Lernen ohne Gehirn: das Gedächtnis unserer Wirbelsäule

Lernen findet nicht nur im Gehirn statt, sondern auch im Rückenmark. Das zeigt eine Tierversuchsstudie, die im Journal Science erschien. Ein Forschungsteam um Simon Lavaud hat herausgefunden, dass zwei Klassen hemmender Nervenzellen im Rückenmark unterschiedliche Rollen beim Speichern und Abrufen körperlicher Aktivität spielen – beim sogenannten motorischen Lernen. Das Kuriose: das Rückenmark lernte, obwohl es vom Gehirn getrennt war.

Rückenmarksverletzungen: ein medizinischer Engpass

Wer sich für Neurowissenschaft interessiert, dem geht es meist vor allem um das Gehirn. Und tatsächlich übt der Popstar aller Organe eine nachvollziehbare Faszination auf uns aus: Denken, Fühlen, Persönlichkeit – das menschliche Gehirn scheint ein all inclusive Paket für alles zu sein, was uns als Spezies ausmacht. Die Wirbelsäule, genauer das Rückenmark, ist zwar ebenfalls hochkomplex, wird aber wissenschaftlich eher stiefmütterlich behandelt. Dabei treten in Europa ca. 11.000 neue Fälle von Rückenmarksverletzungen pro Jahr auf, die EU spricht von einem medizinischen Engpass (1). 60% der Erkrankten sind anschließend arbeitsunfähig und haben eine deutlich reduzierte Lebenserwartung.

Evolution: vom peripheren zum zentralen Nervensystem

Die Wirbelsäule ist bedeutend älter als das Gehirn (2). Auch wenn die Entwicklungsgeschichte wissenschaftlich noch nicht vollständig geklärt ist, so nimmt man an, dass aus dem peripheren Nervensystem früher Meeresbewohner vor ca. 500 Millionen Jahren das Rückenmark als Zentralorgan entstand (im Wasser bewegt es sich besser, wenn man eine stabile Achse hat). An Land wurden die Ansprüche dann jedoch so vielfältig, dass das Rückenmark zur Koordination nicht mehr genügte: es entwickelten sich die ersten Gehirne. Heute verfügt unser Gehirn über schätzungsweise 86 bis 200 Milliarden Neurone, das Rückenmark dagegen über ca. 100 Millionen bis 1 Milliarde. Beide Organe enthalten weiße und graue Substanz (Axone und Zellkörper) sowie Gliazellen (ernährende, stützende und immunreaktive Zellen) und Hirnhäute. Dementsprechend treten Tumore der Hirnhäute und Nervenzellen auch in der Wirbelsäule auf.

Mehr als ein Reflex: ein Lernparadigma im Rückenmark

Angesichts der Evolutionsbiologie sollte es also nicht verwundern, dass unser Rückenmark zumindest eine grundlegende Koordinationsfunktion für Bewegung hat. Bis zur Studie von Lavaud (3) war jedoch bislang nicht klar, wie weit diese Funktion wirklich reicht und wie sie neuronal vermittelt wird.

Simon Lavaud und sein Team nutzten ein Modell, bei dem vollständig durchtrenntes Rückenmark von 50 Mäusen weiterhin reflexartige Beinbewegungen erlaubte. Die Mäuse hingen in einer Art Röhre über dem Boden, nur die Pfoten ihrer Hinterbeine erreichten den Boden. Über einen Schaltkreis mit Highspeed-Kameras wurde registriert, wann die Pfoten der Mäuse unter eine bestimmte Höhe sanken; in diesem Fall erfolgte ein leichter elektrischer Reiz. Innerhalb weniger Minuten lernten die Tiere – bzw. deren Rückenmark – das Bein oben zu halten, um den Reiz zu vermeiden. Obwohl die Informationen über den Reiz das Gehirn nicht erreichten, konnte die Information gespeichert und später genutzt werden.

Das Rückenmark zeigte damit ein simples, aber potentiell überlebenswichtiges Lernverhalten: Es verband Positionsinformationen des eigenen Körpers (Propriozeption) mit einem Umweltsignal. Damit war das Verhalten mehr als ein bloßer Reflex, dieser wäre nicht ‚erinnert‘ worden. Außerdem fand das Experiment immer mit Mäusepaaren statt: ein Exemplar war die Lernmaus, das andere die Kontrollmaus. Die Kontrollmaus bekam immer genau jene Stromreize, welche die Lernmaus auslöste und erhielt (wenn ihr Hinterbein unter die 3mm Schwelle sank), bei der Kontrollmaus selbst machte die Beinposition jedoch keinen Unterschied. Die Reize für die Lernmaus hatten also ein lernbares System, die Reize für die Kontrollmaus waren zufällig bzw. unabhängig von deren Körperposition.

Ergebnis: die Lernmäuse erreichten das definierte Lernziel innerhalb von zehn Minuten (sie hielten ihre Beine oberhalb der Schwelle), während die Kontrollmäuse dieses Lernziel verfehlten.

Zwei Lernphasen, zwei Zelltypen

Mit genetischen und elektrophysiologischen Methoden identifizierten die Forschenden zwei klar getrennte Phasen des Lernprozesses. Während des Lernens sind dorsale (hinten im Mark gelegene), hemmende Neuronen entscheidend. Sie kontrollieren, welche sensorischen Informationen weitergeleitet werden – vermutlich durch präsynaptische Hemmung bestimmter Schmerz- und Lagefasern (Aδ/C-Afferenzen). So wird die Relevanz („Salienz“) der entscheidenden Signale verstärkt.

Beim Erinnern und Ausführen der gelernten Bewegung übernehmen dann ventrale (vorne im Mark gelegene) hemmende Neuronen die Kontrolle, insbesondere sogenannte Renshaw-Zellen. Diese modulieren die Aktivität der Motoneurone, also der Zellen, die schlussendlich die Muskeln innervieren. Manipulierte man ihre Erregbarkeit, so ließ sich das Abrufen des gelernten Verhaltens gezielt verstärken oder abschwächen.

Motorisches Lernen ohne Gehirn

Das bemerkenswerte Fazit: Das Rückenmark verfügt über eine eigene neuroplastische Architektur zur Verhaltensadaption, wobei Lernen und Erinnerung voneinander getrennt sind – ähnlich wie bei höheren Gehirnstrukturen. Während dorsale Hemmzellen sensorische Information so filtern, dass Lernen möglich wird, fungieren ventrale Hemmzellen als Output für das gespeicherte Verhalten.

Ausblick: neue Therapien bei Rückenmarksverletzungen

Durch das Verständnis der neuronalen Player im Rückenmark eröffnen sich möglicherweise neue Wege in der Rehabilitation nach Rückenmarksverletzungen – etwa durch gezieltes Aktivieren der passenden neuronalen Subsysteme in den richtigen Lernphasen.

In diese Richtung weist zum Beispiel eine aktuelle Studie, in der ein Organoid-Gerüst aus dem 3D-Drucker dabei half, Wirbelsäulenverletzungen von Ratten zu heilen (4). Das winzige Gerüst enthielt mikroskopisch kleine Kanäle, die neurale Vorläuferzellen leiten – Stammzellen, die sich nach Einnistung zu spezialisierten Nervenzellen entwickeln können. Diese Gerüste wurden Ratten mit vollständig durchtrennten Rückenmarken implantiert. Im Laufe der Zeit entwickelten sich die Stammzellen zu Neuronen und bildeten neue Nervenfasern in beide Richtungen aus, wodurch die unterbrochenen Nervenbahnen wieder verbunden werden konnten. Auch auf höchster Ebene fördert die EU bereits ein ähnliches Projekt (1). Patientinnen und Patienten dürfen also optimistisch sein, denn nach all den Tierversuchen dürften bald die ersten klinische Studien durchgeführt werden.

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Quellen:

(1) Neue Hoffnung bei Rückenmarksverletzungen  | NeuroGraft Project | Ergebnisse in Kürze | FP7 | CORDIS | Europäische Kommission

(2) Holland, L. Z. (2015). The origin and evolution of chordate nervous systems. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 370(1684), 20150048.

(3) Lavaud, S., Bichara, C., D’Andola, M., Yeh, S. H., & Takeoka, A. (2024). Two inhibitory neuronal classes govern acquisition and recall of spinal sensorimotor adaptation. Science, 384(6692), 194-201.

(4) Han, G., Lavoie, N. S., Patil, N., Korenfeld, O. G., Kim, H., Esguerra, M., … & Parr, A. M. (2025). 3D‐Printed Scaffolds Promote Enhanced Spinal Organoid Formation for Use in Spinal Cord Injury. Advanced Healthcare Materials, 14(24), e04817.