Lexikon der Biologie

Lernen



2: Assoziatives Lernen von Schnecken bis zu Säugetieren
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Mit subtilen Experimenten konnte die zu den Fadenschnecken gehörende Meeresschnecke Hermissenda crassicornis so konditioniert werden, daß sie einen unbedingten Reize (Turbulenz) mit einem neutralen, bedingten Reiz (Lichtblitz) so zu assoziieren lernte, daß sie die Kontraktion ihres Fußes, ein Schutzreflex, schon nach dem bedingten und ohne den unbedingten Reiz auslöste. In mühevoller Kleinarbeit gelang es, den genetisch festgelegten Schaltplan der daran beteiligten Neuronen zu rekonstruieren und viele der biochemischen Abläufe in der Zelle zu charakterisieren, welche die assoziative Verknüpfung ermöglichen. Weitere Studien bei Kaninchen und Ratten (Konditionierungen, Labyrinth-Lernen [Labyrinthversuch] und Unterscheidungslernen von Gerüchen) zeigten, daß die untersuchten assoziativen Leistungen dort weitgehend denselben Prozessen zugrunde liegen – und zwar hinsichtlich der Neurotransmitter (GABA = γ-Aminobuttersäure), der Ionenkanäle in den Zell-Membranen, deren Regulation über second messenger (sekundäre Boten) und der Auswirkungen dieser Botenstoffe. Zeitlich aufeinander bezogen kommt es (1) zu einem spannungsabhängigen Calcium-Einstrom und (2) zu einer durch GABA induzierten intrazellulären Calcium-Freisetzung. Der durch die Erregung der entsprechenden Zellen (Einstrom von Natrium) ausgelöste spannungsabhängige Calcium-Einstrom infolge des bedingten Reizes (1) führt zur Aktivierung der Phosphatidylinositol-spezifischen Phospholipase C. Diese bewirkt die Bildung von Diacylglycerol, Arachidonsäure und Inositoltriphosphat (IP3). Letzteres führt zur Freisetzung von Calcium aus intrazellulären Calcium-Speichern, etwa dem endoplasmatischen Reticulum. Durch den erhöhten Diacylglycerol-, Arachidonsäure- und Calcium-Spiegel kommt es zu einer Aktivierung der Proteinkinase C, die vom Zellinnern in die Zellmembran wandert – ein entscheidender Prozeß in der Bahnung der molekularen Gedächtnisspur (Engramm) – und bestimmte Proteine phosphoryliert, insbesondere das G-Protein cp20. Dieses „Lern-Protein“ inaktiviert Kaliumkanäle, so daß sich der Kalium-Ausstrom vermindert, also die Depolarisation des Neurons und damit seine Erregbarkeit wächst bzw. höher bleibt. Inzwischen sind durch den unbedingten Reiz (2) über GABA die postsynaptischen GABA-Rezeptoren (GABA-Rezeptor-Kanäle) aktiviert worden, wodurch wiederum über G-Proteine Phospholipasen aktiviert werden, die Diacylglycerol und IP3 freisetzen. Dadurch kommt es zu einer weiteren Verstärkung der Depolarisierung der Zelle über Proteinkinasen C und cp20. Damit wird das Neuron insgesamt leichter erregbar: es reagiert sensibler auf eingehende Impulse. Dies entspricht letztlich dem eigentlichen Lernvorgang. Außerdem hemmt cp20 den retrograden Transport von Stoffen, erhöht den mRNA-turnover bzw. stimuliert die Proteinsynthese und induziert strukturelle Umbildungen der Synapsen in den am Lernen beteiligten Neuronen. Dies kann sowohl in Form von „festeren Verdrahtungen“ der beteiligten Übertragungsregionen auf der postsynaptischen Seite erfolgen als auch durch Fokussierung der Zellkontakte, indem bestimmte, nicht gebrauchte Dendritenäste (Dendriten) nach der Konditionierung abgebaut werden. Dies alles führt dazu, daß letztlich der bedingte Reiz allein ausreicht, um die beteiligten Zellen zum „Feuern“ zu veranlassen und den Reflex auszulösen, und daß diese Gedächtnisspur auch über längere Zeiträume bestehen bleibt.

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