Elektroden im Hirn – oder: Wie man im Schlaf lernt

Forscher am Institute of Science and Technology (IST) Austria in Maria Gugging ergründen an Ratten, welche neuronalen Mechanismen an Lernprozessen beteiligt sind. Elektroden messen die Hippocampus-Aktivität.

Symbolbild
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(c) EPA (ALESSANDRO DELLA BELLA)

Die Ratte scheint gar nicht zu bemerken, was sie da auf dem Kopf trägt: Quietschlebendig tollt sie auf der Plattform herum, beschnuppert alles interessiert und freut sich über die Futter-Pellets, die hin und wieder vom Laborhimmel regnen. Genau dieses Ereignis ist es, das die Forscher am Institute of Science and Technology (IST) Austria in Maria Gugging interessiert: Wie lernt die Ratte, an welcher Stelle der Plattform sie sein muss, damit sie Futter bekommt – und was läuft während dieses Lernprozesses im Gehirn ab?

Dazu wurden dem Tier annähernd 100 feinste Wolfram-Elektroden in ein bestimmtes Gehirnareal, den Hippocampus, eingeführt. Diese Drähtchen messen die Aktivität einzelner Nervenzellen. Von außen ist das sichtbar durch einen Stecker, der am Haupt der Ratte sitzt. An diesem hängen ein Kabel, mit dem die Daten in den Computer überspielt werden, sowie zwei LED-Lämpchen, mit denen die Position der Ratte registriert wird. „Die Ratten haben einen Sinn für die relative Position im Raum: Sie haben in ihrem Hippocampus eine kognitive Karte der Umgebung“, erläutert der Versuchsleiter Joszef Csicsvari. Diese Rolle übernehmen sogenannte Platzzellen – das sind Neuronen, die mit einer hohen Frequenz feuern, wenn sich die Ratte an einem bestimmten Platz befindet.

Plan im Kopf. Obwohl es auf der Plattform keine visuellen Markierungen gibt, lernen die Tiere schnell, wo sie Futter bekommen – der Lernfortschritt lässt sich anhand der Aktivität der Platzzellen gut verfolgen. Die Signale der einzelnen Neuronen huschen in komplizierten Kurven über einen Monitor, durch ausgefuchste mathematische Methoden werden die relevanten Informationen herausgefiltert. „Aus dem neuronalen Muster kann man erkennen, wo sich die Ratte befindet“, erläutert der ungarische Forscher, der im Vorjahr von der Universität Oxford nach Österreich abgeworben wurde.

Doch diese „Gedächtnisspuren“ im Hippocampus sind sehr labil und werden leicht durch andere Aktivitäten verwischt. Um ins Langzeitgedächtnis überzugehen, muss das Erlernte stabilisiert werden. Das geschieht unter anderem im Schlaf: Die Wissenschaftler konnten nachweisen, dass im inaktiven Gehirn die zuvor erlernten Muster wiederkommen – man nennt das „Reaktivierung“. Csicsvari: „Es war überraschend, dass die Häufigkeit, wie oft das Muster wiederkommt, ein Maß dafür ist, wie gut die Erinnerung ist.“ Die Forscher können mittlerweile aus den Erregungsmustern während des Schlafes vorhersagen, wie gut sich die Ratte den Futterplatz eingeprägt hat. „Schlaf zahlt sich aus“, merkt Csicsvari schmunzelnd an.

Seine Arbeitsgruppe untersucht nun, welche Faktoren für den Lernprozess wesentlich sind. Sie schalten u. a. gezielt bestimmte Nervenzellen bzw. Synapsen (Verbindungen zwischen den Nervenzellen) aus – das ist etwa durch Chemikalien oder durch Lichtsignale möglich – und beobachten, wie sich der Lernfortschritt verändert.

Forschung

Am IST Austria entsteht derzeit eine Truppe von Spitzenforschern, die sich interdisziplinär auf unterschiedlichen Ebenen mit dem Gehirn beschäftigen.
Auf der molekularen Ebene arbeiten Peter Jonas und (ab Sommer) Simon Hippenmeyer. Strukturen in den Nervenzellen werden ab 2013 von Ryuichi Shigemoto erforscht.
Ganze Nervensysteme stehen im Fokus von Jozsef Csicsvari. Um Computermodelle der neuronalen Aktivität kümmert sich Gašper Tkačik.

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