Zeigen uns Würmer, wie Lernen funktioniert?

Wie im Großen, so im Kleinen: Das sogenannte Analogieprinzip erschien zum ersten Mal in den hermetischen Schriften der westlichen Kulturtradition. Japanische Wissenschaftler kehrten dieses Analogieprinzip jetzt um und wandten bei einer neuen Studie folgendes Motto an: Wie im Kleinen, so im Großen. Um die Neuroplastizität beim Lernen zu verstehen, untersuchten sie das einfache Nervensystem von Fadenwürmern der Gattung Caenorhabditis elegans.

2 verschiedene Glutamatrezeptoren steuern Neuronen

Obwohl diese Fadenwürmer in ihrem 1 Zentimeter langen Körper nur 302 Neuronen besitzen, können sich die Ergebnisse dieser Studie auf den Menschen übertragen lassen. Der Grund: Im menschlichen Körper gibt es die gleiche Art von Neuronen, die mit genau dem gleichen Signalmolekül kommunizieren, dem Neurotransmitter Glutamat.

„In dieser Studie können wir nun neuronale Aktivität in Verhaltensreaktionen übersetzen“, sagte Projektforscher Hirofumi Sato, Neurowissenschaftler an der Universität Tokio und Hauptautor Studie. Sie wurde vor kurzem in dem Wissenschaftsmagazin Cell Reports veröffentlicht.

Die Entdeckungen der Studie wurden durch eine Technologie ermöglicht, die Forscher als „Robotermikroskop“ bezeichnen. Sie wurde erstmals 2019 von Forschern der Tohoku-Universität im Nordosten Japans entwickelt.

Die Technik beinhaltet die genetische Modifikation der Würmer, um fluoreszierende Markierungen an bestimmten Molekülen anzubringen. Das Mikroskop erkennt und verfolgt dann das fluoreszierende Licht, während ein Wurm herumkriecht. Das bedeutet für die Forscher: Sie können beobachten, wie chemische Signale zwischen einzelnen Neuronen in den Tieren wandern.

Die Würmer in der Studie essen kein reines Salz. Die Wissenschaftler konnten die Tiere aber so trainieren, dass sie hohe oder niedrige Salzgehalte in ihrer Umgebung mit Nahrung in Verbindung bringen. Werden sie in eine neue Umgebung versetzt, beginnen trainierte Würmer mit der Suche nach Nahrung und verwenden dabei den Salzgehalt als Wegweiser. Er gibt ihnen Hinweise darauf, in welche Richtung sie sich bewegen sollen.

Wenn die trainierten Würmer bemerken, dass der Salzgehalt abnimmt, halten sie an und ändern die Richtung, um mehr Salz zu finden. Mit zusätzlichem Training können Würmer auch die entgegengesetzte Nahrungs-Salzgehalt-Verbindung erlernen.

Neuroplastizität oder die Fähigkeit des Gehirns, Neuronen zu verändern und neu zu verbinden, ist für jedes erlernte Verhalten von wesentlicher Bedeutung. Die Würmer konnten sowohl auf niedrigen wie auch hohen Salzgehalt trainiert werden. Ihre Erwartungshaltung führte zum Anhalten und einer anschließenden Richtungsänderung. Laut Hirofumi Sato, Neurowissenschaftler an der Universität Tokio, waren viele Würmer fähig, dieses flexible Verhaltensmuster zu erlernen.

Der Lernvorgang erfordert ein sensorisches Neuron, das Salz erkennt, motorische Neuronen (Motoneuron) für die Kontrolle der Bewegung und sogenannte Interneurone, die zwischen den beiden anderen Typen von Neuronen kommunizieren.

Als Signalmolekül diente dabei Glutamat, das weithin als eines der wichtigsten Signalmoleküle des Gehirns gilt. „Wir wissen, dass ein Defekt in der Glutamat-Signalübertragung Alzheimer oder andere neuronale Erkrankungen verursachen kann“, sagte Sato.

Die gesammelten Daten des Forscherteams ergaben, dass zwei verschiedene Arten von Glutamatrezeptoren auf demselben Interneuron am Verhalten der Würmer beteiligt sind. Sowohl hemmende als auch exzitatorische Glutamatrezeptoren reagieren nach dem gleichen Muster, jedoch mit unterschiedlicher Intensität. Die Intensität hing davon ab, ob die Würmer gelernt hatten, hohe oder niedrige Salzkonzentrationen zu suchen.

Der genaue Mechanismus, der die Signale des Motoneurons an die Glutamatrezeptoren des Interneurons weiterleitet, bleibt jedoch weiter unklar. Allerdings dokumentierte die Studie zum ersten Mal die Glutamat-Signalwege zwischen sensorischen und Interneuronen, die eine erfahrungsabhängige Plastizität aufweisen.

Quelle:

Hirofumi Sato, Hirofumi Kunitomo, Xianfeng Fei, Koichi Hashimoto, Yuichi Lino. Glutamate signaling from a single sensory neuron mediates experience-dependent bidirectional behavior in Caenorhabditis elegans. Cell Reports, Volume 35, Issue 8, 2021,109177, ISSN 2211-1247. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.109177. (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211124721005222)

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