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Wie werden Erinnerungen im Gehirn gespeichert?

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Ich habe eine Weile darüber nachgedacht und kann nicht herausfinden, wie eine Erinnerung im Gehirn gespeichert werden kann.

Mir ist bewusst, dass wichtige Erinnerungen, wie zum Beispiel eine Nahtoderfahrung, die Geburt Ihres Kindes oder Ihr Hochzeitstag, gut erhalten bleiben. Aber ich kann nicht nachvollziehen, wie das im Gehirn biologisch gespeichert werden kann.


Das möchte ich erstmal betonen das Verständnis von Erinnerungen und Lernen, wie wir es kennen, steckt noch in den Kinderschuhen. Tatsächlich werden die Mechanismen des Kurzzeitgedächtnisses noch immer intensiv diskutiert.

Das Langzeitgedächtnis wird im Wesentlichen durch chemische Veränderungen in Synapsen zwischen Neuronen im Gehirn verursacht. Wenn Sie Reize aus Ihrer Umgebung wahrnehmen, folgen Aktionspotentiale einer bestimmten Spur von afferenten Neuronen in Richtung des zentralen Nervensystems, das dann eine Nachricht durch efferente Neuronen zurücksendet, um eine Reaktion auszulösen. Die hohe Frequenz dieser Aktionspotentiale aus denselben Reizen gleich welcher Richtung ermöglicht die Stärkung spezifischer Verbindungen zwischen Neuronen, die als Langzeitpotenzierung bezeichnet wird. Dieses Phänomen ist eine der Hauptkomponenten der synaptischen Plastizität, die auch für die Schwächung synaptischer Verbindungen zwischen Neuronen aufgrund fehlender Übertragung sowie für die Änderung der Anzahl der Verbindungen gilt, die die Neuronen empfangen und herstellen. Die synaptische Plastizität wird auch durch die Veränderung der Menge der Neurotransmitter beeinflusst, die in den synaptischen Spalt ausgestoßen werden, und wie Zellen auf diese Neurotransmitter reagieren, die stark durch den Kalziumspiegel reguliert wird. Letztlich wird die synaptische Plastizität in Übereinstimmung mit dem Lernen als hebbianische Theorie bezeichnet.

Wir wissen immer noch nicht genau, wo Erinnerungen im Gehirn gespeichert sind, aber wir wissen, dass der Hippocampus eine große Rolle spielt. Es hilft definitiv beim Speichern und Strukturieren von Erinnerungen in Form dieser Millionen von synaptischen Veränderungen. Schließlich ist eine Gedächtniskonsolidierung, die in anderen Regionen des Gehirns über längere Zeiträume auftritt, wahrscheinlich, wird aber von einigen immer noch diskutiert.


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Die richtige Erinnerung zur richtigen Zeit

Howard Eichenbaum hat eine neue Studie veröffentlicht, die darauf hindeutet, dass die Schaltkreise im menschlichen Gehirn, die für bestimmte Situationen geeignete Erinnerungen abrufen, große Entfernungen überspannen und einen komplexen Dialog zwischen zwei Gehirnstrukturen unterstützen. Foto von Cydney Scott

Sie haben vor, auf dem Heimweg Einkäufe für das Abendessen abzuholen. Aber jetzt sitzt du in deinem Büro, den Kaffee in der Hand. Ein Kollege fällt, indem er fragt, welche Materialien für ein bevorstehendes Meeting benötigt werden.

Ihre Antwort ist höchstwahrscheinlich nicht „Karotten“. Das liegt daran, dass das menschliche Gehirn Schaltkreise enthält, die Erinnerungen abrufen, die für die aktuelle Situation geeignet sind.

Neue Arbeiten aus dem Labor von Howard Eichenbaum, Boston University William Fairfield Warren Distinguished Professor und Direktor des Center for Memory & Brain der BU, legen nahe, dass diese Schaltung weite Strecken im Gehirn überspannt und einen komplexen Dialog zwischen zwei Gehirnstrukturen unterstützt. Die Arbeit, online veröffentlicht am 20. Juni 2016, in Natur Neurowissenschaften, gehört zu den ersten, die die Operationen eines großen Gehirnschaltkreises beschreiben, der komplexes Verhalten steuert. Durch die Aufdeckung der Details der Kommunikation zwischen Gehirnregionen, um auf geeignete Erinnerungen zuzugreifen, können die Ergebnisse klinischen Forschern Hinweise darauf geben, welche Kommunikationskanäle bei Gehirnerkrankungen, die das Gedächtnis stören, beeinträchtigt sein können.

„Das Verständnis dieses Systems hat Auswirkungen auf fast jede Störung, die das Gedächtnis beeinflusst, von Schizophrenie, Depression und Epilepsie bis hin zu traumatischen Hirnverletzungen und posttraumatischen Belastungsstörungen“, sagt Charan Ranganath, ein Neurowissenschaftler an der University of California, Davis, der Humanmedizin studiert Gedächtnis, war aber nicht an dieser Untersuchung beteiligt. „Wir sind wirklich daran interessiert, die Fähigkeit zu verstehen, Wissen zu nutzen, um Entscheidungen zu treffen.“

Nahrungssuche nach Froot Loops

Um ein komplexes menschliches Verhalten zu untersuchen, beispielsweise das Erinnern an geeignete Informationen zur richtigen Zeit, musste Eichenbaum Ratten trainieren, sich eine wichtige Information zu merken und dann einen Weg zu finden, sie zu verwenden. Also trainierte sein Team Ratten, um Froot Loops in Blumentöpfen zu finden. „Ratten sind absolut verrückt nach Froot Loops“, sagt er.

Zum Beispiel erfuhren die Ratten, dass das Müsli in Raum A in einem Topf versteckt ist, der mit süß riechenden lila Plastikperlen gefüllt ist. Aber in Raum B liegt die Ware im Topf, gefüllt mit schwarzen Papierfetzen, die würzig duften. „Ratten sind großartig mit Gerüchen und Texturen, daher verwenden wir strukturelle und olfaktorische Hinweise, um sie dazu zu bringen, ihr Gedächtnis auszudrücken“, sagt Eichenbaum.

Während die Ratten von Raum zu Raum navigieren, zeichnet Eichenbaums Team ihre Gehirnaktivität mit in das Gehirn eingeführten Elektroden auf. Sie überwachen sowohl den Hippocampus, der als Sitz des Gedächtnisses im Gehirn bekannt ist, als auch den präfrontalen Kortex, der als Koordinator angesehen wird.

Die Schaltung, die die Auswahl von Erinnerungen basierend auf dem aktuellen Kontext leitet, umfasst das Rattenhirn. Informationen fließen vom ventralen Hippocampus (vHPC) im unteren Teil des Gehirns zum präfrontalen Kortex (mPFC) und dann zurück zum dorsalen Hippocampus (dHPC), nahe der Spitze des Gehirns. Ausfälle in der Schaltung können verschiedene Arten von Speicherproblemen verursachen, einschließlich Speicherverlust und auch die Unfähigkeit zu bestimmen, welche Speicher für die aktuelle Situation geeignet sind. Diagramm mit freundlicher Genehmigung von Howard Eichenbaum

In früheren Studien hatte das Team bereits gelernt, dass Neuronen im präfrontalen Kortex in Bezug auf Signale feuern, die Belohnungen signalisieren, wie beispielsweise ein bestimmter Topf, der einen Vorrat an Froot Loops enthält. Sie hatten auch Neuronen in einer Region namens ventraler Hippocampus identifiziert, die den Raum erkennen, in dem sich die Ratte befindet. Neuronen im dorsalen Hippocampus feuern, wenn die Ratte einen zuvor gesehenen Blumentopf erkennt. In diesem jüngsten Experiment erfuhren sie, wie das Gehirn diese Informationen zusammenfügt, um eine Entscheidung zu treffen, etwa in welchen Topf man graben sollte.

Wenn die Ratte beispielsweise Raum A betritt, sendet der ventrale Hippocampus an den präfrontalen Kortex und stellt den Kontext auf Raum A ein. Der dorsale Hippocampus beginnt zu feuern, wenn er Blumentöpfe erkennt. Der präfrontale Kortex, der weiß, dass sich die Belohnung in Raum A im Topf mit lila Perlen befindet, sendet diese Informationen an den dorsalen Hippocampus und sagt ihm, auf welche Erinnerung er reagieren soll. „Die beiden Regionen arbeiten als System zusammen, eine Art Handshake“, sagt Eichenbaum. „Wir sehen auf der Ebene der Neuronen, was im kognitiven Leben passiert.“

Gedächtnis mit Zweck

Dieser Handshake ist wichtig, weil viele Dinge schief gehen können, um ihn zu unterbrechen. Als Eichenbaums Team den präfrontalen Kortex vorübergehend deaktivierte, suchten die Ratten in jedem Topf nach Nahrung, nicht weil sie die Töpfe nicht erkennen, sondern weil sie nicht wissen, welcher Topf eine Belohnung enthält, basierend auf dem Raum, in dem sie sich befinden. „Der präfrontale Kortex hat eine ganz besondere Rolle“, sagt Eichenbaum. „Es aktiviert nicht die richtigen Erinnerungen, sondern verhindert, dass die falschen Erinnerungen eindringen.“

Dieser Befund könnte für menschliche Krankheiten wie Schizophrenie relevant sein. Menschen mit dieser Störung haben keine Probleme, sich an Dinge zu erinnern, haben aber oft Schwierigkeiten, irrelevante oder unangemessene Informationen herauszufiltern. „Wenn sich der Hippocampus an etwas erinnert, ist es das Klatschen einer Hand“, sagt Ranganath. "Es hilft Ihnen nicht, es sei denn, es erreicht Bereiche, die die Informationen verwenden können, um eine Entscheidung oder Aktion zu treffen."

Es gibt keine direkte anatomische Verbindung im Gehirn zwischen dem präfrontalen Kortex und dem dorsalen Hippocampus, daher ist nicht klar, wie Nachrichten zwischen ihnen weitergegeben werden. Eichenbaums Studien deuten jedoch darauf hin, dass es möglicherweise einen indirekten, bidirektionalen Weg gibt, der langsame, pulsierende Gehirnrhythmen, sogenannte Theta-Rhythmen, beinhaltet. Diese Rhythmen haben ihren Ursprung in tiefen Strukturen in der Mitte des Gehirns, synchronisieren sich zwischen dem Hippocampus und dem präfrontalen Kortex und ermöglichen den Informationsfluss zwischen ihnen.

Um diese Möglichkeit zu untersuchen, verwendet Eichenbaum die Optogenetik, ein leistungsstarkes Werkzeug, mit dem Forscher bestimmte Neuronen im Gehirn von Ratten so konfigurieren können, dass sie mit Laserlicht ein- oder ausgeschaltet werden können. „Wir hoffen, den gesamten Weg des für diesen Dialog entscheidenden Rundkurses nachzeichnen zu können“, sagt Eichenbaum.

Theta-Rhythmen sind auch für Forscher wie Ranganath ein wichtiger Hinweis. „Wir müssen die Theta-Aktivität im menschlichen Gehirn jetzt untersuchen, da wir glauben, dass sie mit Ihrer Fähigkeit zusammenhängt, sich an die Dinge zu erinnern, an die Sie sich erinnern müssen, wenn Sie sich daran erinnern müssen“, sagt er.


Implizite und explizite Erinnerungen

Bildnachweis: Nabakishorec

Wir haben zwei Arten von Erinnerungen, implizite und explizite. Implizite Erinnerungen beinhalten Reptilien- und limbische Gehirnzentren, insbesondere die Amygdala. Diese werden manchmal als Körpererinnerungen bezeichnet oder nonverbale Erinnerungen weil sie als motorische Muster und Empfindungen gespeichert sind. Beispiele für eine implizite traumatische Erinnerung können ein plötzliches Übelkeitsgefühl, Panik oder eingefrorenes Gefühl sein, mit oder ohne ein klares Verständnis dafür, warum dies jetzt geschieht.

Explizite Erinnerungen sind Langzeitgedächtnisse, die unser Wissen über grundlegende Fakten und eine Abfolge von Ereignissen einschließlich Zeit und Ort umfassen. Unsere expliziten Erinnerungen beruhen auf dem hippocampalen Konsolidierungsprozess. Explizite Erinnerungen verlassen sich auf das Broca-Gebiet, ein Sprachgebiet im Kortex, das dir hilft, deine Erfahrungen in Worte zu fassen.


Neurowissenschaftler pflanzen falsche Erinnerungen ins Gehirn

Bilder zum Herunterladen auf der Website des MIT-Nachrichtenbüros werden nicht-kommerziellen Einrichtungen, der Presse und der allgemeinen Öffentlichkeit unter einer Creative Commons Attribution Non-Commercial No Derivatives-Lizenz zur Verfügung gestellt. Sie dürfen die bereitgestellten Bilder nicht verändern, außer sie auf die Größe zuzuschneiden. Bei der Reproduktion von Bildern muss eine Kreditlinie verwendet werden, wenn unten keine angegeben ist, die Bilder "MIT" gutschreiben.

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Das Phänomen der falschen Erinnerung ist gut dokumentiert: In vielen Gerichtsverfahren wurden Angeklagte aufgrund von Zeugenaussagen und Opfern, die sich ihrer Erinnerung sicher waren, für schuldig befunden, aber DNA-Beweise hoben die Verurteilung später auf.

Um zu verstehen, wie diese fehlerhaften Erinnerungen entstehen, haben MIT-Neurowissenschaftler gezeigt, dass sie falsche Erinnerungen in das Gehirn von Mäusen einpflanzen können. Sie fanden auch heraus, dass viele der neurologischen Spuren dieser Erinnerungen mit denen authentischer Erinnerungen identisch sind.

„Ob es sich um eine falsche oder echte Erinnerung handelt, der neuronale Mechanismus des Gehirns, der dem Abruf der Erinnerung zugrunde liegt, ist der gleiche“, sagt Susumu Tonegawa, Picower-Professor für Biologie und Neurowissenschaften und leitender Autor eines Artikels, der die Ergebnisse in der Ausgabe vom 25. Juli beschreibt Wissenschaft.

Die Studie liefert auch weitere Beweise dafür, dass Erinnerungen in Netzwerken von Neuronen gespeichert werden, die für jede Erfahrung, die wir haben, Erinnerungsspuren bilden – ein Phänomen, das Tonegawas Labor erstmals im vergangenen Jahr demonstrierte.

Neurowissenschaftler haben lange nach dem Ort dieser Erinnerungsspuren gesucht, die auch Engramme genannt werden. In den beiden Studien zeigten Tonegawa und Kollegen am Picower Institute for Learning and Memory des MIT, dass sie die Zellen identifizieren können, die einen Teil eines Engramms für ein bestimmtes Gedächtnis bilden, und es mithilfe einer Technologie namens Optogenetik reaktivieren.

Hauptautoren des Papiers sind der Doktorand Steve Ramirez und der Forscher Xu Liu. Weitere Autoren sind die technische Assistentin Pei-Ann Lin, der Forscher Junghyup Suh sowie die Postdocs Michele Pignatelli, Roger Redondo und Tomas Ryan.

Auf der Suche nach dem Engramm

Episodische Erinnerungen – Erinnerungen an Erfahrungen – bestehen aus Assoziationen verschiedener Elemente, einschließlich Objekten, Raum und Zeit. Diese Assoziationen werden durch chemische und physikalische Veränderungen in Neuronen sowie durch Modifikationen der Verbindungen zwischen den Neuronen kodiert.

Wo sich diese Engramme im Gehirn befinden, ist seit langem eine Frage der Neurowissenschaften. „Sind die Informationen in verschiedenen Teilen des Gehirns verteilt oder gibt es einen bestimmten Bereich des Gehirns, in dem diese Art von Gedächtnis gespeichert ist? Das war eine sehr grundlegende Frage“, sagt Tonegawa.

In den 1940er Jahren schlug der kanadische Neurochirurg Wilder Penfield vor, dass sich episodische Erinnerungen im Schläfenlappen des Gehirns befinden. Als Penfield Zellen in den Schläfenlappen von Patienten, die kurz vor einer Operation zur Behandlung von epileptischen Anfällen standen, elektrisch stimulierte, berichteten die Patienten, dass ihnen bestimmte Erinnerungen in den Sinn kamen. Spätere Studien des amnesischen Patienten, bekannt als "H.M." bestätigten, dass der Temporallappen, einschließlich des als Hippocampus bekannten Bereichs, entscheidend für die Bildung episodischer Erinnerungen ist.

Diese Studien haben jedoch nicht bewiesen, dass Engramme tatsächlich im Hippocampus gespeichert werden, sagt Tonegawa. Um dies zu belegen, mussten die Wissenschaftler zeigen, dass die Aktivierung bestimmter Gruppen von Hippocampuszellen ausreicht, um Erinnerungen zu erzeugen und abzurufen.

Um dies zu erreichen, wandte sich Tonegawas Labor der Optogenetik zu, einer neuen Technologie, mit der Zellen mit Licht selektiv ein- oder ausgeschaltet werden können.

Für dieses Studienpaar konstruierten die Forscher Hippocampuszellen der Maus, um das Gen für Channelrhodopsin zu exprimieren, ein Protein, das Neuronen aktiviert, wenn es durch Licht stimuliert wird. Sie modifizierten das Gen auch so, dass Channelrhodopsin produziert wurde, wenn das c-fos-Gen, das für die Gedächtnisbildung notwendig ist, eingeschaltet wurde.

In der letztjährigen Studie konditionierten die Forscher diese Mäuse, um eine bestimmte Kammer zu fürchten, indem sie einen leichten Stromschlag verabreichten. Als dieser Speicher gebildet wurde, wurde das c-fos-Gen zusammen mit dem gentechnisch veränderten Channelrhodopsin-Gen eingeschaltet. Auf diese Weise wurden Zellen, die für die Gedächtnisspur kodieren, mit lichtempfindlichen Proteinen „markiert“.

Als die Mäuse am nächsten Tag in eine andere Kammer gesteckt wurden, die sie noch nie zuvor gesehen hatten, verhielten sie sich normal. Als die Forscher jedoch einen Lichtimpuls an den Hippocampus schickten, der die mit Channelrhodopsin markierten Gedächtniszellen stimulierte, erstarrten die Mäuse vor Angst, als das Gedächtnis des Vortages reaktiviert wurde.

„Im Vergleich zu den meisten Studien, die das Gehirn als Blackbox behandeln, während sie von außen nach innen zugreifen, ist dies so, als würden wir versuchen, das Gehirn von innen nach außen zu untersuchen“, sagt Liu. „Die Technologie, die wir für diese Studie entwickelt haben, ermöglicht es uns, den Gedächtnisprozess zu analysieren und sogar möglicherweise daran zu basteln, indem wir die Gehirnzellen direkt steuern.“

Falsche Erinnerungen aufnehmen

Genau das taten die Forscher in der neuen Studie – sie untersuchten, ob sie diese reaktivierten Engramme verwenden könnten, um falsche Erinnerungen in die Gehirne der Mäuse einzupflanzen.

Zuerst platzierten die Forscher die Mäuse in einer neuartigen Kammer, A, gaben jedoch keine Schocks ab. Als die Mäuse diese Kammer erforschten, wurden ihre Gedächtniszellen mit Channelrhodopsin markiert. Am nächsten Tag wurden die Mäuse in eine zweite, ganz andere Kammer B gesetzt. Nach einer Weile erhielten die Mäuse einen leichten Fußschock. Im selben Moment aktivierten die Forscher mit Licht die Zellen, die das Gedächtnis der Kammer A kodieren.

Am dritten Tag wurden die Mäuse wieder in Kammer A gesetzt, wo sie nun vor Angst erstarrten, obwohl sie dort noch nie geschockt worden waren. Es war eine falsche Erinnerung entstanden: Die Mäuse fürchteten die Erinnerung an Kammer A, weil sie bei der Schockabgabe in Kammer B die Erinnerung an Kammer A noch einmal durchlebten.

Darüber hinaus schien diese falsche Erinnerung mit einer echten Erinnerung an Kammer B zu konkurrieren, fanden die Forscher heraus. Diese Mäuse erfroren auch, wenn sie in Kammer B platziert wurden, aber nicht so viel wie Mäuse, die in Kammer B einen Schock erhalten hatten, ohne dass der Speicher von Kammer A aktiviert war.

Die Forscher zeigten dann, dass unmittelbar nach dem Abruf des falschen Gedächtnisses auch die neuronale Aktivität in der Amygdala, einem Angstzentrum im Gehirn, das Gedächtnisinformationen vom Hippocampus empfängt, erhöht war, genau wie wenn die Mäuse eine echte Erinnerung abrufen.

Diese beiden Veröffentlichungen stellen einen großen Fortschritt in der Gedächtnisforschung dar, sagt Howard Eichenbaum, Professor für Psychologie und Direktor des Center for Memory and Brain der Boston University.

„Sie identifizierten ein neuronales Netzwerk, das mit der Erfahrung in einer Umgebung in Verbindung steht, verbanden damit eine Angstassoziation und reaktivierten das Netzwerk dann, um zu zeigen, dass es den Gedächtnisausdruck unterstützt. Das zeigt für mich zum ersten Mal ein echtes funktionales Engramm“, sagt Eichenbaum, der nicht Teil des Forschungsteams war.

Das MIT-Team plant nun weitere Studien, wie Erinnerungen im Gehirn verzerrt werden können.

„Jetzt, wo wir Erinnerungen im Gehirn reaktivieren und verändern können, können wir anfangen, Fragen zu stellen, die einst das Reich der Philosophie waren“, sagt Ramirez. „Gibt es mehrere Bedingungen, die zur Bildung falscher Erinnerungen führen? Können falsche Erinnerungen an sowohl angenehme als auch aversive Ereignisse künstlich erzeugt werden? Was ist mit falschen Erinnerungen für mehr als nur Kontexte – falsche Erinnerungen für Gegenstände, Nahrung oder andere Mäuse? Das sind die einst Science-Fiction-Fragen, die jetzt im Labor experimentell angegangen werden können.“


Gedächtnisverlust und -schwierigkeiten

Es ist kein Geheimnis, dass unser Gehirn ebenso wie unser Gehirn eine unglaubliche Fähigkeit hat, Informationen zu verarbeiten und Erinnerungen zu entwickeln, es aber auch Erinnerungen „verlieren“ kann. Verletzungen, Traumata und bestimmte Krankheiten können die Art und Weise, wie wir uns an Dinge erinnern, beeinflussen und sogar den Anschein erwecken, dass bestimmte Erinnerungen für immer verschwunden sind. Aber was genau passiert, wenn wir eine Erinnerung „verlieren“?

Da die Mechanismen in Bezug auf Gedanken und die Art und Weise, wie wir Erinnerungen speichern, noch nicht sehr gut verstanden sind, ist es schwer zu sagen, was genau passiert, wenn wir etwas vergessen. In einigen Fällen scheint der Gedächtnisverlust vorübergehend zu sein, während er in anderen dauerhafter aussieht. Durch die Untersuchung der verschiedenen Ursachen von Gedächtnisverlust können wir einige nützliche Erkenntnisse gewinnen.

Retrograde vs. anterograde Amnesie

In Filmen, die Patienten mit Amnesie zeigen, ist es oft der Fall, dass sich diese Charaktere nicht an ihre Vergangenheit erinnern können. Diese Form der Amnesie wird medizinisch als retrograde Amnesie bezeichnet. Retrograde Amnesie kann durch Krankheit oder Verletzung verursacht werden und befasst sich explizit mit Erinnerungen, die vor einer Krankheit oder Verletzung gespeichert wurden. Die Fähigkeit, neue Konzepte zu erlernen, wird in der Regel nicht beeinträchtigt.

Im Gegensatz dazu bewahrt die anterograde Amnesie alte Erinnerungen und verhindert die Entwicklung neuer Erinnerungen. Aufgrund des Mysteriums, wie das Gehirn Erinnerungen speichert, ist die anterograde Amnesie sehr schwer zu verstehen. Darüber hinaus wirft diese Art der Amnesie eine Vielzahl von Fragen auf, wie Erinnerungen gebildet und gespeichert werden.

Demenz und Alzheimer

Der Begriff Demenz bezieht sich auf eine Gruppe von Krankheiten, die zu einem langsamen Rückgang der Denk- und Erinnerungsfähigkeit führen. Die Alzheimer-Krankheit ist die häufigste Erkrankung im Zusammenhang mit Demenz und auch die häufigste Ursache dafür.

Obwohl die Alzheimer-Krankheit die meisten Demenzfälle verursacht, gibt es mehrere andere Ursachen für Demenz. Einige dieser Ursachen sind reversibel, was auf ein hohes Maß an Plastizität im Gehirn hindeutet. Es gibt jedoch kein definiertes Heilmittel für die Alzheimer-Krankheit oder Demenz im Allgemeinen, was unser allgemeines Unverständnis des menschlichen Geistes unterstreicht.

Insgesamt ist der Mechanismus, der bestimmt, wie das menschliche Gehirn Erinnerungen erzeugt und Gedanken verarbeitet, kompliziert. Neurowissenschaftler erforschen ständig neue Theorien und stellen bisherige Vorstellungen über den menschlichen Geist in Frage.

Mit der Entwicklung neuer Technologien haben Wissenschaftler große Hoffnungen, ein besseres Verständnis des Gehirns und all seiner Feinheiten zu erlangen. Bis wir jedoch die subtilen Prozesse verstehen, die unsere Fähigkeit zum Denken und Speichern von Informationen erzeugen, ist es unwahrscheinlich, dass wir ein besseres Verständnis von Krankheiten erlangen, die unsere Fähigkeit beeinträchtigen, unsere Erinnerungen zu erstellen und darauf zuzugreifen.


Verschiedene 'Neuronensembles' für unterschiedliche Erinnerungen

Erinnerungen entstehen, wenn bestimmte Gruppen von Neuronen reaktiviert werden. Im Gehirn führt jeder Reiz zu einem bestimmten Muster neuronaler Aktivität – bestimmte Neuronen werden in mehr oder weniger einer bestimmten Reihenfolge aktiv. Wenn du an deine Katze oder dein Zuhause oder deinen fünften Geburtstagskuchen denkst, anders Ensembles, oder Gruppen von Neuronen werden aktiv. Die Theorie besagt, dass die Verstärkung oder Schwächung von Synapsen das Auftreten bestimmter Muster neuronaler Aktivität mehr oder weniger wahrscheinlich macht.

Als Fünfjähriger hätte man sich beim Wort „Haus“ vielleicht eine Zeichnung eines Hauses vorgestellt. Wenn Sie als Erwachsener dasselbe Wort hören, können Sie sich Ihr eigenes Haus vorstellen – eine andere Reaktion auf dieselbe Eingabe.

Dies liegt daran, dass Ihre Erfahrungen und Erinnerungen die Verbindungen zwischen Neuronen verändert haben, wodurch das alte 'Haus'-Ensemble weniger wahrscheinlich auftritt als das neue 'Haus'-Ensemble.

Mit anderen Worten, das Abrufen einer Erinnerung beinhaltet die Reaktivierung einer bestimmten Gruppe von Neuronen. Die Idee ist, dass die synaptische Plastizität dies möglich macht, indem sie zuvor die Stärke bestimmter synaptischer Verbindungen verändert.

Erinnerungen werden gespeichert, indem die Verbindungen zwischen Neuronen geändert werden. Ein fünfjähriges Kind aktiviert eine bestimmte Gruppe von Neuronen (Ensemble A), während Erwachsene mit demselben Reiz ein anderes Ensemble (Ensemble A') aktivieren. Synaptische Plastizität, die durch wiederholte Erfahrung getrieben wird, kann die Verbindungsstärke zwischen Neuronen verändern. Auf diese Weise können die verschiedenen neuronalen Reaktionen auf denselben Input erfolgen. (Bild: Alan Woodruff / QBI).


Eine neue Theorie, wie Erinnerungen im Gehirn gespeichert werden

Zusammenfassung:Eine neue Gedächtnistheorie visualisiert das Gehirn als organischen Supercomputer, der einen komplexen Binärcode mit Neuronen ausführt, die sich wie mechanische Computer verhalten. Die Theorie basiert auf der Entdeckung des Proteinmoleküls Talin, das schalterähnliche Domänen enthält, die ihre Form als Reaktion auf den Druck einer mechanischen Kraft durch eine Zelle ändern.

Quelle: Universität von Kent

Forschungen der University of Kent haben zur Entwicklung der MeshCODE-Theorie geführt, einer revolutionären neuen Theorie zum Verständnis der Gehirn- und Gedächtnisfunktion. Diese Entdeckung könnte der Beginn eines neuen Verständnisses der Gehirnfunktion und der Behandlung von Hirnerkrankungen wie Alzheimer sein.

In einem Papier herausgegeben von Frontiers in Molecular Neuroscience, beschreibt Dr. Ben Goult von der Kent’s School of Biosciences, wie seine neue Theorie das Gehirn als einen organischen Supercomputer betrachtet, der einen komplexen Binärcode mit neuronalen Zellen als mechanischer Computer ausführt.

Er erklärt, wie in jede einzelne Synapse des Gehirns ein riesiges Netzwerk von informationsspeichernden Speichermolekülen eingebaut ist, die als Schalter fungieren und einen komplexen Binärcode darstellen. Dies identifiziert einen physischen Ort für die Datenspeicherung im Gehirn und legt nahe, dass Erinnerungen in Form von Molekülen in die synaptischen Gerüste geschrieben werden.

Die Theorie basiert auf der Entdeckung von Proteinmolekülen, bekannt als Talin, die “schalterähnliche” Domänen enthalten, die ihre Form als Reaktion auf mechanischen Druck durch die Zelle ändern. Diese Schalter haben zwei stabile Zustände, 0 und 1, und dieses Muster von binären Informationen, die in jedem Molekül gespeichert sind, hängt von der vorherigen Eingabe ab, ähnlich der Funktion zum Speichern des Verlaufs in einem Computer. Die in diesem Binärformat gespeicherten Informationen können durch kleine Kraftänderungen, die vom Zytoskelett der Zelle erzeugt werden, aktualisiert werden.

Die Theorie basiert auf der Entdeckung von Proteinmolekülen, bekannt als Talin, die “schalterähnliche” Domänen enthalten, die ihre Form als Reaktion auf mechanischen Druck durch die Zelle ändern. Bild ist gemeinfrei

Im Gehirn findet die elektrochemische Signalübertragung zwischen Billionen von Neuronen zwischen Synapsen statt, von denen jede ein Gerüst der Talinmoleküle enthält. Einmal angenommen, strukturell zu sein, legt diese Forschung nahe, dass das Geflecht von Talin-Proteinen tatsächlich eine Reihe von binären Schaltern darstellt, die das Potenzial haben, Informationen zu speichern und Gedächtnis zu kodieren.

Diese mechanische Kodierung würde in jedem Neuron ununterbrochen laufen und sich in alle Zellen ausdehnen, was letztendlich einem Maschinencode gleichkommen würde, der den gesamten Organismus koordiniert. Von Geburt an konnten die Lebenserfahrungen und Umweltbedingungen eines Tieres in diesen Code eingeschrieben werden, wodurch eine ständig aktualisierte, mathematische Darstellung seines einzigartigen Lebens entsteht.

Dr. Goult, ein Leser in Biochemie, sagte: ‘Diese Forschung zeigt, dass das Gehirn in vielerlei Hinsicht den frühen mechanischen Computern von Charles Babbage und seiner Analytical Engine ähnelt. Hier dient das Zytoskelett als Hebel und Getriebe, das die Berechnungen in der Zelle als Reaktion auf chemische und elektrische Signale koordiniert. Wie bei diesen frühen Rechenmodellen könnte diese Entdeckung der Beginn eines neuen Verständnisses der Gehirnfunktion und der Behandlung von Hirnerkrankungen sein.’


DAS CEREBELLUM UND DIE PRÄFRONTALE KORTEX

Obwohl der Hippocampus eher ein Verarbeitungsbereich für explizite Erinnerungen zu sein scheint, könnten Sie ihn dennoch verlieren und dank Ihres Kleinhirns ([Link]) implizite Erinnerungen (prozedurales Gedächtnis, motorisches Lernen und klassische Konditionierung) erstellen können. Ein klassisches Konditionierungsexperiment besteht beispielsweise darin, Probanden daran zu gewöhnen, zu blinzeln, wenn ihnen ein Luftstoß verabreicht wird. Als Forscher das Kleinhirn von Kaninchen beschädigten, entdeckten sie, dass die Kaninchen die konditionierte Augenzwinkernreaktion nicht lernen konnten (Steinmetz, 1999 Green & Woodruff-Pak, 2000).

Andere Forscher haben Gehirnscans, einschließlich Positronen-Emissions-Tomographie (PET)-Scans verwendet, um herauszufinden, wie Menschen Informationen verarbeiten und speichern. Aus diesen Studien geht hervor, dass der präfrontale Kortex beteiligt ist. In einer Studie mussten die Teilnehmer zwei verschiedene Aufgaben lösen: entweder nach dem Buchstaben suchen ein in Worten (wird als Wahrnehmungsaufgabe angesehen) oder ein Substantiv entweder als lebend oder nicht lebend kategorisiert (als semantische Aufgabe betrachtet) (Kapur et al., 1994). Die Teilnehmer wurden dann gefragt, welche Wörter sie zuvor gesehen hatten. Das Erinnern war für die semantische Aufgabe viel besser als für die Wahrnehmungsaufgabe. Laut PET-Scans gab es bei der semantischen Aufgabe viel mehr Aktivierung im linken unteren präfrontalen Kortex. In einer anderen Studie wurde die Kodierung mit der linken Frontalaktivität in Verbindung gebracht, während das Abrufen von Informationen mit der rechten Frontalregion verbunden war (Craik et al., 1999).


Die meisten Neurowissenschaftler werden Ihnen sagen, dass Langzeiterinnerungen in Form von Synapsen, den Verbindungen zwischen Neuronen, im Gehirn gespeichert werden. Aus dieser Sicht kommt es zur Gedächtnisbildung, wenn synaptische Verbindungen verstärkt werden oder ganz neue Synapsen gebildet werden.

In einem neuen Artikel in Frontiers in Systems Neuroscience kritisiert der österreichische Forscher Patrick C. Trettenbrein jedoch die Synapsen-Gedächtnis-Theorie: The Demise of the Synapse As the Locus of Memory.

Trettenbrein erkennt an, dass „die Idee, dass Lernen im Wesentlichen die Modifikation von Synapsen in einem sich ständig verändernden Plastikhirn ist, zu einem der Dogmen der modernen Neurowissenschaften geworden ist“. Er stellt jedoch fest, dass einige in der Kognitionswissenschaft dieser Idee oder zumindest ihrem Cousin, dem Assoziationismus, seit langem skeptisch gegenüberstehen.

Anschließend diskutiert er theoretische Probleme mit der Synapsen-Gedächtnis-Theorie. Trettenbrein sagt beispielsweise, dass „das Gehirn sich an die abstrakten architektonischen Eigenschaften einer universellen Turingmaschine halten muss“. Ein entscheidendes Merkmal einer Turing-Maschine ist ihre Fähigkeit, eine Langzeitspeicherbank zu lesen und zu schreiben. Trettenbrein argumentiert in Anlehnung an ein Buch von Gallistel & King, dass angesichts der Tatsache, dass das Gedächtnis für eine Turing-Maschine so grundlegend ist, das Gedächtnis eine Funktion einzelner Neuronen sein sollte, nicht der Verbindungen zwischen ihnen.

Ich habe das Buch von Gallistel und King nicht gelesen, aber mir erscheint dieses Argument zu abstrakt und nicht sehr überzeugend. Ich bin mir nicht sicher, was es bedeuten würde, wenn eine einzelne Zelle Informationen speichert.

Trettenbrein diskutiert als nächstes eine Reihe experimenteller Beweise gegen die Synapsen-Gedächtnis-Theorie. Zum Beispiel zitiert er ein Papier aus dem Jahr 2014, in dem über eine nicht-synaptische Langzeitspeicherung von Informationen in Neuronen der Meeresschnecke Aplysia berichtet wurde. Wie dieser Mechanismus im Fall des viel komplexeren menschlichen Gehirns funktionieren würde, ist jedoch, wie ich damals in meinem Blogbeitrag zu diesem Papier sagte, nicht klar.

Insgesamt ist dies eine interessante und zum Nachdenken anregende Arbeit. Wie Trettenbrein jedoch einräumt, ist es schwer vorstellbar, wie wir das Gedächtnis überhaupt erklären könnten, wenn wir die Rolle der Synapsen ablehnen:

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir bei der Beantwortung der Frage nach der zeitlichen Weiterleitung von Informationen im Gehirn weitestgehend ahnungslos bleiben… die Argumente gegen die synaptische Plastizität sind überzeugend, aber es sollte betont werden, dass wir es derzeit auch sind noch fehlt eine schlüssige Alternative.

Trettenbrein, P. (2016). Der Untergang der Synapse als Ort der Erinnerung: Ein drohender Paradigmenwechsel? Frontiers in Systems Neuroscience, 10 DOI: 10.3389/fnsys.2016.00088