Wie sich das zentrale Nervennetzwerk im Hippocampus entwickelt

Die neueste Studie der Gruppe rund um Prof. Peter Jonas am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) zeigt, wie sich das zentrale Nervennetzwerk im Hippocampus nach der Geburt entwickelt.

Stell dir vor du hast ein leeres Blatt vor dir. Nichts ist darauf zu sehen – also beginnst du darauf zu kritzeln. Nach und nach fügst du mehr Informationen hinzu. Dieses Konzept nennt man Tabula rasa – die „leere Tafel“. Anders ist es, wenn auf dem Blatt bereits etwas steht. Neue Informationen werden hinzugefügt oder alte entfernt. Das ist das Prinzip der Tabula plena – der „vollen Tafel“. Im Zentrum dieser philosophischen Grundfrage steht: Ist alles von Anfang an angelegt, oder formt erst Erfahrung das, was wir sind?

Auch in der Biologie findet sich diese Kontroverse wieder – zwischen den Genen, die die Grundbausteine liefern, und den äußerlichen Faktoren, die einen Organismus prägen.

Genau dieser Frage widmen sich Neurowissenschafter der Jonas Gruppe am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) in Bezug auf den Hippocampus – jene Region im menschlichen Gehirn, die an der Gedächtnisbildung und der räumlichen Navigation beteiligt ist. Genauer gesagt, wie entwickelt sich das zentrale Nervennetzwerk im Hippocampus nach der Geburt? Geht es hier um Tabula rasa oder Tabula plena?

Zuerst mehr, dann weniger

Im Fokus der Studie, die in „Nature Communications“ veröffentlich wurde, stand das zentrale Nervennetzwerk im Hippocampus, welches aus verknüpften CA3-Pyramiden-Neuronen besteht. Diese Zellen speichern und rufen Erinnerungen ab durch einen Prozess, den man als Plastizität beschreibt. Darunter versteht man die Möglichkeiten von Nervenzellen, sich ständig zu verändern, etwa indem sie Signale unterschiedlich stark weiterleiten oder ihre Verbindungen umbauen.

Für sein Projekt untersuchte ISTA Alum Victor Vargas-Barroso Mäuse in drei verschiedenen Entwicklungsstadien: kurz nach der Geburt (Tag 7 – 8), im jugendlichen Alter (Tag 18 – 25) und im erwachsenen Alter (Tag 45 – 50).

Für die Analyse nutzte der Forscher die „Patch-Clamp-Technik“. Dabei werden winzige elektrische Signale in bestimmten Bereichen der Nervenzellen – zum Beispiel an den präsynaptischen Endigungen oder an den Dendriten – gemessen. Ergänzend kamen hochentwickelte Mikroskope zum Einsatz, um zu beobachten, was innerhalb der Zellen passiert, sowie spezielle laserbasierte Methoden, um einzelne Verbindungen gezielt zu aktivieren.

Das Ergebnis: Anfangs ist das CA3-Netzwerk äußerst dicht und die Verbindungen wirken zufällig. Mit zunehmendem Alter ändert sich die Konfiguration des Netzwerks. Es wird spärlicher, aber zugleich präziser.

„Diese Entdeckung war überraschend“, berichtet Jonas. „Intuitiv würde man erwarten, dass ein Netzwerk mit der Zeit wächst und dichter wird. Hier sehen wir aber genau das Gegenteil. Es handelt sich um ein Pruning Model: Anfangs ist es voll, später wird verfeinert und optimiert.“

Effizientes Netzwerk durch Tabula plena?

Warum das passiert, lässt sich zurzeit nur vermuten. Jonas könnte sich aber vorstellen, dass ein zu Beginn sehr weit verzweigtes Netzwerk den Nervenzellen erlaubt, sich schnell und effizient miteinander zu verbinden – ein entscheidender Vorteil im Hippocampus. Denn diese Region speichert nicht nur einzelne visuelle, Geruchs- oder Höreindrücke, sondern verknüpft all diese Informationen miteinander.

„Das ist eine komplexe Aufgabe für die Neuronen“, erklärt Jonas. „Eine anfänglich überschwängliche oder exuberante Konnektivität, gefolgt von einer gezielten Ausdünnung der Verbindungen, könnte genau dabei helfen.“

Wäre das Netzwerk hingegen von Anfang an eine Tabula rasa und müssten sich alle Verbindungen erst neu bilden, wären die Zellen zunächst zu weit voneinander entfernt – effiziente Kommunikation wäre dadurch kaum möglich.