Was ist neuronale Plastizität?

Während eines Großteils des 20. Jahrhunderts beschrieb die Wissenschaft das Nervensystem als praktisch feste Struktur, sobald die Reifung des Gehirns abgeschlossen war: starr, unveränderlich, mit einer Architektur, die ein Leben lang stabil bleibt.

Wäre das ganz zutreffend, ließe sich etwas so Alltägliches kaum erklären wie die Tatsache, dass jemand mit vierzig Jahren ein Instrument lernen oder sich nach einer Hirnverletzung zumindest teilweise erholen kann.

Die seither gesammelten Belege deuten auf eine ziemlich andere Wirklichkeit hin, zusammengefasst in einem Begriff: neuronale Plastizität, die Fähigkeit des Nervensystems, sich als Reaktion auf Erfahrung selbst zu verändern.

Lernen heißt, das Gehirn buchstäblich zu verändern

Der Biologe James Zull bringt es direkt auf den Punkt: Lernen hat mit Veränderung zu tun und ist zugleich Veränderung.

Versteht man Lernen als dauerhafte Veränderung des Verhaltens, ergibt es Sinn, dass es von echten funktionellen und strukturellen Veränderungen im Gehirn begleitet wird. Eine gängige Einteilung unterscheidet drei Arten:

• Morphologische Veränderungen: Wachstum neuer Endigungen, synaptischer Endknöpfchen und dendritischer Dornen.
• Molekulare Veränderungen: Veränderungen an den Proteinen der Nervenzellmembranen, die beeinflussen, wie jedes Neuron auf die Aktivität der anderen reagiert.
• Neurochemische Veränderungen: Anpassungen in der Synthese und Freisetzung von Neurotransmittern, die die Wirksamkeit einer bestimmten Verbindung je nach Nutzung steigern oder verringern können.

Die Hebb’sche Regel

1949 formulierte der kanadische Psychologe Donald Hebb eine Idee, die zu einem der meistzitierten Prinzipien der Neurowissenschaft werden sollte: Das Gedächtnis müsse auf einer dauerhaften strukturellen Veränderung des Gehirns beruhen, erreicht durch eine veränderte Wirksamkeit bereits vorhandener Synapsen, nicht unbedingt durch neue Verbindungen, die von Grund auf entstehen.

Je häufiger eine bestimmte Verbindung zwischen zwei Neuronen genutzt wird, desto effizienter wird diese Kommunikation. Die Neurobiologin Carla Shatz verdichtete das 1992 in einem populärwissenschaftlichen Artikel über die Gehirnentwicklung zu einem Satz, der heute fast als Synonym für Plastizität gilt:

Neuronen, die gemeinsam feuern, verdrahten sich miteinander.

Den ersten direkten physiologischen Nachweis eines solchen Mechanismus gab es 1973. Timothy Bliss und Terje Lømo reizten bei narkotisierten Kaninchen eine Nervenbahn, die zum Hippocampus führt, mit hochfrequenten Impulsfolgen und beobachteten, dass die Antwort der nachgeschalteten Neuronen über Stunden verstärkt blieb. Sie nannten das Langzeitpotenzierung (LTP), und sie ist bis heute das am besten untersuchte zelluläre Modell des Lernens.

Neuronale Plastizität ist also keine Metapher, sondern eine überprüfbare physische Veränderung in der Wirksamkeit und Struktur der Verbindungen.

Wie aktiv du dich mit dem auseinandersetzt, was du lernst, und nicht nur wie viel Zeit du investierst, ist genau das, was unser Test Lerne ich tiefgehend oder oberflächlich? unterscheidet.

Warum sich manche Erinnerungen festigen und andere verloren gehen

Neuronale Plastizität erklärt auch, warum nicht alles, was du lernst, gleich fest haften bleibt.

Das Kurzzeitgedächtnis stützt sich auf Neuronenkreise, die nur Sekunden aktiv bleiben; wird diese Information nicht in einen dauerhafteren Speicher überführt, geht sie ohne bleibende Spur verloren.

Das Langzeitgedächtnis dagegen verlangt viel tiefere Veränderungen: die Synthese neuer Proteine und dauerhafte strukturelle Umbauten an den synaptischen Verbindungen.

Diese Konsolidierung geschieht nicht augenblicklich, sie braucht Zeit (in der Anfangsphase Minuten bis Stunden), ein Zeitfenster, in dem sie durch Ereignisse wie ein Trauma, einen Stromschlag oder Alkohol unterbrochen werden kann. Das erklärt, warum manchmal die Erinnerung an die Minuten direkt vor einem Schlag oder einem heftigen Schreck verloren geht, während ältere, bereits gefestigte Erinnerungen unversehrt bleiben.

Eine Veränderung, die nicht von neuen Neuronen abhängt

Eine Klarstellung ist wichtig: Neuronale Plastizität besteht meistens nicht darin, neue Neuronen von Grund auf zu bilden, sondern darin, die Verbindungen zwischen bereits vorhandenen zu verändern.

Diese Unterscheidung trennt zwei verwandte, aber verschiedene Phänomene. Die Neurogenese ist das Entstehen neuer Neuronen; im erwachsenen menschlichen Gehirn wäre sie auf ganz bestimmte Regionen wie den Hippocampus beschränkt, und wie weit sie tatsächlich reicht, ist umstritten. Die synaptische Plastizität ist die Stärkung oder Schwächung von Verbindungen zwischen bereits bestehenden Neuronen, und sie findet im ganzen Gehirn und das ganze Leben lang statt.

Fast alles, was du im Alltag lernst, von einem neuen Wort bis zu einer handwerklichen Fertigkeit, stützt sich vor allem auf den zweiten Mechanismus, der viel weiter verbreitet ist als der erste.

Plastizität im erwachsenen Gehirn

Zwei Bildgebungsstudien sind zu klassischen Belegen dafür geworden, dass Erfahrung die Struktur des erwachsenen Gehirns verändert, nicht nur die des kindlichen.

Eleanor Maguire und ihr Team (2000) verglichen MRT-Aufnahmen von Londoner Taxifahrern, die für ihre Lizenz das Straßenlabyrinth der Stadt auswendig lernen müssen, mit denen von Menschen, die kein Taxi fuhren. Der hintere Teil des Hippocampus, der am räumlichen Gedächtnis beteiligt ist, war bei den Taxifahrern größer, und sein Volumen nahm mit den Berufsjahren zu; der vordere Teil war dagegen etwas kleiner. Es handelt sich um eine Querschnittsstudie, die für sich genommen die Wirkrichtung nicht beweist, doch der Zusammenhang mit den Jahren an Erfahrung spricht für eine durch Nutzung ausgelöste Veränderung.

Draganski et al. (2004) gingen den experimentellen Schritt: Sie brachten Erwachsenen, die nicht jonglieren konnten, das Jonglieren bei und stellten nach einigen Monaten Übung eine Zunahme grauer Substanz in Hirnrindenbereichen fest, die visuelle Bewegung verarbeiten. Hörten die Teilnehmenden auf zu üben, bildete sie sich wieder zurück.

Deshalb hat die Idee, durch Üben zu lernen, die mit dem kinästhetischen Lernstil verbunden wird, eine biologische Grundlage, die für alle Menschen gilt und nicht nur für einen bestimmten “Lerntyp”: Anhaltende Übung hinterlässt eine physische Spur, und diese Spur verblasst auch wieder, wenn man aufhört.

Quellen

• Bliss, T. V. P. & Lømo, T. (1973). Long-lasting potentiation of synaptic transmission in the dentate area of the anaesthetized rabbit following stimulation of the perforant path. The Journal of Physiology, 232(2), 331-356. doi:10.1113/jphysiol.1973.sp010273
• Draganski, B., Gaser, C., Busch, V., Schuierer, G., Bogdahn, U. & May, A. (2004). Neuroplasticity: Changes in grey matter induced by training. Nature, 427(6972), 311-312. doi:10.1038/427311a
• Hebb, D. O. (1949). The Organization of Behavior: A Neuropsychological Theory. Wiley.
• Maguire, E. A., Gadian, D. G., Johnsrude, I. S., Good, C. D., Ashburner, J., Frackowiak, R. S. J. & Frith, C. D. (2000). Navigation-related structural change in the hippocampi of taxi drivers. Proceedings of the National Academy of Sciences, 97(8), 4398-4403. doi:10.1073/pnas.070039597
• Shatz, C. J. (1992). The developing brain. Scientific American, 267(3), 60-67. doi:10.1038/scientificamerican0992-60
• Zull, J. E. (2002). The Art of Changing the Brain: Enriching Teaching by Exploring the Biology of Learning. Stylus.