08.10.2015 1 Neurobiologie des Lernens
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08.10.2015 Hebb Postulat 1949 Neurobiologie des Lernens Die synaptische Verbindung von zwei gleichzeitig erregten Zellen wird verstärkt Bliss & Lomo fanden 1973 langdauernde Veränderungen der synaptischen Aktivität, im Hippocampus des Kaninchens, wenn der Erregungsablauf dem Postulat von Hebb entsprach: Long term potentiation LTP Verantwortlich ist der NMDA-Rezeptor: N – Methyl – D – Aspartat – Rezeptor Maximale Erregung bei: 1) Bindung von Glutamat an den Rezeptor 2) Postsynaptischer Depolarisation [Massiver Einstrom von Ca++] 1 08.10.2015 Hinweise zur Stützung der LTP-Hypothese: LTP tritt in Strukturen auf, die für das Lernen relevant sind Substanzen, welche die Lernfähigkeit beeinflussen, wirken auch auf die LTP Mausmutanten mit verminderten LTPs haben Lernschwierigkeiten In Zusammenhang mit der LTP treten am NMDA-Rezeptor Veränderungen auf: Zunahme der Anzahl von Synapsen Veränderung ihrer Gestalt Vermehrung der postsynaptischen NMDA-Rezeptoren Die Meeresschnecke Aplysia [Seehase] besitzt nur rund 20 000 Neuronen Eric Kandel, 1929 in Wien geboren, begann in den 60er Jahren über die Neurobiologie des Lernens zu arbeiten Die relativ grossen Neuronen können leicht Präpariert und sogar in vitro gehalten werden 2 08.10.2015 Lernabhängige Veränderungen können untersucht werden Das Motoneuron L7 bewirkt eine rasche Kontraktion der Kieme Modulatorische Schaltkreise im Gehirn: Ein Zusatzreiz [Schwanzstimulation] verstärkt die sensomotorische Verbindung durch präsynaptische serotonerge Aktivierung für kurze Zeit Kandels Modell für Lernprozesse war der Kiemenrückziehreflex der Aplysia Das Sipho-System besteht aus 24 sensorischen Neuronen, von denen ein Hautreiz 6 aktiviert. Diese leiten die Erregung an 6 Motoneuronen weiter, die den Kiemenrückziehreflex bewirken Das modulatorische Interneuron erhöht die Glutamatausschüttung der Synapse: Serotonin cAMP Proteinkinase A 3 08.10.2015 Diese Kette konnte durch direkte Applikation von Serotonin, cAMP und Proteinkinase A nachgewiesen werden Gewebekulturen für einfache Lernschaltkreise E. R. Kandel Nobelpreis 2000 The molecular biology of memory storage: A dialogue between gens and synapses. [Science 2001] Grundlage kurzfristiger Behaltensleistungen ist eine erhöhte Transmitterausschüttung. Langfristige Behaltensleistungen beruhen auf der Neubildung von Synapsen Serotonin cAMP Proteinkinase A aktiviert das Protein CREB 1, welches die Genexpression aktiviert Serotonin cAMP MAF-Kinase aktiviert das Protein CREB 2, welches die Genexpression blockiert Die dadurch ausgelöste Genexpression führt zur Produktion von (ruhender) mRNA Die molekularen Grundlagen von Kurz- und Langzeitbahnung CREB = cAMP Response Element-binding Protein 4 08.10.2015 Die Frage, warum Wachstum nur an aktivierten Synapsen auftritt, konnte an verzweigten Axonen untersucht werden, an denen die Lenkung von Proteinen aufgeklärt wurde Proteine werden zu allen Synapsen gesandt, doch nur an den stimulierten bilden sich neue Axonendigungen aus Nur an der Synapse, an welcher Serotonin appliziert wurde, treten Veränderungen auf Durch Serotonin wird das prionartige Protein CPEB [Cytoplasmatic Polyadenylation Element-binding Protein] von der rezessiven in die dominante Form umgewandelt, welche die ruhende mRNA aktiviert Somatosensorische Repräsentation beim Nachtaffen [Owl Monkey] Neuronale Plastizität: Durch solche Umstrukturierungen kann sich sogar die Grösse von kortikalen Projektionsfeldern im Anschluss an Lernprozesse verändern [M. M. Merzenich 1990] Sensibilitätssteigerung der Mittelfinger durch mehrmonatiges Training 5 08.10.2015 Somatosensorische Areale der Fingerspitzen vor (li) und nach (re) dem Training Auch das Dogma der Zellkonstanz ist nicht mehr aufrecht, da Nervenzellen auch postnatal gebildet werden können, wie Fernando Nottebohm erstmals am Vogelhirn gezeigt hat. Solche Neubildungen finden auch im menschlichen Gehirn statt Die Neurogenese geht vom Ependym der Ventrikel aus Neurotropine (Neural Growth Factor) steuern dieses Wachstum Dabei werden die neugebildeten Nervenzellen von Gliafasern geleitet Eine grosse Zahl von Neuronen (~ 50%) geht durch Zelltod (Apoptose) wieder zugrunde [email protected] Dabei tritt eine erhebliche Umbildung der synaptischen Verbindungen auf 6
