Neue Erinnerungen zu schaffen ist ein Balanceakt

Neue Erinnerungen zu schaffen ist ein Balanceakt

Salk-Wissenschaftler entdecken, dass die Speicherkapazität des Gehirns dynamisch ist und je nach Region variiert

LA JOLLA – Diejenigen von uns, die dem touristischen Schnickschnack nicht widerstehen können, sind große Fans von Koffern mit erweiterbarem Fach. Nun stellt sich heraus, dass auch die Fähigkeit des Gehirns, neue Erinnerungen zu speichern, mit Einschränkungen erweiterbar ist.

Wissenschaftler und Mitarbeiter des Salk Institute an der University of Texas in Austin und der University of Otago in Neuseeland haben herausgefunden, dass sich Verbindungen im Gehirn nicht nur nach Bedarf erweitern, wenn man neue Dinge lernt oder erlebt, sondern dass andere dadurch auch schrumpfen . Die Arbeit, die Aufschluss über Erkrankungen geben könnte, bei denen die Gedächtnisbildung beeinträchtigt ist, wie etwa Depressionen oder die Alzheimer-Krankheit, erschien in Proceedings of the National Academy of Sciences Februar 20, 2018.

„Das Gehirn hat die Fähigkeit, an den Synapsen zwischen Nervenzellen eine immense Menge an Informationen zu speichern“, sagt Professor Terrence Sejnowski, Leiter des Salk's Computational Neurobiology Laboratory und Mitautor der neuen Arbeit. „Obwohl wir es schon wussten woher Erinnerungen werden gespeichert, diese Arbeit hilft bei der Klärung wie sie werden gespeichert.“

Jedes Mal, wenn Sie etwas Neues betrachten oder einen neuen Gedanken haben, übermitteln Millionen von Gehirnzellen diese Informationen in Form elektrischer und chemischer Signale über winzige Lücken, sogenannte Synapsen, untereinander. Es war bekannt, dass Synapsen größer werden können – das heißt, dass sie mit größerer Wahrscheinlichkeit Chemikalien freisetzen (oder mehr davon freisetzen), um Informationen besser an empfangende Neuronen zu übermitteln. Über die normale Funktion und Störungen der synaptischen Kommunikation ist jedoch wenig bekannt. Letztere ist ein Kennzeichen vieler neuropsychiatrischer Erkrankungen und Gedächtnisstörungen.

Zuvor nutzte Sejnowski 3D-Computerrekonstruktionen und -Modelle, um dies aufzudecken Die Gedächtniskapazität des Gehirns ist zehnmal größer als bisher angenommen. In der neuen Arbeit beschlossen er und Mitarbeiter in Texas und Neuseeland, die Gehirnfunktion weiter zu untersuchen, indem sie eine für das Gedächtnis wichtige Region im Gehirn von Nagetieren stimulierten, den sogenannten Hippocampus. Dies ermöglichte es den Forschern, unter sehr kontrollierten Bedingungen die Wirkung nachzuahmen, die eine neue Erfahrung auf eine Gehirnregion haben würde, die bei Säugetieren üblich ist.

Die Forscher bildeten die Hippocampus-Gehirnproben mittels Elektronenmikroskopie ab und analysierten die resultierenden Daten. Sie erwarteten, dass die Synapsen größer werden, was sie bekanntermaßen in einem Lernprozess tun, der als Langzeitpotenzierung bekannt ist. Was sie nicht erwartet hatten, aber herausfanden, war, dass einige Synapsen kleiner wurden, während einige Synapsen größer wurden.

„Es ist eine intuitive Vorstellung, dass die Synapsen stärker und größer werden, wenn wir etwas Neues lernen“, sagt Sejnowski. „Das zeigt, dass es ein Gleichgewicht gibt: Manche werden stärker, manche werden schwächer.“

Laut Sejnowski sind die Ergebnisse sinnvoll, denn wenn die Synapsen nur größer würden, würden sie an ihre Grenzen stoßen und es könnten keine neuen Informationen gespeichert werden, aber dies ist das erste Mal, dass der Zusammenhang nachgewiesen wurde. Die Arbeit zeigt auch, dass durch die Vergrößerung des Synapsengrößenbereichs die Gesamtspeicherkapazität zunimmt – es können mehr große und kleine Synapsen vorhanden sein.

Als das Team quantitativ abschätzte, wie viele synaptische Informationen in zwei verschiedenen Bereichen des Hippocampus – dem Gyrus dentatus und CA1 – gespeichert werden könnten, schwankten die Mengen interessanterweise dramatisch, was möglicherweise mit Unterschieden in ihren Funktionen zusammenhängt.

„Wir hoffen, viele zusätzliche Fragen untersuchen zu können, beispielsweise ob die Zunahme der Informationsspeicherung mit einer kompensatorischen Abnahme der Informationsspeicherkapazität in angrenzenden Schichten einhergeht und wie lange die vorübergehende Erhöhung der Speicherkapazität an bestimmten Synapsen anhält“, sagt Cailey Bromer, a Salk-wissenschaftlicher Mitarbeiter und Erstautor der Studie.

Weitere Autoren waren Thomas M. Bartol aus Salk; Jared B. Bowden, Dusten D. Hubbard, Dakota C. Hanka, Paola V. Gonzalez, Masaaki Kuwajima, John M. Mendenhall und Patrick H. Parker von der University of Otago; und Wickliffe C. Abraham und Kristen M. Harris von der University of Texas in Austin.

Die Arbeit wurde durch die NIH Grants NS21184, MH095980 und MH104319 finanziert; National Science Foundation NeuroNex Grant 1707356; Zuschüsse GM103712 und MH079076; ein Postgraduiertenstipendium der University of Otago; der Texas Emerging Technologies Fund; und das Howard Hughes Medical Institute.