Wie Nervensysteme lernen: Umfassende Theorie vorgestellt

Forscher gehen heute davon aus, dass Lernen einerseits über die Entstehung von neuen Verbindungen zwischen Nervenzellen (Neuronen) und andererseits über Verstärken oder Abschwächen solcher Verbindungen erledigt wird. In den vergangenen Jahrzehnten sei dieses Abschwächen oder Verstärken auf Basis einzelner Verbindungsstellen - Synapsen - experimentell überprüft worden, berichtete Mitautor Lars Büsing vom Institut für Grundlagen der Informationsverarbeitung der Technischen Universität Graz.

An den Synapsen sind zwei Nervenzellen stark aneinander angenähert, bleiben aber durch den sogenannte synaptischen Spalt doch getrennt. Erst bei Erreichen eines bestimmten elektrischen Potenzials im ankommenden Neuron kommt es zur Ausschüttung eines chemischen Stoffes in den Spalt. Das bedingt dann eine Potenzialveränderung in der ableitenden Zelle.

Molekulare Mechanismen ausgearbeitet
Untersuchungen zeigten bereits in den 1970er-Jahren, dass sich alleine durch eine steigende Zahl von Reizen die Synapsen verstärken lassen. Mit anderen Worten: Häufig benutzte Verbindungen gewinnen an Bedeutung. Später zeigte sich dann, dass dabei die zeitlichen Muster wichtig sind, so Büsing. Feuert eine ankommende Zelle erst nach der nachgeschalteten, so wird die Verbindung abgeschwächt, da dieses Signal sozusagen unnötig ist. Wichtig genommen werden dagegen Signale der ankommenden Zelle, die unmittelbar vor der ableitenden feuern.

"Letztendlich zeigte sich, dass beide Mechanismen für das Lernen wichtig sind", sagte der Wissenschaftler. Eine Gewichtung, was für die Verstärkung oder Abschwächung von Verbindungen bedeutsamer ist, lässt sich nicht ableiten. Welche molekularen Mechanismen dahinterstecken, wie und warum sich Potenziale ändern, haben die Forscher nun in ihrer theoretischen Arbeit ausgearbeitet und präsentiert.