Stabile Erinnerungen

Es gibt Fragen, die mich als Neurobiologin nie losgelassen haben. Eine davon: Wie kann das Gehirn eigentlich stabile Erinnerungen speichern, obwohl sich seine kleinsten Bausteine ständig verändern? Stichwort: Plastizität.

Synapsen, also die Verbindungen zwischen Nervenzellen, sind alles andere als statisch. Sie werden stärker oder schwächer, entstehen neu oder verschwinden wieder.

Was eine Studie der Universitätsmedizin Mannheim jetzt so besonders macht, ist eine wirklich abgefahrene Methodik, um dies genauer zu untersuchen. Da bedauere ich es manchmal doch, dass ich selbst nicht mehr im Labor stehe.

Die Forschenden haben tatsächlich einzelne Synapsen im lebenden Gehirn über zwei Wochen hinweg verfolgt. Und zwar strukturell und funktionell.

Dafür kombinierten sie Optogenetik mit Zwei-Photonen-Kalzium-Imaging.

Eine definierte Gruppe von Neuronen im Hippocampus (dem Zentrum für da Gedächtnis) wurde gezielt aktiviert, während in den verbundenen Neuronen die Aktivität bis auf die Ebene einzelner Synapsen gemessen wurde. Und das alles in wachen Mäusen.

Allein das ist schon bemerkenswert. Normalerweise sind solche Messungen extrem anfällig für kleinste Bewegungen, weshalb sie idR unter Narkose stattfinden, die aber wiederum die Synapsen massiv beeinflusst.

In dieser neuen Studie wurden die Tiere so trainiert, dass sie während der Messung ruhig bleiben, und ein Closed-Loop-System hielt die Bildgebung stabil genug, um dieselben Strukturen immer wiederzufinden. Man verfolgt also nicht irgendeine durchschnittliche Aktivität, sondern exakt dieselbe einzelne Synapse über Tage hinweg.

Auf diese Weise konnte erstmals direkt im lebenden Gehirn und in einem konkreten System zur Gedächtnisbildung gezeigt werden, was bisher nur eher indirekt aus zusammengesetzten Erkenntnissen angenommen wurde: stärkere Synapsen werden stabilisiert, schwächere verschwinden wieder.

Mindestens genauso interessant finde ich aber ein weiteres Ergebnis.

Obwohl einzelne Synapsen kommen und gehen, bleibt die Aktivität ganzer dendritischer Äste (quasi die Ärmchen von Nervenzellen) erstaunlich stabil. Das Gehirn scheint Informationen also nicht in einzelnen „festen“ Verbindungen zu speichern, sondern verteilt über viele parallele Kontakte, die sich gegenseitig absichern.

Genau diese feine Balance aus Plastizität und Stabilität ist es, die Lernen überhaupt erst möglich macht.

Quelle:
Rais & Wiegert (2026), Nature Communication
doi.org/10.1038/…

Mir wird immer klarer, dass ich mit der Idee nichts anfangen kann, Dinge zu lernen, damit ich sie danach beruflich verwerten kann. Ich habe sehr gerne Informatik und Mathematik studiert, aber das heißt nicht, dass ich motiviert bin, das Wissen anzuwenden. Wenn ich etwas verstanden habe, dann bin ich damit fertig (sinngemäß Hannah Arendt). Der spannende Teil ist vorbei. Wenn sich Leute über „trockene Theorie“ beschweren, die sie nur in Kauf nehmen, weil sie für ihr berufliches Ziel notwendig ist, wundere ich mich. Das ist mir völlig fremd.

Und umso mehr wundere ich mich, wenn berufliche Weiterbildung darauf ausgerichtet ist, eben nichts zu verstehen, sondern nur die Abkürzung zur Anwendung des Stoffs zu vermitteln. Das finden die meisten Leute anscheinend sehr gut. Ich empfinde es als fürchterliche Zeitverschwendung. Wenn wir nicht in einer Weiterbildungsveranstaltung sind, um die Dinge zu verstehen, wozu sind wir dann überhaupt da?

Ein entscheidender Minivorrat

Damit unser Gehirn lernen und sich an neue Erfahrungen anpassen kann, müssen sich die Verbindungen zwischen Nervenzellen, die Synapsen, verändern können. Wissenschaftler sprechen von synaptischer Plastizität.

Dafür benötigen sie bestimmte Proteine und das innerhalb kürzester Zeit. Wie aber wird diese Ressource gewährleistet, wenn doch die Synapse meist sehr weit weg vom Zellkörper liegt, dem Ort, wo die Proteine hergestellt werden?

Eine bekannte Lösung besteht darin, nicht die fertigen Proteine, sondern ihre Bauanleitungen in Form von Boten-RNAs (mRNAs) in die Fortsätze der Nervenzellen zu transportieren. Dort können die Proteine bei Bedarf direkt vor Ort hergestellt werden.

Welche Rolle dieser Mechanismus in der äußersten Schicht der Großhirnrinde spielt, hat nun ein Forschungsteam des Max-Planck-Instituts für Hirnforschung in Frankfurt untersucht.

Diese Hirnschicht enthält zahlreiche weit verzweigte Fortsätze von Nervenzellen und entsprechend viele Synapsen, aber nur sehr wenige Zellkörper (grün im Bild).

Mithilfe verschiedener molekularbiologischer Methoden konnten die Forschenden nachweisen, dass dort tatsächlich neue Proteine hergestellt werden. Allein an den erregenden Synapsen identifizierten sie mehr als 1.000 (!) unterschiedliche mRNAs. Deren Zusammensetzung unterschied sich deutlich von der in tieferen Schichten der Großhirnrinde, wo eben die Zellkörper liegen.

Das sind mal wieder so Ergebnisse, die mich beinahe ehrfürchtig werden lassen. Wie „durchdacht“ kleinste Anpassungen auf molekularer Ebene sind, damit das Große Ganze, also am Ende wir, bestmöglich funktioniert.

Erst die schnelle Anpassung der Synapsen ermöglicht, dass wir lernen oder Erinnerungen bilden. Ohne diesen mRNA-Vorrat an den Synapsen wäre das mutmaßlich nicht in dieser Qualität möglich. Und wir reden hier über Moleküle im Nanometerbereich. Wahnsinn!

Quelle
Spanò et al. (2026), Cell Reports „ Localized mRNAs and protein synthesis in cortical
layer 1 “

doi.org/10.1016/…

Wie Schimpansen lernen

Junge Schimpansen müssen einiges lernen. Zum Beispiel, wie sich mit einem Stock Ameisen oder Termiten aus ihren Nestern angeln lassen oder wie eine harte Baobab-Frucht auf einem Stein aufgeschlagen wird.

Vieles davon schauen sie sich bei erfahrenen Tieren ab. Doch manchmal bekommen sie offenbar auch aktive Hilfestellung.

Forschende unter anderem von der Universität Barcelona, dem Jane Goodall Institute Spain und dem Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie in Leipzig haben über mehrere Jahre wild lebende Westliche Schimpansen im Dindefelo-Naturreservat im Senegal mit Kamerafallen beobachtet.

Besonders interessierte sie, was passiert, wenn Werkzeuge zwischen den Tieren weitergegeben werden.

Die meisten beobachteten Werkzeugübergaben verliefen von erfahrenen zu unerfahreneren Tieren, häufig zwischen Müttern und ihrem Nachwuchs. Meist wurden die Werkzeuge dabei nicht demonstrativ überreicht, sondern ein erfahrenes Tier ließ es etwas beiläufig zurück oder erlaubte einem Jungtier, es zu nehmen.

Für den Geber bedeutete das durchaus einen Nachteil, während der Empfänger anschließend deutlich häufiger selbst mit dem Werkzeug arbeitete. Nach etablierten verhaltensbiologischen Kriterien können solche Übergaben deshalb als eine Form des Lehrens gedeutet werden.

Besonders schön zeigt das eine einzelne Beobachtung beim sogenannten ant dipping. Eine Mutter angelte mit einem Stock Ameisen aus einem Nest. Dann ging sie zu ihrem etwa dreieinhalbjährigen Jungtier, steckte den Stock in das Ameisennest und ließ ihn dort. Als das Junge sich entfernte, holte die Mutter es sogar zurück zum Werkzeug. Das Jungtier nahm den Stock, zog ihn aus dem Nest und fraß die Ameisen, während die Mutter zusah. Anschließend verwendete es den Stock selbstständig weiter.

Eine zweite Szene (daraus ist auch das Bild) zeigt, dass nicht nur Mütter solche Lerngelegenheiten schaffen. Ein Jungtier versuchte erfolglos, eine Baobab-Frucht auf einem Felsen aufzuschlagen. Ein älterer Jungschimpanse schlug und stampfte auf den Felsen, führte einmal die Hand des jüngeren Tieres zum Felsen und demonstrierte später selbst erfolgreich das Aufbrechen einer Frucht. Danach versuchte es das jüngere Tier erneut. Ob der ältere Schimpanse hier tatsächlich gezielt „unterrichtete“, lässt sich aus dieser einzelnen Beobachtung allerdings nicht sicher sagen.

In der Verhaltensbiologie werden drei Kriterien für Lehrverhalten definiert:

1. Das “Lehrindividuum” ändert sein Verhalten in Gegenwart eines unerfahrenen Artgenossen gezielt

2. Dieses veränderte Verhalten bringt dem Lehrenden selbst keinen unmittelbaren eigenen Nutzen bringen, sondern ist im Gegenteil sogar mit gewissen Kosten (z.B. Zeit, Wergzeugverlust, Energie) verbunden

3. Das lernende Individuum gewinnt durch diese Interaktion eine neue Fähigkeit schneller und sicherer, als es ihm durch bloßes Ausprobieren im Alleingang möglich gewesen wäre

In einer Vielzahl von Beobachtungen sehen die Autoren der Studie alle drei Punkte als erfüllt an.

Solche sozialen Prozesse könnten entscheidend dazu beitragen, komplexe Techniken innerhalb einer Gemeinschaft zuverlässig an die nächste Generation weiterzugeben.

Quelle:
Sánchez-Megías et al., 2026, Frontiers in Psychology

frontiersin.org/journals/…

Hinweis : im Supplementary material sind interessante Videos, aus denen auch der Screenshot oben ist.

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