Die Presse, Spectrum: Samstag, 19./20. April 1997 Glocken, Lichtblitze, Gesichter: Die Spuren im Gedächtnis Wie speichert das Gehirn Information? Zu diesem Thema arbeiten Forscher mit primitiven Schnecken genauso wie mit Menschen. VON KARIN GRUBER Es ist das komplizierteste Organ auf Erden - das menschliche Gehirn. Selbst hartgesottene Naturwissenschaftler meinen, sein neuronaler Schaltplan müsse aus Gründen der Kombinatorik unzugänglich bleiben. Damit auch das letzte Verständnis der assoziativen Fähigkeiten des Gedächtnisses. Das hindert die Wissenschaftler aber nicht daran, an den Grundlagen dieser Fähigkeit zu forschen. Menschen speichern ja nicht isolierte Informations-Bits, sondern räumlich und zeitlich zusammenhängende Informationen. Augen, Nase und Mund werden zu einem bestimmten Gesicht zusammengesetzt, die zeitliche Abfolge von Lauten zu ganzen Wörtern und Sätzen. Was tun Forscher, wenn das Objekt ihrer wissenschaftlichen Neugier zu kompliziert ist? Sie wählen ein einfacheres System. Bei der kleinen Meeresnacktschnecke Hermissenda crassicornis zum Beispiel sind die Verhältnisse gerade noch überschaubar - und das Gedächtnis des knapp vier Zentimeter großen Schneckenwesens funktioniert doch im wesentlichen gleich wie bei den höheren Tieren einschließlich Menschen. An dieser Schnecke konnten Daniel L. Alkon vom National Institute of Health, Bethesda, USA, und Kollegen klären, wie das Gehirn Eindrücke gemeinsam speichert; wie es Assoziationen schafft; wie Konditionierung entsteht. (Naturwissenschaftliche Rundschau , 2, 1997 ). Wie man den Pawlow'schen Hund mit der Glocke auf das Fressen aufmerksam machte, so serviert man der Schnecke einen Lichtblitz vor Turbulenzen im Wasser: Wird das Wasser unruhig, spannt sie ihre Fußmuskeln an, um sich festzuhalten. Nach einer Weile genügte schon der Lichtblitz allein, damit der Fußmuskel reflexartig angespannt wird. Nach diesem ersten Trainingsergebnis machten sich die Wissenschaftler auf die Suche nach dem neuronalen Schaltplan dahinter. Jedes der beiden Augen von Hermissenda hat fünf Sehzellen, zwei vom Typ A und drei vom Typ B. Die Sehzellen sind über Neuronen (Nervenzellen) mit den Muskeln am Fuß verschaltet. Die Schnecke hat auch ein mit 13 empfindlichen Haarzellen ausgekleidetes Bläschen ("Statocyste") mit dem es die Strömungsverhältnisse im Wasser registriert: Steinchen erregen je nach räumlicher Lage des Tieres bestimmte Haarzellen. Fußmuskeln der Schnecke Auch von diesen Sinneszellen führen Neuronen zu den Fußmuskeln. Überdies sind die Nervenzellen der beiden Sinnesorgane über Synapsen vielfach miteinander verschaltet. Ausschlaggebend für die assoziative Verknüpfung bei der Konditionierung der Schnecke ist die Verbindung von B-Zellen und Haarzellen. Werden beide Zelltypen gleichzeitig erregt, mündet das in einer höheren Sensibilität der lichtempfindlichen B-Zellen. Schließlich genügt schon deren Erregung, um die Kontraktion der Fußmuskeln auszulösen. Was passiert dabei auf molekularer Ebene? Die Forscher entdeckten, daß die Konditionierung (die leichtere Erregbarkeit) über eine langfristige Änderung des Ionenflusses an den Membranen der Nervenzellen zustande kommt. Das ist das Resultat einer ganzen Kaskade von biochemischen Reaktionen, bei denen der Anstieg des Calciumspiegels und die Aktivierung des Enzyms Proteinkinase C herausragen, welche wiederum zur Aktivierung des "Lernproteins" cp20 führt. Dieses Lernprotein hemmt Kaliumkanäle in der Wand der Nervenzelle und fördert so die Depolarisation des Neurons, also seine Erregbarkeit. Auch der Nervenbotenstoff GABA (Gamma-Amino-Buttersäure) trägt dazu bei. Alkon hat bereits Vorstellungen darüber, wie sich das Lernen strukturell niederschlägt. Einerseits würden nicht gebrauchte Äste der Nervenzellen teilweise abgebaut. Andererseits würden die an der Reizübertragung beteiligten Verbindungsregionen der Nervenzellen fester verdrahtet: Trifft ein bedingter Reiz von einer Nervenzelle an einer Synapse ein, würden auch benachbarte, unbeteiligte Synapsen erregt. Bestärkt durch die Ausschüttung bestimmter Proteine, bilden die beiden Synapsen in Zukunft eine Erregungseinheit. Die vielen anderen Synapsen einer Nervenzelle bleiben davon unberührt - und deshalb kann eine Nervenzelle nach dem Modell Alkons Tausende Gedächtnisinhalte speichern und nicht nur einen, wie klassische Modelle annehmen. Köpfe im Computer Biochemische und strukturelle Änderungen führen also dazu, daß diese Gedächtnisspur auch auf längere Zeit bestehen bleibt. Von diesen Ergebnissen erhoffen sich die Forscher ein besseres Verständnis von Gedächtnisstörungen beim Menschen, besonders bei Alzheimer. Weniger auf der molekularen als auf der symptomatischen Ebene bewegen sich deutsche Wissenschaftler, die mit Testpersonen untersuchen, was für die Erkennung von Objekten und Gesichtern wichtig ist (MPG Spiegel 12/1996). Welche Informationseinheiten speichert das Gehirn zum Beispiel über einen Gegenstand? Viele zweidimensionale Bilder, lautet die Antwort von Heinrich Bülthoff und Mitarbeitern am Tübinger Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik. Weil es keine 3D-Bilder sind, dauert es auch viel länger, bis man einen Gegenstand aus einer ungewohnten Perspektive erkennt. Dabei ist es viel schwieriger, einen um die Senkrechte rotierten Gegenstand wieder zu erkennen, als einen um die Waagrechte rotierten. Man sieht die Welt ja auch selten von unten ... Bülthoff arbeitet mit Computer-Rekonstruktionen von Gesichtern, die aus 60.000 Einzelpunkten bestehen. Das ist so viel Information, daß der Computer auch verschiedene Betrachtungswinkel darstellen kann. So kann zum Beispiel die rechte und die linke Gesichtshälfte vertauscht werden - was die Fehlerquote bei der Erkennung der Gesichter bei den Testpersonen aber viel weniger ansteigen läßt, als wenn der "richtige" Kopf aus "falschem" Blickwinkel gezeigt wird. Wenn aber nur die Beleuchtungsrichtung, also der Schatten auf dem Gesicht verändert wird, dann beeinträchtigt das die Erkennungsquote nicht wesentlich. Ein weiterer Hinweis darauf, daß zweidimensionale und nicht dreidimensionale Bilder gespeichert werden. Warum weiß man aber, wie das linke Ohr aussieht, wenn man nur das rechte sieht? "Einen Durchschnittskopf hat der Mensch gespeichert", vermuten die Tübinger. Einen Durchschnittskopf haben sie auch ihren Computer aus 200 Männer- und Frauenköpfen errechnen lassen. Daraus erzeugen sie "Basisgesichter": Durch Addition bestimmter Kombinationen von diesen können dann alle bekannten, "individuellen" Gesichter erzeugt werden. Der Computer rechnet aus, welche Basisgesichter in welchen Prozentsätzen benötigt werden. Auch das Gehirn würde so eine Art Prozentrechnung machen, wenn es fehlende Ansichten eines Gesichts rekonstruiert. Interessenten für dieses Computersystem gibt es schon: die Fahndungsspezialisten der Polizei - und die Filmindustrie.