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UFSP Plastische Hirnnetzwerke für Entwicklung und Lernen

AdaBD made easy

Wie verändert sich unser Gehirn, wenn wir lernen?  Wie denken Mäuse? Hilft uns deren Verhalten zu verstehen, wie wir denken und lernen? Warum gibt es Menschen mit Entwicklungs- und Lernstörungen?

Interessieren dich diese Fragen auch? Dann bist du bei uns genau richtig, denn diesen und vielen weiteren Fragen gehen die Forschenden vom Forschungsschwerpunkt "AdaBD" tagtäglich nach!

Und wie machen wir das?

Zum Beispiel mit Computerspielen: Mit Spielen kann getestet werden, wie und was ein Mensch lernt. Bei solchen Spielen wird oft die Sinnesverarbeitung, also wie wir zum Beispiel Gehörtes und Gesehenes verknüpfen, untersucht. Dies weil die Sinnesverarbeitung für das Lernen wichtig ist.

Um zu sehen, was während dem Lernen im Gehirn passiert, machen wir mit dem Magnetresonanztomographen (MRT) Gehirnbilder während die teilnehmende Person unsere Computerspiele spielt. Anhand der Bilder können wir dann herausfinden, welche Bereiche des Gehirns aktiv sind und welche miteinander kommunizieren.

Die Informationen im Gehirn werden durch Netzwerke von Hirnzellen transportiert. Diese Hirnnetzwerke untersuchen wir auf verschiedenen Ebenen und in verschiedenen Modellorganismen. Einige Forschende untersuchen zum Beispiel die Verknüpfung von Zellen im Gehirn und andere schauen sich bestimmte Moleküle an. Dabei wird immer wieder geschaut, wie sich die Hirnnetzwerke anpassen können und verändern, wenn das Nervensystem sich entwickelt und wenn wir lernen.

Um menschliche Nervenzellen zu untersuchen, können sogenannte induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) verwendet werden. iPSCs stammen aus Blut- oder Hautzellen und sind so umprogrammiert, dass sie sich wieder in verschiedene Zelltypen entwickeln können, auch zu Nervenzellen. Im Labor können wir die Funktionen von diesen Nervenzellen untersuchen. Die Hoffnung ist zudem, aus ihnen dreidimensionale Strukturen zu generieren, sogenannte Organoide. Sie würden es ermöglichen, die Zell-Zellkommunikation zu erkunden und zwischen Mensch und Tiermodell zu vergleichen.

Tiermodelle sind notwendig für Prozesse, die nicht mit Menschen oder iPSC erforscht werden können. Zum Beispiel, wie Hirnnetzwerke und Strukturen des Nervensystems geformt werden und wie sich die Nervenbahnen und das Gehirn entwickeln. Dafür sind Hühnerembryonen besonders geeignet. Sie können in verschiedenen Stadien ihrer Entwicklung untersucht werden und ihre Nervenbahnen können gut mit dem Mikroskop abgebildet werden.  

Um den Einfluss von Genen auf die Entwicklung des Gehirns zu untersuchen, sind Zebrafischlarven eine gute Wahl. Wir können sehr einfach Veränderungen in ihren Genen herbeiführen, sogenannte Genmutationen, die unsere klinisch tätigen Forschenden bei Entwicklungsstörungen identifiziert haben. So können wir die Funktion dieser Gene untersuchen und herausfinden, was im Zebrafisch anders abläuft, wenn die Gene defekt sind. Zebrafische vermehren sich schnell und bereits fünf Tage alte Larven haben ein gut funktionierendes Nervensystem und zeigen ein einfaches reflexartiges Verhalten.

Ein komplexeres Verhalten während verschiedenen Aufgaben kann mit Mäusen untersucht werden. Die Aufgaben gestalten wir dabei so ähnlich wie möglich, wie die Aufgaben für Menschen, damit wir unsere Forschungsergebnisse möglichst gut vergleichen können. Auch mit Mäusen kann die Sinnesverarbeitung gut untersucht werden, zum Beispiel, wenn die Mäuse lernen müssen, welches Bild zu welchem Ton passt.

Um kleine Strukturen und Hirnnetzwerke in Gewebeproben zu sehen, sind spezielle Mikroskope, wie unser selbstgebautes Lichtscheiben-Mikroskop (mesoSPIM), hilfreich. Wir bereiten die Proben mit chemischen Substanzen so auf, dass sie durchsichtig werden. Anschliessend betrachten wir sie mit einem Objektiv und beleuchten mit einem Lichtstrahl eine ganz dünne Scheibe der Probe, was die enthaltenen Strukturen sichtbar macht. Der Lichtstrahl wird anschliessend auf die weiteren Schichten gerichtet, so dass die gesamte Probe gescannt werden kann und ein 3D-Bild entsteht.

Computermodelle helfen zusätzlich, um Prozesse zu simulieren. Einige Forschende programmieren neuronale Computernetzwerke und vergleichen dann die Vorgänge in diesen "Computergehirnen" mit den Vorgängen in echten Gehirnen. Dadurch können wir sowohl die Computernetzwerke weiterverbessern, wie auch dazu beitragen, echte Gehirne besser zu verstehen. Aber eigentlich arbeiten alle unsere Forschenden viel mit dem Computer, denn bei allen Experimenten müssen grosse Mengen an Daten ausgewertet werden. Unsere Data Science Plattform unterstützt bei der Datenanalyse mit einer selbstprogrammierten Software, die auf unsere Bedürfnisse zugeschnitten ist.

Alle Puzzleteile aus unserer Forschung werden helfen, die Ursachen von Entwicklungsverzögerungen und Lernstörungen besser zu verstehen. Unter anderem mit der Unterstützung unserer neuen Plattform für Lernen und Lernstörungen werden wir unsere Erkenntnisse in die Gesellschaft übertragen, mit dem Ziel die Lebensqualität von Menschen mit Lernstörungen zu verbessern.

Illustrations by Marco Garbelli.