Wissenschaftler, die das Lernen von Mäusen untersuchen, sind versehentlich auf „Zombie-Neuronen“ im Gehirn gestoßen – keine fleischfressenden, Viren verbreitenden Monster, sondern Zellen, die nicht mehr normal interagieren, obwohl sie funktionell am Leben sind. Darüber hinaus werfen sie ein neues Licht auf Lernprozesse im Gehirn.
Ein Team aus Portugal entdeckte die Zellen im Rahmen einer Untersuchung darüber, wie ein Teil des Gehirns, das Kleinhirn genannt wird, von der Umwelt um uns herum lernt.
Das Kleinhirn verarbeitet sensorische Informationen im Zusammenhang mit motorischen Bewegungen. Es hilft uns, eine überfüllte Straße entlang zu gehen oder ein Getränk zu holen, ohne es zu verschütten, und es ist auch wichtig für das Lernen: Wenn wir also auf etwas stoßen, wissen wir, wie wir unsere Bewegung verfeinern können, um es beim nächsten Mal zu vermeiden. Wie genau dieses Lernen geschieht, war Gegenstand dieser neuen Studie.
Mithilfe der Optogenetik, bei der Zellen durch Licht manipuliert werden, und Lernaufgaben, die von Mäusen ausgeführt werden, konnten die Forscher die Schlüsselrolle bestimmter Eingaben des Kleinhirns, sogenannter Kletterfasern, aufzeigen.
„Nachdem wir die Kletterfasern während der Präsentation eines visuellen Hinweises kontinuierlich stimuliert hatten, lernten die Mäuse, als Reaktion auf diesen Hinweis zu blinzeln – selbst ohne Stimulation“, sagt die Neurowissenschaftlerin Tatiana Silva vom Champalimaud Center for the Unknown.
„Dies bewies, dass diese Fasern ausreichen, um diese Art des assoziativen Lernens voranzutreiben.“
Es wurde lange angenommen, dass die Kletterfasern irgendwie am Lernen beteiligt sind, und dies ist ein weiterer Beweis, der einige der Verwirrungen und Kontroversen rund um ihre Rolle klären könnte. Andere Arten von Gehirnzellen, die auf die gleiche Weise manipuliert wurden, hatten nicht den gleichen Effekt auf die Lernfähigkeit der Mäuse.
Dann bemerkten die Forscher den Zombie-Neuronen-Effekt. Die Einführung des lichtempfindlichen Proteins Channelrhodopsin-2 (ChR2) als Teil der optogenetischen Manipulation hatte die Kletterfaserzellen im Wesentlichen zu Zombies gemacht.
Das heißt, sie lebten in dem Sinne, dass sie immer noch aktiv waren und feuerten, wie es Neuronen normalerweise tun würden – aber diese Nachrichten wurden nicht weitergeleitet. Irgendwie waren sie von anderen neuronalen Schaltkreisen getrennt worden, sodass die Mäuse nicht mehr lernen konnten.
„Es stellte sich heraus, dass die Einführung von ChR2 in die Kletterfasern deren natürliche Eigenschaften veränderte und sie daran hinderte, angemessen auf standardmäßige Sinnesreize wie Luftstöße zu reagieren“, sagt die Neurowissenschaftlerin Megan Carey vom Champalimaud Center for the Unknown.
„Das wiederum blockierte die Lernfähigkeit der Tiere völlig.“
Wir haben jetzt eine viel genauere Vorstellung davon, wie Lernen im Kleinhirn funktioniert. Angesichts der Ähnlichkeiten zwischen Maus- und Menschengehirnen kann man davon ausgehen, dass dieselben Prozesse ablaufen.
Die Wissenschaft des Gehirns und alles, was es lernen muss, ist nach wie vor faszinierend. Es ist noch beeindruckender, wenn man bedenkt, wie es sich im Laufe der Zeit anpasst und verändert, und natürlich hilft es uns auch, es zu schützen, wenn wir mehr darüber wissen.
„Diese Ergebnisse sind der bisher überzeugendste Beweis dafür, dass Kletterfasersignale für das assoziative Lernen des Kleinhirns unerlässlich sind“, sagt Carey.
„Unsere nächsten Schritte bestehen darin, zu verstehen, warum die ChR2-Expression zur „Zombifizierung“ von Neuronen führt, und festzustellen, ob sich unsere Erkenntnisse auf andere Formen des Lernens im Kleinhirn übertragen lassen.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Naturneurowissenschaften.