Am liebsten arbeitet Stefano Fusi nachts. In den vergangenen fünf Jahren begann der Tag am Berner Institut für Physiologie in der Gruppe «Computational Neuroscience» (CNS) am Bühlplatz 5 für ihn meist erst am frühen Nachmittag. Im Büro Nummer 141 brütete der 36-jährige Italiener über einer Erklärung, wie Tausende von Erinnerungen in die menschliche Schaltzentrale passen und warum wir sie nicht sofort wieder vergessen. Dabei hatte er ausschliesslich die Struktur und die Funktion der so genannten Synapsen im Visier – jene winzigen Verknüpfungspunkte, an denen die Neuronen Signale einander übergeben. 

Begrenzte Synapsen

Dass die Synapsen beim Erinnern und Vergessen eine entscheidende Rolle spielen, gilt unter Neurobiologen mittlerweile als unbestritten. Doch Fusi ist nicht Biologe, sondern Physiker. Er hat sich deshalb mit einer Tatsache befasst, die seine Kollegen beim Erforschen der Mechanismen bislang ausser Acht gelassen haben: «Die Synapsen sind begrenzt», sagt Fusi, «wie jedes andere physikalische System auch.» Das macht einen entscheidenden Unterschied: Ohne irgendeinen Trick, könnten wir uns an das Abendessen von gestern schon jetzt nicht mehr erinnern und wir hätten deutlich weniger Episoden aus der Vergangenheit im Kopf, als es tatsächlich der Fall ist.

«Doch ich weiss noch, dass es am Sonntag Pasta gab», sagt Fusi schmunzelnd. Warum? In der Fachzeitschrift «Neuron» (Neuron, Bd. 45, S. 599, 2005) hat der Italiener kürzlich, zusammen mit Wissenschaftlern von der Brandeis University in Massachusetts (USA), ein biophysikalisches Modell abgeliefert, das den Trick plausibel erklärt. Es basiert ausschliesslich auf theoretischen Überlegungen.

Pfade anlegen und austreten

Um das Modell zu verstehen, muss man zunächst wissen, wie sich Erinnerungen nach derzeit gängiger Theorie ins Gedächtnis einbrennen. Das Gehirn besteht aus rund 20 Milliarden Nervenzellen; Synapsen gibt es nochmals deutlich mehr. «Wenn wir uns etwas merken, bedeutet das aus neurobiologischer Sicht, dass bestimmte Synapsen stärker und andere schwächer werden», erklärt Walter Senn, der Leiter von Fusis Arbeitsgruppe. Etwas konkreter: Man will beispielsweise eine Telefonnummer behalten und sagt sie sich mehrmals hintereinander vor. Jedes Mal werden dabei dieselben Schaltkreise mit denselben Neuronen und Synapsen erregt. Dadurch kann schliesslich ein bleibender Gedächtnispfad entstehen.

Wie stark oder schwach eine Synapse ist, bezieht sich insbesondere auf ihre Durchlässigkeit. Oder anders formuliert: Wie einfach sich Signale auf die Nachbarzelle übertragen lassen. Die mögliche Übertragungsstärke geht aber nicht gegen Unendlich, sie ist vielmehr beschränkt. Die Grenzen, die Fusi unter die Lupe genommen hat, sind damit keine räumlichen, sondern biochemische.

Gedächtnisspuren überschreiben

Das Vergessen von Informationen ist ein natürlicher Vorgang. Beispielsweise vergessen wir eine neue Telefonnummer schnell wieder, wenn wir sie nicht ständig wiederholen und sie dadurch vom Kurzzeit- ins Langzeitgedächtnis transferieren. Wenn wir die Erinnerungen im Langzeitgedächtnis lange Zeit nicht abrufen werden sie überschrieben.

Ohne Fusis Modell ginge das mit dem Vergessen noch viel schneller. Wären die Synapsen so simpel aufgebaut, wie eine Teetasse, würde ihre Anzahl für die unüberblickbare Zahl von Erinnerungen bei weitem nicht ausreichen. Um in der Tasse frischen Tee machen zu können, müsste man den alten erstmal auskippen. Genauso müssten alte Gedächtnisspuren ständig überschrieben werden. «Das Mittagessen hätten wir wahrscheinlich nach zwei Minuten vergessen», sagt Fusi.

Subtile Schranken bremsen das Vergessen

Doch an das Essen von heute und gestern wird sich jeder noch erinnern können. Jedes mal wenn es Mittagessen gibt, passiert folgendes: Das Netzwerk, das fürs Mittagessen zuständig ist, wird erregt. Das heisst die Synapsen werden stärker. Dabei muss anscheinend jede Synapse so etwas wie zeitlich gestaffelte Ablageplätze beherbergen. Simpel umschrieben wäre auf Ebene eins der Hackbraten von heute, auf Ebene zwei die Suppe von gestern und auf Ebene drei die Pasta von vorvorgestern abgelegt.

Ganz so einfach ist es natürlich nicht. «Die Erinnerung durchwandert subtile Ebenen, wodurch der Prozess des Vergessens verlangsamt wird», beschreibt Fusi sein Modell etwas konkreter und vergleicht eine Synapse mit einer Teetasse, deren Ränder mit drei Lagen Saugpapier ausstaffiert sind. Die Tasse ist mit heissem Wasser gefüllt. Taucht man einen Teebeutel in der Nähe des Randes ein, wird sich die braune Farbe im Saugpapier festsetzen. Mit der Zeit entsteht über die verschiedenen Lagen hinweg ein Gradient, das heisst die Intensität der braunen Farbe nimmt ab. Das Saugpapier verlangsamt die Diffusion und bewahrt dadurch die Erinnerung an jene Stelle, wo der Teebeutel eingetaucht wurde. Ohne Saugpapier wäre diese Information innerhalb weniger Sekunden verloren gegangen; das Wasser hätte sich gleichmässig braun verfärbt.

Gedächtnisspanne ausdehnen

Die Ebenen in den Synapsen sind allerdings keine räumlichen wie in der Teetasse. Es gibt vielmehr verschiedene biochemische Prozesse, die kaskadenartig durchlaufen werden. Verfügt die Synapse beispielsweise über zwanzig solcher Prozesse, kann nicht mehr nur eine, sondern es können ungefähr eine Million (220) Erinnerungen abgelegt werden. Damit wird auch die Gedächtnisspanne um den Faktor eine Million ausgedehnt, also von einer Sekunde auf knapp zwei Wochen. Zum Vergleich: Wenn es anstelle der zwanzig gestaffelten Ebenen nur eine, von diesen herkömmlichen Synapsen aber zwanzig Mal mehr gäbe, würde sich unser zeitliches Erinnerungsvermögen nur um den Faktor zwanzig steigern lassen, also von einer Sekunde auf zwanzig Sekunden.

Generell kann laut Fusi jede Synapse im Gehirn verschiedene Prozesse unter einem Dach beherbergen; egal ob sie im Hippocampus oder in der Grosshirnrinde steckt. Derzeit wird seine Theorie im Experiment überprüft. Im Gehirn von Ratten beobachten Wissenschaftler am Berner Institut für Physiologie, wie sich Synapsen in einem winzigen Netzwerk bei zeitlich gestaffelten Impulsen verhalten. Ein Impuls steht dabei für eine Erinnerung.

Die ungekürzte Version des Artikels ist in UniPress Nr. 125 erschienen.