Physiologie 5 Plastizität

Die neuronale Plastizität Die Fähigkeit des Gehirns, sich zu reorganisieren und ausgefallene Funktionen auf verschiedene Weise zu kompensieren Die neuronale Plastizität als Grundlage des Lernens Neubildung von Neuronen,-die Anzahl der Synapsen und der synaptischen Dornen (Spines) nimmt zu anregende Umgebung -Deprivation -Hebb-Synapsen Die neuronale Plastizität und die Regeneration „Sprouting" - das Aussprossen von Axonkollateralen

Entwicklung und Lernen I Frühe Erfahrungen und Interaktion mit der Umgebung steuern Wachstum und Verbindung von Nervenzellen Lernen und Reifung. Alle Lernprozesse sind Ausdruck der Plastizität des Nervensystems, aber nicht jeder plastische Prozess bedeutet Lernen. Unter Lernen verstehen wir den Erwerb eines neuen Verhaltens. Damit wird Lernen von Reifung unterschieden, bei der genetisch programmierte Wachstumsprozesse zu Veränderungen des zentralen Nervensystems führen, die als unspezifische Voraussetzung für Lernen fungieren. Neuronale Wachstumsvorgänge und Abbau überflüssiger Verbindungen stellen die Grobverbindungen im Nervensystem her; die Entwicklung von geordneten Verhaltensweisen und Wahrnehmungen hängt aber von der adäquaten Stimulation des jeweiligen neuronalen Systems in einer frühen, kritischen Entwicklungsperiode ab.

Entwicklung und Lernen II Wirkung früher Deprivation. Neben der genetisch gesteuerten Reifung synaptischer Verbindungen ist die Ausbildung spezifischer synaptischer Verbindungen unter dem Einfluss früher Umweltauseinandersetzung unabdingbare Voraussetzung für Lernvorgänge aller Art. Erfolgt die Deprivation in einer kritischen Periode, so bilden sich die synaptischen Verbindungen für eine bestimmte Funktion nicht aus, und das zugehörige Verhalten kann auch später häufig nicht mehr erlernt werden. Isoliert man z.B. junge Affen… Auch beim Menschen wurden immer wieder anekdotisch Beispiele solcher dauerhafter Störungen nach Isolation (Kaspar Hauser-Befunde) berichtet.

Inaktivierung und Absterben unbenutzter Neurone Durch simultanes Feuern wird nicht nur die Stärke der Verbindung der kooperierenden Synapsen erhöht, sondern gleichzeitig die der inaktiven benachbarten Synapsen geschwächt. Durch die simultan aktiven Synapsen wird aktivitätsabhängig der Nervenwachstumsfaktor (Nerve Growth Factor, NGF) von den benachbarten Synapsen »abgezogen«. Bei Nicht-Vorhandensein des Nervenwachstumsfaktors oder eines ähnlichen, auf den postsynaptischen Zellen aktivierten Wachstumsfaktors sterben die benachbarten nicht-aktiven Zellen ab (»pruning«). Der Abbruch alter, störender Verbindungen durch Absterben oder Funktionslosigkeit nicht benutzter Zellen ist somit für die Entwicklung neuer Verhaltensweisen mindestens genau so wichtig wie der Aufbau neuer neuronaler Verbindungen.

Hebb-Synapsen I. Hebb-Regel. Dabei zeigt sich ein fundamentales Prinzip neuronaler Plastizität, das auch Lernvorgängen zugrunde liegt und das nach seinem Entdecker, dem kanadischen Psychologen Donald Hebb als Hebb-Regel bezeichnet wird: »Wenn ein Axon des Neurons A nahe genug an einem Neuron B liegt, sodass Zelle B wiederholt oder anhaltend von Neuron A erregt wird, so wird die Effizienz von Neuron A für die Erregung von Neuron B durch einen Wachstumsprozess oder eine Stoffwechseländerung in beiden oder einem der beiden Neurone erhöht.« Arbeitsweise von Hebb-Synapsen. Während die meisten Neurone des Zentralnervensystems bei wiederholter Erregung durch ein anderes Neuron ihre Feuerrate reduzieren oder nicht verändern, haben Hebb-Synapsen eben diese Eigenheit, bei simultaner Erregung ihre Verbindung zu verstärken.

Hebb-Synapsen II. (An der Realisierung der Hebb-Regel sind im Allgemeinen zwei präsynaptische Elemente (Synapse 1 und 2) und eine postsynaptische Zelle beteiligt: Nehmen wir an, Synapse 1 wird durch einen neutralen Ton erregt, der allein nicht ausreicht, die postsynaptische Zelle, an der sowohl Synapse 1 wie Synapse 2 konvergieren, zum Feuern zu bringen. Nun wird Synapse 2, die z. B. aus einer Zelle im Auge erregt wird, kurz nach oder gleichzeitig mit Synapse 1 durch einen Luftstoß auf das Auge erregt, der in der postsynaptischen Zelle z. B. die Aktivierung eines Blinkreflexes auslöst. Dieser Akt des Feuerns der postsynaptischen Zelle, ausgelöst durch Synapse 2, verstärkt nun die Aktivität aller Synapsen, die an dieser postsynaptischen Zelle gerade gleichzeitig aktiv waren, so auch die Erregbarkeit der »schwachen« Synapse 1. Nach mehreren zeitlichen Paarungen der beiden Reize, Ton und Luftstoß, wird die Synapse 1 zunehmend »stärker« und es genügt dann der Ton allein, um die postsynaptische Zelle zum Feuern zu bringen und damit einen Blinkreflex auszulösen: »Klassisches Konditionieren« des Blinkreflexes wurde somit aufgebaut.) Beispielsweise ist für die Ausbildung der okularen Dominanzsäulen die simultane Aktivierung prä- und postsynaptischer Elemente im visuellen Kortex aus beiden Augen notwendig. Zeitlich simultane Aktivierung von präsynaptischen und postsynaptischen Elementen führt also zu einer funktionellen und anatomischen Stärkung der Verbindung zwischen prä- und postsynaptischem Element in Hebb-Synapsen.

Plastizität des Gehirns und Lernen II Hebb-Synapsen (Donald Hebb) Die Hebb-Regel stellt die neurophysiologische Grundlage der Bildung von Assoziationen dar. Hebb-Synapsen haben die Eigenheit, bei simultaner Erregung ihre Verbindung zu verstärken

Einfluss der Umgebung Lernen und Erfahrung sind auf Reize aus der Umgebung angewiesen und führen zu verschiedenen strukturellen Änderungen, vor allem an kortikalen Dendriten Wirkung anregender und eintöniger Umgebung. Lernen und Erfahrung zu einer Vielzahl spezifischer und unspezifischer histologischer und mikrobiologischer Änderungen führen. (Tiere, die in einer stimulierenden Umgebung aufwachsen, haben dickere und schwerere Kortizes, eine erhöhte Anzahl dendritischer Fortsätze und dendritischer Spines, erhöhte Transmittersyntheseraten, v.a. des Azetylcholins und Glutamats, Verdickungen der postsynaptischen (subsynaptischen) Membranen, Vergrößerungen von Zellkörpern und Zellkernen sowie Zunahmen der Anzahl und der Aktivität von Gliazellen. Wenn man die Tiere zusätzlich zu ihrem normalen Verhalten noch in spezifischen Lernaufgaben trainiert, so kommt es zu einem vermehrten Auswachsen von Verzweigungen der apikalen und basalen Dendriten der kortikalen und hippokampalen Pyramidenzellen. Dieses Wachstum geht mit einer Vergrößerung der dendritischen Spines einher. Ort und Art des Lernens. Diese Befunde machen wahrscheinlich, dass die apikalen dendritischen Synapsen und Spines als ein wesentlicher Ort des Lernens betrachtet werden können.

Kortikale Karten I. Die meisten Verbindungen zwischen präsynaptischem und postsynaptischem Neuron bestehen bereits vor der eigentlichen Lernbedingung, sodass durch Lernen vor allem »stumme« synaptische Verbindungen »geweckt« werden. Die Herstellung neuer Verbindungen scheint dagegen selten zu sein. Die physiologischen und histologischen Änderungen sind ortsspezifisch, d.h. sie finden dort statt, wo der Lernprozess vermutet werden kann, nämlich in der Umgebung der aktiven sensomotorischen Verbindungen.

Kortikale Karten II. Durch Lernprozesse kommt es zur Ausbreitung oder Reduktion kortikaler Repräsentationen und Karten. Auf anatomischer Ebene zeigen sich aktivitätsabhängige Änderungen auch an den Modifikationen kortikaler Karten im Gehirn. Wenn z. B. ein Tier eine bestimmte Bewegung über einen längeren Zeitraum übt, so lässt sich eine Ausbreitung des »geübten« somatotopischen Areals (rezeptives Feld) auf benachbarte Areale nachweisen. Es lassen sich dann Zellantworten, z. B. von der postzentralen Handregion, über früher nicht aktiven Hirnarealen, ableiten. Diese topographischen Karten sind von Individuum zu Individuum verschieden, je nach der bevorzugten Aktivität des Sinnessystems oder des jeweiligen motorischen Outputs. Die erworbene Individualität eines Organismus (in Abgrenzung von der genetischen) könnte somit in unterschiedlichen topographischen (ortssensitiven) und zeitsensitiven Hirnkarten repräsentiert sein. -

Phantomschmerz I Nach Amputation eines Glieds, Armes oder der Brust (bei Frauen) und auch bei Querschnittslähmungen kommt es häufig zu Phantomempfindungen und –schmerzen. Der (die) Patient(in) spürt dabei deutlich und oft quälend das nicht mehr vorhandene Glied oder Teile desselben. Dabei ist auffällig, dass nach Reizung von Stumpf oder Lippe der amputierten Seite ein starkes magnetisches Feld über dem Fingerareal auftritt. Je größer die Verschiebung der Repräsentation von Lippe oder Gesicht, um so größer der Phantomschmerz.

Phantomschmerz II Bei der Modifikation solcher topographischer (ortssensitiver) oder zeitsensitiver Hirnkarten (z. B. im akustischen System) zeigt sich wieder, dass die Hebb-Regel Gültigkeit hat: die Ausweitung einer topographischen Repräsentation durch Lernen wird durch gleichzeitige Aktivierung einzelner Zellen von zwei benachbarten Fasern aus benachbarten Haut- oder Handregionen, z. B. bei sensomotorischen Aufgaben bewirkt. Es ist also nicht nur der rein quantitative Anstieg der Aktivität, der für die anatomischen Veränderungen verantwortlich ist, sondern die durch synchrone Aktivität ausgelösten Veränderungen

Zusammenfassung Für einen erfolgreichen Lernprozess sind verschiedene Parameter notwendig: Genetisch bestimmte Reifung des Nervensystems, Ausbildung spezifischer synaptischer Verbindungen unter dem Einfluss von Umwelteinflüssen, Abbau »überflüssiger« synaptischer Verbindungen (Pruning) unter dem Einfluss von Umwelteinflüssen. Da eine stimulierende Umgebung die Voraussetzung für die Modifikation der synaptischen Verbindungen darstellt, gelingt diese in anregender Umgebung besser als in verarmter. Neuronale Grundlagen: Die makroskopischen und mikroskopischen Veränderungen des Gehirns durch Lernen folgen der Hebb-Regel: gleichzeitige Aktivierung einer Zelle