Neuropsychologie: Wie sich Nervenzellen im Gehirn verständigen

Neuropsychologie: Wie sich Nervenzellen im Gehirn verständigen

Der Neurophysiologe Nikolaj Klöcker untersucht Glutamat-Rezeptoren. Sie sind das Herzstück der Signalübertragung im Gehirn.

Was geht in unserem Kopf vor? Warum fällt es manchen Menschen schwer, sich Dinge zu merken, etwas Neues zu lernen? Was passiert, wenn das Gehirn krampft, ein epileptischer Anfall das Bewusstsein raubt?

"An all diesen Phänomenen ist die Substanz Glutamat beteiligt", sagt Nikolaj Klöcker. "Das ist der häufigste Botenstoff für die erregende Signalübertragung im Gehirn." Ohne Glutamat gebe es keine kontrollierte Bewegung, keine Sinneswahrnehmung, kein Lernen und kein Gedächtnis, erläutert der Professor für Neurophysiologie an der Medizinischen Fakultät der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf. Glutamat hat eine zentrale Bedeutung für die Kommunikation der Gehirnzellen und den Aufbau von Nervenbahnen.

Passiert wirklich im Gehirn?

Dennoch wissen die Forscher nicht viel über die spezielle Rolle dieses Botenstoffes, der in die Gruppe der Neurotransmitter gehört. Überhaupt bleibt die genaue Arbeitsweise unseres Denkorgans noch ein großes Rätsel. "Aus den bildgebenden Verfahren der Medizin wissen wir in etwa, welche Teile des Gehirns an welchen Denkprozessen und Krankheiten beteiligt sind", sagt Klöcker, "aber diese Computerbilder erklären nicht, was in den 100 Milliarden Nervenzellen des Gehirns wirklich passiert."

Deshalb schaut Nikolaj Klöcker genau hin. Auf die Oberfläche der Nervenzellen, dort wo der abstrakte Begriff der Signalübertragung konkret sichtbar wird. Neurotransmitter wie Glutamat docken dort an den für sie passenden Stellen an: an den Rezeptoren in der äußeren Hülle der Nervenzelle. Dieser Kontakt verändert die Struktur der Zellhülle.

Glutamat beispielsweise vermag auf diese Weise bestimmte Kanäle zu öffnen: So können geladene Teilchen, Ionen, diese Membran passieren und eine elektrische Spannung aufbauen; damit kann die Ausschüttung der Botenstoffe in Richtung der nächsten Nervenzelle aktiviert werden. Binnen Millisekunden wird so die Information von Zelle zu Zelle hunderttausendfach weitergegeben.

Es ist ein noch unverstandenes Geheimnis, woher das Gehirn weiß, welche Nervenzellen angesteuert werden müssen, damit das Zusammenspiel der Zellen die Bewegung von Armen und Beinen auslöst oder das Gedächtnis fördert. Aber es ist leicht vorstellbar, dass schon kleine Fehler in diesem System große Auswirkungen haben können: Depressionen, Epilepsie, Aggressivität — daran leiden allein in Deutschland mehr als zehn Millionen Menschen nach Angaben des Bundesgesundheitsministeriums wenigstens einmal in ihrem Leben. Auch Autismus und Demenz werden mit Störungen der Glutamat-Rezeptoren in Verbindung gebracht.

Medikamente gezielt entwickeln

Für Nikolaj Klöcker ist klar: "Je mehr wir über diese Rezeptoren wissen, desto gezielter können Medikamente entwickelt werden." Schon heute gibt es Arzneimittel gegen Epilepsie, die an den Glutamat-Rezeptoren wirken, aber sie sind noch nicht spezifisch genug.

Klöckers Suche beginnt bei Ratten. Deren Gehirn ist teilweise mit dem des Menschen vergleichbar — es enthält ebenfalls Glutamat-Rezeptoren. Klöckers Team isoliert aus dem Rattengehirn eine spezielle Untergruppe davon, die Ampa-Rezeptoren, und untersucht deren Aufbau. Insgesamt haben die Forscher bereits 34 Untereinheiten identifizieren können: verschiedene Proteine, aus denen die Rezeptoren zusammengesetzt sind. Jede Kombination dieser Bausteine verändert die Eigenschaften der Zellhülle in besonderer Art und Weise. Diese strukturelle und funktionelle Vielfalt könnte ein Schlüssel sein, warum ein einziger Neurotransmitter so viele verschiedene Reaktionen in den Nervenzellen auslösen kann, warum er so viele Aufgaben erfüllen kann. Ein Detail für ein besseres Verständnis des Gehirns.

Zudem zeigt Klöckers Forschung, die auch durch die Anton-Betz-Stiftung der Rheinischen Post gefördert wird, dass die Rezeptoren sich zeitlebens verändern. Sie sind bei Kindern anders als bei Erwachsenen — und in den verschiedenen Regionen des Gehirns lassen sie sich in unterschiedlichen Ausprägungen finden. Das klingt, als ob jeder weitere Forschungstag, jedes neue Ergebnis, die Beschreibung noch unübersichtlicher machen würde.

Gemeinsamkeiten bei allen Unterschieden

Nikolaj Klöcker lacht. Was den Laien abschreckt, liefert ihm eher Motivation. "Bei allen Unterschieden finden wir nämlich auch Gemeinsamkeiten", sagt er. "Die Nervenzellen scheinen die Ampa-Rezeptoren nicht zufällig aus den Untereinheiten zusammenzubauen, sondern nach eindeutigen Regeln." Dieses Regelwerk interessiert weltweit viele Forschergruppen, sowohl an Universitäten als auch in der Pharma-Industrie. Es soll irgendwann die Tür für neue Medikamente öffnen.

An der Heinrich-Heine-Universität ist Klöckers Arbeitsgruppe eingebunden in einen Forschungsverbund, um die Wechselwirkung der Rezeptoren mit der Funktion anderer Organe zu studieren. "Es gibt Erkrankungen des Gehirns, die durch fehlerhaften Stoffwechsel der Leber entstehen", erklärt Klöcker.

Deshalb gehört der Neurophysiologe auch zum Sonderforschungsbereich Kommunikation und Systemrelevanz bei Leberschädigung und Regeneration. Grundlagenforschung ist so direkt in praktische Anwendungen eingebettet.

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(RP/anch)