Ein Blick darauf, wie unser Gehirn Erinnerungen im Laufe der Zeit organisiert

Die Erforschung der Organisation unseres Gedächtnisses ist seit langem ein Thema der Faszination unter Neurowissenschaftlern, da dies zu Behandlungen zur Umkehrung kognitiver Beeinträchtigungen führen könnte. Hier überprüfen wir einige neuere Erkenntnisse darüber, wie das Gedächtnis organisiert ist, die die Bedeutung einer koordinierten „Welle“ neuronaler Aktivität in der räumlichen Navigation und die zeitliche Natur der Codierung verknüpfter Erinnerungen zeigen.

Zu diesem Zweck unterstreichen die hier beschriebenen Ergebnisse die entscheidende und variable Rolle des Hippocampus - des Gedächtniszentrums des Gehirns - bei der Bildung und Festigung unserer Erinnerungen und damit auch unseres Identitätsgefühls.

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Dirigieren des neuronalen „Orchesters“ des Gehirns: Raumkarten in unserem geistigen Auge

Wie wird für eine Maus eine Karte des Weltraums aktualisiert und erstellt, wenn sie in ihrer Umgebung navigiert? In einer kürzlich durchgeführten Studie berichten Wissenschaftler erstmals, dass der zentrale Hippocampusbereich von CA1 im Gehirn der Maus für diese Karte verantwortlich ist - und dass dies über die Eingabe neuronaler Wellen aus nahe gelegenen Gehirnregionen geschieht. Um dies zu demonstrieren, wurde der Hippocampusbereich CA3 in der Nähe von CA1 so manipuliert, dass sein Eingang ausgeschaltet wurde. In der Tat gab es beim Stoppen der Eingabe ein erhebliches Durcheinander der aktualisierten Karten.

In dieser Studie wurden Mäuse gentechnisch verändert, um ein Toxin in CA3 zu exprimieren, das die Funktion von synaptischen Übergängen, die CA3 mit anderen Bereichen des Gehirns verbinden, stoppte. Dies ändert nicht die neuronale Aktivität, sondern entfernt die Kommunikation zwischen den Synapsen und ermöglichte es den Wissenschaftlern zu untersuchen, was mit der Raumkarte in CA1 passiert, wenn die CA3-Eingabe eliminiert wurde.

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Als nächstes wurden der elektrische Strom von einzelnen Neuronen und der gesamte elektrische Strom von einer größeren Gruppe von Neuronen (als lokale Feldpotentiale bezeichnet) aufgezeichnet, während Mäuse auf einer Spur liefen. Die Wissenschaftler könnten dann jeden Theta-Zyklus oder die Zeit messen, über die die neuronale räumliche Karte im Hippocampus aktualisiert wurde, wie durch die Aktivität der Mäuse bestimmt.

Obwohl die transgenen Mäuse keine Schwierigkeiten hatten, eine Navigationsaufgabe auszuführen, und einzelne Neuronensignale räumliche Informationen genau darstellen konnten, war das wichtigste Ergebnis, dass es klare Fehler bei der Organisation dieser neuronalen Signale auf der Ebene der Weltbevölkerung gab. Eine einfache Analogie, um dies zu veranschaulichen, wäre, dass das Eliminieren der Eingabe von CA3 zu CA1 die neuronale „Musik“ nicht verändert, sondern stattdessen den „Leiter“ entfernt.

Diese Studie ist die erste, die Aufschluss über die Schaltkreise gibt, die Ensembles von Ortszellen (eine Art Hippocampus-Neuron, das an der räumlichen Navigation beteiligt ist) miteinander verbindet, und darüber, wie sie sich selbst aktualisieren. Insbesondere würde das Entfernen von CA3-Eingaben die Vorhersage der räumlichen Position beeinträchtigen. Dies unterstreicht die entscheidende Bedeutung von Neuronen, die nacheinander aktiviert werden, um sicherzustellen, dass wir Erinnerungen über die Zeit hinweg organisieren können.

Wir sehen hier, dass das neuronale „Orchester“ den „Dirigenten“ in Form einer CA3-Eingabe benötigt und dass einzelne Neuronen im Hippocampus nicht ausreichen, um eine funktionierende Raumkarte zu erstellen. Dies unterstreicht die gegenseitige Abhängigkeit von Strategien, die die Kodierung von Neuronen bestimmen. Bemerkenswerterweise gab es eine deutliche Verringerung der neuronalen Schwingungen, die für die Kommunikation von CA3 nach CA1 typisch waren. Angesichts der Tatsache, dass solche Störungen zuvor mit neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer in Verbindung gebracht wurden, könnte die zukünftige Arbeit an der Organisation des Hirnrhythmus das Verständnis dafür verbessern, wie die Schaltkreise des Gehirns bei solchen Krankheiten organisiert sind.

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Mit zunehmendem Alter die Verbindung zwischen verwandten Erinnerungen verlieren - kann dies rückgängig gemacht werden?

In einer anderen Studie verwendete eine Gruppe von Wissenschaftlern ein winziges Mikroskop (Miniskop genannt), um das Gehirn durch ein Miniaturfenster zu betrachten und zu untersuchen, wie Erinnerungen im Gehirn im Laufe der Zeit miteinander verbunden sind.Obwohl solche Verbindungen mit zunehmendem Alter zunehmend geschwächt werden, konnten diese Wissenschaftler einen Weg finden, um separate Erinnerungen im Gehirn von Mäusen mittleren Alters wieder zu verbinden. Wichtig ist, dass dies ein großes Potenzial für die Entwicklung zu einer Behandlung für Patienten mit altersbedingter Demenz bietet.

Das in dieser Studie verwendete am Kopf montierte Miniskop ermöglichte es Wissenschaftlern, Neuronen zu visualisieren, die im Gehirn feuern, während sich die Mäuse frei bewegen konnten. Für diese Studie wurden drei einzigartige Boxen verwendet, und der erste Teil der Studie umfasste junge Mäuse. Hier wurde jede Maus für 10 Minuten pro Sitzung in alle drei platziert. Die Platzierung in der ersten und zweiten Box war um eine Woche getrennt, während die Platzierung in der zweiten und dritten Box nur um fünf Stunden getrennt war. Zusätzlich wurde der Maus in der dritten Box ein Schock versetzt.

Nach zwei Tagen wurde jede Maus in alle drei Boxen zurückgebracht. Es überrascht nicht, dass die Mäuse vor Angst erstarrten, als sie die Eigenschaften der dritten Schachtel erkannten. Interessant war jedoch, dass die Maus auch in der zweiten Box gefroren war, obwohl in dieser Box zuvor kein Schock verabreicht worden war. Dies deutete darauf hin, dass die Erinnerung an den Schock von der dritten Box auf die Erfahrung in der zweiten Box übertragen wurde, die fünf Stunden zuvor stattfand.

Ein ähnliches Experiment wurde anschließend mit Mäusen mittleren Alters unter Verwendung von zwei Kisten im Abstand von fünf Stunden durchgeführt, wobei in der zweiten Kiste ein Schock gegeben wurde. Es wurde festgestellt, dass diese älteren Mäuse nur in der zweiten Box gefroren waren, in der sie geschockt waren, und nicht in der ersten Box. In dieser Hinsicht stellte das Miniskop fest, dass die beiden Speicher nicht miteinander verbunden waren und stattdessen getrennt codierte neuronale Schaltkreise hatten. Bemerkenswerter ist, dass das Altern die Fähigkeit von Neuronen schwächt, angeregt zu werden und ein Gedächtnis zu codieren.

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Das vielleicht aufregendste Ergebnis dieser Studie war, dass diese verlorenen Verbindungen tatsächlich gerettet werden konnten. In den folgenden Experimenten erregten die Wissenschaftler zunächst Neuronen in einer Region des Hippocampus, bevor sie die Mäuse in die erste Box legten. Die Mäuse wurden dann in die erste und zweite Box eingeführt, wo nach zwei Tagen ein Fußschock verabreicht wurde. Bei der Wiedereinführung in die erste Box erstarrten die Mäuse, als sie den Schock in der zweiten Box mit der ersten verbanden, was implizierte, dass eine verbesserte neuronale Erregbarkeit die altersbedingte Verschlechterung der Gedächtnisverknüpfung rettete.

Es ist besonders wichtig zu beachten, dass Erinnerungen im wirklichen Leben nicht isoliert auftreten, da vergangene Erfahrungen die Entstehung neuer Erinnerungen beeinflussen und unsere zukünftigen Entscheidungsprozesse beeinflussen. Hoffentlich würde die Forschung auf diesem Gebiet eines Tages Menschen mit altersbedingtem kognitiven Rückgang helfen, ihre Fähigkeit zu verbessern, Erinnerungen zu verbinden und zu bewahren.

Verweise

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Dieser Gastartikel erschien ursprünglich im preisgekrönten Blog für Gesundheit und Wissenschaft und in der Community zum Thema Gehirn, BrainBlogger: Wie organisiert das Gehirn Erinnerungen im Laufe der Zeit?