Verhalten verändert das Gehirn

Nervenzellverbindungen im Kleinhirn der Maus. Synapsen (grün), gebildet auf

Nervenzellverbindungen im Kleinhirn der Maus. Synapsen (grün), gebildet auf einer Purkinjezelle (rot), abgebildet mit hochauflösender Mikroskopie. (Foto: Universität Basel/ Stéphane Baudouin)

Lern- und Verhaltensprozesse beeinflussen und verändern das Netzwerk der Nervenzellen im Gehirn.  Forschende haben einen Mechanismus identifiziert, mit dem Nervenzellen ihre Verbindungen anpassen können. Diese Ergebnisse gewähren Einblicken in grundlegende Vorgänge der neuronalen Netzwerkbildung und können auch Erkenntnisse für neuronale Erkrankungen wie Autismus oder Schizophrenie liefern.

Die Gruppe des Neurobiologen Peter Scheiffele konnte einen neuen Mechanismus aufklären, wie Nervenzellen (Neuronen) abhängig von neuronalen Signalen den Aufbau ihres Netzwerks im Gehirn verändern. Die Ergebnisse zeigen, wie sich neuronale Aktivität während der Entwicklung des Nervensystems oder bei Lernprozessen direkt auf die Art der Verbindungen im Nervensystem auswirken kann.

Neurexin-Varianten verändern die Art der Nervenverbindungen
Das Nervensystem ist ein Netzwerk aus einer Vielzahl von Neuronen, die durch Verbindungsstellen, sogenannte Synapsen, miteinander verbunden sind. Da an Synapsen die Nervenimpulse von einem Neuron zum nächsten übertragen werden, sind Aufbau, Anzahl und Art der Synapsen von entscheidender Bedeutung bei der Informationsleitung. Dem Membranprotein Neurexin fällt dabei eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Synapsen zu, indem es mit Bindungspartnern zu Nachbarneuronen aufnimmt und so die Verbindung zwischen zwei Neuronen herstellt.

Eine Besonderheit von Neurexin ist, dass es in über 3000 Varianten vorkommt, welche an bestimmte Rezeptoren in den Nachbarzellen binden. Die Produktion unterschiedlicher Neurexine findet hauptsächlich durch sogenanntes alternatives Spleissen der RNA statt. Bei diesem Prozess werden je nach Bedingung Varianten von Neurexin mit unterschiedlichen Bindungseigenschaften hergestellt. Wie Neuronen den Spleissprozess steuern, um die jeweils passende Neurexin-Variante herzustellen, war bislang nicht geklärt.

Verändertes Verhalten – veränderte Nervenverbindung
Scheiffeles Gruppe konnte nachweisen, dass die Aktivierung von Neuronen das alternative Spleissen über ein bestimmtes RNA-Bindeprotein beeinflusst. Dieses Bindeprotein bestimmt, welche Neurexin-Variante erzeugt wird. Auf diese Weise können Nervenzellen als Reaktion auf ein neuronales Signal zu anderen Nachbarzellen aufnehmen, der ihnen ohne passenden Rezeptor verwehrt bleibt. Die neuronale Verbindung kann somit durch veränderte Aktivität modifiziert werden.

«Dieser neue Regulationsmechanismus gibt einen Einblick, wie unsere Empfindungen und unser Verhalten direkt das neuronale Netzwerk im Gehirn verändern. Wenn ich beispielsweise ein Instrument lerne und die Bewegung meiner Hände trainiere, speichert mein Gehirn diese Information durch entsprechend angelegte Nervenverbindungen», so Scheiffele.

Angesichts der grossen Anzahl an Neurexinen möchte sich die Forschungsgruppe künftig auf die Auswirkungen weiterer Neurexin-Varianten auf das neuronale Netzwerk konzentrieren. Da Veränderungen von Neurexinen auch bei Patienten mit Autismus oder Schizophrenie vorliegen können, könnten die Forschungsergebnisse auch zum besseren Verständnis dieser Krankheiten beitragen.