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Für die sensorischen Systeme, wie z. B. das visu-elle (Sehen) und das auditorische (Hören)System, ist seit längerem bekannt, dass sensori-sche Erfahrungen, also die Erfahrung mit Seh-bzw. Höreindrücken, ganz essentiell sind für einenormale funktionelle Ausreifung der synapti-schen Netzwerke in diesen Sinnessystemen, ins-besondere trifft dies auf die cortikalen Regionenzu. Die grundlegenden „Schaltpläne“ dieserHirnregionen und die grundlegenden Antwortei-genschaften der Nervenzellen werden überwie-gend durch genetisch determinierte zelluläreMechanismen gesteuert, die damit auch die prin-zipiellen Eigenschaften der wahrnehmbaren Reizeund der prinzipiellen Hirnfunktionen vorgeben.Erfahrungen, Lernen und Gedächtnisprozesse imVerlauf der frühen Entwicklungsphasen dienendann der Feinabstimmung dieser Schaltpläne undsind daher essentiell für die Präzisierung undOptimierung ihrer neuronalen und synaptischenNetzwerke. Dieses „fine tuning“ wird dann letzt-endlich die funktionelle Kapazität dieser Hirnsys-teme im späteren Leben determinieren. DieBalance dieses Wechselspiels zwischen endogenenund exogenen Faktoren verschiebt sich im Ver-lauf der Hirnentwicklung (Abbildung 1),während vorgeburtlich überwiegend die genetischdeterminierten Faktoren dominieren, kommtdann vom Zeitpunkt der Geburt an die Komple-xität der erfahrbaren Umwelt immer mehr insSpiel. Die jetzt neu hinzukommenden sensori-schen, motorischen und, wie unsere neuerenArbeiten nachweisen konnten, vor allem auch dieemotionalen Erfahrungen übernehmen jetzt dieRegie über die genetische und molekulare Zell-maschinerie. Wie ein Pianist „spielt“ die Umweltauf der „Tastatur“ der Gene und greift damit indie Komplexität der molekularen Entwicklungs-programme der Nervenzellen ein. Dieses Prinzipder Wechselwirkung zwischen Umwelt und dengenetischen/molekularen Prozessen führt damitauch den alten Disput „Was ist angeboren undwas ist erworben“ ad absurdum, denn beides ist jaoffenbar untrennbar miteinander verknüpft:Während die Rahmenbedingungen der Leis-tungskapazitäten im Gehirn über die genetischeAusstattung vorgegeben sind, entscheiden

Umweltfaktoren darüber, wieweit und in welcheRichtung dieses Spektrum ausgeschöpft wird.Der „Pianist“ kann also auf der ihm vorgegebenenKlaviatur entweder eine Symphonie kreieren,oder aber er kann nur eine simple Melodie bzw.chaotische Töne schaffen. Hierdurch werden dieindividuellen intellektuellen, sozialen und emo-tionalen Eigenschaften herausgebildet, und jenachdem wie komplex die frühe Umwelt gestaltet

ist, werden die maximalen Funktionskapazitätenherausgearbeitet. Bei fehlender oder negativerUmwelterfahrung wird nur eine „Minimalfunk-tion“ oder sogar Fehlfunktionen entstehen.

Im Folgenden soll anhand von zwei Tiermodellenaufgezeigt werden, wie die Mechanismen undFunktionsprinzipien der frühen erfahrungsge-steuerten postnatalen Gehirnentwicklung mit-hilfe von modernen neurowissenschaftlichenMethoden entschlüsselt werden.

Das klassische und wohl am besten verhaltensbio-logisch untersuchte Beispiel für einen frühkindli-chen Lernprozess ist die Filialprägung /1/. Prä-gungsvorgänge stellen vermutlich die evolutions-geschichtlich ältesten Lernformen dar. Diesefrühe Lernform unterscheidet sich von adultemLernen durch einige charakteristische Merkmale,so finden sie beispielsweise innerhalb bestimmter

WIE GEHIRNE LAUFEN LERNEN

Katharina Braun

Frühkindliche emotionale Erfahrungen und Lernprozesse sind von grundlegender Bedeutung für die Ausbil-dung normaler sozio-emotionaler und intellektueller Fähigkeiten im Erwachsenenalter. Ziel unserer Arbei-ten ist es, die hirnbiologischen Grundlagen für diese uralte Erkenntnis anhand tierexperimenteller For-schungsansätze aufzuklären. An verschiedenen Tiermodellen konnten wir erstmals zeigen, dass die frühenemotionalen Erlebnisse und Lernvorgänge im Verlauf der Gehirnentwicklung quasi als „Bildhauer“ desGehirns fungieren, indem sie die funktionelle Reifung, insbesondere des limbischen Systems steuern, also derSchaltkreise, die für Verarbeitung und Steuerung emotionaler Verhaltensweisen und für Lernen undGedächtnisbildung essentiell sind.

Abbildung 1

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„sensibler Phasen“ des Lebens statt. Der Zeit-punkt solcher sensiblen Phasen ist größtenteilsgenetisch determiniert, während die Zeitspanne,in der diese Zeitfenster geöffnet sind, in hohemMaße von Umwelteinflüssen beeinflusst wird.Ein weiteres Merkmal von Prägungslernen ist,dass bereits eine kurze Erfahrung mit dem zuerlernenden Reiz, Objekt oder der Situationgenügt, um dauerhaft im Gedächtnis verankert zuwerden. Zu den bekanntesten Beispielen von Prä-gungslernen gehören die Nachlaufprägung beinestflüchtenden Vogelarten sowie die Sexualprä-gung und das Gesangslernen bei Singvögeln /2/.Prägungslernen ist aber nicht auf Vögelbeschränkt, auch in anderen Tiergruppen findetman eine ganze Reihe von Beispielen. So sind beiSäugern Prägungsphänomene unter anderembeim Meerschweinchen und bei der mit demMeerschweinchen verwandten Strauchratte(Octodon degus) beschrieben und wissenschaftlichrecht gut untersucht. Bei Degujungen konntebeispielsweise nachgewiesen werden, dass sie sichim Verlauf der ersten Lebenstage auf einen spezi-ellen, nur von der Mutter geäußerten, Lockrufprägen, und in Verhaltenstests eine starke Präfe-renz für diesen Laut gegenüber Alternativtönenzeigen /3/,/4/. Auch beim Menschen gibt es Prä-gungslernen, der Begriff Prägung für diese früh-kindlichen Lernprozesse wurde seinerzeit vonGray /5/ eingeführt. Hierzu zählen beim mensch-lichen Säugling geruchliche und akustische Prä-gungsphänomene, beispielsweise bevorzugenSäuglinge den Brustgeruch ihrer Mutter gegen-über anderen Gerüchen und gegenüber demGeruch anderer Frauen, während mit der Flascheaufgezogene Säuglinge eine solche Präferenz nichtzeigen. Ebenfalls konnte gezeigt werden, dassSäuglinge bereits in den ersten Lebenstagen einefrühe Präferenz für die Stimme ihrer Mutter ent-wickeln /6/, d. h. sie werden akustisch auf dieStimme ihrer eigenen Mutter „geprägt“. Auch dasErlernen der Phoneme der Muttersprache kann,ganz ähnlich wie die neurobiologisch gut unter-suchte Gesangsprägung bei Singvögeln, als Prä-gungslernen betrachtet werden. Selbst wenn einePerson länger im anderssprachigen Ausland als imGeburtsland gelebt hat (ein berühmtes Beispiel istder ehemalige amerikanische AußenministerHenry Kissinger, der mit 15 Jahren mit seinerFamilie nach Amerika auswanderte), bleibt beiden meisten Menschen immer noch mehr oderweniger deutlich der für die Muttersprache typi-sche Akzent erkennbar.

Die für Prägungsprozesse charakteristische Stabi-lität des Erlernten/Erfahrenen und dessen Aus-wirkungen auf viele Aspekte des späteren Lebenslassen vermuten, dass bei solchen Lernprozessen,die in einem noch nicht vollständig ausgereiftenund gewissermaßen noch „naiven“ Gehirn verar-beitet werden, neuronale und synaptische Verän-derungen stattfinden, die beim Lernen des adul-ten, und „erfahrenen“ Gehirns nicht mehr in die-ser massiven Form auftreten. Ähnlich wie bei derpsychischen Entwicklung lassen sich auch bei der

Hirnentwicklung sensible Phasen, d. h. Zeitfens-ter erhöhter neuronaler Plastizität identifizieren.Ganz analog zur Entwicklung der sensorischenCortices, scheinen die Neurone in den assoziati-ven präfrontalen Cortexbereichen währendbestimmter Entwicklungsphasen in Bezug auf dieVeränderbarkeit ihrer synaptischen Verschaltun-gen besonders plastisch, d. h. „lernfähig“ zu sein.Jede Cortexregion zeigt charakteristische Phasender Synapsenvermehrung und der Synapsenver-minderung /7/ und diese Phasen der synaptischenReorganisation korrelieren zeitlich höchstwahr-scheinlich mit den sensiblen Phasen für frühkind-liche Lern- und Erfahrungsprozesse.

Aufbauend auf den Beobachtungen beim Men-schen und basierend auf experimentellen Befun-den an verschiedenen Tiermodellen überprüfenwir derzeit in unserer Arbeitsgruppe die Hypo-these, inwieweit frühe Erfahrungs- und Lernpro-zesse eine grundlegende Reorganisation voninitial noch unspezifisch organisierten neuronalenVerschaltungen im Gehirn induzieren und wel-che zellulären Mechanismen hierbei eine Rollespielen. Wie bereits eingangs skizziert gehen wirdavon aus, dass die frühkindlichen Lernprozesse,die Prägungsprozesse, dazu „benutzt“ werden, umdie Hirnfunktionen zu optimieren. Vergleichtman das Gehirn etwas vereinfacht mit einemComputer, dann könnte man die hirnstrukturel-len Folgen von Prägungslernen mit der Formatie-rung der „Festplatte“ vergleichen, mit der danndie Leistungsfähigkeit der Hardware determiniertwird. Die Leistungsfähigkeit des „Computers“Gehirn wird in jungen Jahren also optimal an dieindividuellen Bedürfnisse und jeweiligenUmweltbedingungen angepasst.

DIE ENTSTEHUNG DER EMOTIONALEN BINDUNG

ZWISCHEN NEUGEBORENEM UND DEN ELTERN

IST PRÄGEND FÜR GEHIRNFUNKTIONEN UND

VERHALTENSLEISTUNGEN

Zur Überprüfung unserer Arbeitshypothesehaben wir als Tiermodell für einen frühkindli-chen emotionalen Lernprozess die Filialprägungausgewählt, d. h. die Entstehung der emotionalenBindung zwischen dem Neugeborenen und derMutter (bzw. den Eltern). Beim Laborexperimentzur akustischen Filialprägung von Haushuhn-küken werden neugeborene Küken für einebestimmte Zeit mit einem künstlichen Glucken-laut beschallt. Gleichzeitig haben Küken dabeidie Möglichkeit, mit einer Hennenattrappe Kon-takt aufzunehmen. Dieser Sozialkontakt zum„sprechenden“ Mutterersatz stellt für die Tiereden ersten positiven emotionalen Kontakt inihrem Leben dar. Bei diesem, wenn auch sehrkünstlichen und reizreduzierten, Sozialkontaktentsteht eine Assoziation zwischen einemzunächst bedeutungslosen akustischen Reiz(künstliche Stimme der Mutter) und der emotio-nalen Situation (Wärme, Geborgenheit im Feder-kleid der Mutter etc). Die Küken lernen daherdiesen spezifischen Tonreiz von anderen Tonrei-zen zu unterscheiden, sie entwickeln eine Präfe-

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renz für diesen künstlichen Gluckenlaut und siereagieren mit einer spezifischen Hinwendungsre-aktion in Richtung dieses emotionalen Reizes, siewerden darauf „geprägt“. Dieses vergleichsweiseeinfache Lernmodell ermöglicht es, über gut kon-trollierbare experimentelle Ansätze den zellulärenMechanismen im Gehirn dieser Tiere auf dieSpur zu kommen. Natürlich interessiert uns hier-bei nicht so sehr die Lebensgeschichte einesHühnchens, sondern wir nutzen dieses Modell,um die neuronalen Grundprinzipien des Lernensund der Gedächtnisbildung im jungen aber auchspäter im erwachsenen Gehirn zu identifizierenund zu charakterisieren. Da die Nervenzellen undihre Informationskanäle, die Synapsen, bei Tierund Mensch dieselben elektrischen und chemi-schen Funktionsprinzipien während ihres Wachs-tums und bei der Informationsverarbeitung ein-setzen, lassen sich die auf dieser Betrachtungs-ebene gewonnenen Erkenntnisse aus solchen tier-experimentellen Ansätzen durchaus auf dasmenschliche Gehirn übertragen.

Unsere eigenen Arbeiten und die Arbeiten unse-rer Kollegen konnten zeigen, dass es im Verlaufsolcher emotional gesteuerten Prägungslernpro-zesse in verschiedenen assoziativen Vorderhirnge-bieten des neugeborenen Kükens zu dramati-schen Veränderungen der metabolischen, physio-logischen, neurochemischen, molekularen undmorphologischen Eigenschaften von Neuronenund ihrer synaptischen Verbindungen kommt.Im Einklang mit unserer Arbeitshypothese ist dieGrößenordnung dieser lerninduzierten Verände-rungen im noch sehr viel flexibleren, „plasti-schen“ juvenilen Gehirn erheblich massiver alsdie, die bei adultem Lernen beobachtet werden.Mit verschiedenen Methoden konnten wir bei-spielweise nachweisen, dass die geprägten Küken,die im Verhaltenstest stärker als die naiven Kon-trolltiere auf den erlernten Tonreiz reagieren, inden Hirnregionen, die an diesem Erkennungs-prozess beteiligt sind, deutlich stärkere Aktivitäts-muster zeigen. Mithilfe der 2-Fluoro-Deoxyglu-cose-(2-FDG)-Methode, mit der sich ganz ähn-lich wie bei der am Menschen eingesetzten PET-Methode, die Stoffwechselaktivität verschiedenerGehirnareale bestimmen lässt, konnten zunächstverschiedene Vorderhirnareale identifiziert wer-den /8/,/9/, die vermutlich den assoziativen Cor-texregionen beim Säuger analog sind. Präsentiertman den geprägten Küken den erlernten künstli-chen Mutterlaut, so zeigen diese Vorderhirnre-gionen (z. B. das medio-rostrale Neostria-tum/Hyperstriatum ventrale MNH), die an derWiedererkennung und vermutlich auch an deremotionalen Bewertung dieses Reizes beteiligtsind, eine stark erhöhte 2-FDG-Aufnahme (alsoeine erhöhte Aufnahme von Traubenzucker, demHauptenergielieferanten der Zellen im Gehirn)im Vergleich zu naiven Kontrolltieren, die denselben Tonreiz zum ersten Mal in ihrem Lebengehört hatten und für die dieser Tonreiz bedeu-tungslos ist (Abbildung 2A). Die erhöhte Akti-vität beim Erkennen des bedeutungsvollen Reizes

(und dies ist in der freien Natur für die Tiereüberlebenswichtig!) konnte auch auf anderer Ver-arbeitungsebene nachgewiesen werden. Elektro-physiologische Ableitungen, mit denen die elek-trische Aktivität als Maß der Informationsverar-beitung gemessen werden kann, zeigten ebenfallserhöhte Aktivitäten von Neuronen in den assozia-tiven Hirnregionen /10/. Das Grundprinzip derneuronalen Signalübertragung ist jedoch nichtrein elektrisch, die elektrischen Potenziale, die injeder Nervenzelle zu ihren synaptischen Kon-taktsstellen weitergeleitet werden, lösen vielmehrdort ein chemisches Signal aus. Die von der elek-trisch aktivierten „Senderzelle“ an ihrer Synapseausgeschütteten Neurotransmitter binden an spe-zifische Rezeptormoleküle, die in der Membrander „Empfängerzelle“ sitzen, und lösen dann indieser Zelle wiederum eine Veränderung des elek-trischen Potenzials aus und so fort. Die neuroche-mischen Signale lassen sich mit mithilfe derMikrodialyse-Methode messen, hiermit konntenwir zeigen, dass neben der erhöhten metaboli-schen und elektrischen Aktivität auch bestimmteNeurotransmitter, insbesondere das Glutamat(Glutamat ist der am häufigsten im Gehirn vor-kommende exzitatorische = erregende Neuro-transmitter), bei den geprägten Tieren starkerhöht ist, während sie den erlernten, emotionalbedeutungsvollen Tonreiz wiedererkennen /11/.(Abbildung 2C)

Die bisher dargestellten Veränderungen, die wirals Folge des Prägungslernens messen konnten,entstehen sehr schnell, sie liegen im Millisekun-den- bis Minutenbereich und reflektieren dieMechanismen der Signalübertragung und -verar-beitung im Gehirn. Die gemessenen metaboli-schen physiologischen und neurochemischenVeränderungen wirken sich aber auch auf intra-zelluläre Prozesse aus, indem sie z. B. „immediateearly genes“ und Transkriptionsfaktoren im Zell-kern der an der Informationsverarbeitung betei-ligten Neurone aktivieren oder deaktivieren. Wir

Abbildung 2

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vermuten, dass diese molekularen intrazellulärenVeränderungen als „Startschuss“ für später sichentwickelnde, strukturelle Veränderungen fun-gieren. Im „Präfrontalcortex“ des Hühnchenskonnten wir in der Tat zeigen, dass ein emotiona-ler Reiz, in unserem Experiment war das derLockruf der künstlichen Mutter, das immediateearly gene zif 268 innerhalb von 30 Minuten akti-viert (Abbildung 3). Solche und eine Fülle vonweiteren Aktivierungssignalen aus dem Zellkernund die daran gekoppelte Neusynthese vonsynapsenspezifischen Proteinen sind vermutlichder „Trigger“ für die strukturellen synaptischenVeränderungen, die wir in verschiedenenZeitfenstern im Verlauf des Prägungslernensbeobachten konnten. Während initial, d. h.bereits innerhalb von 90 Minuten nach der erstenBegegnung mit dem Prägungsreiz, eine Vermeh-rung von synaptischen Kontakten zu beobachtenist, kommt es im weiteren Verlauf dieses Lernvor-gangs dann nach einer Woche zu einer fast45%igen Reduktion von exzitatorischen Spine-synapsen (Abbildung 2D) Interessant ist hierbei,

dass weder die Synapsenneubildung noch derSynapsenabbau bei naiven, d. h. unter deprivier-ten „Kaspar Hauser“-Bedingungen aufwachsen-den Küken auftritt. Dieser dramatische Synap-senturnover findet sich auch nicht bei denKüken, die mit der gleichen Reizmenge passiv„berieselt“ wurden, d. h. die mit diesen akusti-schen „Sprachlauten“ keinerlei sinnvolle Assozia-tion bilden konnten.

Diese Ergebnisse zeigen, dass Lernen nicht, wieman vielleicht intuitiv erwarten würde, immermit einer Vermehrung von Informationskanäleneinhergehen muss, sondern ganz im Gegenteil,dass es sogar zu einer Verminderung von synapti-schen Informationskanälen kommen kann. Wirvermuten, dass es sich um eine Synapsenselektion/12/ handelt, die vielleicht ein Charakteristikumfür Prägungslernen sein könnte: Aus einem beiGeburt vorhandenen bzw. kurzfristig neu gebil-deten Überangebot von relativ unspezifischensynaptischen Verbindungen werden während desLernvorgangs nur diejenigen Synapsen aktiviert,die den emotional bedeutungsvollen Reiz verar-beiten. Diese Verbindungen bleiben im Netzwerkverankert und werden anschließend über intrazel-luläre Prozesse noch verstärkt und stabilisiert.Parallel hierzu werden die „überzähligen“ , weniggenutzten und vergleichsweise inaktiven Verbin-dungen abgebaut, womit z. B. auch vorhandeneRedundanzen im Netzwerk ausgemerzt werdenkönnen. Das Resultat dieses, an das Darwinisti-sche Selektionsprinzip erinnernden „Ausjätepro-zesses“ sind synaptische Verschaltungsmuster, diesehr viel präziser auf die bedeutungsvollen, überle-benswichtigen Reize reagieren können. Dieseerfahrungsgesteuerten synaptischen Veränderun-gen dienen sicherlich weniger dem Abspeichernvon detaillierten Gedächtnisinhalten (also inunserem Experiment wäre das die detaillierteErinnerung an die visuellen und akustischen Fea-tures der Mutter), sondern beim „Formatierungs-prozess“ bildet sich eine Art „Grammatik“ derGefühlswelt und der kognitiven Funktionsprinzi-pien heraus, auf die dann zeitlebens bei späterenemotionalen und Lernleistungen zurückgegriffenwird.

Die Beobachtungen an den „Kaspar Hauser“-Tie-ren zeigen auch, dass das Gehirn Information,d. h. auf zellulärer Ebene betrachtet eine struktu-rierte „sinnvolle“ Aktivität, benötigt, um seinesynaptischen Netzwerke umzustrukturieren.Diese Aktivität wird unter anderem durch dasdurch den Prägereiz präsynaptisch ausgeschütteteGlutamat (Abbildung 2C) und die Aktivierungder glutamatergen NMDA-Rezeptoren vermit-telt. In kombinierten Mikrodialyse-/elektrophy-siologischen Experimenten /13/ konnten wir zei-gen, dass die Gabe von NMDA, d. h. eine künst-liche pharmakologische Simulation einer Gluta-matauschüttung, in den assoziativen Hirnregio-nen eine neuronale Aktivierung auslöst (Abbil-dung 4). Die durch den Prägungsreiz ausgelösteGlutamatausschüttung und die daraus resultie-

Abbildung 3

Abbildung 4

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rende Aktivierung der NMDA Rezeptoren istoffenbar essentiell für das Prägungslernen, undauch für die später einsetzenden strukturellenVeränderungen. Blockiert man die NMDA-Rezeptoren während des Lerntrainings, könnendie Küken nicht mehr die Assoziation zwischendem Prägeton und der emotionalen Situation bil-den, sie können also nicht mehr lernen (Abbil-dung 2B). Interessanterweise entwickeln diesetrainierten, jedoch „unprägbaren“ oder „lernge-störten“ Küken weder die mit dem Lernvorgangeinhergehende Erhöhung der reizevozierbarenGehirnaktivierung (physiologisch und metabo-lisch gezeigt, siehe oben), noch zeigen sie Verän-derungen der Spinesynapsendichten(Abbildung 2D), d. h. um auf den Vergleich mitdem Computer zurückzukommen, die „Forma-tierung“ der Festplatte unterbleibt.

UNTERBRECHUNG DES

ELTERN-KIND-KONTAKTES: TRAUMATISCHE ERLEBNISSE ALS URSACHE

FÜR EINE GESTÖRTE ENTWICKLUNG

VON VERHALTEN UND GEHIRN?Auch bei Säugern wurden im Verlauf der

frühen Cortexentwicklung solche synaptischenReorganisationsprozesse beschrieben, ohne dasssie bisher jedoch im Zusammenhang mit früh-kindlichen emotionalen Erfahrungs- und Lern-prozessen in Verbindung gebracht werden konn-ten. Die zitierten neuroanatomischen Befunde derArbeitsgruppen um Peter Huttenlocher, PaskoRakic und Joachim Wolff an Menschen undnicht-menschlichen Primaten haben gezeigt, dasses während der Hirnentwicklung in verschiedenenGehirnarealen, wie z. B. dem erst sehr spät postna-tal ausreifenden Präfrontalcortex (beim Menschenentwickelt sich diese Region noch bis zum 18./20.Lebensjahr), Phasen der Neubildung und desAbbaus von Synapsen gibt. Vermutlich handelt essich hierbei ebenfalls um einen Selektionsprozess,der, ganz vergleichbar wie am Beispiel der Filial-prägung erläutert, auch beim Menschen wahr-scheinlich mehr als bisher vermutet, über Lern-und Erfahrungsprozesse gesteuert wird.

Der Vorteil dieser erfahrungsgesteuerten Reifungdes Gehirns, die optimale Anpassung der Hirn-funktionen an die jeweiligen Umweltbedingun-gen in die das neugeborene Individuum hineinge-boren wird, wurde im vorangegangenenAbschnitt bereits erläutert. Die ausgeprägte Plas-tizität des jungen, noch ausreifenden Gehirnsbedingt jedoch auch eine große Vulnerabilitätgegenüber ungünstigen Umweltbedingungen,z. B. emotionale Deprivation oder traumatischeErlebnisse. Das heranreifende Gehirn passt sichauch an fehlende oder negative Umweltbedin-gungen an, d. h. auch ungünstige Umweltfakto-ren können die selektiven Auf- und Abbaupro-zesse von Synapsen beeinflussen, jedoch wird sichdann das synaptische Netzwerk vermutlich ineine andere Richtung entwickeln. Die daraus viel-leicht resultierenden „Verschaltungsfehler“ imlimbischen System könnten dann zu emotionalen

„Sprachfehlern“ oder gar zu einer emotionalen„Verstummung“ führen. Aus solchen hirnbiologi-schen Entwicklungsstörungen kann eine Vielzahlvon Verhaltensstörungen und psychischenErkrankungen entstehen /17/.

Zur experimentellen Überprüfung dieser Arbeits-hypothese haben wir ein weiteres Tiermodell eta-bliert, die bereits erwähnten Strauchratten (Octo-don degus) (Abbildung 5). Wir haben diese Tier-art gewählt, weil sie, im Gegensatz zur normaler-weise in der Forschung verwendeten Laborratteoder -maus, bereits bei der Geburt mit allen Sin-nessystemen die Veränderungen ihrer Umweltwahrnehmen kann, wie dies ja auch beimmenschlichen Säugling der Fall ist. Darüber hin-aus besitzen Degus, ebenso wie der Mensch, einkomplexes Familien- und Sozialverhalten, wel-ches unter anderem über ein umfangreiches voka-les Kommunikationsverhalten vermittelt wird.Eine weitere (wenn auch vielleicht anzweifel-bare ...) Parallele zum Menschen ist, dass sich dieDeguväter aktiv an der Jungenaufzucht beteili-gen. Aufgrund dieser Eigenschaften lässt sich anStrauchrattenfamilien in idealer Weise der Ein-fluss der Kind-Eltern-Interaktion auf die Hirn-entwicklung beim Säuger studieren.

Eines der Experimente, die wir im Labordurchführen, besteht darin, dass die Jungtierewährend verschiedener Phasen der Entwicklungwiederholt oder chronisch von den Eltern undGeschwistern getrennt werden. Die Degujungenwerden also während eines frühen Entwicklungs-zeitfensters wiederholt und zum Teil auch überausgedehntere Phasen hinweg einer negativen,mit Stress und Angst verbundenen emotionalen

Abbildung 5

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Glossar

Das Gehirn ist aus zwei verschiedenen Zelltypen auf-gebaut:1) Neuron = Nervenzelle, die der Informationsüber-tragung dient, und 2) Glia(-zelle) = „Partnerzelle” der Nervenzelle, diein anderer, zum Teil noch nicht ganz bekannterWeise an der Informationsübertragung beteiligt ist.Eine Nervenzelle besteht aus:1) dem Soma = Zellkörper, in dem ein Zellkern sitzt,2) Dendriten = Ausläufer der Nervenzelle, auf denendie Informationen anderer Nervenzellen, vermitteltüber die chemischen Signale (Ausschüttung von (Neuro-)Transmitter = chemischer Botenstoff) derSynapsen (= Struktur des Neurons, an der Informa-tionen zwischen Nervenzellen ausgetauscht werden),eintreffen. Das chemische Signal wird an der Synapse in ein elektrisches Signal umgewandelt, welches dann inden Zellkörper weitergeleitet wird. Vom Zellkörper aus läuft das elektrische Signal dann in das3) Axon = Ausläufer der Nervenzelle, welcher in einer oder mehreren Synapse(n) endet, an dem das elektrischeSignal dann wieder in ein chemisches Signal (s. o.) umgewandelt und den Dendriten anderer Nervenzellen„mitgeteilt“ wird. Morphologisch lassen sich im Licht- und Elektronenmikroskop verschiedene Typen vonSynapsen unterscheiden, eine intensiv wissenschaftlich untersuchte Spezialform sind z. B. die Spinesynapsen(„Dörnchen-Synapsen“), die überwiegend exzitatorisch sind. Bei der Signalübertragung lassen sich exzitatori-sche (= erregende) und inhibitorische (= hemmende) Synapsen unterscheiden, eine subtile Balance zwischendiesen beiden Übertragungsarten ist eine essentielle Voraussetzung für eine normal funktionierende Informati-onsverarbeitung im Gehirn. Ist die Balance der Neurotransmitter im Gehirn verschoben oder gestört, kommt eszu Verhaltensstörungen und psychischen Erkrankungen wie z. B. Aufmerksamkeitsstörungen und Hyperakti-vität (attention deficit hyperactivity disorder, ADHD), hierbei handelt es sich um eine Verhaltensstörung, dieim Kindesalter auftritt, meist aber erst im Schulalter bemerkt wird. ADHD geht einher mit Unruhe, ständigemBewegungsdrang und verminderter Aufmerksamkeit, und man vermutet als Ursache eine gestörte Balance derNeurotransmitter Dopamin und Serotonin im Gehirn dieser Patienten.

Dopamin, Serotonin, GABA sind Neurotransmitter, die wie oben beschrieben bei der Informationsübertragungzwischen Neuronen an deren Synapsen als Botenstoff dienen. Glutamat ist der am häufigsten im Gehirn vor-kommende exzitatorische = erregende Neurotransmitter. NMDA (N-methyl-D-aspartatic acid) ist ein Ami-nosäurederivat, welches an den NMDA-Typ Glutamatrezeptor bindet. Die Menge der Neurotransmitter lassensich im Gehirn über die in vivo Mikrodialyse-Methode quantitativ bestimmen.

Cortex = Großhirnrinde, eine vor allem beim Menschen besonders groß entwickelte Struktur, die nochmalsunterteilt werden kann in Bereiche mit unterschiedlicher Funktion, z. B. auditorischer Cortex = Hörrinde, visu-eller Cortex = Sehrinde etc. Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass Deprivation (= Mangel bzw. völligesFehlen von sensorischen, motorischen und emotionalen Umweltreizen) die funktionelle Reifung des präfronta-len Cortex (= Assoziationscortex) und vermutlich auch das gesamte limbische System beeinflusst.

Das limbische System ist ein über Synapsen miteinander kommunizierendes System verschiedener Hirnregio-nen (u. a. zählen hierzu auch der Nucleus accumbens, der Hippocampus und die Amygdala), welches maßgeb-lich bei Lernprozessen und der Gedächtnisbildung, aber auch bei der Wahrnehmung und Entstehung vonGefühlen und gefühlsbetonten Verhaltensweisen beteiligt ist.

immediate early genes = Faktoren im Zellkern (z. B. Neuron oder Gliazelle) die durch Umweltreize aktiviertoder deaktiviert werden können.

Transkriptionsfaktor = ein Protein, welches die Transkription eines Gens verstärkt oder vermindert. Immediateearly genes und Transkriptionsfaktoren stellen die „Vermittler“ zwischen Umwelt und den angeborenen Fakto-ren, den Genen, dar, und sind daher bei Lern- und Gedächtnisprozessen, aber auch bei der funktionellen Ent-wicklung des Gehirns, von zentraler Bedeutung.

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Situation ausgesetzt. Was passiert nun akut imGehirn, wenn ein zwei Wochen altes Jungtierzum ersten Mal im Leben von seiner Familiegetrennt wird? Mithilfe der 2-FDG-Methodekonnten wir zeigen, dass unter anderem auch dieRegionen des limbischen Systems, der cinguläreCortex, Präfrontalcortex, Hippocampus undThalamus, eine deutliche Reduktion des Hirn-stoffwechsels während der Trennung von Elternund Geschwistern aufweisen (Abbildung 6). Dasjuvenile Gehirn scheint seine Aktivität währendangst- und stressbeladener Situationen auf „Spar-flamme“ zu drosseln. Netzwerke benötigen Akti-vität um sich umzustrukturieren, führt eine solchmassive Reduktion der Gehirnaktivität, insbeson-dere wenn sie über einen längeren Entwicklungs-zeitraum induziert wird, längerfristig zu dauerhaf-ten strukturellen Veränderungen im limbischenSystem? Kommt es hierbei, ganz vergleichbar zudem, was wir am Beispiel der Hühnchens zeigenkonnten, auch zu einer „Formatierung“ dersynaptischen Netzwerke, jedoch in diesem Fallevielleicht mit negativen Konsequenzen für dieHirnfunktionen und das spätere Verhalten derTiere? In der Tat zeigen Strauchrattenjunge, diewährend ihrer ersten drei Lebenswochen täglichstundenweise von ihren Eltern getrennt wurden,später eine signifikant erhöhte (140 %) Dichtevon Spinesynapsen im Vergleich zu Kontrolltie-ren. /14/ (Abbildung 7) Es tritt hier also ein ver-gleichbarer Effekt auf, wie wir ihn bereits bei derFilialprägung beobachtet hatten, wo die sozialdeprivierten Küken ebenfalls mehr Spinesynap-sen besaßen als die unter normalen sozialenBedingungen aufgewachsenen Tiere. Es ist alsodurchaus denkbar, dass die beiden im Verlauf deroben skizzierten Synapsenselektion parallel ablau-fenden Auf- und Abbauprozesse von Synapsendurch Deprivation oder auch durch frühe Negativ-erfahrungen blockiert oder zumindest zeitlich ver-zögert werden. Darüber hinaus konnten wir inKooperation mit unseren Kollegen Bernd Micha-elis und Andreas Herzog an der Otto-von-Gue-ricke-Universität Magdeburg, Fakultät für Elek-trotechnik und Informationstechnik, Institut fürElektronik, Signalverarbeitung und Kommunika-tionstechnik, mittels eines neu entwickelten Mess-verfahrens auch erstmals sehr subtile Veränderun-gen von Größe, Form und Verteilung der Spine-synapsen nachweisen. ElektronenmikroskopischeUntersuchungen zeigten zudem, dass neben dererhöhten Spinesynapsendichte bei den deprivier-ten Tieren eine fast 50%ige Reduktion vonSchaftsynapsen zu beobachten ist (Abbildung 8),ein Synapsentyp der nicht ausschließlich exzitato-rische Synapsen beinhaltet, sondern es befindensich darunter auch inhibitorische Synapsen.D. h., es kommt nicht nur zu einer numerischenVeränderung bestimmter Synapsenpopulationen,sondern auch zu einer massiven Verschiebungvon synaptischen Gleichgewichten. Eine Ver-schiebung der Balance von exzitatorischen undinhibitorischen Synapsen sollte durchaus signifi-kante Veränderungen der Leistungsfähigkeit neu-ronaler Netzwerke im Gehirn zur Folge haben.

Veränderungen der Spinesynapsendichten findensich bei den deprivierten bzw. gestressten Tierennicht nur im cingulären Cortex und im Präfron-talcortex, sondern auch in anderen limbischenRegionen, wie z. B. im Nucleus Accumbens, inder Amydgala und im Hippocampus /15/. Diesynaptischen Veränderungen können jedoch jenach Hirnregion in ganz unterschiedliche Rich-tung gehen, d. h., die synaptischen Verschal-tungsmuster werden offenbar regionsspezifischreorganisiert, so dass längerfristig daraus Ver-schiebungen der funktionellen Interaktion zwi-schen den einzelnen Hirnregionen resultierenkönnen, die sich ebenfalls auf die Leistungskapa-zitäten des limbischen Systems auswirken dürf-ten. Interessanterweise führen verschiedene For-men von Stress oder Deprivation in den limbi-schen Cortexregionen zu ganz unterschiedlichensynaptischen Veränderungen: Während rein

Abbildung 6

Abbildung 7

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emotionaler Stress eine erhöhte Anzahl von exzi-tatorischen Synapsen zur Folge hat, führt ein mitphysischem Schmerz gekoppelter Stress (z. B.eine tägliche Injektion von isotonischer Kochsalz-lösung) zu einer Verminderung von Spinesynap-sen. Schließlich führt auch Stress im Mutterleibbereits zu Veränderungen der Spinesynapsen-dichten, und Tiere, die völlig ohne Vater auf-wuchsen (also eine elterliche „Teildeprivation“),zeigen stark verminderte Spinesynapsendichtenin präfrontalen Cortexregionen.

Aber nicht nur die Gleichgewichte der Synapsenselbst sind bei den frühkindlich gestressten bzw.deprivierten Tieren verschoben, sondern es erge-ben sich auch neurochemische Verschiebungen.Die Gleichgewichte der Neurotransmitter undihrer Rezeptoren, wie Dopamin, Serotonin,GABA, d. h., Transmitter, die im Gehirn bei derModulation von Emotionen eine zentrale Rollespielen, verändern ihre „Wichtung“ innerhalb derlimbischen Hirnregionen. Bereits drei Tage nacheinigen, nur wenige Minuten dauernden Tren-nungsepisoden erhöhen sich beispielsweise dopa-minerge (D1) und serotonerge (5HT1A)-Rezep-torsubtypen im präfrontalen Cortex, Hippocam-pus und Amygdala /16/. Diese separationsindu-zierten Rezeptorveränderungen lassen sich durcheinen während der Trennungssituation präsen-tierten, erlernten emotionalen Reiz, den Lockrufder Mutter, völlig unterdrücken. Die akustischePräsenz der Mutter, vermutlich wirksam als eineArt „Anxiolytikum“, reicht offenbar bereits aus,um eine „protektive“ Wirkung gegenüber stress-induzierten Veränderungen im Gehirn des Jung-tieres auszuüben. Erhöht man die Anzahl undDauer der Stressepisoden, lässt beispielsweisenach der Entwöhnung von der Mutter bis zurPubertät noch eine chronische Sozialdeprivationfolgen, zeigt sich dann allerdings als Langzeitfolge

eine Veränderung der Dichte von dopaminergenund serotonergen Fasern in den verschiedenenSubregionen des medialen Präfrontalcortex.Langfristig führt eine massive Deprivation also zueiner dauerhaften Dysbalance dieser Transmitter-systeme. Interessanterweise sind es beim Men-schen gerade diese Transmitter, die bei verschie-denen Verhaltensstörungen und psychischenErkrankungen gestört bzw. „dejustiert“ sind, Bei-spiele sind das attention deficit hyperactivity dis-order (ADHD, „Zappelphillip-Syndrom“),Depressionen, Autismus, Schizophrenie etc. /17/.Verhaltenstests an unseren deprivierten bzw.gestressten Tieren zeigen, dass diese Tiere eineHyperaktivität entwickeln, dass sie nicht mehr sosensibel auf die Lautäußerungen ihrer Mutter rea-gieren, und dass sie Veränderungen des Sozial-und Aggressionsverhaltens entwickeln.

SCHLUSSFOLGERUNGEN UND AUSBLICK

Die Charakteristika (Phasenspezifität,Geschwindigkeit, Stabilität) frühkindlicher Lern-und Erfahrungsprozesse lassen einen möglichenZusammenhang zwischen dem Grad der früh-kindlichen geistigen Förderung und der Qualitätdes emotionalen Umfelds und den späteren intel-lektuellen und sozio-emotionalen Fähigkeitenvermuten. Die tierexperimentellen Ergebnisseveranschaulichen sehr gut, wie fragil das juvenileGehirn auf frühe emotionale Erfahrungen rea-giert, und es zeigt auch, wie flexibel es sich an diejeweiligen Umwelteinflüsse anpassen kann. Kön-nen positive und negative Gefühlserfahrungenwährend der ersten Lebensphase auch beim Men-schen die Entwicklung der limbischen synapti-schen Verschaltungsmuster beeinflussen? Klini-sche Studien weisen immer mehr in diese Rich-tung. Beobachtungen an Heimkindern zeigten,dass das Fehlen adäquater Umweltbedingungenwährend sensibler Entwicklungsphasen schwer-wiegende und nur unvollkommen reparable Defi-zite der intellektuellen und emotionalen Kompe-tenzen verursacht. Heimkinder, die ohne echteBezugsperson aufwuchsen /18/,/19/, sozial depri-viert aufgewachsene Affen /20/ und Nager ent-wickeln Verhaltensstörungen und verminderteLernleistungen. In einer Langzeitstudie an Heim-kindern konnte Skeels /21/ nachweisen, dassneben einer mangelhaften intellektuellen Förde-rung vor allem die emotionale Deprivation fürdiese Defizite verantwortlich ist. Neuere Befundeder Studien von O’Connor und Rutter /22/ anrumänischen Heimkindern weisen in ähnlicheRichtung. Hier zeigt sich, dass diese unter extre-men Deprivationsbedingungen aufgewachsenenKindern nach Adoption durchaus gute intellektu-elle Fortschritte machen, tragischerweise jedochscheinen die emotionalen Defizite offenbar trotzerheblichen Therapieaufwandes nur sehr schwerreparabel zu sein (O’Connor, persönliche Mittei-lung). Belastende Ereignisse wie der Verlust oderdie Trennung der Eltern oder Misshandlungenführen zu einem erhöhten Risiko für spätere psy-chische Erkrankungen /23/, und es gibt auchbereits eine Fülle von hirnbiologischen Untersu-

Abbildung 8

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chungen an Patienten, die zeigen, dass z. B. lim-bische Regionen wie auch der Präfrontalcortexfunktionelle und strukturelle Veränderungen auf-weisen.

Unsere tierexperimentellen Befunde solltenjedoch auch hinsichtlich ihrer positiven Perspek-tiven betrachtet werden. Die Anpassungsfähigkeitdes neugeborenen bzw. frühkindlichen Gehirnsermöglicht es Eltern und Erziehern in den erstenLebensjahren, d. h. vor allem im Vorschulalter,die Hirnentwicklung der Kinder über eine intel-lektuelle und emotionale Förderung zu optimie-ren. Gerade diese frühen entwicklungsbiologi-schen und entwicklungspsychologischen Phasenmüssen genutzt werden, um eine optimale hirn-biologische Basis für spätere Lernleistungen undsozio-emotionale Kompetenz zu formen. Vor

allem auch hier in Magdeburg soll zukünftig überinterdisziplinäre Forschungsansätze von Neuro-wissenschaftlern, Psychologen, Psychiatern undNeonatologen mit Erziehungswissenschaftlernund Ingenieuren herausgearbeitet werden, wie dieaus den tierexperimentellen Ansätzen gewonne-nen Erkenntnisse dazu beitragen können, dieEntstehung von Verhaltens- und Lernstörungenund von psychischen Erkrankungen besser verste-hen und therapieren zu können. Darüber hinaussoll kritisch geprüft werden, inwieweit sich dieErkenntnisse zu den hirnbiologischen Entwick-lungsprinzipien einerseits für die Konzeptionneuer pädagogischer Konzepte im Vor- undGrundschulbereich nutzen lassen, und wie siesich andererseits vielleicht auch zur Konstruktionvon durch „Lernen“ optimierbare Maschinen ein-setzen lassen.

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DankDieser Artikel ist meinen Mitarbeitern, Doktoranden, Diplomanden, studentischen Hilfskräften und Kooperationspart-nern gewidmet, bei denen ich mich für die exzellente und produktive Zusammenarbeit bedanken möchte. Insbesonderemit meinen Mitarbeitern und Kooperationspartnern Jörg Bock, Michael Gruß, Reinhild Schnabel, Carina Helmeke,Wladimir Ovtscharoff jr und Gerd Poeggel habe ich über viele Jahre hinweg die Faszination und Begeisterung für dieWissenschaft teilen dürfen. Unsere Forschungsarbeiten werden finanziert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft,das Land Sachsen-Anhalt, die VolkswagenStiftung, die German-Israeli Science Foundation und das Human FrontiersScience Program.

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/15/ Poeggel, G., Helmeke, C., Abraham, A., Schwabe, T., Friedrich, P., Braun, K. (2003) Juvenile emotional experiencealters synaptic composition in the rodent cortex, hippocampus and lateral amygdala. Proc Natl Acad Sci U S A. 100:16137-42

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Aktuelle Bücher zum ThemaEgle, Hoffmann, Joraschky (Edit.) „Sexueller Missbrauch, Misshandlung, Vernachlässigung“, 3. Aufl. Schattauer Verlag

2004Ahnert (Editor) „Ursprünge und Frühentwicklungen von Bindungsbeziehungen: Ein Lehrbuch“. Ernst Reinhard-Verlag,

München Basel 2004Braun, Girmes, Meier „1. Magdeburger Tag der Erziehung“, Universitätsverlag OvGU 2004

Prof. Dr. Anna Katharina Braun,1974-1980 Studium der Fächer Biologie und Chemie an der Technischen Hochschule Darm-stadt. 1986 Promotion zum Dr. rer. nat. am Institut für Zoologie der Technischen HochschuleDarmstadt. 1989/90 DFG-Stipendium an der University of Washington, Department of Otolaryngology und Department of Neurosurgery, Seattle, USA. 1991/92 Helmholtzstipendium

(BMBF), damit Aufbau einer eigenständigen Arbeitsgruppe am Institut für Zoologie der TH Darmstadt. 1992-2001Leiterin einer Arbeitsgruppe am Leibniz-Institut für Neurobiologie, Magdeburg. 2001 Berufung auf die C4-Profes-sur, Lehrstuhl für Zoologie/Entwicklungsbiologie, an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg. 2001-2002Vizepräsidentin der Deutschen Neurowissenschaftlichen Gesellschaft, 2004 Wahl in den Vorstand der „Internatio-nal Society for Developmental Psychobiology“, 2005 Morris und Helen Belkin-Gastprofessur am Weizmann Insti-tute of Science, Israel