Den Grundlagen des Lernens und Gedächtnisses auf der Spur

Beim Lernen spielt das Eiweiss Neurotrypsin eine zentrale Rolle. Forschende der Universität Zürich haben jetzt gezeigt, wie im Zusammenspiel zwischen Neurotrypsin und dem Eiweiss Agrin neue Synapsen entstehen können. Ihre Studie über die biochemischen Grundlagen des Lernens erscheint am 20. März 2009 in der renommierten Wissenschaftszeitschrift «Cell».

Professor Peter Sonderegger vom Biochemischen Institut der Universität Zürich beschäftigt sich mit der Frage, wie wir lernen und das Gelernte speichern können. Die Antwort liegt im Verständnis des Phänomens der synaptischen Plastizität. Nervenzellen tauschen ihre elektrischen Signale an Kontaktstellen, den so genannten Synapsen, aus. Durch die synaptische Signalübertragung zwischen den Nervenzellen entstehen elektrische Schaltkreise, welche die Grundlage liefern für die informationsverarbeitenden Funktionen des Gehirns. Beim Lernen und für die Speicherung des Gelernten werden elektrische Schaltkreise des Gehirns durch verschiedene Prozesse verändert.

Vorläufer neuer Synapsen entstehen
Der Forschungsgruppe um Peter Sonderegger ist es nach 15 Jahren intensiver Forschung gelungen, einen Regulationsmechanismus der synaptischen Plastizität auf biochemischer und struktureller Ebene aufzuklären. So konnten er und seine Mitarbeitenden zeigen, wie das Eiweiss Neurotrypsin dazu beiträgt, dass nach intensiver Aktivierung bestehender Synapsen die Bildung neuer Synapsen eingeleitet wird.

Menschen, denen das Eiweiss Neurotrypsin aufgrund eines genetischen Defekts fehlt, haben zwar normale Organ- und Muskelfunktionen, sind aber geistig schwer behindert. Obwohl ihr Gehirn anatomisch normal aussieht, können diese Menschen weder sprechen noch lesen lernen oder einfache praktische Tätigkeiten ausüben. Diese schwerwiegenden Ausfallerscheinungen zeigen die essentielle Rolle von Neurotrypsin für Lernen und Gedächtnis.

Mechanismus für Langzeitgedächtnis
Die Untersuchungen im Sonderegger-Labor zeigen nun, wie Neurotrypsin seine unentbehrlichen Funktionen entfaltet. Im gesunden Gehirn führt der Impuls einer aktiven Nervenzelle zur Ausschüttung von Neurotrypsin an den Synapsen. Nur wenn auch die nachfolgende Nervenzelle aktiv ist, kann Neurotrypsin mit einem weiteren Eiweiss, dem Agrin, interagieren und es spalten. Das unter anderem entstehende kurze Agrin-Fragment bewirkt seinerseits die Bildung von so genannten Filopodien. Diese fingerartigen Ausstülpungen der Zelle gelten als Vorläufer von Synapsen. Durch die spezifische Kommunikation zweier aktiver Nachbarzellen werden also an der Synapse biochemische und zelluläre Prozesse in Gang gesetzt, die letztendlich zu neuen Synapsen und damit zu einer strukturellen Veränderung der neuronalen Schaltkreise führen können. Das Neurotrypsin-Agrin-System fungiert dabei quasi als «Koinzidenzdetektor», d.h. es wirkt wie ein Sensor, der die zeitgleiche Aktivität zweier verknüpfter Nervenzellen signalisiert. Vermutlich ist dieser Mechanismus besonders wichtig für die Ausbildung und den Unterhalt von Langzeitgedächtnisleistungen.

Auch in Zukunft wird sich die Gruppe Sonderegger mit dem Phänomen des Lernens und der langzeitigen Speicherung der Gedächtnisinhalte beschäftigen. Sie wird versuchen, den Mechanismus noch detaillierter zu verstehen und weitere Interaktionspartner des Neurotrypsin-Agrin-Systems zu identifizieren. Zudem soll die spezifische Rolle des Neurotrypsin-Agrin-Koinzidenzdetektors für die Stabilisierung von Lerninhalten in verschiedenen Gedächtnissystemen ergründet werden.

Originalbeitrag:
Matsumoto-Miyai, K., Sokolowska, E., Zurlinden, A., Gee, C.E., Lüscher, D., Hettwer, S., Wölfel, J., Ladner, AP., Ster, J., Gerber, U., Rülicke, T., Kunz, B. & Sonderegger, P.: Coincident pre- and postsynaptic activation induces dendritic filopodia via neurotrypsin-dependent agrin cleavage. Cell, März 2009