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Die astartigen Fortsätze der Nervenzellen im Gehirn, die Dendriten, besitzen eine Vielzahl an funktionalen Fähigkeiten, deren Rolle in kognitiven Prozessen bisher unklar war. Nun haben Forschende an der Humboldt-Universität zu Berlin herausgefunden, dass diese biologischen Mechanismen flexibles Lernen ermöglichen.
Die Fähigkeit, das Verhalten flexibel an sich verändernde Umgebungen anzupassen, ist ein Kennzeichen von Intelligenz. Doch die biologischen Mechanismen des Gehirns, die dieser kognitiven Flexibilität zugrunde liegen, sind nach wie vor kaum verstanden. Eduardo Maristany de las Casas, Doktorand in der Arbeitsgruppe „Neuronale Plastizität“ von Prof. Matthew Larkum am Institut für Biologie der Humboldt-Universität zu Berlin, ist in Zusammenarbeit mit Prof. Dieter Jaeger von der Emory University (Atlanta, USA) in einer Studie der Frage nachgegangen, inwiefern die biologische Grundlage dieses intelligenten Verhaltens in den langen und verästelten Fortsätzen von Nervenzellen, den Dendriten, zu finden ist. Sie kombinierten dafür in einem technisch anspruchsvollen Versuchsaufbau einen Verhaltenstest mit Mäusen, bei dem die Tiere zwischen leichten und schweren Aufgaben hin und her wechseln mussten, mit mikroskopischen Aufnahmen (Zwei-Photonen-Fluoroszens-Mikroskop) der beteiligten Hirnregionen und gezielten Manipulationen einzelner Neuronen. „In dieser Studie zeigen wir, dass Dendriten und ihre Interaktion mit Interneuronen den Kern dieser Fähigkeit bilden und dass verschiedene Formen des Lernens im Gehirn unterschiedlich umgesetzt werden“, sagt Eduardo Maristany. Die Ergebnisse der Studie sind kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Science erschienen.
Zusammenspiel mit Interneuronen und Clusterbildung ermöglicht Verhaltensanpassung
Maristany und sein Team entdeckten, dass die astartigen Fortsätze einer speziellen Art von Neuronen, den Pyramidenneuronen, in der Hirnrinde der Maus eine entscheidende Rolle beim flexiblen Lernen spielen. Diese Pyramidenneurone befinden sich in dem Teil der Hirnrinde, der der Steuerung willkürlicher Bewegungen dient (frontaler motorischer Kortex). Das flexible Lernen findet im Zusammenspiel dieser Dendriten mit einer bestimmten Klasse von Nervenzellen statt (NDNF-Interneuronen), die sich in derselben äußersten Schicht der Hirnrinde befinden und die als eine Art „Torwächter“ fungieren: Sind diese Zellen aktiv, unterdrücken sie die Kalzium-Signalübertragung in den Dendriten und verhindern dadurch, dass das Gehirn erlernte Regeln aktualisiert. Während eines Lernvorgangs hingegen reduzieren sie ihre Aktivität. Damit öffnet sich für das Tier ein Fenster zur Anpassung seines Verhaltens. Auf der zellulären Ebene geht dies einher mit einer Veränderung der Gestalt der Dendriten: Ihre Dornenfortsätze gruppieren sich entsprechend ihrer Funktion und bilden somit funktionelle ‚Cluster‘. Erst durch diese „dendritische Plastizität“ können die Dendriten Informationen adäquat übertragen und damit den Lernprozess ermöglichen.
In seinem Versuchsaufbau kombinierte Maristany einen Verhaltenstest mit Mäusen mit mikroskopischen Aufnahmen der beteiligten Hirnregionen (Zwei-Photonen-Fluoroszens-Mikroskop) und gezielten Manipulationen einzelner Neuronen in den Gehirnen der Mäuse. Für den Test mussten die Mäuse zwei unterschiedlich schwierige Verhaltensweisen erlernen und wurden darauf trainiert, zwischen ihnen hin und her zu wechseln (rule-switching-paradigm). Die komplexe Aufgabe bestand darin zu lernen, dass sie, wenn ihre Tasthaare links oder rechts stimuliert werden, entsprechend rechts oder links Zuckerwasser (als Belohnung) lecken. Bei der einfachen Aufgabe sollten sie das Zuckerwasser immer auf der linken Seite lecken, unabhängig davon, auf welcher Seite zuvor die Tasthaare stimuliert worden waren. Das Hin- und Herwechseln zwischen beiden Aufgaben zeigte, ob und wie erlernte Verhaltensweisen erinnert oder überschrieben und aktualisiert werden.
Dendritische Plastizität ist nur in komplexen Lernsituationen erforderlich
Die Forschenden beobachteten während der Verhaltenstests, dass die oben beschriebene dendritische Plastizität nicht für die Ausführung der bereits erlernten einfachen Verhaltensweise oder für den Wechsel von der schwereren zur einfacheren Regel erforderlich war, sondern nur dann, wenn die Mäuse die komplexe Verhaltensregel erneut ausführen mussten. Cluster, zu denen sich die Dornenfortsätze an den Dendriten gruppiert hatten, lösten sich in dem Moment wieder auf, wenn die Tiere die einfache Aufgabe ausführten.
Die Studie liefert die ersten direkten Belege dafür, dass die komplexen Dendritenbäume kortikaler Neuronen als aktive Verarbeitungseinheiten dienen, um adaptives Verhalten zu ermöglichen. Inwieweit sich diese Ergebnisse auf andere Hirnregionen oder auf lebensnähere Lernbedingungen übertragen lassen, muss noch untersucht werden.
Einsichten für die Behandlung von kognitiven Störungen und Inspirationsquelle für KI
Die in der Studie aufgedeckten biologischen Mechanismen des Lernens könnten in Zukunft eine Rolle für das Verständnis von Störungen der kognitiven Flexibilität spielen – wie sie beispielsweise bei Autismus-Spektrum-Störungen, Schizophrenie oder altersbedingtem kognitiven Leistungsverlust auftreten und die Fähigkeit zur Anpassung an sich ändernde Regeln und Umgebungen beeinträchtigen. Darüber hinaus könnte insbesondere die Steuerung der Plastizität durch inhibitorische Schaltkreise neue Architekturen in der künstlichen Intelligenz und im maschinellen Lernen inspirieren. „Einer der Aspekte, die ich am faszinierendsten finde, ist die Fähigkeit des Gehirns, kognitiv flexibel zu bleiben und mit relativ begrenzten Ressourcen ständig weiterzulernen“, so Eduardo Maristany.
Eduardo Maristany de las Casas
Institut für Biologie der Humboldt-Universität zu Berlin
E-Mail: maristanye@gmail.com
Prof. Matthew Larkum, PhD
Institut für Biologie der Humboldt-Universität zu Berlin
E-Mail: matthew.larkum@hu-berlin.de
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx4358
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Wissenschaftler
Biologie, Medizin
überregional
Forschungsergebnisse
Deutsch
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