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Erinnerungssuche im Gehirn Gedächtnisfunktion: Der Bibliothekar im Kopf

| Autor/ Redakteur: Katrin Pauser* / Christian Lüttmann

Das Gehirn ist wie ein biologisches Rechenzentrum. Es verarbeitet Sinneseindrücke und speichert die wichtigsten als Erinnerungen ab. Doch wie entstehen Erinnerungen genau? Wie werden sie im Gehirn gespeichert und wieder abgerufen? Diesen Fragen sind Forscher aus Österreich nachgegangen.

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Langzeitbelichtete Aufnahme eines Erinnerungsexperiments in einem Cheeseboard-Labyrinth.
Langzeitbelichtete Aufnahme eines Erinnerungsexperiments in einem Cheeseboard-Labyrinth.
(Bild: IST Austria – Csicsvari group)

Klosterneuburg/Österreich – Erinnerungen festigen sich im Schlaf. Jede von ihnen bekommt dabei einen festen Platz im Gehirn. Um die Erinnerungen wieder abzurufen, braucht es eine Art Bibliothekar, der auf die richtigen Stellen zugreifen kann. Welches Hirnteil diese Aufgabe übernimmt, haben Forscher um Prof. Jozsef Csicsvari Institute of Science and Technology Austria nun genauer untersucht.

Ratten im Käselabyrinth

Dazu beobachteten sie Ratten auf einem „Cheeseboard“-Labyrinth, das einer Scheibe Emmentaler ähnelt. In manchen Löchern des Cheeseboards ist Futter versteckt. Die Ratten lernen nach mehreren Durchläufen, wo diese Belohnungen zu finden sind. In einer früheren Studie zeigten Csicsvari und seine Gruppe, dass Ratten die Position der Belohnung lernen und diese neuronale Aktivität im so genannten „Replay“ wiederholen.

Schauplatz dieses Replays sind spezielle Platzzellen, Neuronen des Hippocampus, die feuern, wenn sich das Tier an einem bestimmten Ort befindet. Diese Platzzellen sind besonders aktiv, wenn sich die Ratte an der Position der Belohnung befindet. Dieselbe Kombination an Platzzellen wird auch später im Replay während des Schlafs aktiv, wenn sich die Ratte die Erlebnisse sozusagen nochmal durch den Kopf gehen lässt.

Gestörte Wiederholungen

In der nun erschienenen Studie haben die Forscher getestet was geschieht, wenn das Replay zu einer spezifischen Belohnung gestört wird. Dazu lernten die Ratten zunächst die Position von Belohnungen auf zwei verschiedenen Cheeseboards, A und B. Während die Ratten schliefen, störten die Wissenschaftler den Replay von Erinnerungen, die auf Cheeseboard A gebildet wurden. Den Replay von Cheeseboard B ließen sie hingegen unbeeinflusst.

Um diese gezielte Störung zu realisieren, entwickelte Igor Gridchyn, Erstautor der Studie, eine Berechnungsmethode. Diese kann die Erinnerungsschleifen der schlafenden Ratte auslesen und den Cheesboards A bzw. B zuordnen: Innerhalb von Millisekunden entscheidet der Algorithmus anhand der Neuronenaktivität, ob Erinnerung A oder Erinnerung B wiederholt wird. Wurde nun Erinnerung A wiederholt, so störten die Wissenschaftler die neuronale Aktivität mittels Optogenetik, einer Methode, bei der Neuronen durch Lichtstrahlen gehemmt werden.

Gezielt blockiertes Gedächtnis

Nachdem die Ratten geschlafen hatten, wurden sie wieder auf das Cheeseboard gesetzt und suchten nach Belohnungen, die an denselben Positionen versteckt waren wie zuvor. Die Störung des Replays von Erinnerung A hatte Auswirkungen: Während Ratten die Belohnung auf Cheeseboard B fanden, hatten sie auf Cheeseboard A Schwierigkeiten, sie aufzuspüren. „Die Ratten fanden die Verstecke nicht so schnell, wenn wir den Replay während des Schlafs störten, sie konnten sich also schlechter an die Position der Verstecke erinnern. Mit unserer Methode konnten wir beeinflussen, welche Erinnerungen das Tier abrufen kann“, erklärt Csicsvari.

Feste Schubladen für Erinnerungen

Nun wollten die Forscher entschlüsseln, wo im Gehirn die Erinnerungen abgelegt werden. Dazu maßen sie die Aktivität der Platzzellen am Ende der Lernphase. Eine spezifische Kombination dieser Zellen feuerte für die Position der Belohnung auf Cheeseboard A, und eine andere Kombination codierte die Belohnung auf Board B.

Während Ratten schlafen, festigt die Gehirnregion des Hippocampus Erinnerungen durch ein Wiederholen der neuronalen Aktivität. Wird diese Wiederholung gestört (replay disruption), findet die Ratte den zuvor gelernten Weg im Labyrinth nicht mehr.
Während Ratten schlafen, festigt die Gehirnregion des Hippocampus Erinnerungen durch ein Wiederholen der neuronalen Aktivität. Wird diese Wiederholung gestört (replay disruption), findet die Ratte den zuvor gelernten Weg im Labyrinth nicht mehr.
(Bild: IST Austria – Csicsvari group)

Sobald die Ratte versuchte, die Belohnung auf Cheeseboard B wiederzufinden – hier wurde das Replay nicht gestört – war dieselbe Gruppe an Platzzellen aktiv wie am Ende der Lernphase. Im Fall von Cheeseboard A jedoch feuerten die Platzzellen, die die Position der Belohnung zuvor kodiert hatten, während der Suche nicht mehr.

Wenn die Ratte allerdings erneut lernte, wo die Belohnung versteckt war, kodierte wieder genau dieselbe Kombination an Platzzellen für die Position der Belohnung. Es war also noch derselbe Platz im Gehirn für diese Erinnerung reserviert, wie eine Schublade im Aktenschrank. „Die Störung des Replay löscht nicht die Kodierung der Erinnerung selbst. Stattdessen beeinträchtigt sie die Reaktivierung der richtigen Kodierung, und das stört wiederum das Abrufen der Erinnerung“, erläutert Csicsvari. Die Ratte konnte also nur nicht mehr die Schublade mit der Erinnerung öffnen.

Der Hippocampus als Bibliothekar

Die Ergebnisse werfen laut Csicsvari ein neues Bild auf die Rolle des Hippocampus in der Gedächtnisbildung: „Das Replay im Hippocampus dient nicht der Festigung von Erinnerungen. Stattdessen hilft es dabei, beim Abrufen einer Erinnerung jene neuronale Aktivität auszuwählen, die diese kodiert. Sobald die Tiere eine Erinnerung wiedererlernten, wurden erneut dieselben Platzzellen aktiv. Das bedeutet, dass die Kodierung der Erinnerung trotz der Störung durch unser Eingreifen bereits gespeichert war, das Tier diese aber nicht aktivieren konnte. Das heißt, es existiert nicht nur ein Prozess, um die Erinnerung abzuspeichern, sondern auch ein Bibliothekar dazu, der sich merkt, wo sich die Erinnerung befindet. Der Hippocampus ist dieser Bibliothekar.“

Originalpublikation: Igor Gridchyn, Philipp Schoenenberger, Joseph O’Neill & Jozsef Csicsvari: Assembly-specific disruption of hippocampal replay leads to selective memory deficit, Neuron 2020; DOI: 10.1016/j.neuron.2020.01.021

* K. Pauser, Institute of Science and Technology, 3400 Klosterneuburg/Österreich

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