTP aber ein reines Laborphänomen, erzeugt durch künstliche Reizung von isolierten Nervenzellen. Verhaltensforscher und Psychologen waren den Theorien der Neurowissenschaftler gegenüber deshalb bisher recht kritisch. Nun zeigte die US-Forscherin Mengia Rioult-Pedotti kürzlich in Experimenten an Ratten, dass LTP auch tatsächlich im lebenden Gehirn stattfindet, wenn Tiere lernen. Die Wissenschaftler von der Brown Universität in Providence brachten Ratten dazu, immer nur mit einer Vorderpfote - etwa ausschließlich der linken - eine Taste zu drücken. Bei der späteren Untersuchung von lebenden Gewebeschnitten des Gehirns stellten sie fest, dass das Training die Signalübertragung der Synapsen tatsächlich gestärkt hatte. Auf der trainierten rechten Seite ließ sich kaum noch künstliche LTP an den Zellen erzeugen, während die Übertragung in der untrainierten linken Gehirnhälfte noch steigerungsfähig war; ganz wie es die Forscher erwartet hatten.
Natürlich sind noch zahllose Fragen unbeantwortet. Erst kürzlich überraschten US-Forscher der New York University die Fachwelt mit dem Befund, dass auch vermeintlich „sicher“ abgespeicherte Inhalte durch das Erinnern selbst wieder instabil werden. Doch insgesamt fügen sich die Erkenntnisse der verschiedenen Forschungsdisziplinen zu einem immer vollständigeren Bild der Gedächtnisprozesse. Und in einigen Fällen schlagen sie schon eine Brücke von der molekularen Ebene zu psychologischen Phänomenen: So fand Uwe Frey vom Leibniz-Institut für Neurobiologie in Magdeburg Hinweise darauf, dass auch die Übertragung von nur schwach erregten Synapsen dauerhaft verstärkt wird, falls kurz vorher ein anderer, starker Reiz die Proteinherstellung der späten LTP-Phase in Gang gesetzt hat. Diese Beobachtung könnte erklären, warum sich Extremsituationen oft mit all ihren unwichtigen Begleitumständen so fest ins Gedächtnis einbrennen - etwa gemäß der oft berichteten Erfahrung: „Ich weiß noch genau, wo ich war und was ich gerade tat, als ich die Nachricht von der Ermordung Kennedys hörte.“
(Financial Times Deutschland, 8. Dezember 2000)