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Forschungsthematik der AG Menzel
Wenn Tiere und der Mensch lernen, verändern
sich die Verschaltungen der Nervenzellen im Gehirn und speichern
damit ein Gedächtnis. Dieses dient der zukünftigen besseren
Kontrolle des Verhaltens. Die Schwierigkeit beim Aufsuchen des Gedächtnisses
im Geflecht von vielen Tausenden von Neuronen liegt darin, dass die
am Lernen beteiligten Neurone während der Gedächtnisbildung nicht
direkt beobachtet werden können. Es ist daher vorteilhaft, ein
relativ einfaches Nervensystem zu studieren, das dennoch in der Lage
ist, schnell zu lernen und ein stabiles Langzeitgedächtnis zu
bilden. Wir untersuchen diese Frage an Honigbienen. Bienen lernen
Landmarken, um sicher im Gelände zu navigieren, sie assoziieren die
Düfte, Farben, Formen und den Ort von Nektar und Pollen
produzierenden Blumen; sie lernen voneinander, wenn sie sich mit dem
Schwänzeltanz über die Richtung und Entfernung zu ertragreichen
Nahrungsquellen oder einer neuen Neststelle informieren. Dabei ist
ihr Lernverhalten außerordentlich reichhaltig. Sie generalisieren
auf gemeinsame Gestaltmerkmale von visuellen Mustern (z.B. dessen
Symmetrie oder Nichtsymmetrie), und sie richten ihre gelernte
Entscheidung nach vorher wahrgenommenen Hinweisreizen oder der
Situation, in der sie sich befinden. Besonders bedeutsam für uns
als Neurowissenschaftler ist, dass Bienen auch unter Bedingungen
lernen, unter denen optische und elektrische Registrierungen in
ihrem Gehirn durchgeführt werden können. In einer solchen
Situation wird ein Duft als Hinweisreiz für eine Zuckerbelohnung
verwendet, und das Tier lernt wie bei Pavlov's Hund, die Belohnung
nach dem Reiz zu erwarten. Es gelingt auf diese Weise, die Orte der
Gedächtnisbildung aufzuspüren und die Veränderungen in der
Verschaltung der Neurone zu messen. So finden wir z.B. dass ein als
bedeutungsvoll gelernter Duft eine präzisere und stärkere
neuronale Repräsentation im Gehirn aufweist. Diese Gedächtnisspur
kann auch bis in einzelne, identifizierte Neurone und das
Verschaltungsmuster von Neuronen verfolgt werden. Damit eröffnet
sich die Möglichkeit, die Schaltelemente aufzuspüren, die in ihrem
anpassungsfähigen Muster die Gedächtnisspur im Bienengehirn
niederlegen.
Eine Besonderheit des Gedächtnisses ist
seine Dynamik, eine Eigenschaft, die das Gedächtnis der Biene mit
dem vieler Tiere und des Menschen teilt. So folgt auf den
Lernvorgang eine sensible Kurzzeitgedächtnisphase, in der das Gedächtnis
leicht änderbar und störbar ist. Im Anschluß daran steuert ein
Mittelzeitgedächtnis das Verhalten über einige Stunden nach dem
Lernen, und später folgt das stabile Langzeitgedächtnis, das bei
Bienen interessanterweise in ein frühes (1 – 2 Tage) und ein spätes
(länger als 2 Tage) gegliedert ist. Wir fanden, dass diese Gedächtnisphasen
mit bestimmten Reaktionsabläufen von Signalmolekülen in den
beteiligen Neuronen zusammenhängen. Schlüsselfunktionen übernehmen
bestimmte Enzyme (Proteinkinasen), deren Aktivierung zuerst zur
funktionellen Veränderung von bereits vorhandenen Molekülen führt
und dann später zur Synthese neuer Proteine und damit wohl neuer
Strukturen. Die dabei wirksam werdenden zellulären Reaktionswege
sind keineswegs von besonderer Art, vielmehr kommen diese praktisch
in allen Körperzellen vor. Sie sind auch nicht spezifisch für die
Honigbiene, sondern finden sich in den zellulären Mechanismen der
Gedächtnisspur bei anderen Tieren, von Schnecken bis zum Menschen.
Der Gedächtnisinhalt wird daher nicht in irgendwelchen besonderen
Molekülen gespeichert, sondern ist in dem Muster der durch diese
allgemeinen Moleküle verursachten Veränderungen der Verschaltungen
der Neurone niedergelegt. Dieses Prinzip der Gedächtnisspeicherung
gilt auch für den Menschen, daher kann das Bienengehirn als ein
Modellsystem zum Studium allgemeiner Mechanismen der Gedächtnisbildung
verwendet werden. Wenn man sich die zeitliche Dynamik der Gedächtnisspuren
anschaut, dann findet man große Unterschiede bei verschiedenen
Tieren. Offensichtlich ist diese Dynamik an die
Verhaltensbedingungen geknüpft, unter denen das Gedächtnis
eingesetzt wird. Für Bienen können wir nun zeigen, dass der
Sammelzyklus von Futter mit der zeitlichen Dynamik der dabei
eingesetzten Gedächtnisse eng verquickt ist.
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