Kleinhirn: Sonderrolle beim Umlernen

Es ist äußerst schwierig, einem Erwachsenen wehzutun, indem man sie oder ihn mit einem Wattebällchen bewirft. Dennoch wird die Person beim Anblick des Geschosses flink die Augen schließen – wegen des so genannten Blinkreflexes. Dieser Reflex soll die Augen vor gesehenen „Bedrohungen“ – wie dem Wattebällchen – schützen. Der Blinkreflex selbst ist ein angeborener Reflex – auf welchen Reiz hin dieser Reflex abläuft, das hingegen ist erlernt. Neugeborene zeigen diesen Reflex spätestens, wenn ein Wattebausch oder ähnliches sie am Auge getroffen hat: Der näher kommende Wattebausch ist ein erster Reiz, die Berührung ein zweiter Reiz – und schnell wird die Verbindung zwischen beiden Reizen gelernt. Mit dieser sogenannten Blinkreflex-​Konditionierung kann dann allein der Warnreiz das Blinzeln auslösen. Allerdings: Menschen mit Schädigungen im Kleinhirn lernen diese Assoziation nicht unbedingt.

Das ist das Ergebnis einer Studie, die die Wissenschaftlerin Dagmar Timmann von der Universität Duisburg-​Essen 2013 veröffentlicht hat. Ein interessantes Ergebnis, das allerdings überraschend war für die Forscher. Eine frühere Studie hatte nämlich gezeigt, dass dieser Blinkreflex unbeeinflusst bleibt, wenn das Kleinhirn im Erwachsenenalter geschädigt wird. Und auf diese Erkenntnis hatte Timmanns Team einen Förderungsantrag gegründet, der durch die Deutsche Forschungsgesellschaft (DFG) auch unterstützt wird. Aber das Leben eines Forschers hält eben auch solche Überraschungen bereit. Ihren sorgfältig ausgearbeiteten Plan mussten Timmann und ihre Kollegen aufgrund der neuen Ergebnisse überdenken. Und nicht nur dieses Ergebnis war überraschend für die Forscher am Universitätsklinikum Essen.

Die Neurologin Timmann ist eine der wenigen Wissenschaftler weltweit, die sich ausschließlich der Erforschung des Kleinhirns widmen. Seit zwei Jahrzehnten untersucht sie schon die unscheinbare Struktur, die sich, am Hirnstamm aufgelagert, hinter dem Großhirn befindet. Obwohl von vielen Forschern unbeachtet, hat der kleine Bruder des Großhirns einiges zu bieten.

Das Kleinhirn ist bekannt dafür, bei Planung, Koordination und Feinabstimmungen von Bewegungen eine wichtige Rolle zu spielen, wobei die verschiedenen Teile des Kleinhirns unterschiedliche Funktionen übernehmen. Das in der Mitte des Kleinhirns liegende Vestibulocerebellum sorgt zum Beispiel dafür, dass die Feinabstimmung der Augen funktioniert und sie sich geschmeidig bewegen. Ist das Kleinhirn geschädigt, können die Augenbewegungen zitternd sein, sagt Timmann:„Ihre Feinbewegungen sind unkoordiniert. Daher haben sie auch oft Schwierigkeiten, deutlich zu schreiben. Darüber hinaus sprechen, stehen und gehen die Patienten, als wären sie betrunken.“

Wie das Großhirn ist das Kleinhirn in zwei Hemisphären aufgeteilt. Schneidet man diese einmal in der Mitte durch, offenbart sich die Anatomie des Kleinhirns als eine Struktur mit überraschender Schönheit. Ähnlich wie beim großen Bruder gibt es eine wellenartige Kleinhirnrinde. Diese ist in der Miniaturausgabe so winzig gewellt, dass ein malerisches baum– oder farnartiges Geflecht entsteht, das den Namen arbor vitae (Lebensbaum) trägt.

Um eine solch filigrane Struktur zu untersuchen, braucht es besonders feine Messmethoden. Deshalb arbeitet die Professorin mit dem Amerikaner Mark Ladd zusammen, der schon 2006 als einer der ersten Forscher in Europa einen besonders starken Magnetresonanztomografen an die Universität Duisburg-​Essen holte. Mit einem sogenannten 7-​Tesla-​Magnetresonanztomografen ist es den Forschern möglich, selbst die kleineren Strukturen wie die verschiedenen Kerne des Kleinhirns zu erkennen.

Gemeinsam wollten die beiden Wissenschaftler die Rolle des Kleinhirns beim Verlernen von Assoziationen erforschen – etwa eben jene früh erlernte Blinkreflex-​Konditionierung bei einer visuellen Gefahr.

Schon länger ist bekannt, dass das Kleinhirn eine Rolle beim Erlernen neuer Assoziationen spielt. Tierstudien zeigten schon in den 1990er Jahren, dass das so genannte Cerebellum wichtig für Konditionierungen ist. In einem typischen Experiment am Menschen wird ein kurzer Luftstoß ins Auge der Probanden mit einem Ton gekoppelt. Der Proband schließt aufgrund des Luftstoßes reflexartig die Augen. Schnell stellt sich eine Konditionierung auf den Ton ein. Dann schließt der Proband bereits die Augen, sobald das Signal ertönt – selbst wenn der Luftstoß noch gar nicht kam oder gar ganz ausbleibt. Ein neuer auslösender Reiz für den Blinkreflex ist also gelernt.

Erste Daten zeigen, dass das Gesichtsareal im oberen Kleinhirn und einer der tiefen Kleinhirnkerne – der Nucleus interpositus – dabei aktiv sind, wie die Forscher mit Hilfe des Tomografen feststellen konnten. Menschen mit einem geschädigtem Kleinhirn erlernen neue Assoziationen von Ton und Blinkreflex allerdings schlechter und langsamer. Also stellten sich die Forscher die Frage: Spielt das Kleinhirn auch bei der Umkehrung dieses Blinkreflexes eine Rolle, also beim Verlernen dieser Konditionierung?

Zunutze machten sich die Forscher dafür eine Beobachtung aus früheren Untersuchungen: Die hatten gezeigt, dass Patienten durchaus auf Warnreize reagieren – der schon früh auf visuelle Bedrohungen konditionierte Blinkreflex, wie beim Wattebällchen, war noch intakt.

Die Forscher wollten sowohl Patienten als auch gesunde Probanden diese Blinkreflex-​Konditionierung verlernen lassen. Dazu entwickelten sie ein Gerät, das einen Tennisball immer wieder kurz vor das Gesicht eines Probanden schwingt. Dabei berührt der den Probanden nie. Die Forscher erwarteten, dass die Patienten dabei schlechter abschneiden würden als gesunde Kontrollprobanden: Sie würden langsamer verlernen, dass der Tennisball ein Blinkreflex-​auslösender Stimulus ist – so die Vermutung. Das überraschende Ergebnis: Die gesunden Probanden verlernen den Blinkreflex überhaupt nicht, auch nach zig Wiederholungen nicht. „Diese Assoziation ist überlernt. Es ist schwierig, sie zu verlernen“, schlussfolgert Timmann. Wer den Blinkreflex allerdings überhaupt nicht (mehr) zeigte, waren die meisten ihrer Patienten. Schon beim ersten Anflug des Balles blieben die Augen offen. Der Grund dafür war wohl, dass Timmanns Patienten weiter reichende Schädigungen im Kleinhirn hatten.

Es stellte sich heraus, dass die Patienten an der Universität Essen weiter reichende Schädigungen hatten als die Patienten früherer Studien. „Zu den Ursachen zählten Erberkrankungen oder Schlaganfälle, die zu Funktionsverlust führen können“, erklärt die Professorin. „Anderen Patienten musste aufgrund eines Tumors ein Teil des Kleinhirns entnommen werden.“ Die Schädigungen lagen daher in unterschiedlichen Gebieten und führten dazu, dass die Patienten den Blinkreflex beim Anblick des heranfliegenden Balls größtenteils nicht mehr zeigten.

So ließ sich also nicht untersuchen, inwiefern das Kleinhirn an der Extinktion des Blinkreflexes beteiligt ist – der Plan musste geändert werden. Eine erste Möglichkeit dazu sahen die Forscher darin, nur Patienten zu untersuchen, deren Schädigungen am Kleinhirn in jungen Jahren erworben wurden. Diese Patienten lernen die Konditionierung von Luftstoß und Ton zwar langsamer als Gesunde, aber sie lernen sie. Nun wollen die Forscher untersuchen, ob sie auch beim Verlernen langsamer sind als die Kontrollprobanden.

Darüber hinaus werden Timmann und Ladd untersuchen, welche Bereiche des Kleinhirns von gesunden Probanden beim Lernen und späteren Verlernen des Blinkreflexes aktiv sind. In einem weltweit einmaligen Versuchsaufbau kann Assoziationslernen durch Luftstoß und Ton in einem extrem starken 7-​Tesla Magnetresonanztomografen untersucht werden. Dadurch können die Forscher Gehirnaktivitäten beim Erlernen und Verlernen eines Blinkreflexes erkennen. Sie erwarten, dass ähnliche Bereiche des Kleinhirns sowohl beim Lernen als auch beim Verlernen aktiv sind.

Einen zweiten Forschungsansatz fanden die Forscher in einem Verfahren, das künstliche, umkehrbare Inaktivierungen in den Gehirnen gesunder Probanden herbeiführt. Damit können die Läsionen der Kleinhirn-​Patienten in gesunden Probanden kurzzeitig simuliert werden. Anders herum können die gleichen Teile des Gehirns allerdings auch verbessert werden. Elektroden auf dem Kopf der Probanden leiten einen schwachen elektrischen Strom in das Gehirn. Dadurch kann die Erregbarkeit von Nervenzellen sowohl verbessert als auch verschlechtert werden.

Timmann und ihre Kollegen haben dieses Verfahren bereits genutzt, um gesunde Probanden beim Lernen einer neuen Assoziation zu beeinflussen. Auch dabei untersuchten sie die Konditionierung gesunder Probanden durch den mit einem Ton gekoppelten Luftstoß ins Auge. Auf Knopfdruck der so genannten transkraniellen Gleichstromstimulation (tDCS) erlernten die Probanden die Assoziation schneller oder langsamer, je nachdem, ob die Nervenzellen durch den Strom besser oder schlechter erregbar wurden. Nun haben die Forscher begonnen, die elektrische Stimulation auch beim Verlernen der Blink-​Konditionierung zu erforschen. Erste Ergebnisse erwarten sie Ende 2014.

Die Studienleiterin Timmann hofft, dass die Forschungsarbeiten rund um das Kleinhirn erfolgreich verlaufen: „Dann ist es vorstellbar, mit der Regulierung des Kleinhirns durch die Gleichstrom-​Stimulation das Großhirn zu beeinflussen.“ Das Kleinhirn ist mit verschiedenen Bereichen des Gehirns verbunden, wie etwa der Amygdala, die bei der Angstkonditionierung eine wichtige Rolle spielt. Eventuell könnten durch die Stimulation des Kleinhirns nun andere Bereiche des Gehirns gesteuert werden. Dadurch könnte Angstpatienten geholfen werden, ihre Furcht wegen eines angstauslösenden Stimulus zu verlernen. Denn auch bei Angst, zum Beispiel bei einer Spinnenphobie, geht es oft um gelernte Assoziationen. Und gerade bei Phobien besteht die Gefahr, dass das Verlernen misslingt, es also zum sogenannten Renewal-​Effekt (Wenn Verlernen misslingt) kommt. Wenn also das Kleinhirn stimuliert werden könnte, auf dass diese Assoziationen schneller und länger anhaltend verlernt würden, dann wäre Angst-​Patienten damit eventuell geholfen.

zum Weiterlesen

• Gerwig M et al.: The involvement of the human cerebellum in eyeblink conditioning. Cerebellum, 2007; 6(1), 38 – 57 (zum Abstract).
• Timmann D et al: The human cerebellum contributes to motor, emotional and cognitive associative learning. A review. Cortex. 2010; 46(7):845 – 857 (zum Abstract).
• Steinmetz JE: Classical Conditioning of the Rabbit Eyelid Response With a Mossy-​Fiber Stimulation CS: I. Pontine Nuclei and Middle Cerebellar Peduncle Stimulation. Behavioral Neuroscience. 1986; 100(6):878 – 887 (zum Artikel).