Den Lernprozessen im Gehirn auf der Spur

Synapsen, die Kontaktstellen zwischen den Nervenzellen im Gehirn, spielen eine Schlüsselrolle beim Lernen. Weltweit dringen Forscher langsam immer tiefer in die dabei ablaufenden chemischen Mechanismen ein. Eine neue Studie, die unter Federführung einer Forschergruppe an der MUW entstanden ist, liefert nun neue Aufschlüsse über die molekularen Protagonisten dieser Prozesse.

Wissenschaftliche Erkenntnisse der letzten Jahre besagen, dass das Lernen über das Umprogrammieren oder Neuverbinden von Synapsen funktioniert, der zugrunde liegende Mechanismus ist jedoch weitgehend ungeklärt. WissenschafterInnen gehen derzeit davon aus, dass an den sich verändernden Synapsen bestimmte Eiweiße hergestellt werden, die die Veränderungen in den Synapsen bewirken. Für das Verständnis dieser Vorgänge spielt die Lokalisierung von Ribonukleinsäuren (RNA), die als Boten fungieren, eine wichtige Rolle. Eines dieser Eiweiße, das offenbar an diesem Prozess beteiligt ist, ist das RNA-Bindeprotein Staufen. In jüngsten Studien konnte nachgewiesen werden, dass Taufliegen, denen dieses wichtige Protein fehlt, eindeutige Lerndefizite aufweisen. Während es in der Fliege nur ein Staufengen gibt, existieren in Säugetieren zwei Staufengene. Um die Funktion von Staufen1 bei Säugetieren zu analysieren, haben Forscher um Michael Kiebler an der MUW zusammen mit einem internationalen Team um Sam Aparicio (Universität Cambridge, England) und Ted Abel (Universität Pennsylvania, USA) mittels Genaktivierung Mäuse hergestellt, denen ein funktionelles Staufen1-Gen fehlt.

„Ausschalten“ eines Botenstoffs behindert Synapsenaktivität
In einer Studie, die in den renommierten „Proceedings“ der Amerikanischen Akademie der Wissenschaften erscheint, wurde nun untersucht, ob das Fehlen von Staufen1 einen Einfluss auf die Ausbildung neuer Synapsen, die Funktionstüchtigkeit bestehender Synapsen und auf die Lernfähigkeit der Mäuse hat. Michael Kiebler, Leiter der Abteilung für Neuronale Zellbiologie an der MedUni Wien erklärt: „Interessanterweise sind die so hergestellten Mäuse lebensfähig und haben, abgesehen von Veränderungen des Bewegungsmusters, keine offensichtliche Defizite in ihrer Entwicklung, Gesundheit und ihrer Hirnmorphologie. Zudem lernen sie genauso gut wie normale Mäuse.“ Markante Veränderungen ergeben sich erst auf den zweiten Blick. Nervenzellen aus dem Hippocampus, wo das abstrakte Lernen stattfindet, werden durch das Ausschalten von Staufen nachhaltig verändert. „Bei diesen Nervenzellen sind die Dendriten eindeutig in ihrer Entwicklung gestört und es bilden sich signifikant weniger Synapsen aus. Auf molekularer Ebene hat sich gezeigt, dass sich weniger RNA-enthaltende Partikel ausbilden, die an die Synapse transportiert wurden.“ Zusammenfassend lässt sich somit feststellen, dass das RNA-Bindeprotein Staufen1 wichtig für die Ausbildung von Synapsen, nicht jedoch für normales Verhalten ist. Offensichtlich müssen mehrere RNA-Bindeproteine, die an der dendritischen Lokalisierung von mRNAs beteiligt sind, fehlen, bevor Mäuse Defizite in ihrem Lernverhalten aufweisen. „Die Aufklärung dieser Mechanismen steht erst am Beginn“, so Michael Kiebler. „Die Untersuchung der Rolle von Staufen1 war in gewisser Weise ein erster Schritt auf einem möglicherweise noch langen Weg“.

John P. Vessey, Paolo Macchi, Joel M. Stein, Martin Mikl, Kelvin N. Hawker, Petra Vogelsang, Krzysztof Wieczorek, Georgia Vendra, Julia Riefler, Fabian Tübing, Samuel A.J. Aparicio, Ted Abel and Michael A. Kiebler: A loss of function allele for murine Staufen1 leads to impairment of dendritic Staufen1-RNP delivery and dendritic spine morphogenesis; PNAS, in print