Die Plastizität von Gehirn und Verhalten: Eine integrative Forschungsperspektive

Neuronale Plastizität 

Haben Sie sich jemals gefragt, was in Ihrem Gehirn geschieht, wenn Sie eine Fertigkeit neu erlernen? Die entsprechenden Veränderungen des Gehirns sind Beleg für seine Plastizität. Damit bezeichnen wir die Fähigkeit von Organismen, neuronale Strukturen in Reaktion auf Anforderungen der Umwelt dauerhaft und verhaltensrelevant zu verändern. Ein besseres Verständnis der Mechanismen, die Plastizität ermöglichen, kann langfristig dazu beitragen, Therapien für neurologische Erkrankungen oder für Rehabilitationsmaßnahmen nach Verletzungen gezielt zu verbessern.

Vor einigen Jahren machten Forscher am MPI für Bildungsforschung eine interessante Entdeckung. Im Rahmen eines mehrwöchigen Trainingsprogramms lernten junge, erwachsene Rechtshänder, mit ihrer linken Hand zu schreiben und zu zeichnen. Während des Trainings wurden die Gehirne der Probanden regelmäßig mit einem Magnetresonanztomographen (MRT) untersucht. Analysen der Gehirnbilder zeigten Veränderungen im Volumen der grauen Substanz in den primären motorischen Arealen. Vor allem im rechten motorischen Kortex dehnte sich die graue Substanz anfangs aus und ging danach wieder zurück – trotz Weiterführung des Trainings und fortgesetzter Leistungssteigerung. Die strukturellen Gehirnveränderungen in der grauen Substanz nahmen also einen nichtlinearen, umgekehrt U-förmigen Verlauf.[1]

Diskrepanz zwischen humaner Forschung und Tiermodellen 

Doch was genau hat ein solcher Verlauf zu bedeuten? Welche Mechanismen könnten ihm zugrunde liegen? Aufgrund technischer Einschränkungen und ethischer Grundsätze ist es in der Regel nicht möglich, die entsprechenden Mechanismen auf molekularer Ebene am Menschen zu untersuchen. Tierstudien hingegen erlauben detaillierte Einblicke in die Dynamik und Mechanismen der neuronalen Plastizität. Zum Beispiel kann das Entstehen und Vergehen neuer Verbindungen zwischen den Nervenzellen im Laufe des Fertigkeitserwerbs mit mikroskopischen Methoden beobachtet werden.

Neuronale Plastizität wird in Tiermodellen und in der Humanforschung intensiv untersucht. Die Forschungsbemühungen werden aber nur selten mit dem Ziel koordiniert, die Interpretierbarkeit der Beobachtungen am Menschen zu erhöhen: Zum einen unterscheiden sich die Aufgaben und Umweltbedingungen in den Experimenten häufig erheblich voneinander und sind somit nicht gut vergleichbar, zum anderen werden unterschiedliche Untersuchungsmethoden verwendet. Während Tiermodelle detaillierte Einblicke auf zellulärer Ebene ermöglichen, liefern die nicht-invasiven Techniken der Humanforschung nur recht grobe „makroskopische“ Daten (zum Beispiel Veränderungen im Volumen der grauen Substanz). Derartige makroskopische Veränderungen können Ausdruck einer Vielzahl mikroskopischer Veränderungen sein. Erforderlich ist deswegen ein dezidiert integrativer Forschungsansatz, der Tiermodell und Humanforschung miteinander verbindet.[2]

Studie: Feinmotorisches Lernen bei Mäusen und Menschen 

Ein Beispiel für diese integrative Herangehensweise ist eine Untersuchung, in deren Verlauf Mäuse und Menschen eine feinmotorische Fertigkeit erlernen. Die Mäuse trainieren über mehrere Tage hinweg die sogenannte Single-Pellet-Reaching-Aufgabe. Dabei greifen sie mit ihrer bevorzugten Pfote ein kleines Futterstück durch einen schmalen Schlitz in einer Plexiglaswand. Für die menschlichen Teilnehmenden haben wir die Aufgabe angepasst: Sie sollen mit Essstäbchen mit Schokolade ummantelte Erdnüsse durch einen engen Spalt führen und in kleines Schälchen legen. Die Ähnlichkeit der motorischen Anforderungen an Maus und Mensch ermöglicht eine vergleichende Analyse der verhaltensbezogenen Lernkurven und der damit verknüpften plastischen Veränderungen des Gehirns (Abbildung 1).

Der zentrale Gedanke dieses Ansatzes ist also die Kombination von makroskopischen Methoden, die im Humanbereich weit verbreitet sind, mit mikroskopischen Verfahren, die im Tiermodell Anwendung finden können (Abbildung 2). Sowohl beim Menschen als auch bei den Mäusen werden mehrere MRT-Messungen über den Trainingsverlauf hinweg durchgeführt, sodass wir bei beiden Spezies Veränderungen der Gehirnstruktur auf makroskopischer Ebene über die Zeit beobachten können. Zusätzlich wird bei den Mäusen die Zwei-Photonen-Mikroskopie verwendet, die Erkenntnisse über Prozesse auf zellulärer Ebene erlaubt. Die Kombination makroskopischer und mikroskopischer Methoden am selben Tier kann Hinweise darauf liefern, wie grobe Veränderungen der Gehirnstruktur (wie Volumenänderung der grauen Substanz) mit feinen strukturellen Veränderungen auf Zellebene (wie Veränderung der Zellstruktur oder Neubildung von Synapsen) zusammenhängen. Da beim Menschen Verfahren wie die Zwei-Photonen-Mikroskopie nicht zur Anwendung kommen können, makroskopische Verfahren jedoch schon, ermöglicht dieser integrative Forschungsansatz neue Erkenntnisse über die Mechanismen der Plastizität des menschlichen Gehirns.