Das Buch der Wissenschaftsjournalistin Asya Kazantseva "The Brain is Material" (Verlag "Corpus") widmet sich dem Aufbau und der Arbeit des Gehirns, den Verbindungen zwischen Neurobiologie und Psychologie. Kazantseva zeigt anhand verschiedener Experimente, dass das menschliche Gehirn wandelbar und heterogen ist. Das Organisationskomitee des Aufklärerpreises hat dieses Buch in eine „lange Liste“von 24 Büchern aufgenommen, unter denen die Finalisten und Preisträger des Preises ausgewählt werden. N + 1 lädt seine Leser ein, das Kapitel über Experimente mit Gastropoden zu lesen, das Wissenschaftlern half, mehr über die Eigenschaften des Langzeit- und Kurzzeitgedächtnisses zu erfahren.
Schöne Aplysie
Nun, um ehrlich zu sein, hat niemand genau überprüft, wie ein neuronales Netzwerk, das meinem verlorenen Freund gewidmet ist, funktioniert und sich langsam in meinem Kopf wieder aufbaut. Mein Hobby ist Extrapolation. Das heißt, ja, die Forscher glauben, dass die Stärkung der Verbindungen zwischen Neuronen das Herzstück jedes Lernens ist, und sie haben viele Gründe für diese Sichtweise, aber die wichtigsten direkten Experimente mit direkter Beobachtung von Molekülen und Synapsen werden natürlich durchgeführt in Zellkulturen und in Tieren. Darüber hinaus wurde der Löwenanteil der Informationen dank Mollusken gewonnen, und erst dann stellte sich heraus, dass vieles von dem, was für sie gilt, auch für uns gilt.
Wenn Sie plötzlich das populärwissenschaftliche Buch "Auf der Suche nach der Erinnerung" von Eric Kandel nicht gelesen haben, dann lesen Sie mich besser gar nicht, sondern lesen Sie es. Wenn Sie es schon gelesen haben, dann verstehe ich umso mehr nicht, was Sie hier tun. Tatsächlich wird dieses Kapitel nur von der dritten Kategorie von Lesern benötigt - diejenigen, die Kandel noch nicht beherrschen, weil es ein 736-seitiger Baustein ist und es vorzieht, zuerst eine schnelle und urkomische Zusammenfassung von mir zu erhalten.
Candel erhielt für seinen reduktionistischen Ansatz den Nobelpreis. Dafür, dass er sich - vorübergehend - von Säugetieren mit ihren kleinen und zahlreichen Neuronen abgewandt hat, unter denen man die nötigen nicht wirklich finden kann, zumal nicht klar ist, wonach genau gesucht werden soll. Stattdessen konzentrierte er sich auf die Arbeit mit der Aplysia oder Bartrobbe, einer riesigen, handtellergroßen Schneckenmolluske, die etwa 20.000 Neuronen hat und viele von ihnen so groß sind, dass sie mit bloßem Auge sichtbar sind an der gleichen Stelle bei allen Versuchstieren und erfüllen die gleiche Funktion.
„Vielleicht ist die wichtigste Weisheit, die Slug vermittelt“, schreibt die Neurobiologin Kolya Kukushkin über Aplysie, „die Relativität von Leben, Tod, Wahrnehmung, Gedächtnis, Verhalten und im Allgemeinen fast jedes biologischen Prozesses. Wenn Sie ein Tier in Moleküle zerlegen und im Allgemeinen sein gesamtes Leben auf biochemische Kaskaden reduzieren können, wird Ihnen klar, dass Sie als riesiges Wirbeltier durch Ihre Affenkonzeption eines lebenden Organismus im Prinzip sehr eingeschränkt sind. Wenn du die Schnecke einschläfernst – lebt sie noch? Und wann hast du das Gehirn aus ihr herausgezogen? Das Gehirn weiß nicht, dass es herausgezogen wurde. So kann er noch ein paar Tage arbeiten. Und wenn Sie Neuronen daraus entnehmen und herausziehen? Sie können wochenlang in einer Tasse wachsen und wissen nicht, dass sich etwas geändert hat. Und was, wenn Sie Gene klonen, RNA isolieren, Proteine trennen und einfrieren? Moleküle sind egal. Wo endet das Leben und der Tod tritt ein? Was ist gestorben und was hat überlebt? Auf welcher Ebene soll nach einem Thema gesucht werden?"
Das heißt, Sie haben ein ganzes Tier und es hat Verhalten. Berührt man beispielsweise einen Siphon (ein Schlauch, der die Mantelhöhle mit der äußeren Umgebung verbindet und zum Beispiel dazu dient, Abfallprodukte zu entfernen), zieht die alysia sofort sowohl den Siphon selbst als auch die Kiemen an - sie sind dünn und es ist wichtig, um sie vor externen Bedrohungen zu schützen. Dies ist ein angeborener Reflex, aber Sie können ihn mit Hilfe von Training modifizieren: Aplysia beibringen, nicht auf schwache Berührungen des Siphons zu achten, oder umgekehrt, sie durch einen elektrischen Schlag zu erschrecken (und das spielt keine Rolle) an welcher Stelle des Körpers), so dass sie beim kleinsten Aufprall wieder an den Kiemen zieht.
Sie können die Aplysia auseinandernehmen, um zu sehen, wo sich was befindet. Sie können sehen, dass der sensorische Nerv vom Siphon in das Bauchganglion (Bauchganglion) eintritt. Sie sehen, wie ein Nerv aus diesem Ganglion austritt, der zu den Kiemen führt und sie zurückzieht. Sie beginnen, das Bauchganglion Zelle für Zelle zu zerlegen und finden dort ein sensorisches Neuron. Wenn Sie eine Aufzeichnungselektrode hineinstecken, sehen Sie, dass dieses Neuron durch Berühren des Siphons des Tieres aktiviert wird. Sie finden auch ein Motoneuron in der Nähe. Wenn Sie es mit einer Elektrode stimulieren, zieht Ihre Alysia Ihre Kiemen ein.
Jetzt können Sie mit dem Unterrichten halbzerlegter Aplysia experimentieren - was Kandel und seine Kollegen tatsächlich taten. In einem ihrer ersten Schlüsselexperimente im Jahr 1970 hinterließen sie ein Stück Haut aus einem Siphon von Aplysien, einen sensorischen Nerv, der von diesem zum Bauchganglion führt, und das Bauchganglion selbst. Wir waren davon überzeugt, dass beim Berühren der Haut tatsächlich das Motoneuron aktiviert wird - als würde die Alysia die Kiemen einziehen. Aber wenn Sie die Haut viele Male berühren, hört die Aktivierung des Motoneurons auf - als ob sich die Alysia daran gewöhnt und nicht mehr aufgepasst hat. Und wenn man das Medikament zwanzig Minuten in Ruhe lässt und dann wieder die Haut berührt, dann wird das Motoneuron wieder aktiviert – als hätte sich die Alysia ausgeruht. Sie können auch die Überreste anderer sensorischer Nerven von denen, die zuvor von verschiedenen Enden des Körpers in das Bauchganglion eingedrungen sind, durch Stromschlag töten. Und in dieser Situation beginnt das Motoneuron wieder zu aktivieren, obwohl die Alysia noch nicht ausgeruht ist. Das liegt daran, dass du sie erschreckt hast. Genauer gesagt, sie erschreckten das, was von ihr übrig war.
Bereits in diesem frühen Arbeitsstadium lassen sich viele Elektroden in verschiedene Neuronen der Aplysie einführen – um die Eigenaktivität der Zellen aufzuzeichnen und ihnen Impulse zu geben. Sie können die Zusammensetzung der Kochsalzlösung, in der all dies geschieht, variieren, um die Signalübertragung zu verbessern oder zu dämpfen. Und Sie können versuchen, eine einzelne Synapse zu untersuchen – den Kontakt zwischen einem sensorischen Neuron und einem Motoneuron. Was auf der Ebene einer ganzen Aplysie wie eine Berührungssucht aussieht, sieht auf der Ebene dieser einzelnen Synapse wie eine kurzfristige Abnahme ihrer Fähigkeit zur Signalübertragung aus. Wenn man die Aplysie wieder erschreckt, dann sind schon einige andere Neuronen beteiligt - 1970 war noch nicht klar, welche und wie viele und wie genau sie verbunden sind - aber sie beeinflussen den Kontakt zwischen den sensorischen und motorischen Neuronen und die Effizienz der Impulse nochmals steigern. Aber auch nicht lange.
Hallo. Das ist das Kurzzeitgedächtnis. Die ganze Aplysia erinnert sich kurz daran, dass sie an Stimulation gewöhnt ist. Oder erinnert sich kurz daran, dass sie Angst hat. Dazu verringert oder erhöht es entsprechend die Leitfähigkeit dieser Schlüsselsynapse zwischen sensorischen und motorischen Neuronen. Eine halbzerlegte Aplysie tut das Gleiche und ist direkt messbar.
1970 war noch unbekannt, wie Aplysia das macht, welche spezifischen Moleküle dafür verantwortlich sind, die Leitfähigkeit der Synapse vorübergehend zu erhöhen und vor allem, ob dieses Phänomen etwas mit echtem Lernen, langfristigen und nachhaltigen Verhaltensänderungen zu tun hat des Tieres, oder sie passieren irgendwie ganz anders. Die Daten sammelten sich nach und nach, Stein für Stein, in Dutzenden von Folgearbeiten – aber stetig. Kandel und seine Kollegen haben gelernt, wie man Alysia in einem Labor anbaut, anstatt an der Küste zu fischen. An sich war dies keine triviale Aufgabe, denn es galt herauszufinden, welche Algenart in der Ernährung des Nachwuchses vorhanden sein muss. Das Vorhandensein junger Aplysien ermöglichte es, Neuronen aus ihnen zu extrahieren und in einer Petrischale zu kultivieren (ausgewachsene Neuronen vertragen diese Behandlung schlechter). Unter solchen Bedingungen ist es bequemer, mit den Neuronen zu tun, was immer Sie wollen, zum Beispiel mit Lösungen verschiedener Substanzen zu wässern und zu sehen, was passiert. Und es hat viel geklappt.
Erstens ist es zur Erhöhung der Leitfähigkeit einer Synapse nicht notwendig, mechanisch auf die Haut einzuwirken oder Neuronen mit Elektroden zu stimulieren. Sie können einfach Serotonin auf die Synapse gießen, die Wirkung ist dieselbe.
Zweitens führt die Wirkung auf die Synapse zu einer Erhöhung der Konzentration von cAMP, zyklischem Adenosinmonophosphat, im sensorischen Neuron. Es ist ein solches Botenstoff-Molekül, dessen biologische Hauptaufgabe darin besteht, intrazelluläre Proteine darüber zu informieren, dass etwas Interessantes auf der Membran passiert. Wenn die Synapse außerdem 15 Minuten lang mit einer Lösung von cAMP gegossen wird (genauer gesagt mit einer Lösung ihres synthetischen Analogons, das die Zellmembran durchdringen kann), wird die Signalübertragung ebenfalls verbessert.
Drittens, wenn wir von direkten gerichteten Wirkungen auf die Synapse sprechen, sei es durch mechanische Stimulation, elektrisch oder mit Hilfe von Serotonin, dann führt eine einzige Aktion zu einer minutenlangen Änderung der Leitfähigkeit der Synapse. Wenn Sie diesen Effekt jedoch fünfmal hintereinander wiederholen, ist der Effekt stabil und hält auch nach einem Tag an.
Mit diesen Daten bauten Kandel und seine Kollegen 1988 eine Brücke vom Kurzzeit- zum Langzeitgedächtnis. Sie testeten zwei Hypothesen gleichzeitig, für die indirekte Beweise sprachen, aber direkte experimentelle Beweise fehlten.
Kandel und seine Kollegen zeigten zunächst, dass sich die Leitfähigkeit der Synapsen langfristig ändert, wenn eine erhöhte cAMP-Konzentration in Neuronen über einen langen Zeitraum von etwa zwei Stunden aufrechterhalten wird. Und wenn Sie alle möglichen anderen Mediator-Moleküle verwenden, wird nichts passieren. Dies ist sehr wichtig, da der Unterschied zwischen Kurz- und Langzeitgedächtnis eher quantitativ als qualitativ ist, in dem Sinne, dass dieselben Moleküle je nach Expositionsdauer entweder kurzfristige oder langfristige Veränderungen bewirken.
Zweitens, und noch wichtiger, verschwinden die Langzeitwirkungen, wenn dem Kulturmedium gleichzeitig Anisomycin zugesetzt wird. Es ist eine Substanz, die die Proteinsynthese in eukaryotischen * Zellen hemmt. Es beeinflusst in keiner Weise die kurzfristigen Änderungen der Leitfähigkeit der Synapse. Aber wenn wir wollen, dass sich die Synapse für lange Zeit verändert, dann geht das ohne die Produktion neuer Proteine nicht.
* Das heißt, in Zellen mit Kernen. Zum Beispiel in den Zellen von Menschen oder Schnecken oder parasitären Amöben. Anisomycin wird als Antibiotikum bezeichnet, aber es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass es gegen Bakterien nutzlos ist. Es wird jedoch im Allgemeinen nicht als Arzneimittel dem Menschen verschrieben, sondern wird entweder in der Landwirtschaft oder in der biologischen Forschung verwendet.
Gleichzeitig entdeckten Craig Bailey und seine Kollegin Mary Chen mit Hilfe von Aplysien eine weitere wichtige Sache über das Langzeitgedächtnis. Sie arbeiteten mit ganzen, nicht zerlegten Tieren und lehrten sie, entweder gar nicht auf das Berühren des Siphons zu reagieren oder im Gegenteil, sehr ernsthafte Angst davor zu haben. Und erst dann, nachdem den Aplysias als Belohnung für erfolgreiches Training Ehrungen zuteil wurden, wurden ihre sensorischen Neuronen mit Meerrettichperoxidase aufgepumpt, mit Epoxy gefüllt, in Schichten geschnitten und die Anzahl der präsynaptischen Auswüchse gezählt – Abschnitte des Neurons mit Vesikeln mit Neurotransmittern und bereit, diese Neurotransmitter irgendwo zu extrahieren.
(„Was hat Meerrettich damit zu tun?“- fragen Sie, wenn Sie sich noch nie für Molekularbiologie interessiert haben. Meerrettich selbst hat damit eigentlich nichts zu tun, aber ein daraus isoliertes Enzym namens Peroxidase ist ein wichtiges Werkzeug dafür Biologische Forschung Wenn Sie nur Meerrettich-Peroxidase in Neuronen einführen, ist es viel bequemer, sie unter einem Mikroskop zu untersuchen. In modernen Labors werden häufig molekulare Komplexe aus Peroxidase und Antikörpern gegen spezifische Proteine verwendet, um sie nachzuweisen und zu quantifizieren.)
Wenn Sie Ihrer Aplysie also überhaupt nichts beigebracht haben, dann hat sie im Durchschnitt 1300 präsynaptische Auswüchse in jedem sensorischen Neuron. Wenn sie in dir Erleuchtung erlangt hat, aufgehört hat, sich Sorgen zu machen und ihre Kiemen zurückzuziehen (weil du ihren Siphon berührt hast und nichts Schlimmes passiert ist und sie es satt hat, sich Sorgen zu machen), dann werden die präsynaptischen Auswüchse auf dem Neuron ungefähr 900 betragen, Sie haben sie mehrere Tage geschockt und ihr suggeriert, dass das Leben gefährlich und schwierig ist, so dass Sie bei jedem Rascheln die Kiemen zurückziehen müssen, dann werden Sie in einer solchen Alysie durchschnittlich 2700 präsynaptische Auswüchse pro Sinnesneuron zählen.
Hallo. Das ist Langzeitgedächtnis. Jede Nutzung der Synapse (einschließlich des Erhaltens zusätzlicher Informationen darüber, dass es hier und in anderen Körperteilen gefährlich ist, ist schockiert) erhöht die Menge des Signalmoleküls cAMP in sensorischen Neuronen. Früher oder später wird aus Quantität Qualität, molekulare Kaskaden werden ausgelöst, die Zelle initiiert die Prozesse des Auslesens von Genen, synthetisieren neuer Proteine und beginnt, sich neue präsynaptische Endungen zu bilden, damit weitere Aplysien sensorische Neuronen zuverlässig mit Motoneuronen verbinden können, das ist, sich viele Wochen lang daran zu erinnern, dass man bei jeder Berührung die Kiemen sorgfältig zurückziehen muss.
Die ganze Zeit habe ich mich eifrig auf eine einzige Synapse konzentriert, den Kontakt zwischen den sensorischen und motorischen Neuronen, um euch nicht vorzeitig zu erschrecken. Aber in der Tat, wenn wir über Aplysie und die von Kandel untersuchten Mechanismen ihres Lernens sprechen, sind normalerweise nicht zwei Neuronen beteiligt, sondern drei.
Ein sensorisches Neuron empfängt Signale von der Außenwelt. Das Motoneuron leitet sie an den Muskel weiter. Die dritte Kategorie sind Interneuronen, die den Rest erledigen. Im Fall des Kiemenretraktionsreflexes bei Aplysie beeinflussen Interneurone stark das Ausmaß, in dem sich das System unter dem Einfluss der Erfahrung verändert. Es sind Interneurone, die Serotonin absondern – dasjenige, das im Labor einfach aus einer Pipette getropft wird. Es dient als Signal, dass etwas Wichtiges passiert ist.
Auf molekularer Ebene passiert Folgendes: Serotonin wird von seinen vorgesehenen Rezeptoren im sensorischen Neuron aufgenommen und dies löst die Produktion des Signalmoleküls cAMP aus; diese wiederum wirkt auf den nächsten Schlüsselakteur in dieser Kette – die Proteinkinase A. Im Allgemeinen sind Proteinkinasen eine große Gruppe von Enzymen, die in der Zelle immer wichtige Dinge tun: Sie können eine Phosphatgruppe (-PO4) an verschiedene andere Proteine und verändern so deren Aktivität.
Wenn wir vom Kurzzeitgedächtnis sprechen, also von Vorgängen, die nur die Leitung einer einzelnen Synapse und für kurze Zeit beeinflussen, dann wirkt Proteinkinase A dort auf Ionenkanäle, fördert den Einstrom von Calciumionen in das sensorische Neuron und verstärkt die Freisetzung von Glutamat, einem Neurotransmitter, der ein Signal an das Motoneuron überträgt. Wenn wir über das Langzeitgedächtnis sprechen, besteht der Hauptunterschied darin, dass sich Proteinkinase A stark ansammelt. So sehr, dass es in den Zellkern eindringt und dort das CREB-1-Protein aktiviert. Es interagiert wiederum mit der DNA und löst das Lesen von Genen aus, die für Proteine kodieren, die für das anschließende Wachstum neuer Synapsen notwendig sind.
Auch ohne Aplysie haben wir vermutet, dass Wiederholung die Mutter des Lernens ist. Aber es war ihr zu verdanken, dass es klar wurde, warum. Neuronen müssen lediglich genügend cAMP und damit genügend Proteinkinase A akkumulieren, um das Wachstum neuer Synapsen zu initiieren. Die Wahrscheinlichkeit dieses qualitativen Übergangs steigt jedes Mal, wenn Neuronen rekrutiert werden.
Tatsächlich gibt es natürlich immer noch ein System von Checks and Balances im Käfig. Alysia kann sich beim ersten Mal nicht an etwas erinnern, nicht nur weil sie das CREB ‑ 1 Protein noch nicht aktiviert hat, sondern auch weil im Gegenteil das CREB ‑ 2 Protein in ihr arbeitet. Es sitzt auch im Kern, aber es stimuliert nicht, sondern unterdrückt die Expression von Genen, die für das Wachstum neuer Synapsen notwendig sind. Um es auszuschalten, wird auch Proteinkinase A benötigt (sie tut dies nicht direkt, sondern mit Hilfe eines Vermittlers namens "MAP-Kinase"). Sobald Sie Aplysia-Neuronen in Zellkultur haben, können Sie Antikörper gegen das CREB-2-Protein herstellen, diese direkt in ein sensorisches Neuron injizieren und sicherstellen, dass jetzt ein einziger Reiz ausreicht, um das Langzeitgedächtnis zu bilden.
Versuchen Sie das nicht zu Hause. Wenn wir uns vom ersten Mal an alle Informationen, die uns begegnen, auswendig lernen würden, wäre unser Leben ziemlich unbequem, weil wir ständig verwirrt wären und versuchen würden, das Wichtige zwischen dem Müllhaufen hervorzuheben. Es ist, als ob Sie jedes Foto, das Sie jemals im Internet auf Ihrem Desktop gesehen haben, in einer separaten Datei speichern und dann versuchen, alle Fotos zu durchlaufen, um Ihr eigenes Passfoto zu finden, das auch irgendwo auf Ihrem Desktop gespeichert ist.
Die Bedeutung der Wiederholung und die Unfähigkeit, sich an alles auf einmal zu erinnern, sind Dinge, die leicht von Aplysia auf Säugetiere übertragen werden können. Wir müssen auch Proteinkinase A akkumulieren, um die Prozesse des Genlesens, der Proteinsynthese und des Wachstums neuer Synapsen zu starten. Dennoch scheint es einige Unterschiede zwischen uns und Aplysia zu geben.
