Wie Gelerntes aus dem Gehirn ausgelesen wird

Wie war doch gleich der Name? Zufällig hat man jemanden getroffen – das Gesicht ist bekannt, doch der Name will einem partout nicht einfallen. Erst später, nach einer mehr oder weniger eleganten Rettung aus der Situation, ist der Name plötzlich wieder da. Was war passiert?

Das Gesicht und auch der dazu gelernte Name waren offenbar im Gehirn gespeichert. Nur das Abrufen dieser verknüpften Informationen war kurzzeitig nicht möglich. Auf welche Weise solche gelernten Zusammenhänge aus dem Gehirn „ausgelesen“ werden, das ist eines der großen Rätsel in der Gehirnforschung. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Neurobiologie in Martinsried und der Ecole Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles in Paris haben jetzt mit einem internationalen Kollegenteam einen ersten Schritt zum Knacken dieser Nuss getan.

Auch Fruchtfliegen haben ein Gedächtnis. Das Gehirn dieser winzigen Tiere kann sich verschiedene Dinge und Zusammenhänge merken und sie nach einiger Zeit auch wieder abrufen. Natürlich ist das Fruchtfliegenhirn mit seinen rund hunderttausend Nervenzellen viel kleiner als zum Beispiel ein menschliches Gehirn mit zirka 100 Milliarden Zellen. Doch viele der Grundprinzipien sind gleich, und die einfachere Struktur erlaubt es den Wissenschaftlern, Vorgänge im Fliegenhirn dort zu entschlüsseln, wo sie stattfinden: auf der Ebene einzelner Zellen.

Im Versuch brachten die Neurobiologen Fruchtfliegen bei, einen bestimmten Duft mit einem leichten Stromstoß in Verbindung zu bringen. Mit diesem klassischen Konditionierungsexperiment lernten die Fliegen bereits nach einer einzigen Wiederholung, sich von dem trainierten Duft wegzubewegen. Das Besondere in diesem Versuch: Die Wissenschaftler konnten in den speziell gezüchteten Fruchtfliegen einzelne Nervenzellen durch eine Veränderung der Umgebungstemperatur zeitweise inaktivieren. Am Verhalten der Tiere war dann zu erkennen, ob die ausgeschalteten Nervenzellen einen Einfluss auf das Gedächtnis oder das Erinnerungsvermögen haben. Auf diese Weise zeigten die Forscher, dass die Fruchtfliegen die Verbindung zwischen Duft und Strom nur dann abrufen konnten, wenn die sogenannten MB-V2 Nervenzellen aktiv waren. Ob die Fliegen den Zusammenhang erlernten, oder ob das Gelernte in das Langzeitgedächtnis überging, blieb von der Aktivität dieser Zellen unberührt.

Es war bereits bekannt, dass Geruchsinformationen im Lateralen Horn des Fliegenhirns verarbeitet werden. Als Resultat auf diese Verarbeitung kann dann ein bestimmtes Verhalten folgen: vermeiden oder annähern. Das Verknüpfen von Informationen geschieht dagegen in einer anderen Region des Fliegenhirns, dem Pilzkörper. Hier wird in diesem Fall der neutrale Geruch mit der negativen Empfindung des Stromimpulses verbunden und die Erinnerung für das Vermeidungsverhalten geformt. Die Neurobiologen zeigten nun, dass die MB-V2 Zellen Informationen aus dem Pilzkörper erhalten und ihrerseits die Nervenzellen im Lateralen Horn informieren. „Wir konnten somit erstmals zeigen, auf welchem Alternativweg eine erlernte Verknüpfung aus dem Gedächtnis abgerufen wird“, erklärt Hiromu Tanimoto, einer der beiden Leiter der Studie. Instinktives Verhalten, wie die Vermeidung bestimmter Gerüche, läuft direkt über das Laterale Horn und bleibt somit unbeeinflusst von der Aktivität der MB-V2 Nervenzellen.

„Dass wir diese Zellen nun identifiziert und ihre Rolle beim Auslesen von Gedächtnisinhalten gezeigt haben, ist ein erster Schritt hin zum Verständnis der Vorgänge in diesem Nervennetzwerk“, sagt Tanimoto. So kann die Wissenschaft vielleicht eines Tages erklären, warum es auch in unserem Gehirn beim Abrufen einzelner Dinge manchmal klemmt. Eine wichtige Voraussetzung, um zum Beispiel Medikamente für bestimmte Gedächtnisprobleme entwickeln zu können.

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Originalveröffentlichung
Julien Séjourné, Pierre-Yves Plaçais, Yoshinori Aso, Igor Siwanowicz, Séverine Trannoy, Vladimiros Thoma, Stevanus R Tedjakumala, Gerald M Rubin, Paul Tchénio, Kei Ito, Guillaume Isabel, Hiromu Tanimoto & Thomas Preat
Mushroom body efferent neurons responsible for aversive olfactory memory retrieval in Drosophila

Nature Neuroscience, Juli 2011