Neuronale Rhythmen beeinflussen das Gedächtnis
Das Gehirn lernt durch Veränderungen in der Stärke seiner Synapsen - den Verbindungen zwischen Neuronen - als Reaktion auf Reize. In einer Entdeckung, die die konventionelle Weisheit über die Lernmechanismen des Gehirns in Frage stellt, haben UCLA-Neurophysiker herausgefunden, dass es einen optimalen „Rhythmus“ oder eine optimale Frequenz des Gehirns gibt, um die synaptische Stärke zu ändern.
Und wie bei Sendern auf einem Radiowahlrad wird jede Synapse auf eine andere optimale Frequenz zum Lernen eingestellt.
Die Forscher glauben, dass die Ergebnisse zu einer einheitlichen Theorie der Mechanismen führen könnten, die dem Lernen im Gehirn zugrunde liegen - eine Entdeckung, die möglicherweise zu neuen Therapien zur Behandlung von Lernbehinderungen führen könnte.
Die Studie erscheint in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Grenzen der Computational Neuroscience.
"Viele Menschen haben Lern- und Gedächtnisstörungen, und jenseits dieser Gruppe sind die meisten von uns weder Einstein noch Mozart", sagte Mayank R. Mehta, Ph.D., der leitende Autor der Zeitung. "Unsere Arbeit legt nahe, dass einige Probleme mit Lernen und Gedächtnis dadurch verursacht werden, dass Synapsen nicht auf die richtige Frequenz abgestimmt sind."
Eine Änderung der Stärke einer Synapse als Reaktion auf Reize - bekannt als synaptische Plastizität - wird durch sogenannte "Spike-Züge" induziert, eine Reihe neuronaler Signale, die mit unterschiedlicher Frequenz und unterschiedlichem Timing auftreten.
Frühere Experimente verwendeten Hunderte aufeinanderfolgender Spitzen im sehr hohen Frequenzbereich, um Plastizität zu induzieren. Dies ist jedoch nicht der Fall, wenn das Gehirn während realer Verhaltensaufgaben aktiviert wird, da Neuronen nur etwa 10 aufeinanderfolgende Spitzen abfeuern, nicht mehrere hundert. Und das mit einer viel niedrigeren Frequenz - normalerweise im Bereich von 50 Spitzen pro Sekunde.
Bisher konnten Forscher keine Experimente durchführen, die natürlichere Werte simulierten.
In der neuen Studie konnten Mehta und Co-Autor Arvind Kumar, Ph.D., diese Messungen zum ersten Mal mithilfe eines hoch entwickelten mathematischen Modells erhalten, das sie mit experimentellen Daten entwickelt und validiert hatten.
Entgegen der bisherigen Annahme stellten Mehta und Kumar fest, dass die Stimulation der Neuronen bei den höchsten Frequenzen nicht der beste Weg ist, um die synaptische Stärke zu erhöhen, wenn es darum geht, Synapsen mit natürlich vorkommenden Spike-Mustern zu stimulieren.
"Zu unserer Überraschung stellten wir fest, dass die synaptische Verstärkung über die optimale Frequenz hinaus tatsächlich abnahm, wenn die Frequenzen höher wurden."
Das Wissen, dass eine Synapse eine bevorzugte Frequenz für maximales Lernen hat, veranlasste die Forscher, optimale Frequenzen basierend auf dem Ort der Synapse auf einem Neuron zu vergleichen.
Neuronen sind wie Bäume geformt, wobei der Kern die Basis des Baumes ist, wobei die Dendriten den ausgedehnten Zweigen und die Synapsen den Blättern dieser Zweige ähneln.
Als Mehta und Kumar das synaptische Lernen anhand der Position der Synapsen auf den dendritischen Zweigen verglichen, war das, was sie fanden, signifikant: Die optimale Frequenz für die Induktion des synaptischen Lernens änderte sich je nachdem, wo sich die Synapse befand. Je weiter die Synapse vom Zellkörper des Neurons entfernt ist, desto höher ist die optimale Frequenz.
"Unglaublich, wenn es um das Lernen geht, verhält sich das Neuron wie eine riesige Antenne, mit verschiedenen Zweigen von Dendriten, die für maximales Lernen auf verschiedene Frequenzen abgestimmt sind", sagte Mehta.
Die Forscher fanden heraus, dass nicht nur jede Synapse eine bevorzugte Frequenz hat, um ein optimales Lernen zu erreichen, sondern dass für den besten Effekt die Frequenz in exakten Intervallen perfekt rhythmisch abgestimmt sein muss. Selbst bei der optimalen Frequenz wurde das synaptische Lernen erheblich verringert, wenn der Rhythmus abgeschaltet wurde.
Ihre Forschung zeigte auch, dass sich die optimale Frequenz einer Synapse ändert, sobald sie gelernt hat. Mit anderen Worten, wenn die optimale Frequenz für eine naive Synapse - eine, die noch nichts gelernt hat - beispielsweise 30 Spitzen pro Sekunde wäre, würde dieselbe Synapse nach dem Lernen optimal bei einer niedrigeren Frequenz lernen, beispielsweise 24 Spitzen pro Sekunde . Das Lernen selbst ändert also die optimale Frequenz für eine Synapse.
Dieser lerninduzierte „Verstimmungsprozess“ hat wichtige Auswirkungen auf die Behandlung von Störungen im Zusammenhang mit dem Vergessen, wie beispielsweise der posttraumatischen Belastungsstörung, so die Forscher.
Obwohl viel mehr Forschung erforderlich ist, eröffnen die Ergebnisse die Möglichkeit, dass Medikamente entwickelt werden könnten, um den Gehirnrhythmus von Menschen mit Lern- oder Gedächtnisstörungen „neu abzustimmen“, oder dass viel mehr von uns Einstein oder Mozart werden könnten, wenn der optimale Gehirnrhythmus erreicht würde zu jeder Synapse.
"Wir wissen bereits, dass es Medikamente und elektrische Reize gibt, die den Gehirnrhythmus verändern können", sagte Mehta. "Unsere Ergebnisse legen nahe, dass wir diese Tools verwenden können, um den optimalen Gehirnrhythmus für gezielte Verbindungen bereitzustellen und so das Lernen zu verbessern."
Quelle: UCLA
