Vagusnerv könnte Lernen verbessern – Forscher entdecken überraschenden Effekt im Gehirn

Der Vagusnerv gilt fast als „Supernerv“ des Körpers. Er verbindet das Gehirn mit Herz, Lunge und Verdauung und beeinflusst unter anderem Stress und Erholung. Nun zeigt sich eine weitere überraschende Seite: Bei Mäusen reichte eine elektrische Stimulation nach dem Training, damit sich das Gelernte über mehrere Tage besser festigte. Gleichzeitig gerieten die Blutgefäße im Kleinhirn in einen auffälligen Rhythmus – ein möglicher Hinweis darauf, dass Lernen auch davon abhängt, wie gut das Gehirn nach dem Üben versorgt wird.

Forscher der Tohoku University untersuchten deshalb, was nach dem Lernen im Gehirn passiert, wenn der Vagusnerv elektrisch stimuliert wird. Entscheidend war das Timing: Die Mäuse erhielten die Reize erst unmittelbar nach dem Training. Einen direkten Vorteil beim Üben gab es nicht. Erst an den folgenden Tagen schnitten die stimulierten Tiere besser ab.

So trainierten die Mäuse ihren Vagusnerv-Effekt

Für das Experiment nutzten die Wissenschaftler eine motorische Lernaufgabe. Die Mäuse sahen horizontale Bewegungen und mussten ihnen mit den Augen folgen. Diese Reaktion hängt stark vom Kleinhirn ab.

Am ersten Tag absolvierten die Tiere vier Trainingseinheiten von jeweils 15 Minuten. Dazwischen lag jeweils eine Stunde. Zwei Gruppen erhielten danach eine elektrische Stimulation des Vagusnervs mit unterschiedlicher Stärke. Eine Kontrollgruppe bekam keine Stimulation. Zu Beginn lagen alle Gruppen auf einem vergleichbaren Leistungsniveau.

Der Effekt taucht erst Tage später auf

Zunächst passierte erstaunlich wenig. Während des Trainings brachte die Stimulation keinen messbaren Vorteil. Auch direkt danach lagen die Tiere nicht vorn. Der Unterschied tauchte erst später auf – als hätte der Vagusnerv weniger das Üben selbst beeinflusst als das, was das Gehirn anschließend daraus macht.

Bei der stärkeren Stimulation zeigte sich der Vorsprung bereits am zweiten Tag. Am fünften Tag schnitten beide stimulierten Gruppen besser ab als die Kontrolltiere.

Warum das Gedächtnis nach dem Üben weiterarbeitet

Dieser zeitliche Verlauf ist besonders interessant. Lernen endet offenbar nicht zwangsläufig mit dem letzten Trainingsdurchgang. Danach laufen Prozesse weiter, die neue Informationen und Bewegungsmuster stabilisieren.

Professor Ko Matsui beschreibt diesen Zeitraum als mögliche besondere Phase: „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Vagusnerv-Stimulation ein verborgenes Zeitfenster für verbessertes Lernen öffnen könnte, indem sie die Umgebung im Gehirn empfänglicher für langfristige Veränderungen macht.“

Im Kleinhirn beginnen Blutgefäße zu schwingen

Parallel zum Lernerfolg veränderte sich auch das Blutvolumen in einem Bereich des Kleinhirns. Eine einzelne Stimulation löste zunächst eine kurze Verengung und danach eine verzögerte Erweiterung der Gefäße aus.

Die Forscher wiederholten die Reize alle 40 Sekunden über insgesamt 20 Minuten. Dadurch entstanden rhythmische Schwankungen des Blutvolumens. Solche Gefäßbewegungen könnten beeinflussen, wie gut Nervengewebe mit Energie versorgt wird. Genau gemessen wurde dieser Stoffwechsel allerdings nicht.

© Junyu U. Chen, Yoko Ikoma, Ko Matsui Die Stimulation des Vagusnervs wirkte nicht sofort: Erst an den folgenden Tagen schnitten die Mäuse bei der erlernten Augenbewegung besser ab – ein Hinweis auf verbessertes Langzeitlernen. © Junyu U. Chen, Yoko Ikoma, Ko Matsui

Stärkere Gefäßbewegungen gehen mit besserem Lernen einher

Nach dem Training waren die Gefäßschwankungen in der stimulierten Gruppe deutlich ausgeprägter. Ihre gesamte Stärke lag bei rund 5.373 Einheiten. In der Kontrollgruppe waren es etwa 2.249. Der Unterschied war statistisch signifikant.

Zudem bestand ein enger Zusammenhang mit der Leistung am fünften Tag. Über beide Gruppen hinweg lag die Korrelation zwischen Gefäßbewegungen und Lernerfolg bei 0,88. Je ausgeprägter die Schwankungen waren, desto besser schnitten die Mäuse tendenziell ab.

Ob der Blutfluss den Lernerfolg verursacht, bleibt offen

Damit ist aber noch nicht bewiesen, dass die Gefäßbewegungen für das bessere Lernen verantwortlich sind. Die Forscher weisen ausdrücklich darauf hin, dass sie nur einen Zusammenhang nachweisen konnten. Einen direkten Ursache-Wirkungs-Nachweis liefert das Experiment nicht.

Auch Veränderungen des Energiestoffwechsels wurden nicht direkt gemessen. Künftige Untersuchungen sollen deshalb unter anderem ATP, Laktat und Pyruvat erfassen. Diese Stoffe könnten Hinweise darauf liefern, wie sich die Energieversorgung des Gehirns nach der Stimulation verändert.

Der Vagusnerv verbindet Körper und Gehirn

Der Vagusnerv gehört zu den wichtigsten Leitungsbahnen zwischen inneren Organen und Gehirn. Über ihn gelangen ständig Signale aus dem Körper in das zentrale Nervensystem. Umgekehrt steuert das Gehirn über den Nerv zahlreiche körperliche Funktionen.

Die elektrische Vagusnerv-Stimulation wird bereits bei bestimmten neurologischen Erkrankungen eingesetzt. Welche Vorgänge sie im Gehirn genau auslöst, ist jedoch noch nicht vollständig geklärt. Bisher standen vor allem Botenstoffe wie Noradrenalin und Acetylcholin im Verdacht, ihre Wirkung zu vermitteln. Die Gefäßreaktionen liefern nun einen weiteren möglichen Teil der Erklärung.

Ergebnisse gelten bislang nur für Mäuse

Die Arbeit erlaubt keine Aussage darüber, ob Menschen nach einer Vagusnerv-Stimulation ebenfalls besser lernen. Untersucht wurde zudem keine allgemeine Gedächtnisleistung, sondern eine sehr spezielle motorische Aufgabe bei Mäusen.

Auch Erstautor Junyu Chen sieht darin zunächst einen möglichen Mechanismus. „Unser Gehirn könnte stärker vom Körper beeinflusst werden, als wir uns vorstellen“, sagt der Erstautor. Rhythmische Veränderungen der Gefäße könnten demnach Teil jener Bedingungen sein, unter denen sich neue Fähigkeiten langfristig festigen.

Kurz zusammengefasst:

Bei Mäusen verbesserte eine elektrische Stimulation des Vagusnervs nach dem Training das langfristige motorische Lernen.
Gleichzeitig traten im Kleinhirn stärkere rhythmische Veränderungen des Blutvolumens auf, die mit dem Lernerfolg zusammenhingen.
Ob diese Gefäßbewegungen das bessere Lernen tatsächlich verursachen, ist noch nicht bewiesen.

Übrigens: Der Vagusnerv verbindet nicht nur Körper und Gehirn, sondern könnte auch dabei helfen, Erinnerungen an Nahrung und Orte zu speichern. Bei Ratten funkte der Darm nach dem Essen über diesen Nerv bis zum Hippocampus – mehr dazu in unserem Artikel.