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Kaum ist ein Kind auf der Welt, geht das Lernen los. Erwachsene freuen sich, wenn das Neugeborene das erste Mal Kontakt aufnimmt, das erste Mal lächelt, läuft, spricht, liest und jeden Tag etwas mehr versteht. Bis ins hohe Alter lernt jeder Mensch immer Neues dazu.
Und doch ist ein reibungsloses Lernen nicht selbstverständlich. So werden im Kanton Zürich bereits im Vorschulalter mehr als 2000 Kinder pro Jahr aufgrund einer möglichen Entwicklungsstörung abgeklärt. Dazu zählen unter anderem verschiedene Formen von Autismus oder Sprachstörungen. Im Schulalter kommen Lernstörungen wie Leseschwächen dazu. «Doch trotz einiger Therapiemöglichkeiten können wir diesen Kindern nicht so helfen, wie wir möchten. Denn wir wissen noch immer viel zu wenig über die Mechanismen im Gehirn, die das Lernen ermöglichen, sowie über die Ursachen von Entwicklungs- und Lernstörungen», sagen die UZH-Professoren Esther Stoeckli und Fritjof Helmchen, die den neuen universitären Forschungsschwerpunkt (UFSP) «Plastische Hirnnetzwerke für Entwicklung und Lernen» leiten.
Ziel dieses Netzwerks aus 18 Forschungsgruppen ist es, mit einem interdisziplinären Team aus der Neurobiologie, Neuroinformatik, Genetik, Psychologie, Entwicklungspädiatrie und Psychiatrie mehr über die genetischen, molekularen und zellulären Mechanismen zu erfahren, die unserer Lernfähigkeit zu Grunde liegen. Das solle helfen, Diagnose und Therapie von Entwicklungs- und Lernstörungen zu verbessern, erklärten die zwei UFSP Ko-Leitenden am 17. Mai an einem digitalen Referat im Rahmen der Veranstaltungsreihe «Wissen-schaf(f)t Wissen» des Zürcher Zentrums für Integrative Humanphysiologie.
«Wir wissen, dass unser Gehirn aus einem Netzwerk von Nervenzellen besteht und dass sich dieses Netzwerk verändern muss, damit wir etwas lernen können», erklärte Esther Stoeckli, Neurobiologin am Institut für Molekulare Biologie. Die Nervenzellen besitzen Ausläufer, die während der Entwicklung ihre Umgebung erkunden.
Dabei werden sie durch verschiedene Moleküle geleitet, die ihnen den Weg zur Zielzelle zeigen. «Wir müssen es uns vorstellen wie im Strassenverkehr, wenn wir eine bestimmte Adresse suchen» – veranschaulichte Stoeckli – «Auch wir orientieren uns an Merkmalen am Strassenrand wie Bäumen, einem speziellen Haus oder Wegweisern». Doch welche Moleküle dienen als Wegweiser und wie werden sie reguliert? Dazu gibt es noch viel zu erforschen.
Veränderungen an der Kontaktstelle
Wenn die Ausläufer am Ziel angekommen sind, müssen sie sich mit den Zielzellen in Verbindung setzen und mit ihnen kommunizieren. «Auch über diese Vorgänge weiss man bereits einiges», erklärte Stoeckli. So bilden Nervenzellen Kontaktstellen, sogenannte Synapsen, wo die sendende Zelle bestimmte Botenstoffe freisetzt. Die Botenstoffe docken dann an Rezeptoren auf der Oberfläche der empfangenden Zelle an, was ein elektrisches Signal in der Zielzelle auslöst.
Um das Lernen zu ermöglichen, muss die Signalstärke veränderbar sein. Dies geschieht durch Regulation sowohl der Botenstoffmenge wie auch der Rezeptoren auf der Zielzelle. «Lange ging man davon aus, dass Lernstörungen entstehen, wenn diese sogenannte synaptische Plastizität gestört ist», sagte Stoeckli. Doch heute wisse man, dass dies nicht die einzige Erklärung ist. So kann es auch sein, dass die Ausläufer den Weg durch das Gewebe nicht finden oder dass sich die Kontaktstellen zwischen den Zellen nicht richtig bilden können.
«In unserem Forschungsschwerpunkt wollen wir die Mechanismen untersuchen, die diese Prozesse steuern. Wir wollen sehen, wie bestimmte Genmutationen die Bildung von Netzwerken beeinträchtigen. Zudem wollen wir dank der Kombination von Verhaltenstests und moderner bildgebender Verfahren im lebenden Organismus Zusammenhänge zwischen beeinträchtigten Hirnnetzwerken und Entwicklungs- oder Lerndefiziten entdecken», erklärte Stoeckli.
Ein solch ambitiöses Projekt ist nur dank moderner Technologien möglich, die es erlauben, die Netzwerke und deren Veränderungen sichtbar zu machen. «Das gelingt erfreulicherweise immer besser», freute sich Fritjof Helmchen, Neurophysiologe am Institut für Hirnforschung.
«Seit einigen Jahren können wir beispielsweise mit speziellen chemischen Lösungen fingergrosse Hirngewebe durchsichtig machen, wobei wir die Strukturen intakt lassen», erklärte Helmchen.
Danach können diese Strukturen dank eines speziellen sogenannten Lichtscheibenmikroskops, das in Helmchen’s Forschungsgruppe weiterentwickelt wurde, innert weniger Minuten dreidimensional abgebildet werden. Mit fluoreszierenden Farbstoffen können die Forschende zudem spezifische Zellen sichtbar machen. «Damit können wir die Struktur von kompletten Mäusegehirnen oder von Nervensystemen in Hühnerembryonen beschreiben», sagte Helmchen. Auch andere Gewebe, einschliesslich Biopsien von Menschen, können so angeschaut werden.
«Allerdings ist eine solche Methode nicht geeignet, um zu verfolgen, wie sich neue Verbindungen im lebendigen, lernenden Gehirn bilden», sagte Helmchen. Dafür muss man eine andere Mikroskopie-Technologie verwenden, die sogenannte Zwei-Photonen-Fluoreszenzmikroskopie, die die Beobachtung von einzelnen Zellen im lebendigen Organismus erlaubt. Auch in diesem Fall sind die Zellen mit einem fluoreszierenden Farbstoff markiert. «Mit dieser Technik konnte man beispielsweise beobachten, wie sich in Mäusen, die ein Bewegungstraining absolvierten, neue Synapsen gebildet haben», sagte Helmchen. Und auch die Neubildung von Nervenzellen im erwachsenen Gehirn konnte so bei Mäusen zum ersten Mal live mitverfolgt werden.
Die Bildung von Hirnnetzwerken alleine reicht jedoch noch nicht aus, um Neues zu lernen. Denn in diesem Netzwerk muss auch Information verarbeitet werden. «Wenn wir verstehen wollen, wie die Zellen miteinander kommunizieren, müssen wir auch die Informationsflüsse visualisieren», sagte Helmchen. Auch dafür haben sich in den letzten Jahren die Methoden enorm verbessert. So können Forschende mit Kalzium-Indikatoren den Einstrom von Kalzium in die Zellen messen, wodurch die Aktivitätsmuster sichtbar gemacht werden können. Dabei können je nach angewendete Mikroskopietechnik einzelne Zellen oder grosse Netzwerke angeschaut werden.
Beim Menschen kommen andere Methoden zur Anwendung: Mit der sogenannten funktionellen Magnetresonanztomographie – kurz fMRI – können Forschende während bestimmter Verhaltenstests Blutflussänderungen im Gehirn messen, die im Zusammenhang mit der neuronalen Aktivität stehen. Die neuronale Aktivität im Gehirn kann auch mittels Elektroenzephalographie gemessen werden, allerdings mit beschränkter räumlicher Auflösung. Beide Methoden können gemeinsam angewendet werden, um so die besten Resultate zu erzielen. «Im Rahmen des UFSP wollen wir diese Technologien weiterentwickeln, Artefakte ausmerzen und die Datenanalyse verbessern, um danach die Informationsflüsse während des Lernens in gesunden Probanden sowie bei Kindern und Jugendlichen mit Lernstörungen noch besser entschlüsseln zu können», sagte Helmchen.
Dank der verbesserten Messungen und der Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung erhofft sich das ganze Team des UFSP, die Diagnose und Therapie von Entwicklungsverzögerungen oder Lernstörungen zu verbessern.
