Dopamin – ein Stoff mit vielen Botschaften

Jedes Kind lernt schnell, negative Situationen zu vermeiden und nach positiven zu streben. Doch nicht nur Menschen können sich an positive und negative Sinneseindrücke erinnern; sogar das verhältnismäßig kleine Gehirn von Fruchtfliegen ist dazu in der Lage.

Dabei spielen Nervenzellen eine Rolle, die mit den Pilzkörpern im Fruchtfliegengehirn verbunden sind und den Botenstoff Dopamin enthalten. Forscher des Max-Planck-Instituts für Neurobiologie in Martinsried identifizierten vier verschiedene spezifische Typen solcher Nervenzellen. Drei dieser Nervenzelltypen übernehmen verschiedene Funktionen bei der Speicherung negativer Reize, während der vierte es den Fliegen ermöglicht, sich positive Sinneseindrücke zu merken.

Von frühster Kindheit an lernen wir, Schädlichem aus dem Weg zu gehen und Positives zu suchen. Ein Beispiel für Vermeidungsgedächtnis ist der Stich an den Dornen einer Rose, den wir uns dauerhaft merken. Der Geruch von frischem Essen dagegen wird mit dem Sättigungsgefühl positiv verbunden und ist ein Beispiel für Belohnungsgedächtnis.

Hiromu Tanimoto und seine Kollegen vom Max-Planck-Institut für Neurobiologie haben nun bei der Fruchtfliege die wichtigsten Nervenzelltypen, die an aversiven und Belohnungsprozessen beim Lernvorgang beteiligt sind, lokalisiert und identifiziert. Alle vier der entdeckten Nervenzelltypen enthalten den Botenstoff Dopamin und schütten diesen im Pilzkörper des Fliegengehirns aus. „Es ist erstaunlich, dass so ähnliche Nervenzellen, die so eng benachbart sind, so unterschiedliche Aufgaben haben können“, sagt Tanimoto.

In zwei verschiedenen Studien gelang es den Forschern, die Funktionen der einzelnen Nervenzelltypen zu erforschen. Beim Lernen von Vermeidungsstrategien wurde den Fliegen zunächst ein Duftstoff präsentiert und dieser mit einem negativen Reiz, einem Elektroschock gepaart. Daraufhin lernen die Fliegen diesen Duft in Zukunft zu vermeiden.

In den nächsten Experimenten ersetzten die Wissenschaftler die Elektroschocks durch Aktivierung von Gruppen bestimmter Nervenzellen während der Präsentation des Duftstoffes. Sie beobachteten daraufhin, dass allein die vorübergehende Aktivierung dieser Nervenzellen ausreichend ist als Ersatz eines echten Vermeidungsreizes und zur Bildung eines Gedächtnisses führt – sogar dann, wenn keine realen Reize vorhanden sind.

Die Wissenschaftler konnten außerdem zeigen, dass die drei für das Bestrafungsgedächtnis zuständigen Nervenzelltypen unterschiedliche Funktionen bei der Gedächtnisbildung haben. Dabei geht es vor allem um die Stabilität der Erinnerungen. So ist einer der Zelltypen für die langfristige Speicherung der Eindrücke zuständig, und ein zweiter für die mittelfristige. Der dritte wird für eine kurzfristige Speicherung benötigt, wird jedoch für eine lange Speicherung der Eindrücke nicht gebraucht. „Ein stabiles und funktionsfähiges Gedächtnis für den schädlichen Reiz entsteht also nur durch ein enges Zusammenspiel der drei Zelltypen“, so Tanimoto.

Mit der gleichen Methode zeigten die Forscher, dass Düfte auch mit Belohnung verknüpft werden können. Die Fliegen erinnerten sich an den Geruch und strebten, auch ohne erneut dafür belohnt zu werden, zum Ursprungsort des Geruchs. Die Wissenschaftler wiesen nach, dass auch bei diesem Prozess spezifische Dopamin-haltige Neuronen entscheidend beteiligt sind. Da der Botenstoff Dopamin nicht nur bei Fruchtfliegen und anderen Insekten eine wichtige Rolle spielt, sondern auch beim Menschen für Belohnungslernen benötigt wird, spricht dies für einen hochkonservierten Mechanismus.

RWI/HR
Ansprechpartner
Hiromu Tanimoto
Max-Planck-Institut für Neurobiologie
Telefon: +49 89 8578-3492
Email: hiromut@­neuro.mpg.de
Dr. Stefanie Merker
Max-Planck-Institut für Neurobiologie
Telefon: +49 89 8578-3514
Email: merker@­neuro.mpg.de

Originalpublikationen
Chang Liu, Pierre-Yves Plaçais, Nobuhiro Yamagata, Barret D. Pfeiffer, Yoshinori Aso, Anja B. Friedrich, Igor Siwanowicz, Gerald M. Rubin, Thomas Preat, Hiromu Tanimoto
A subset of dopamine neurons signals reward for odour memory in Drosophila
Nature, 18.Juli 2012, DOI: 10.1038/nature11304
Yoshinori Aso, Andrea Herb, Maite Ogueta, Igor Siwanowicz, Thomas Templier, Anja B. Friedrich, Kei Ito, Henrike Scholz und Hiromu Tanimoto
Three Dopamine Pathways Induce Aversive Odor Memories with Different Stability
PLoS Genet 8(7): e1002768. doi:10.1371/journal.pgen.1002768, 12.Juli 2012