Die Neurowissenschaft, um Ihre verlorenen Schlüssel zu finden

Die Neurowissenschaft, um Ihre verlorenen Schlüssel zu finden

Salk-Wissenschaftler entdecken, wie das Gehirn ähnliche, aber unterschiedliche Erinnerungen verfolgt

LA JOLLA, CA – Haben Sie sich schon einmal an einem Montagmorgen den Kopf zerbrochen, um sich daran zu erinnern, wo Sie Ihre Autoschlüssel hingelegt haben?

Wenn Sie diese Schlüssel finden, können Sie sich beim Hippocampus bedanken, einer Gehirnregion, die für das Speichern und Abrufen von Erinnerungen an verschiedene Umgebungen verantwortlich ist – beispielsweise an den Raum, in dem Ihre Schlüssel an einem ungewöhnlichen Ort versteckt waren.

Jetzt haben Wissenschaftler dazu beigetragen, zu erklären, wie das Gehirn den Überblick über die unglaublich vielfältigen und komplexen Umgebungen behält, in denen sich Menschen täglich bewegen. Sie entdeckten, wie der Gyrus dentatus, eine Unterregion des Hippocampus, dabei hilft, Erinnerungen an ähnliche Ereignisse und Umgebungen getrennt zu halten, eine Entdeckung, über die sie am 20. März berichteten eLife. Die Ergebnisse, die klären, wie das Gehirn Erinnerungen speichert und zwischen ihnen unterscheidet, können auch dabei helfen, herauszufinden, wie neurodegenerative Erkrankungen wie z Alzheimer-Krankheit, Menschen dieser Fähigkeiten berauben.

Salk-Forscher haben herausgefunden, wie das Gehirn ähnliche, aber unterschiedliche Erinnerungen verfolgt. Dieses Mikroskopbild zeigt die neuronale Aktivität im Gyrus dentatus, einem Unterabschnitt des Hippocampus, in dem verschiedene Zellgruppen während der Lernepisoden (grün) und des Gedächtnisabrufs (rot) aktiv waren.

Mit freundlicher Genehmigung von Wei Deng, Salk Institute for Biological Studies

„Jeden Tag müssen wir uns an die subtilen Unterschiede erinnern, wie die Dinge heute und gestern waren – von dem Ort, an dem wir unser Auto geparkt haben, bis zu dem Ort, an dem wir unser Mobiltelefon gelassen haben“, sagt er Fred H. Gage, leitender Autor des Artikels und der
Vi und John Adler Lehrstuhl für Forschung zu altersbedingten neurodegenerativen Erkrankungen an der Salk. „Wir haben herausgefunden, wie das Gehirn diese Unterscheidungen trifft, indem wir separate ‚Aufzeichnungen‘ jeder Umgebung im Gyrus dentatus speichern.“

Der Prozess, komplexe Erinnerungen in Darstellungen umzuwandeln, die weniger leicht zu verwechseln sind, wird als Mustertrennung bezeichnet. Computermodelle der Gehirnfunktion legen nahe, dass der Gyrus dentatus uns bei der Mustertrennung von Erinnerungen hilft, indem er verschiedene Gruppen von Neuronen aktiviert, wenn sich ein Tier in unterschiedlichen Umgebungen befindet.

Frühere Laborstudien ergaben jedoch, dass tatsächlich dieselben Neuronenpopulationen im Gyrus dentatus in unterschiedlichen Umgebungen aktiv sind und dass die Zellen neue Umgebungen dadurch unterschieden, dass sie die Geschwindigkeit änderten, mit der sie elektrische Impulse sendeten. Diese Diskrepanz zwischen theoretischen Vorhersagen und Laborergebnissen hat Neurowissenschaftler verwirrt und unser Verständnis der Gedächtnisbildung und des Gedächtnisabrufs getrübt.

Um dieses Rätsel tiefer zu erforschen, verglichen die Salk-Wissenschaftler die Funktion des Gyrus dentatus der Maus mit einer anderen Region des Hippocampus, bekannt als CA1, und verwendeten dabei Labortechniken zur Verfolgung der Aktivität von Neuronen zu mehreren Zeitpunkten.

Zuerst nahmen die Forscher Mäuse aus ihrer ursprünglichen Kammer und setzten sie in eine neuartige Kammer, um mehr über eine neue Umgebung zu erfahren (Folge 1). Währenddessen zeichneten sie auf, welche Hippocampus-Neuronen aktiv waren, als die Tiere auf ihre neue Umgebung reagierten. Anschließend wurden die Mäuse entweder in dieselbe neuartige Kammer zurückgebracht, um den Gedächtnisabruf zu messen, oder in eine leicht modifizierte Kammer, um die Diskriminierung zu messen (Folge 2). Die aktiven Neuronen in Episode 2 wurden ebenfalls markiert, um festzustellen, ob die in Episode 1 aktivierten Neuronen auf die gleiche Weise zum Abrufen und zur Unterscheidung kleiner Unterschiede zwischen Umgebungen verwendet wurden.

Als die Forscher die neuronale Aktivität während der beiden Episoden verglichen, stellten sie fest, dass der Gyrus dentatus und die CA1-Unterregionen unterschiedlich funktionierten. In CA1 waren dieselben Neuronen, die während der ersten Lernepisode aktiv waren, auch aktiv, als die Mäuse die Erinnerungen abgerufen haben. Im Gyrus dentatus waren jedoch während der Lernepisoden und des Abrufs bestimmte Gruppen von Zellen aktiv. Wenn die Mäuse außerdem zwei subtil unterschiedlichen Umgebungen ausgesetzt wurden, wurden zwei unterschiedliche Zellgruppen im Gyrus dentatus aktiviert.

„Dieser Befund stützte die Vorhersagen theoretischer Modelle, dass verschiedene Gruppen von Zellen aktiviert werden, wenn sie ähnlichen, aber unterschiedlichen Umgebungen ausgesetzt werden“, sagt Wei Deng, Postdoktorand bei Salk und Erstautor der Arbeit. „Dies steht im Gegensatz zu den Ergebnissen früherer Laborstudien, möglicherweise weil sie verschiedene Subpopulationen von Neuronen im Gyrus dentatus untersuchten.“

Die Ergebnisse der Salk-Forscher legen nahe, dass das Abrufen einer Erinnerung – etwa der Position fehlender Schlüssel – nicht immer die Reaktivierung derselben Neuronen beinhaltet, die während der Kodierung aktiv waren. Noch wichtiger ist, dass die Ergebnisse darauf hinweisen, dass der Gyrus dentatus eine Mustertrennung durchführt, indem er unterschiedliche Zellpopulationen verwendet, um ähnliche, aber nicht identische Erinnerungen darzustellen.

Die Ergebnisse tragen zur Aufklärung der Mechanismen bei, die der Gedächtnisbildung zugrunde liegen, und geben Aufschluss über Systeme, die durch Verletzungen und Erkrankungen des Nervensystems gestört sind.

Mark Mayford vom Scripps Institute Research Institute trug ebenfalls zu der Forschung bei. Die Studie wurde unterstützt von der James S. McDonnell-Stiftung, der Lookout Fund, der Kavli-Institut für Gehirn und Geistund der National Institutes of Health (Zuschüsse: MH-090258, NS-050217, AG-020938).

Über das Salk Institute for Biological Studies:
Das Salk Institute for Biological Studies ist eine der weltweit herausragenden Grundlagenforschungseinrichtungen, in der international renommierte Dozenten in einem einzigartigen, kollaborativen und kreativen Umfeld grundlegende Fragen der Biowissenschaften untersuchen. Salk-Wissenschaftler konzentrieren sich sowohl auf Entdeckungen als auch auf die Betreuung zukünftiger Forschergenerationen und leisten bahnbrechende Beiträge zu unserem Verständnis von Krebs, Alterung, Alzheimer, Diabetes und Infektionskrankheiten, indem sie Neurowissenschaften, Genetik, Zell- und Pflanzenbiologie und verwandte Disziplinen studieren.

Die Leistungen der Fakultät wurden mit zahlreichen Ehrungen gewürdigt, darunter Nobelpreise und Mitgliedschaften in der National Academy of Sciences. Das 1960 vom Polioimpfpionier Jonas Salk, MD, gegründete Institut ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation und ein architektonisches Wahrzeichen.