Wie das Gehirn Risikobereitschaft und Lernen in Einklang bringt

Wie das Gehirn Risikobereitschaft und Lernen in Einklang bringt

Salk-Wissenschaftler entdecken einen Lernkreislauf in Würmern, der Hinweise auf menschliches Verhalten gibt

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Die meisten Tiere, vom Fadenwurm bis zum Menschen, bevorzugen die vorhersehbarere Situation, wenn es darum geht, Überlebensressourcen wie Nahrung zu sichern. Nun haben Salk-Wissenschaftler die Grundlage dafür entdeckt, wie Tiere Lern- und Risikoverhalten in Einklang bringen, um in eine vorhersehbarere Umgebung zu gelangen. Die Forschung enthüllt neue Details über die Funktion zweier chemischer Signale, die für das menschliche Verhalten von entscheidender Bedeutung sind: Dopamin – verantwortlich für Belohnung und Risikobereitschaft – und CREB – notwendig für das Lernen.

„Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass bestimmte Neuronen auf Lichtveränderungen reagieren, um die Variabilität in ihrer Umgebung zu bestimmen, aber das ist nicht der einzige Mechanismus“, sagt der leitende Autor Sreekanth Chalasani, Assistenzprofessor bei Salk's Labor für Molekulare Neurobiologie. „Wir haben einen neuen Mechanismus entdeckt, der die Umweltvariabilität bewertet, eine Fähigkeit, die für das Überleben von Tieren entscheidend ist.“

Durch die Untersuchung von Spulwürmern (Caenorhabditis elegans), haben Salk-Forscher aufgezeichnet, wie dieser neue Schaltkreis Informationen von den Sinnen des Tieres nutzt, um herauszufinden, wie vorhersehbar die Umgebung ist, und um den Wurm bei Bedarf zu veranlassen, sich an einen neuen Ort zu bewegen. Die Arbeiten wurden am 9. April 2015 detailliert beschrieben Neuron.

Der Schaltkreis, der aus 16 der 302 Neuronen im Gehirn des Wurms besteht, weist laut Forschern wahrscheinlich Parallelen zu komplexeren Tiergehirnen auf und könnte ein Ausgangspunkt für das Verständnis und die Behebung bestimmter psychiatrischer oder Verhaltensstörungen sein.

„Überraschend war, inwieweit die Variabilität im Verhalten der Tiere durch die Variabilität ihrer früheren Sinneserfahrungen und nicht nur durch Lärm erklärt werden kann“, sagt er Tatyana Sharpee, außerordentlicher Professor und Co-Senior-Autor des Artikels. „Wir können jetzt zukünftiges Verhalten von Tieren auf der Grundlage vergangener Sinneserfahrungen vorhersagen, unabhängig vom Einfluss genetischer Faktoren.“

Dieses Bild zeigt ein einzelnes sensorisches Neuron im Spulwurm Caenorhabditis elegans. Salk-Forscher demonstrierten, wie ein neuronaler Schaltkreis frühere Erfahrungen nutzt, um zukünftiges Verhalten zu ändern. Die Arbeit enthüllt neue Details über die Funktion zweier chemischer Signale, die für das Verhalten von Tieren und Menschen entscheidend sind: Dopamin (verantwortlich für Belohnung und Risikobereitschaft) und CREB (für das Lernen erforderlich).

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Bild: Mit freundlicher Genehmigung des Salk Institute for Biological Studies

Das Team entdeckte, dass zwei Neuronenpaare in diesem Lernkreislauf als Gatekeeper fungieren. Ein Paar reagiert auf starke Zunahmen des Nahrungsvorkommens und das andere Paar reagiert auf starke Abnahmen des Nahrungsvorkommens. Wenn eines dieser hochschwelligen Neuronen eine große Veränderung in einer Umgebung erkennt (z. B. den Geruch von viel Essen zu gar keinem Essen), veranlassen sie andere Neuronen, den Neurotransmitter Dopamin freizusetzen.

Dopamin in ein menschliches oder sonstiges Gehirn einzuschleusen, steigert die Risikobereitschaft. Beim Spulwurm ist das nicht anders: Stimuliert durch große Arten in seiner Umgebung steigt Dopamin im System des Wurms an und aktiviert vier weitere Neuronen im Lernkreislauf, wodurch diese eine größere Reaktionsreichweite erhalten. Dies veranlasst den Wurm, aktiver in einem größeren Bereich zu suchen (Risikobereitschaft), bis er auf eine konsistentere Umgebung trifft. Die Menge an Dopamin in seinem System dient ihm als Erinnerung an die vergangene Erfahrung: Nach etwa 30 Minuten vergisst es die in der Zeit davor gesammelten Informationen.

Es ist zwar bekannt, dass das Vorhandensein von Dopamin mit Risikoverhalten zusammenhängt, doch wie genau Dopamin dies bewirkt, ist noch nicht genau geklärt. Mit dieser neuen Arbeit verfügen Wissenschaftler nun über ein grundlegendes Modell dafür, wie die Dopamin-Signalisierung den Wurm dazu bringt, mehr Risiken einzugehen und neue Umgebungen zu erkunden.

„Der Zusammenhang zwischen Dopamin und Risiko ist bei allen Tieren konserviert und bereits bekannt, aber wir haben mechanistisch gezeigt, wie er funktioniert“, sagt Chalasani, der auch Inhaber des Zertifikats ist Helen McLoraine Entwicklungslehrstuhl für Neurobiologie. „Wir hoffen, dass diese Arbeit zu besseren Therapien für neurodegenerative Erkrankungen, Verhaltenserkrankungen und andere Störungen führen wird, bei denen die Dopaminsignalisierung unregelmäßig ist.“

Interessanterweise fanden die Wissenschaftler heraus, dass die hochschwelligen Neuronen auch zu einer verstärkten Signalübertragung eines Proteins namens CREB führen, das bei Menschen und anderen Tieren bekanntermaßen für das Lernen und Behalten neuer Erinnerungen unerlässlich ist. Die Forscher zeigten, dass nicht nur das Vorhandensein von CREB für das Lernen wichtig ist, sondern dass die Menge an CREB-Protein auch darüber entscheidet, wie schnell ein Tier lernt. Dieser überraschende Zusammenhang könnte zu neuen Forschungswegen zur Verbesserung des Gehirns führen, fügt Chalasani hinzu.

Wie haben Forscher das alles genau an Würmern getestet? Sie begannen damit, Würmer in Schalen zu platzieren, die entweder einen großen oder einen kleinen Fleck essbarer Bakterien enthielten. Würmer in den kleineren Bereichen neigten dazu, die Ränder häufiger zu erreichen, was zu großen Veränderungen in der Variabilität führte (die Ränder enthalten im Vergleich zur Mitte große Nahrungsmengen). Die Würmer auf dem großen Fleck erreichten den Rand jedoch seltener und erlebten dadurch eine allgemein stabile Umgebung (hauptsächlich einen Bereich mit ständiger Nahrungsaufnahme).

Mithilfe von Genetik, Bildgebung, Verhaltensanalyse und anderen Techniken fanden Forscher heraus, dass die beiden Paare von Neuronen mit hoher Reizschwelle auf die größere Variation und das größere Signal reagieren, wenn sich Würmer auf kleinen Flächen befinden, was zu einem erhöhten Dopaminspiegel führt. Wenn Würmer in diesen kleineren Bereichen (und mit höherem Dopamingehalt) herausgenommen und in eine neue Schüssel gegeben wurden, erkundeten sie ein größeres Gebiet und gingen dabei ein größeres Risiko ein. Würmer aus den größeren Bereichen produzierten jedoch weniger Dopamin und waren vorsichtiger und erkundeten nur einen kleinen Raum, wenn sie in einem neuen Bereich platziert wurden.

Wenn das Protein CREB in größeren Mengen vorhanden war, stellte das Team außerdem fest, dass die Würmer viel weniger Zeit brauchten, um ihre Nahrungsvariabilität kennenzulernen. „Normalerweise brauchten die Würmer etwa 30 Minuten, um Nahrung zu erkunden und etwas über sie zu lernen, aber wenn man das CREB-Protein weiter erhöht, lernen sie es schneller“, sagt Chalasani. „Dopamin speichert also die Erinnerung daran, was diese Würmer lernen, während CREB reguliert, wie schnell sie lernen.“

Zu den Autoren gehört Adam J. Calhoun von der University of California, San Diego; Navin Pokala von Die Rockefeller Universität; und Ada Tong, James AJ Fitzpatrick, Tatyana O. Sharpee und Sreekanth H. Chalasani, alle vom Salk Institute.

Die Arbeit wurde gefördert durch die National Institutes of Health, der National Science Foundation und der Rita-Allen-Stiftung.

Über das Salk Institute for Biological Studies:
Das Salk Institute for Biological Studies ist eine der weltweit herausragenden Grundlagenforschungseinrichtungen, in der international renommierte Fakultäten grundlegende Fragen der Biowissenschaften in einem einzigartigen, kollaborativen und kreativen Umfeld untersuchen. Salk-Wissenschaftler konzentrieren sich sowohl auf Entdeckungen als auch auf die Betreuung zukünftiger Forschergenerationen und leisten bahnbrechende Beiträge zu unserem Verständnis von Krebs, Alterung, Alzheimer, Diabetes und Infektionskrankheiten, indem sie Neurowissenschaften, Genetik, Zell- und Pflanzenbiologie und verwandte Disziplinen studieren.

Die Leistungen der Fakultät wurden mit zahlreichen Ehrungen gewürdigt, darunter Nobelpreise und Mitgliedschaften in der National Academy of Sciences. Das 1960 vom Polioimpfpionier Jonas Salk, MD, gegründete Institut ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation und ein architektonisches Wahrzeichen.