Gehirn: Es lernt und bleibt anpassungsfähig

Wie Alterung und Enzyme auf das Gehirn wirken

Unser Gehirn ist äußerst komplex, aber auch anpassungsfähig. Diese Fähigkeit nimmt jedoch mit zunehmendem Alter ab. Ein deutsches Forschungsteam konnte nun zeigen, warum das so ist. Denn Verknüpfungen zwischen Nervenzellen im Gehirn können weniger leicht gebildet werden, je älter wir sind. Dank verschiedener Enzyme gelingt es dem Gehirn aber trotzdem, auch im hohen Alter noch lernfähig zu sein.

Forschende der Georg-August-Universität Göttingen konnten aufzeigen, welchen Einfluss das Altern sowie bestimmte Enzyme auf unser Gehirn, beziehungsweise auf dessen Anpassungsfähigkeit haben. Die Forschungsergebnisse, die kürzlich im „Journal of Neuroscience“ vorgestellt wurden, geben neue Einblicke in die grundlegenden Prozesse des Lernens.

Die Matrix im Gehirn

Wie die Arbeitsgruppe berichtet, muss das Gehirn plastisch bleiben, um lernfähig zu sein. Das bedeuten, nur wenn die vorhandenen Nervennetzwerke in der Lage sind, sich zu verändern, gibt es einen Lerneffekt. Zwischen den Nervenzellen baut sich im Laufe des Lebens eine Vernetzung auf, die immer dichter und fester wird. Dieses Netzwerk wird als extrazelluläre Matrix bezeichnet.

Mit dem Alter nimmt die Lernfähigkeit ab

Wenn wir lernen, legen sich im Gehirn neue Verbindungen zwischen Nervenzellen an. Es ist bereits bekannt, dass das Gehirn in jungen Jahren schneller in der Lage ist, neue Verknüpfungen zu bilden, wogegen sich mit zunehmendem Alter diese Verbindungen eher stabilisieren, wahrscheinlich um Erlerntes zu festigen. Dies erschwert die Bildung von neuen Verbindungen. Das Gehirn besitzt allerdings Enzyme, die diese Verbindungen wieder lockern können. Das Team der Georg-August-Universität Göttingen zeigte nun, wie das Verhältnis von Stabilität und Plastizität im Gehirn mithilfe von Enzymen geregelt wird.

Enzyme lockern vorhandene Verbindungen im Hirn

Nach Angaben der Arbeitsgruppe nutzt das Gehirn Enzyme wie beispielsweise Matrixmetalloproteinasen (MMPs), um die extrazelluläre Matrix aufzuspalten und damit zu „lockern“. Auf diese Weise kann das Verhältnis von Stabilität und Plastizität im Gehirn geregelt werden. Dieser Prozess bietet auch einen therapeutischen Ansatzpunkt für bestimmte Krankheiten. Beispielsweise könnte der Effekt genutzt werden, um Menschen nach einem Schlaganfall vor einem Wissensverlust zu schützen.

Im Rahmen der Studie zeigte das Team, dass die Blockade der Matrixmetalloproteinasen MMP2 und MMP9 unterschiedliche Effekte auf das Gehirn haben kann. Die Effekte waren vor allem von dem Gesundheitszustand des Gehirns abhängig. Die Blockade der Enzyme hatte bei Mäusen je nach Situation entweder positive oder negative Effekte.

Im gesunden Hirn helfen die Enzyme beim Anpassen

Für ein Experiment ließen die Forschenden erwachsene Mäuse für mehrere Tage nur über ein Auge sehen und ermittelten dabei die Aktivitätsänderungen in der Sehrinde. Bei einem Teil der Tiere wurden die Enzyme MMP2 und MMP9 blockiert. Durch die Blockade war die neuronale Plastizität der Tiere gehemmt, wodurch sie weniger gut in der Lage waren, sich auf die neue Situation einzustellen.

Bei Schlaganfall könnten Enzym-Blockaden vor Wissensverlust schützen

Durch frühere Forschungsarbeiten ist bekannt, dass Schlaganfälle die Ausschüttung von MMPs stark erhöhen, wodurch das Netzwerk im Gehirn stark an Stabilität verliert. In einem zweiten Experiment blockierten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Enzyme MMP2 und MMP9 bei Mäusen, die kurz zuvor einen Schlaganfall erlitten haben. Dabei zeigte sich, dass durch die Blockade die reduzierte Plastizität des Netzwerkes wiederhergestellt wurde. Bei Schlaganfall könnte eine solche Blockade also eine therapeutische Wirkung erzielen.

MMPs müssen exakt eingestellt sein

„Anders als in vielen anderen Studien wurden bei unserem Studienaufbau die ,matrixabbauenden‘ Enzyme erst nach dem experimentellen Schlaganfall blockiert, wodurch eine Behandlung simuliert wurde“, erklärt Professor Dr. Siegrid Löwel von der Universität Göttingen. „Wir zeigen zudem, dass die MMPs im Gehirn sehr gut überwacht und exakt eingestellt werden müssen“, ergänzt der Wissenschaftler. Sowohl ein zu geringes Level im gesunden Gehirn als auch ein zu hohes Level – wie nach einem Schlaganfall blockiere die Lernfähigkeit des Gehirns. (vb)