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"Ich kann machen wie du denkst" Forscher programmieren Gedächtniszellen um

| Autor/ Redakteur: Dr. Paul Töbelmann* / Christian Lüttmann

Erinnern Sie sich noch an Ihren alten Schulweg? Oder Ihre erste eigene Wohnung? Im Ortsgedächtnis speichert das Gehirn solche Langzeiterinnerungen, die uns auch viele Jahre später noch helfen, uns zu orientieren. Doch scheinbar sind diese Erinnerungen nicht so stabil wie lange Zeit vermutet: Tübinger Neurowissenschaftler haben Gehirnzellen mit elektrischen Impulsen neu geprägt und so erforscht, wie das Ortsgedächtnis funktioniert.

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Route wird nach „Blitzeinschlag“ neu berechnet: Ortszellen im Hippocampus sind Teil eines internen „GPS-Systems“, das die Position im Raum bestimmt. Stimulation mit kleinen elektrischen Entladungen kann sie umprogrammieren.
Route wird nach „Blitzeinschlag“ neu berechnet: Ortszellen im Hippocampus sind Teil eines internen „GPS-Systems“, das die Position im Raum bestimmt. Stimulation mit kleinen elektrischen Entladungen kann sie umprogrammieren.
(Bild: Shimpei Ishiyama)

Tübingen – Langzeiterinnerungen an bestimmte Orte werden im Gehirn in so genannten Ortszellen gespeichert. Neurowissenschaftler unter Leitung von Dr. Andrea Burgalossi vom Werner Reichardt Centrum für Integrative Neurowissenschaften der Universität Tübingen ist es gelungen, solche Ortszellen „umzuprogrammieren“. Dazu regten sie einzelne Neuronen direkt mit elektrischen Impulsen an. Nach dieser Stimulation waren die Zellen so „programmiert“, dass ihre Aktivität sich von nun an nur noch auf den Ort bezog, an dem die Stimulation stattgefunden hatte.

Langzeitgedächtnis: Ein Baustein unserer Identität

Woher wissen wir, was gestern passiert ist, oder voriges Jahr? Wie erkennen wir Orte, an denen wir gewesen sind, Menschen, die wir getroffen haben? Unser Sinn für das Vergangene ist stets verbunden mit dem Wiedererkennen des Gegenwärtigen. Zusammen sind sie der vielleicht wichtigste Baustein unserer Identität. Erst unser Langzeitgedächtnis lässt uns im Alltag funktionieren, von der trivialen Aufgabe, nicht den Weg zum Büro zu vergessen und den Arbeitsbeginn zu versäumen, bis hin zu dem Wissen, wer unsere Freunde und Familie sind.

Die Karte im Kopf

Es liegt daher nahe, dass unser Gehirn sich auf sehr stabile Strukturen stützt, um Langzeiterinnerungen zu speichern. Ein Beispiel sind Erinnerungen an Orte, die wir einmal besucht haben. Unser Gehirn stellt zu jedem Ort, den wir erstmalig sehen, eine Zahl Neuronen im Hippocampus (eine zentrale Hirnstruktur mit wichtigen Gedächtnisaufgaben) bereit: die Ortszellen.

Die Erinnerung an eine bestimmte Umgebung wird als spezifische Kombination von Ortszell-Aktivität im Hippocampus gespeichert: eine „Ortskarte“. Solche Ortskarten bleiben stabil, während wir uns in einer Umgebung bewegen. Kommen wir jedoch an neue Orte, werden die Karten gewissermaßen neu gemischt, so dass für jede Umgebung eine eigene Ortskarte entsteht.

Miniblitze wecken schlafende Ortszellen

Bisher wusste man wenig über die Mechanismen, die dieser Reorganisation von Ortszellaktivität zugrunde liegen. Im Jahr 2016 hatten Tübinger Neurowissenschaftler unter Leitung von Burgalossi bereits zeigen können, dass inaktive, „schlafende“ Ortszellen durch elektrische Stimulation aktiviert werden und zu funktionierenden Ortszellen im Rattengehirn werden können. Die Forschergruppe hat auf dieser Arbeit aufgebaut und nun Hinweise gefunden, dass Ortszellen bei weitem nicht so stabil sind wie gedacht. Sie können sogar „umprogrammiert“ werden.

Neuprogrammierung im Mäusehirn

Der Laboraufbau der Forscher nutzt juxtazelluläre (Lat.: iuxta = daneben) Aufzeichnungen und Stimulation in Tieren, die sich in einer Arena im Labor frei bewegen: Bei dieser Methode werden die winzigen elektrischen Ströme entlang einzelner Ortszellen mit haarfeinen Elektroden gemessen bzw. ausgelöst.

Mithilfe dieses Versuchsaufbaus nahmen sie sich nun einzelne Ortszellen im Mäusegehirn vor und stimulierten diese – allerdings an anderen Orten als denen, auf die sie zuvor mit Aktivität reagiert hatten. In einer signifikanten Zahl der Fälle ließ sich die Aktivität der Ortszellen umprogrammieren. Die Zelle feuerte nun nicht mehr, wenn die Maus den ursprünglich Aktivität auslösenden Ort innerhalb der Arena betrat, sondern nur noch an dem Ort, an dem Stimulation stattgefunden hatte.

Wie viele Zellen sind eine Erinnerung?

„Die Vorstellung, dass Ortszellen stabile Einheiten sind, haben wir damit über den Haufen geworfen“, sagt Andrea Burgalossi. „Sogar innerhalb derselben Umgebung können wir individuelle Zellen umprogrammieren, indem wir an bestimmten Orten stimulieren. Damit sind wir den grundlegenden Mechanismen, auf denen Gedächtnisbildung basiert, ein Stückchen näher.“

In der nahen Zukunft hoffen die Wissenschaftler mehrere Neuronen gleichzeitig umzuprogrammieren, um die Formbarkeit von ganzen Ortskarten zu untersuchen. „Bisher haben wir einzelne Zellen umprogrammiert. Es wäre interessant zu wissen, wie sich das auf die Ortskarte im Gehirn auswirkt. Wir würden zu gern herausfinden, wie viele Zellen wir mindestens umprogrammieren müssen, um eine echte Erinnerung zu verändern.“

Orginalpublikation: Maria Diamantaki, Stefano Coletta, Khaled Nasr, Roxana Zeraati, Sohie Laturnus, Philipp Berens, Patricia Preston-Ferrer, Andrea Burgalossi: Manipulating Hippocampal Cell Activity by Single-Cell Stimulation in Freely-Moving Mice. Cell Reports, (im Druck), 3. April 2018, DOI: 10.1016/j.celrep.2018.03.031

* Dr. Paul Töbelmann:Universität Tübingen, Werner Reichardt Centrum für Integrative Neurowissenschaften (CIN), 72076 Tübingen

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