Befreiung aus der Matrix – kognitive Flexibilität lässt sich experimentell steuern

In der „Matrix“-Film-Trilogie befreit sich der Held Neo aus der Matrix, um sein fremdbestimmtes Bewusstsein wieder selbst zu kontrollieren. Was dort als Fiktion erzählt wird, hat einen verblüffenden neurowissenschaftlichen Bezug:

Neuronen sind im erwachsenen Gehirn von einer biologischen Matrix umgeben, die die Hirnfunktionen offenbar weit mehr mitbestimmt als bisher angenommen wurde.

Diese Extrazelluläre Matrix (ECM), welche sich wie eine Art Netz schützend um die synaptischen Kontaktstellen zwischen den einzelnen Nervenzellen legt, stabilisiert neuronale Schaltkreise, wodurch Gedächtnisinhalte konserviert werden – eine grundlegende Voraussetzung für die Langzeitspeicherung von Erinnerungen.

Eine solche Stabilisierung könnte jedoch auf Kosten der Freiheitsgrade beim flexiblen Umgang mit bestehenden Gedächtnisinhalten gehen und so bei notwendigen kognitiven Umlernprozessen eher hinderlich sein.

In einer aktuellen Studie sind Forscher des Leibniz-Institutes für Neurobiologie in Magdeburg dieser Frage auf den Grund gegangen, in dem sie Mongolische Wüstenrennmäuse in einem kognitiv anspruchsvollen Umlern-Experiment untersucht haben. Zunächst lernten die Tiere zwei Tonsignale voneinander zu unterscheiden, in dem sie bei dem einen Reiz eine kleine Hürde überspringen und bei dem anderen Reiz in der Box sitzen bleiben. Die Tiere erlernten die Bedeutung der beiden akustischen Reize schnell und lösten die Aufgabe schon nach einigen Tagen Training perfekt. Dreht man nun die Bedeutung der beiden Tonsignale von einem Tag auf den anderen um, so müssen die Tiere die gelernten Assoziationen umlernen, was den Rennmäusen kaum gelang – das einmal etablierte Gedächtnis ist dem Umlernen offenbar im Weg.

Die Forscher konnten zeigen, dass eine Auflösung der ECM-Struktur im Gehirn der Rennmäuse durch Injektion eines entsprechenden Enzymes direkt in die Hörrinde die für das Umlernen notwendigen Strategiewechsel verbessert – die Tiere können die neue Bedeutung lernen. Die Abschwächung der schützenden Matrix-Netze hat jedoch keinen Einfluss auf generelle sensorische Lern-Prozesse oder gar auf den Abruf bereits bestehender Gedächtnisinhalte, d.h. die Rennmäuse hatten die früher gelernte Strategie nicht vergessen, ihr Gehirn hat aber an Plastizität gewonnen. Durch eine solche funktionelle Erhöhung der synaptischen Plastizität könnte die Modulation der ECM im erwachsenen Gehirn als geeignete Methode dienen, die kognitive Flexibilität im Umgang mit bestehenden, erlernten Verhaltensweisen zu verbessern und einen aktiven Umbau von Gedächtnisinhalten zu ermöglichen.

Die Studie offenbart dadurch auch ein vielversprechendes Zukunftspotential für neue klinische Therapiekonzepte, wo das „Fenster der Möglichkeiten“ für eine lokale Neuverdrahtung im Gehirn wieder geöffnet werden kann, was sich beispielsweise im Zusammenhang mit der Behandlung von Schlaganfällen oder der Entwicklung von Neuroprothesen als nützlich erweisen könnte.

Das Leibniz-Institut für Neurobiologie (LIN) in Magdeburg ist ein Zentrum für Lern- und Gedächtnisforschung.

Link zum Fachartikel “Enhanced cognitive flexibility in reversal learning induced by removal of the extracellular matrix in auditory cortex” von Happel, M.F.K., Niekisch, H., Castiblanco, L.L., Ohl, F.W., Deliano, M., und Frischknecht, R. in Proc Natl Acad Sci U S A. ; Online am 03.02. 2014: http://www.pnas.org/content/early/2014/01/29/1310272111.full.pdf+html