Der Hippocampus gilt als Entstehungsort unserer Erinnerung. In der seepferd-chenförmigen Struktur tief im Inneren des Gehirns werden flüchtige Wahrneh-mungen zu dauerhaften Eindrücken verarbeitet. Wie das neuronale Geflecht, das diese Leistungen ermöglicht, in den ersten Lebenswochen entsteht, hat nun ein Team um den Neurowissenschafter Peter Jonas am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) untersucht.

Eine Darstellung der Entwicklung von CA3-Pyramiden-Neuronen im Hippocampus nach der Geburt, mit Biocytin markiert und bunt gefärbt. Die Grafik zeigt die komplexen Verzweigungen und Formen der Neuronen vor einem schwarzen Hintergrund. Ein Maßstab von 100 µm ist unten rechts angegeben.
ISTA-Forschende konnten nachweisen, wie sich das zentrale Nervennetzwerk im Hippocampus nach der Geburt entwickelt. Untersucht wurden sogenannte CA3-Pyramiden-Neuronen, die hier zu sehen sind. Die mit Biocytin markierten Nervenzellen werden fixiert und gefärbt, um eine vollständige Rekonstruktion ihrer Formen zu ermöglichen.

Tabula rasa oder Tabula plena?

Im Hintergrund der Studie steht eine alte philosophische Streitfrage. Ist im Organismus alles bereits angelegt, oder formen erst Erfahrungen, was wir am Ende sind? Es ist das Problem von Tabula rasa – ein Gedächtnis, das bei null beginnt und erst Stück für Stück entsteht – oder Tabula plena, eine gefüllte Tafel, auf der Bestehendes immer neu geordnet, ergänzt oder gestrichen wird.

Im Gehirn lässt sich das auch anhand des Nervennetzwerks beobachten: Wie ist es verschaltet, wenn es zu arbeiten beginnt – und wie verändert es sich, sobald die Welt auf den Organismus einwirkt? Im Zentrum der Untersuchung stand die sogenannte CA3-Region des Hippocampus, ein Geflecht aus pyramidenförmigen Nervenzellen, die untereinander dicht verknüpft sind.

Drei Lebensabschnitte

Sie gelten als das eigentliche Speicher- und Abrufnetz für Erinnerungen. Möglich wird das durch neuronale Plastizität, also die Fähigkeit dieser Zellen, ihre Verbindungen ständig anzupassen: Signale lauter oder leiser zu schalten, Kontakte zu verstärken oder ganz aufzugeben.

Die Forschenden nahmen das Netzwerk an Mäusen in drei Lebensabschnitten unter die Lupe. Kurz nach der Geburt am siebten und achten Tag, im juvenilen Stadium zwischen Tag 18 und 25 und schließlich im erwachsenen Alter zwischen Tag 45 und 50. Methodisch griff das Team tief zur Patch-Clamp-Technik.

Dabei maßen sie winzige elektrische Ströme an den Sende- und Empfangsstellen einzelner Nervenzellen, also an präsynaptischen Endigungen und an den Dendriten. Hochauflösende Mikroskopie machte sichtbar, was im Inneren der Zellen vor sich geht, und mit laserbasierten Verfahren ließen sich gezielt einzelne Synapsen ansteuern und aktivieren.

Erst dicht, dann ausgelichtet

Das im Fachjournal Nature Communications veröffentlichte Ergebnis stellt die intuitive Vorstellung von einem reifenden Gehirn auf den Kopf. Direkt nach der Geburt fanden die Forschenden ein extrem dichtes Geflecht vor, dessen Verbindungen weitgehend zufällig wirkten. Mit zunehmendem Alter wurde das Netzwerk dann nicht voller, sondern lichter und zugleich präziser geordnet.

"Diese Entdeckung war überraschend", sagt Jonas. "Intuitiv würde man erwarten, dass ein Netzwerk mit der Zeit wächst und dichter wird. Hier sehen wir aber genau das Gegenteil. Es handelt sich um ein Pruning-Modell: Anfangs ist es voll, später wird verfeinert und optimiert."

Das hippocampale Netzwerk arbeitet also offenbar nicht mit einer leeren, sondern mit einer überfüllten Tafel. Verbindungen werden im Laufe der Entwicklung weniger angelegt als zurückgeschnitten – das englische pruning steht für genau jenes Auslichten, das man auch von Obstbäumen kennt.

Zwei mikroskopische Aufnahmen eines CA3-Pyramiden-Neuronennetzwerks im Hippocampus von Mäusen. Links: Dichtes, gelbes Netzwerk junger Mäuse. Rechts: Spärlicher, aber strukturierter und verfeinerter blauer Neuronenaufbau bei älteren Mäusen.
Die Aufnahmen zeigen ein Netzwerk miteinander verbundener CA3-Pyramiden-Neuronen im Hippocampus von Mäusen. Bei jungen Mäusen ist das CA3-Netzwerk sehr dicht, hier links in gelb. Mit zunehmendem Alter der Tiere verändert sich die Konfiguration. Das Netzwerk wird spärlicher, aber strukturierter und verfeinert, hier rechts in blau zu sehen.

Rätselhafte Fülle

Weshalb das Gehirn diesen scheinbar verschwenderischen Umweg nimmt, lässt sich derzeit nur vermuten. Jonas hält es für plausibel, dass ein anfangs weit verzweigtes Geflecht den Zellen einen entscheidenden Startvorteil verschafft. Der Hippocampus speichert ja keine isolierten Eindrücke, sondern verknüpft, was zusammengehört: einen Geruch mit einem Bild, eine Stimme mit einem Ort, eine Bewegung mit einem Gefühl. Damit aus einzelnen Sinnesreizen eine Erinnerung wird, müssen sehr unterschiedliche Zellen miteinander ins Gespräch kommen.

"Das ist eine komplexe Aufgabe für die Neuronen", erklärt Jonas. "Eine anfänglich überschwängliche oder exuberante Konnektivität, gefolgt von einer gezielten Ausdünnung der Verbindungen, könnte genau dabei helfen."

Viele Möglichkeiten zu Beginn

Müsste das Netzwerk dagegen aus einer echten Tabula rasa heraus wachsen, stünden viele Zellen anfangs zu weit voneinander entfernt, um effizient kommunizieren zu können. Wertvolle Verbindungen müssten erst mühsam aufgebaut werden, bevor das System überhaupt seine Kernaufgabe übernehmen könnte. Die üppige Anfangsverschaltung erweist sich damit als kluger Vorrat an möglichen Verbindungen, aus denen sich später gezielt jene auswählen lassen, die im individuellen Leben wirklich gebraucht werden. (tberg, red.)