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Effiziente Technik macht Denken erst möglich

06.08.08.

Nervenzellen bauen ständig neue Kontakte zu ihren Nachbarzellen auf. Während der Entwicklung entsteht so das Grundgerüst unseres Gehirns. Im Erwachsenenalter ermöglichen neue Kontakte Lernen und Gedächtnis. Doch nicht jeder Zellkontakt ist sinnvoll – der Großteil wird schnell wieder abgebaut. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Neurobiologie in Martinsried bei München haben nun eine ganz neue Technik beschrieben, mit der Nervenzellen sehr zeit- und energiesparend die Qualität kontaktierter Zellen abschätzen können.

Das Gehirn besteht aus hundert Milliarden Nervenzellen. Mehr noch: Jede dieser Zellen ist über viele tausend Kontaktstellen mit ihren Nachbarzellen verbunden. Während der Entwicklung müssen junge Nervenzellen mit den richtigen Partnerzellen in Kontakt treten, damit das Gehirn seine komplexen Aufgaben erfüllen kann. Doch auch im Erwachsenenalter werden Kontakte zwischen Nervenzellen ständig auf- und wieder abgebaut. Erst dieser kontinuierliche Umbau des Gehirns ermöglicht es uns, zu lernen oder zu vergessen.

Aufwendiger Gehirnumbau

Doch der Auf- und Umbau des Gehirns verschlingt viel Energie. Nicht umsonst ist das Gehirn das Organ mit dem höchsten Energieverbrauch. Eigentlich müsste der Energieverbrauch jedoch noch deutlich höher sein. Denn sowohl junge als auch erwachsene Nervenzellen lassen bei der Kontaktsuche viele hundert Zellfortsätze auf ihre Nachbarzellen zuwachsen. Kommt es zum Zellkontakt müssen Informationen über den Wert der Verbindung ausgetauscht werden: Passen die Zellen nicht optimal zusammen, wird der Fortsatz nach wenigen Sekunden bis Minuten wieder abgebaut. Bisher nahm man an, dass Nervenzellen Informationen nur über spezielle Kontaktstellen, die Synapsen, austauschen können. Es dauert jedoch bis zu zwei Tagen, bevor eine Synapse funktionstüchtig ist – verschwendete Zeit und Energie, wenn der Kontakt wieder abgebaut wird. Die Entwicklung des Gehirns könnte fast 1000 Jahre in Anspruch nehmen, wenn an jedem Zellkontakt erst eine Synapse reifen müsste.

Kalzium: der Schlüssel zur Effizienz

Anscheinend können Nervenzellen also auch ohne Synapsen Informationen über ihre Nachbarn einholen. Wie sie das schaffen, haben nun die beiden Neurobiologen Christian Lohmann und Tobias Bonhoeffer vom Max-Planck-Institut für Neurobiologie geklärt. Sie markierten einzelne Nervenzellen mit Fluoreszenzfarbstoffen und beobachteten sie unter einem speziellen Mikroskop. So fanden sie das Geheimnis des Informationsaustauschs: Lokale Kalzium-Signale übermitteln den Zellen schnell alle nötigen Informationen. Erst wenn Zelle und Kontaktstelle für einen langfristigen Kontakt geeignet sind, wird auch tatsächlich eine Synapse ausgebaut.
Wie funktioniert dies konkret? Trifft ein auswachsender Fortsatz auf eine Nachbarzelle, so löst dies eine Kalzium-Ausschüttung an der Basis des Fortsatzes aus. Dieses Kalzium-Signal funktioniert dann wie ein Stoppschild: Der Fortsatz stellt sein Wachstum sofort ein. Gleichzeitig enthält dieses Signal bereits alle wichtigen Informationen über die Qualität des neuen Kontakts. Denn nur wenn das Kalzium-Signal deutlich höher ist als der umgebende Kalzium-Spiegel der Zelle, bleibt der Kontakt bestehen. Ansonsten zieht sich der Fortsatz zurück und die Nervenzelle sucht an anderer Stelle nach einer geeigneten Partnerzelle.

Passend für Jung und Alt

“Die Effizienz dieser Technik hat uns beide erstaunt”, berichtet Tobias Bonhoeffer. “So spart das Gehirn Zeit und Energie und sammelt gleichzeitig wichtige Informationen – sozusagen im Vorbeigehen.” Die Wissenschaftler nehmen an, dass die gleiche Technik auch im erwachsenen Gehirn Nervenzellen bei der Einschätzung ihrer Nachbarzellen dient. So können schnell die richtigen Partnerzellen gefunden und ein Gedanke zu Ende geführt werden.

Originalveröffentlichung:
Christian Lohmann und Tobias Bonhoeffer
A role for local calcium signaling in rapid synaptic partner selection by dendritic filopodia
Neuron, 31. Juli 2008

Quelle: Max-Planck-Institut für Neurobiologie

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