Denken Sie an eine Zeit, in der Sie in kurzer Zeit zwei unterschiedliche, aber ähnliche Erfahrungen gemacht haben. Vielleicht haben Sie in derselben Woche an zwei Feiertagsfeiern teilgenommen oder bei der Arbeit zwei Präsentationen gehalten. Kurz danach stellen Sie vielleicht fest, dass Sie beides verwechseln, aber mit der Zeit lässt diese Verwirrung nach und Sie können besser zwischen diesen unterschiedlichen Erfahrungen unterscheiden.
Neue Forschungsergebnisse veröffentlicht in Naturneurowissenschaften Die am 19. Januar veröffentlichte Studie zeigt, dass dieser Prozess auf zellulärer Ebene abläuft – Erkenntnisse, die für das Verständnis und die Behandlung von Gedächtnisstörungen wie der Alzheimer-Krankheit von entscheidender Bedeutung sind.
Dynamische Engramme speichern Erinnerungen
Die Forschung konzentriert sich auf Engramme, das sind neuronale Zellen im Gehirn, die Gedächtnisinformationen speichern.
Engramme sind die Neuronen, die reaktiviert werden, um das Abrufen von Erinnerungen zu unterstützen. Wenn Engramme gestört werden, kommt es zu Amnesie.
Dheeraj S. Roy, PhD, einer der leitenden Autoren des Artikels und Assistenzprofessor am Institut für Physiologie und Biophysik der Jacobs School of Medicine and Biomedical Sciences der University at Buffalo
In den Minuten und Stunden, die unmittelbar auf ein Erlebnis folgen, muss das Gehirn das Engramm konsolidieren, um es zu speichern, erklärt er. „Wir wollten wissen: Was passiert während dieses Konsolidierungsprozesses? Was passiert zwischen der Bildung eines Engramms und dem Zeitpunkt, an dem Sie diese Erinnerung später abrufen müssen?“
Die Forscher entwickelten ein Computermodell für das Lernen und die Gedächtnisbildung, das mit sensorischen Informationen, also dem Reiz, beginnt. Sobald diese Informationen den Hippocampus erreichen, den Teil des Gehirns, in dem Erinnerungen entstehen, werden verschiedene Neuronen aktiviert, von denen einige erregend und andere hemmend sind.
Wenn Neuronen im Hippocampus aktiviert werden, werden nicht alle gleichzeitig feuern. Während sich Erinnerungen bilden, Neuronen, die rechtzeitig aktiviert werden, werden Teil des Engramms und stärken ihre Konnektivität, um zukünftige Erinnerungen zu unterstützen.
„Die Aktivierung von Engrammzellen während des Gedächtnisabrufs ist kein Alles-oder-Nichts-Prozess, sondern muss typischerweise einen Schwellenwert (d. h. einen Prozentsatz des ursprünglichen Engramms) erreichen, um einen effizienten Abruf zu ermöglichen“, erklärt Roy. „Unser Modell ist das erste, das zeigt, dass die Engrammpopulation nicht stabil ist: Die Anzahl der Engrammzellen, die während des Abrufs aktiviert werden, nimmt mit der Zeit ab, was bedeutet, dass sie dynamischer Natur sind, und so war die nächste kritische Frage, ob dies eine Auswirkung auf das Verhalten hatte.“ .“
Für die Gedächtnisunterscheidung werden dynamische Engramme benötigt
„Während der Konsolidierungsphase nach dem Lernen arbeitet das Gehirn aktiv daran, die beiden Erfahrungen zu trennen, und das ist möglicherweise ein Grund, warum die Anzahl der aktivierten Engrammzellen mit der Zeit für eine einzelne Erinnerung abnimmt“, sagt er. „Wenn das stimmt, würde das erklären, warum die Gedächtnisunterscheidung mit der Zeit besser wird. Es ist, als ob Ihre Erinnerung an das Erlebnis zunächst eine große Autobahn war, aber im Laufe der Zeit, im Laufe der Konsolidierungsphase in der Größenordnung von Minuten bis Stunden, Ihr Gehirn teilt sie in zwei Spuren, sodass Sie zwischen den beiden unterscheiden können.
Roy und die Experimentatoren im Team hatten nun eine überprüfbare Hypothese, die sie anhand eines etablierten Verhaltensexperiments mit Mäusen umsetzten. Mäuse wurden kurzzeitig zwei verschiedenen Boxen ausgesetzt, die einzigartige Gerüche und Lichtverhältnisse aufwiesen; Eine davon war eine neutrale Umgebung, aber in der zweiten Box erhielten sie einen leichten Fußschock.
Einige Stunden nach dieser Erfahrung zeigten die Mäuse, die sich normalerweise ständig bewegen, eine Angsterinnerung, indem sie erstarrten, wenn sie einer der beiden Boxen ausgesetzt wurden. „Das hat gezeigt, dass sie nicht zwischen den beiden unterscheiden konnten“, sagt Roy. „Aber in der zwölften Stunde zeigten sie plötzlich nur noch Angst, als sie der Box ausgesetzt wurden, in der sie sich bei ihrem allerersten Erlebnis unwohl fühlten. Sie waren in der Lage, zwischen den beiden zu unterscheiden. Das Tier sagt uns, dass sie das wissen.“ Box ist das gruseligste, aber fünf Stunden zuvor konnten sie das nicht tun.
Mithilfe einer lichtempfindlichen Technik konnte das Team aktive Neuronen im Hippocampus der Maus erkennen, während das Tier die Kisten erkundete. Die Forscher nutzten diese Technik, um aktive Neuronen zu markieren und später zu messen, wie viele vom Gehirn zum Abruf reaktiviert wurden. Sie führten auch Experimente durch, die es ermöglichten, eine einzelne Engrammzelle über Erfahrungen und Zeit hinweg zu verfolgen. „Ich kann Ihnen also buchstäblich sagen, wie eine Engrammzelle oder eine Untergruppe von ihnen im Laufe der Zeit auf jede Umgebung reagierte, und dies mit ihrer Gedächtnisunterscheidung in Zusammenhang bringen“, erklärt Roy.
Die ersten Computerstudien des Teams hatten vorhergesagt, dass die Anzahl der an einem einzelnen Gedächtnis beteiligten Engrammzellen mit der Zeit abnehmen würde, und die Tierversuche bestätigten dies.
„Wenn das Gehirn zum ersten Mal etwas lernt, weiß es nicht, wie viele Neuronen benötigt werden, und so wird absichtlich eine größere Untergruppe von Neuronen rekrutiert“, erklärt er. „Während das Gehirn Neuronen stabilisiert und das Gedächtnis festigt, schneidet es die unnötigen Neuronen ab, sodass weniger benötigt werden, und hilft so dabei, Engramme für verschiedene Erinnerungen zu trennen.“
Was passiert bei Gedächtnisstörungen?
Die Ergebnisse haben direkte Relevanz für das Verständnis der Ursachen von Gedächtnisstörungen wie der Alzheimer-Krankheit. Roy erklärt, dass es für die Entwicklung von Behandlungen für solche Störungen von entscheidender Bedeutung ist, zu wissen, was während der anfänglichen Gedächtnisbildung, Konsolidierung und Aktivierung von Engrammen für die Erinnerung geschieht.
„Diese Forschung zeigt uns, dass ein sehr wahrscheinlicher Grund für das Auftreten von Gedächtnisstörungen darin besteht, dass mit dem frühen Fenster nach der Gedächtnisbildung, in dem sich Engramme verändern müssen, etwas nicht stimmt“, sagt Roy.
Derzeit untersucht er Mausmodelle der frühen Alzheimer-Krankheit, um herauszufinden, ob sich Engramme bilden, aber nicht richtig stabilisiert werden. Da nun mehr darüber bekannt ist, wie Engramme Erinnerungen bilden und stabilisieren, können Forscher im Tiermodell untersuchen, welche Gene sich verändern, wenn die Engrammpopulation abnimmt.
„Wir können uns Mausmodelle ansehen und fragen, ob es bestimmte Gene gibt, die verändert sind? Und wenn ja, dann haben wir endlich etwas zum Testen, wir können das Gen dafür modulieren.“ '„Verfeinerungs-“ oder „Konsolidierungs“-Prozesse von Engrammen, um herauszufinden, ob dies eine Rolle bei der Verbesserung der Gedächtnisleistung spielt“, sagt er.
Roy, der jetzt an der Jacobs School ist, führte die Forschung als McGovern Fellow am Broad Institute of Massachusetts Institute of Technology (MIT) und an der Harvard University durch. Roy ist einer von drei Neurowissenschaftlern, die dieses Jahr an die Jacobs School berufen wurden, um in der Abteilung für Physiologie und Biophysik der Schule einen neuen Schwerpunkt auf Systemneurowissenschaften einzuführen.
Co-Autoren des Artikels sind vom Imperial College in London; das Institut für Wissenschaft und Technologie in Österreich; das McGovern Institute for Brain Research am MIT; und das Center for Life Sciences & IDG/McGovern Institute for Brain Research an der Tsinghua-Universität in China.
Die Arbeit wurde durch das PhD-Stipendium des Präsidenten des Imperial College London finanziert; Wellcome Trust; der Forschungsrat für Biotechnologie und Biowissenschaften; die Simons Foundation; der Forschungsrat für Ingenieurwissenschaften und Physikalische Wissenschaften; die School of Life Sciences und das IDG/McGovern Institute for Brain Research. Roy wurde vom Warren Alpert Distinguished Scholar Award und den National Institutes of Health unterstützt.
Quelle:
Zeitschriftenreferenz:
Tomé, DF, et al. (2024). Mit der Gedächtniskonsolidierung entstehen dynamische und selektive Engramme. Naturneurowissenschaften. doi.org/10.1038/s41593-023-01551-w.
