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Neuronale Plastizität: Lernen im Gehirn
Neuronale Plastizität bedeutet: Nervenzellen und ihre Verbindungen können sich durch Erfahrung, Übung, veränderte Umweltbedingungen oder Verletzungen verändern. Dadurch werden Lernen und Gedächtnis möglich; nach einer Schädigung kann Plastizität außerdem eine teilweise funktionelle Erholung unterstützen.
Auf dieser Seite lernst du, funktionelle und strukturelle Veränderungen zu unterscheiden, Langzeitpotenzierung als Modell synaptischen Lernens zu erklären und die Möglichkeiten der Plastizität realistisch zu begrenzen.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Warum ist das Gehirn nicht starr?
Ein elektronischer Chip besitzt fest angelegte Verbindungen. Neuronale Netzwerke sind dagegen veränderbar. Werden bestimmte Nervenzellen wiederholt oder gleichzeitig aktiv, kann sich die Übertragung an ihren Kontaktstellen verändern. Auch neue Kontakte oder Axonäste können entstehen.
Neuronale Plastizität
Neuronale Plastizität ist die Fähigkeit des Nervensystems, die Funktion oder Struktur neuronaler Verbindungen als Reaktion auf Aktivität, Erfahrung, Umweltbedingungen oder Schädigung anzupassen.
Synaptische Plastizität ist ein Teil davon. Sie betrifft die Synapsen, also die Kontaktstellen, an denen Nervenzellen Signale übertragen. Eine Synapse kann ein Signal danach stärker oder schwächer weitergeben.
Beim Üben einer neuen Sprache werden häufig verwendete Wörter und Satzstrukturen immer wieder verarbeitet. Die beteiligten Verbindungen können effizienter werden. Das Beispiel zeigt: Üben hinterlässt keine einzelne „Vokabelstelle“, sondern verändert die Verarbeitung in neuronalen Netzwerken.
Funktionell oder strukturell: Was verändert sich?
Bei der funktionellen Plastizität ändert sich die Wirksamkeit der Signalübertragung. Die anatomische Verbindung muss dabei nicht sofort sichtbar umgebaut werden.
- Präsynaptisch, also in der sendenden Endigung, kann sich die Menge des freigesetzten Neurotransmitters verändern.
- Postsynaptisch, also an der empfangenden Zelle, können zusätzliche Rezeptoren in die Membran eingebaut werden. Dann kann dieselbe Transmittermenge eine stärkere Antwort auslösen.
Bei der strukturellen Plastizität verändert sich der körperliche Aufbau des Netzwerks. Synapsen können größer, neu gebildet oder zurückgebildet werden. Auch neue Äste eines Axons können entstehen. Funktionelle und strukturelle Veränderungen sind didaktisch unterscheidbar, können in der biologischen Entwicklung aber ineinandergreifen.
Frage zuerst: Ändert sich vor allem die Übertragungsstärke? Dann ist die Veränderung funktionell. Ändern sich Zahl, Größe oder Verlauf von Verbindungen? Dann ist sie strukturell.
Wie kann eine Synapse langfristig stärker werden?
Langzeitpotenzierung, kurz LTP, ist eine länger anhaltende Verstärkung der synaptischen Übertragung. Sie gilt als experimentelles Modell für einen zellulären Lernvorgang. Die entgegengesetzte länger anhaltende Abschwächung heißt Langzeitdepression, kurz LTD.
Ein wichtiger Gedanke lautet: Wird eine Synapse aktiv, während die empfangende Zelle zugleich ausreichend erregt ist, kann diese Verbindung effizienter werden. An vielen untersuchten Synapsen sind dabei NMDA-Rezeptoren beteiligt. Bei Depolarisation der postsynaptischen Zelle werden sie aktiv; Calciumionen (Ca²⁺) strömen ein und können längerfristige Veränderungen anstoßen.
Klassisches LTP-Experiment:
- Forschende stimulieren einen Fasertrakt wiederholt, sodass viele Synapsen stark und gleichzeitig aktiv sind.
- Anschließend reizen sie den präsynaptischen Eingang wieder mit einer festgelegten Stärke.
- Sie messen die postsynaptische Antwort.
- Die Antwort ist nun stärker als vor der wiederholten Stimulation und kann mehrere Tage erhöht bleiben.
Entscheidend ist der Vergleich bei gleicher präsynaptischer Stimulation: Die größere postsynaptische Antwort zeigt eine gesteigerte Übertragungseffizienz. Das Experiment bildet einen Mechanismus des Lernens ab, beweist aber nicht allein, wie ein vollständiger Gedächtnisinhalt im Gehirn gespeichert ist.
Was bewirken Übung und Erfahrung?
Wiederholung kann häufig gemeinsam aktive Verbindungen festigen. Beim Instrumentalspiel werden zum Beispiel Bewegungsabläufe, Hörverarbeitung und Koordination wiederholt gemeinsam beansprucht. Beim Sprachenlernen werden häufig verwendete Wörter und Satzmuster wiederholt verarbeitet.
Auch Versuche mit Tieren zeigen den Zusammenhang zwischen Umwelt und Struktur: Ratten in einer komplexen Umwelt hatten im Vergleich zu reizarm gehaltenen Tieren unter anderem mehr Synapsen pro Neuron und stärker verzweigte Dendriten. Solche Befunde zeigen, dass Erfahrung mit messbaren Veränderungen zusammenhängen kann. Sie erlauben aber nicht, jede konkrete Alltagserfahrung auf genau eine Veränderung im Gehirn zurückzuführen.
Plastizität bedeutet nicht, dass Lernen ohne Anstrengung geschieht. Übung liefert wiederkehrende Aktivitätsmuster, auf die veränderbare Netzwerke reagieren können. Welche Veränderung entsteht, hängt jedoch unter anderem von Aktivitätsmuster, Entwicklungsalter und biologischen Bedingungen ab.
Wo liegen Chancen und Grenzen?
Plastizität bleibt grundsätzlich lebenslang möglich, ist aber nicht in jedem Alter und unter allen Bedingungen gleich stark. Im jungen Nervensystem sind Wachstum und Reorganisation meist ausgeprägter. Im erwachsenen Zentralnervensystem stabilisiert Myelin bestehende Faserverbindungen; bestimmte Bestandteile, sogenannte Nogo-Hemmstoffe, bremsen regeneratives Wachstum und kollaterales Aussprossen.
Deprivation bedeutet, dass notwendige Reize fehlen. Während einer sensiblen oder kritischen Entwicklungsphase kann etwa fehlender Sehreiz die Organisation der Sehrinde dauerhaft verändern. Später lässt sich eine solche Entwicklung nicht beliebig nachholen.
Denervation bedeutet dagegen den physischen Verlust von Nervenfasern oder Nervenzellen, die ein Zielgebiet versorgen. Überlebende Axone können unter günstigen Bedingungen neue Seitenäste bilden und Zellen erneut erreichen.
Nach einem Schlaganfall können wiederholte Bewegungs-, Alltags- oder Sprachübungen die Reorganisation verbleibender Netzwerke unterstützen. Andere Bereiche oder parallele Verarbeitungswege können Teile einer ausgefallenen Funktion übernehmen. Das ist eine Möglichkeit zur Teilkompensation, keine Garantie für vollständige Wiederherstellung.
„Das Gehirn ist plastisch“ heißt: Veränderung ist möglich. Es heißt nicht: Jede Schädigung ist heilbar, jedes Training wirkt gleich oder biologische Grenzen verschwinden.
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Alles auf einen Blick
- Neuronale Plastizität
- Formen: funktionell verändert die Übertragungsstärke; strukturell verändert den Aufbau
- Lernen: wiederholte oder gleichzeitige Aktivität sowie LTP und LTD
- Bedingungen: Entwicklungsalter, Myelin und sensible oder kritische Phasen
- Reorganisation: Aussprossen und parallele Wege ermöglichen Teilkompensation