„Prinzessin Leia“-Gehirnwellen helfen dem schlafenden Gehirn, Erinnerungen zu speichern

„Prinzessin Leia“-Gehirnwellen helfen dem schlafenden Gehirn, Erinnerungen zu speichern

Salk-Forscher entdecken rotierende Wellen der Gehirnaktivität, die sich nachts wiederholen

LA JOLLA – Jede Nacht, während Sie schlafen, kreisen elektrische Wellen der Gehirnaktivität um jede Seite Ihres Gehirns und zeichnen ein Muster nach, das, wenn es auf der Oberfläche Ihres Kopfes wäre, wie die doppelten Haarknoten von Prinzessin Leia aus Star Wars aussehen könnte. Die Wissenschaftler des Salk Institute, die diese kreisförmigen „Prinzessin Leia“-Schwingungen entdeckt haben, die in der Zeitschrift beschrieben werden eLifeIch glaube, dass die Wellen jede Nacht dafür verantwortlich sind, Assoziationen zwischen verschiedenen Aspekten der Erinnerungen eines Tages herzustellen.

„Das Ausmaß und die Geschwindigkeit der Prinzessin-Leia-Wellen im Kortex sind beispiellos, eine Entdeckung, die die Hirnforschung durch die Initiative Advancing Innovative Neurotechnologies (BRAIN) vorantreibt“, sagt er Terrence Sejnowski, Leiter des Computational Neurobiology Laboratory von Salk.

Das Kurzzeitgedächtnis von Ereignissen wird in einem Bereich des Gehirns gespeichert, der Hippocampus genannt wird. Langzeitgedächtnisse sind jedoch im Neokortex kodiert. Die Übertragung von Erinnerungen vom Hippocampus zum Neokortex wird Gedächtniskonsolidierung genannt und findet im Schlaf statt.

Schlafspindeln – eine Art Gehirnwellenmuster, das bekanntermaßen in den frühesten Stadien des Nicht-REM-Schlafs auftritt – werden mit der Gedächtniskonsolidierung in Verbindung gebracht. Frühere Studien zeigten, dass je mehr Schlafspindeln ein menschliches Gehirn über Nacht aufweist, desto mehr Zahlen kann man sich am nächsten Tag merken. Doch wie genau diese Schlafspindeln mit dem Gedächtnis zusammenhängen, war unklar, und die Wissenschaftler waren durch die Tatsache eingeschränkt, dass Elektroden diese Spindeln jeweils nur an einer Stelle im Gehirn erkennen konnten.

„Lange Zeit mussten neurowissenschaftliche Forscher die Aktivität an jeweils einem Punkt im Gehirn aufzeichnen und viele Datenpunkte zusammenfügen, ohne das Gesamtbild gleichzeitig zu sehen“, sagt Lyle Muller, wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Salk und Erstautor der neuen Arbeit . Wissenschaftler hatten lange geglaubt, dass jede Schlafspindelschwingung überall im Neokortex des Gehirns gleichzeitig ihren Höhepunkt erreicht.

Sejnowski und Muller wollten jedoch das Gesamtbild sehen und wandten sich groß angelegten Aufzeichnungen zu, sogenannten intrakraniellen Elektrokortikogrammen (ECoGs), mit denen die Aktivität in vielen Bereichen des Gehirns gleichzeitig gemessen werden kann. Patienten mit Epilepsie werden häufig vorübergehend ECoG-Arrays ins Gehirn implantiert, um den Ort epileptischer Anfälle im Gehirn zu bestimmen. Daher konnten die Wissenschaftler alle Daten untersuchen, die von fünf dieser Patienten in gesunden, anfallsfreien Nächten gesammelt wurden.

Als sie die ECoG-Daten jeder Nacht auswerteten, erlebten die Forscher eine Überraschung: Die Schlafspindeln erreichten nicht überall im Kortex gleichzeitig ihren Höhepunkt. Stattdessen liefen die Schwingungen in kreisförmigen Mustern um den Neokortex herum und erreichten ihren Höhepunkt in einem Bereich und dann – ein paar Millisekunden später – in einem angrenzenden Bereich.

„Wir glauben, dass diese Organisation der Gehirnaktivität es Neuronen ermöglicht, mit Neuronen in anderen Bereichen zu kommunizieren“, sagt Muller. „Die Zeitskala, mit der sich diese Wellen ausbreiten, entspricht der Geschwindigkeit, die Neuronen benötigen, um miteinander zu kommunizieren.“

Die Forscher beobachteten die ganze Nacht über die gleichen rotierenden Muster, die jeweils etwa 70 Millisekunden dauerten, sich aber im Laufe von Stunden hunderte Male wiederholten.

Warum sollten verschiedene Bereiche des Neokortex kommunizieren, um Erinnerungen zu speichern? Ein einzelnes Gedächtnis besteht aus verschiedenen Komponenten (Geruch, Ton, Bilder), die in verschiedenen Bereichen des Kortex gespeichert sind. Während eine Erinnerung konsolidiert wird, helfen nach der Hypothese von Muller und Sejnowski kreisförmige Schlafspindelwellen dabei, die Verbindungen zwischen diesen verschiedenen Aspekten einer einzelnen Erinnerung herzustellen.

„Wenn wir verstehen, wie Erinnerungen im Gehirn auf diese Weise verknüpft werden, könnten wir möglicherweise Methoden entwickeln, um Erinnerungen nach einem Trauma zu stören“, sagt Sejnowski. „Es gibt auch Störungen, einschließlich Schizophrenie, die sich auf die Schlafspindeln auswirken, daher ist dies wirklich ein interessantes Thema, das man weiter studieren sollte.“

Weitere Forscher an der Studie waren Dominik Koller vom Salk Institute; Giovanni Piantoni und Sydney S. Cash von Massachusetts General Hospital; und Eric Halgren von der University of California San Diego.

Die Arbeit und die beteiligten Forscher wurden durch Zuschüsse des gefördert National Institutes of Health, Howard Hughes Medical Institute, hat das Swartz-Stiftung und der Büro für Marineforschung.