Lernen bedeute nichts anderes, als die Fähigkeit, auf äußere Reize zu reagieren. Aber ist der lernfähige Mensch wirklich nur ein Produkt seiner Umwelt?
Iwan Pawlov verband im Jahre 1927 in Petersburg die Futtergabe für seinen Hund so lange mit einem Gloc­kensignal, bis der Hund unabhängig von der Futtergabe auf das bloße Signal hin mit Speichelfluss reagierte. Bis dahin war das „Lernen“ noch eine einfache Abfolge von Reiz und Reaktion. Der Hund reagierte mit Speichel­fluss auf einen normalerweise neutralen Reiz, nämlich das Läuten der Glocke, als ob er den positiven Reiz – die Futtergabe – erfahren hätte. Diese Reiz-Reaktionskopplung funktionierte natürlich nur, weil es während der Verhaltensprägung einen engen zeitlichen Abstand zwischen bedingtem und angeborenem Reiz gab.
Frederic Skinner erweiterte diese Erkenntnis im Jahre 1938, indem er nachwies, dass die Reaktion mit größerer Wahrscheinlichkeit auftritt, wenn der Reiz zu positiven Konsequenzen führte. Er sperrte Ratten in eine reizarmen Umgebung – der so genannten Skinnerbox. Neugierig erkunden die Tiere ihre Umgebung und entdecken irgendwann zufällig, dass die Auslösung des einzig vorhandenen Hebels mit einer Futtergabe belohnt wird. Sie lernten also etwas zufällig Entdecktes zu wiederholen, da es ein positives Ergebnis brachte. Anders als bei Pawlov kam hier der Reiz erst nach der Handlung.
Für Skinner ergab sich folglich, dass das Verhalten eines Tieres vollständig durch Belohnung für erwünschtes Verhalten beeinflusst werden kann. Bestrafung sollte seiner Meinung nach dagegen eher eine geringere Auswirkung auf das Verhalten haben. Ganz bewusst verzichtet er auf den Begriff „Lernen“, da er das Verhalten des Menschen als Folge von äußeren Reizen betrachtete. Vorgänge im Inneren von Lebewesen betrachtete Skinner als uninteressant, da diese mit naturwissenschaftlichen Methoden nicht objektiv beschreibbar wären. Er interessierte sich nur für Vorgänge, die sich zwischen Organismus und Umwelt abspielten.

Die Fruchtfliege

Etwa gleichzeitig mit der Entdeckung der Konditionierung (Iwan Pawlov) und der Entwicklung des Behaviorismus (Frederic Skinner) trat eine Fliege in den Blickpunkt der Genetikforscher: Die „gemeine“ Fruchtfliege, auch Essig- oder Taufliege genannt oder fachlich Drosophila melanogaster. Sie wurde zum ersten Male um 1900 von William Castle als Versuchstier für seine Embryonalstudien eingesetzt. Ihr kurzer Lebenszyklus, hohe Vermehrungsrate und geringe Größe, sowie die preiswerte und einfache Haltung und natürlich die überschaubar geringe Anzahl an Chromosomen machten sie zum idealen Studienobjekt.
1909 fiel dem Zoologen Thomas Morgan (1933 für Beiträge zu Physiologie und Medizin mit dem Nobelpreis ausgezeichnet), der Kreuzungsver­suche mit den Fruchtfliegen unternahm, eine spontane Änderung der üblichen roten Augenfarbe bei einer männlichen Fliege auf. Diese zeigte weiße Augen infolge einer Mutation. Im Zuge der darauf folgenden Erforschung dieses Phänomens entwickelte Morgan die Grundlagen für die heutige Genetik. Er entdeckte, dass die Erbanlagen (Gene) linear auf faden­förmigen Strukturen, den Chromosomen, liegen. Diese Erkenntnis bestätigte sich in der Folgezeit auch für andere Organismen – also auch den Menschen. Die Erforschung eines so unscheinbaren Tieres, wie der Fruchtfliege, ist also unbestritten Grundlagenforschung für den Menschen.

Kontrollgene

In den 1960er Jahren war es eine ganze Reihe an Erkenntnissen, die zum Allgemeingut der Forscher wurden. Auch wenn die Gene in allen Zellen eines Organismus gleich vorhanden sind, werden nur einige von ihnen jeweils aktiv. Wie Schalter lassen sie sich ein- oder ausschalten, um so das Signal für die Produktion bestimmter Proteine zu geben. Doch wer legt den Schalter um?
Der Genetiker Ed Lewis entdeckte bei seiner Forschung in den 1970ern an Fruchtfliegen Gene, die ganz allein für die Ausbildung definierter Körperregionen zuständig waren. Diese Kontroll- oder Mastergene steuern eine Vielzahl untergeordneter Gene. Ihre lineare Anordnung im Chromosom spiegelt sich nach außen in der Ausbildung von festgelegter Körperregionen wieder. Vereinfacht gesagt steuern die weiter vorne liegenden, die Entwicklung des Kopfes, während die am Ende liegenden die Ausbildung des Hinterleibes beeinflussen. Entwicklungsgeschichtlich scheint es sich bei diesen Genen um sehr alte Muster zu handeln. In immer mehr untersuchten Organismen lassen sich diese Ent­wicklungsgene als ein universeller Bestandteil des Genmaterials identifizieren. Auch bei hoch entwickelten Lebewesen wirken dieselben zentralen Gene. Manche sind sich derart ähnlich, dass sie ohne weiteres zwischen den Organismen ausgetauscht werden können, um dieselben Funktionen auch dort zu bewerkstelligen.

Lernexperimente mit der Fruchtfliege

Seymour Benzer, der Physik und Biologie studierte, gehörte zu den ersten, die eine Verknüpfung zwischen Lernverhalten und genetischer Grundlage erforschte. Benzer war motiviert von der Hoffnung, auch hier Mastergene zu finden, die unterschiedliche Stadien des Lernverhaltens beeinflussen. Dazu entwickelte er eine einfach aufgebaute Apparatur, in der es möglich war, Fruchtfliegen einem Duft, sowie einem elektrischen Reiz auszusetzen. Im Prinzip war die Anordnung durchaus vergleichbar mit dem Vorgehen Pavlovs bei seinen Konditio­nierungsexperimenten. Nun folgten abwechselnd Duft kombiniert mit einem Elektroschock und anschließend ein anderer Duft ohne den elektrischen Reiz. Um einen möglichen Lerneffekt zu überprüfen mussten die Fliegen an einer Abzweigung zwischen zwei Möglichkeiten wählen. Entweder den Weg zum Duft mit dem unangenehmen Erlebnis, oder zum Duft ohne Schock.
Normale Fruchtfliegen wählten zu etwa 90 Prozent den Weg, der mit keinem Schockerlebnis in Zusammenhang steht. Offensichtlich hatten sie also aus dem Geschehen gelernt. Eine einmalige Trainingseinheit und die ­anschließende Überprüfung testen lediglich das Kurzzeitgedächtnis. Vergrößert man die Abstände der Über­prüfung, vergessen immer mehr Fliegen ihr Erlebnis. Nach etwa 24 Stunden ist keine Erinnerung mehr übrig. Erst die häufige Wiederholung der Übung (mit Schock) lässt die Erinnerung dauerhafter werden. So können sie sich anschließend auch noch nach einer Woche an den richtigen Duft erinnern. Beim Menschen ist es nicht viel anders. Eine einfache Übung trainiert nur das Kurzzeitgedächtnis, erst die Wiederholung bringt das Erlernte ins Langzeitgedächtnis.
Um eine Information auf genetischer Ebene gewinnen zu können, war es notwendig, unterschiedliche Mutationen der Fruchtfliege zu erzeugen, in der Hoffnung, Exemplare mit unterschiedlichem Lernerfolg zu erhalten – wenn Lernen sich auf genetischer Ebene manifestieren sollte. Das Lernverhalten der erzeugten Mutationen wurde dann mit dem vorher schon eingesetzten Trainingsvorgang untersucht.
Die Experimente waren schließlich von Erfolg gekrönt. Die erste entdeckte Mutante, der „langsame Lerner“ (dunce) schien unfähig zu sein, Geruch und Schock zu assoziieren, also trotz gesteigerter Trainingsversuche, etwas zu lernen. Viele Mutationsversuche später kamen noch andere Varianten mit so bezeichnenden Namen wie Gedächtnislose (amnesiac), Radieschen (radish), Spatzenhirn (linotte), Steckrübe (turnip) und Weißkohl (cabbage) hinzu.
Rein äußerlich unterschieden sie sich in keinster Weise von den anderen Fruchtfliegen. Ferner war die Versuchsanordnung zu ungenau, um
unterschiedliche Qualitäten im Lern­verhalten der Fliegen zu differenzieren. Erst mit einer später von dem Hirnforscher Tim Tully weiter entwickelten Trainingseinheit wurde dies exakt möglich.

Springende Gene

In der Spatzenhirn-Mutante (linotte) entdeckte man in der Folge ein so genanntes springendes Gen (Transposon: latainisch trans = durch, hindurch, ponere = setzen, legen, stellen), ein kurzer DNS-Abschnitt, der sich entlang der Chromosomen bewegt und so Veränderungen (Mutationen) bewirkt. Transposone sind, so weiß man heute, verantwortlich für einen großen Teil der Mutationen, da sie spontan ihre Position ändern können. Sie schneiden sich selbst aus ihrem ursprünglichen Ort im Erbgut aus und fügen sich an einer beliebigen anderen Stelle wieder ein. Solche Gene lassen sich ebenso in fremde Zellen einführen. Auch dort können sie ihre Wirkung entfalten und geben den Wissenschaftlern zusätzlich die Möglichkeit, mit den Springenden Genen als Träger, gezielt Erbinformationen einzuschleusen, indem sie DNS an deren Ende „heften“.
In den 90er Jahren des 20ten Jahrhunderts manipulierte Tim Tully Fruchtfliegenembryos, zu so genannten Knock-Out-Tieren, Varianten also, bei denen bestimmte Gene an- oder ausgeschaltet sind. Bei diesen trans­genen Varianten schaltete er das so genannte linotte-Gen aus. Dies war offenkundig für die Ausbildung eines Kurzzeitgedächtnis (etwa die ersten drei Stunden nach einem Lernversuch) zuständig. Zusätzlich führte er mithilfe eines springenden Gens ein intaktes linotte-Gene ein, welches zusätzlich mit einem Hitze-Promotor gekoppelt war. Vereinfacht gesagt, schuf er eine Drosophila-Mutante, welche dem von Benzer entdeckten „Spatzenhirn“ entsprach. Das eingeführte linotte-Gen konnte aber durch äußere Einflüsse aktiviert werden.
Die erwachsenen, unter normalen Temperaturen aufgewachsenen Fliegen unterzog Tully den von Seymour Benzer entwickelten, von ihm selbst aber deutlich verbesserten Lerntest. Wie erwartet, zeigten sie eine auffallende Lernschwäche, ein Zeichen, für das Wirken des defekten linotte-Gens. Nun kam der Moment, in dem die Temperatur erhöht wurde. Der hitzeempfindliche „Schalter“ reagierte auf eine Erhöhung der Umgebungstemperatur indem er das eingeführte linotte-Gen einschaltete. 90 Prozent der Testkandidaten bestanden nun den anschließend durchgeführten Lern-Test.

Langzeitgedächtnis

Während linotte-Gen eher für die Festigung des Kurzzeitgedächtnisses verantwortlich scheint, scheint es ein weiteres für die Ausbildung des Langzeitgedächtnisses zu geben. Das Creb-Gen produziert das Protein CREB (Cyclic AMP Responsive Element Binding Protein), ein Rezeptorprotein, das strukturelle und funktionelle Änderungen im Gehirn während des Lehr­prozesses reguliert, also für die Gedächtnisbildung wichtig ist.
Schaltet man, ähnlich wie bei dem Versuch mit dem linotte-Gen, dieses Gen in der Zelle aus und führt gleichzeitig ein Hitzepromotorgesteuertes „Ersatz-Creb-Gen“ in die Zelle ein zeigt sich ein bemerkenswerter Effekt. Es ist ohne das Creb-Gen unmöglich, den Lernerfolg dauerhaft zu festigen. Nach kurzer Zeit ist der Lerneffekt aus dem Training praktisch verpufft. Verdoppelt man nun die Menge an Creb-Genen in der Zelle entwickelten die Fruchtfliegen sogar eine Art fotografisches Gedächtnis. Schon nach der einmaligen Absolvierung des Trainings war das Gelernte fest im Gedächtnis verankert.
Ähnlich wie bei den schon vorher entdeckten Entwicklungsgenen, scheinen auch die „Gedächtnisgene“ linear auf den Chromosomen angeordnet zu sein. Der an sich logische lineare Verlauf vom Kurzzeitgedächtnis zum Langzeitgedächtnis scheint also genetisch determiniert zu sein.

Was nützt das dem Menschen?

Fast zwingend scheint nun der Gedanke nahe zu liegen, Lernerfolge wären per genetischer Manipulation herbeizuführen. Schon bei der Laudatio zu Ehren der Nobelpreisübergabe 1933 an Thomas Morgan kam der Wunsch auf, den Menschen in Zukunft genetisch verbessern zu können. Tim Tully war der erste Wissenschaftler, der gentherapeutische Maßnahmen einsetzte, um eine Lernschwäche – zumindest bei Fliegen – zu heilen.
Mit Hilfe der Gentechnik scheint es nur ein kleiner Schritt zur Schaffung von Menschen mit überragenden Gedächtnisleistungen, oder aber zur Behandlung von Krankheiten, die die Gedächtnisleistung betreffen, wie Demenz oder Alzheimer zu nutzen. Schließlich sind die entsprechenden Gene auch bei höher entwickelten Organismen entdeckt worden.
Aus ethischen Gründen scheidet die genetische Manipulation von menschlichen Genen aus. Ein anderer Ansatz dagegen wird seit 2004 in klinischen Studien am Menschen verfolgt, in dem man versucht Creb-abhängige Prozesse medikamentös zu beeinflussen. Die Minderung von Schlaganfallfolgen scheint damit möglich. Doch niemand kann bisher auch nur ansatzweise die möglichen Nebenwirkungen solcher Medikamente beschreiben.
Insgesamt bleibt aber festzustellen, dass mit der Entdeckung der Steuergene nur ein kleiner Teil der physiologischen Vorgänge entschlüsselt wurde. Immer mehr, mit Lernprozessen in Zusammenhang stehende Gene werden entdeckt. Eine Vielzahl weiterer Funktionen schließt sich daran an, von denen wir noch nichts wissen. So scheint das Creb-Gen doch nicht von einem einzigen Auslöser aktiviert zu werden. Die Fruchtfliege ist ein relativ einfach aufgebautes Lebewesen, mit einem sehr schlichten Gehirn – ganz im Gegensatz zum Menschen. Prinzipiell treten bei solchen Überlegungen ebenfalls soziale Fragen in den Vordergrund, ob es irgendwann nur eine Frage des Geldes ist, wer sich eine „Verbesserung“ seiner Leistungsfähigkeit leisten kann, oder ob ein solcher Eingriff dann zur Voraussetzung wird, in bestimmten Berufsbereichen arbeiten zu dürfen.
Die Forschung an der Drosophila hat aber auch noch etwas anderes gezeigt. Auch die genetisch manipulierten Varianten wiesen nicht ein zu hundert Prozent (wie erwartet) identisches Verhalten auf. Vielmehr lag die Quote bei etwa 90 Prozent. Es gibt also noch andere, bisher nicht erforschte Mechanismen. Um abschließend auf die Eingangs gestellte Frage zurück zu kommen: Der Mensch ist weder ein Produkt seiner Umwelt, noch ein Sklave seiner Gene. Letztere liefern ihm aber einen (unterschiedlich großen) Pool an Möglichkeiten, auf unterschiedliche Situationen zu reagieren.

Ralf Salecker

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