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Neuer Einblick ins Kurzzeitgedächtnis Wie sich Gedächtnisspuren im Gehirn abzeichnen

| Redakteur: Christian Lüttmann

Erinnern ist ein komplexer Gedächtnisprozess und zeichnet sich durch Aktivitätsmuster im Gehirn aus. Doch das Kurzzeitgedächtnis hinterlässt bei seiner Arbeit auch physische Spuren. Diesen Spuren sind nun möglicherweise Forscher des österreichischen Institute of Science and Technology auf die Schliche gekommen, als sie die Signalübertragung an Synapsen genauer analysiert haben.

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Foto eines möglichen Engramms: Ohne Aktivität befinden sich nur wenige Vesikel an der Synapse. Nach einem kurzen Aktivitätsausbruch docken Vesikel an der Synapse an. Der Pool der Vesikel ist noch Minuten später an der Synapse gespeichert. Dieser Pool könnte eine physische Spur des Gedächtnisses sein, ein so genanntes Engramm.
Foto eines möglichen Engramms: Ohne Aktivität befinden sich nur wenige Vesikel an der Synapse. Nach einem kurzen Aktivitätsausbruch docken Vesikel an der Synapse an. Der Pool der Vesikel ist noch Minuten später an der Synapse gespeichert. Dieser Pool könnte eine physische Spur des Gedächtnisses sein, ein so genanntes Engramm.
(Bild: Jonas Group / IST Austria)

Klosterneuburg/Österreich – Wie können wir uns an die Telefonnummer erinnern, die wir gerade anrufen wollten? Wie merken wir uns den Inhalt einer Vorlesung oder eines Films? Erinnerungen zu bilden ist unverzichtbar, um zu lernen und sich Wissen anzueignen. Im 20. Jahrhundert führte der Evolutionsbiologe Richard Semon die Idee eines „Engramms” ein, einer physischen Spur des Gedächtnisses: Wenn ein Tier lernt, werden Informationen in einem Engramm im Gehirn gespeichert. Diese Informationen können dann später wieder abgerufen werden, so die These.

Wo diese Engramme im Gehirn zu finden sind, das ist eine zentrale Frage, mit der sich das Team um Prof. Peter Jonas vom österreichischen Institute of Science and Technology beschäftigt. Hierbei spielt ein Prozess eine wichtige Rolle, der als Synaptische Plastizität bezeichnet wird. „Synaptische Plastizität ist eine Form von Verstärkung der Kommunikation zwischen Neuronen. Sie erklärt auf subzellulärer Ebene die Gedächtnisbildung“, sagt Forschungsleiter Jonas. Um das Engramm zu finden, untersuchte er daher, inwiefern sich diese Kommunikation in physischen Strukturen an den Nervenzellen abzeichnet.

Elektrische Signale von Sender und Empfänger messen

Im Zentrum der Studie standen einzelne Synapsen im Hippocampus, dem für Lernen und Gedächtnis erforderlichen Gehirnareal. Die Forscher untersuchten an einer dieser Verbindungsstellen, was dort beim Feuern von Signalen passiert. „Signale an einzelnen identifizierten Synapsen aufzuzeichnen ist essenziell“, sagt David Vandael, Postdoc aus dem Arbeitskreis von Jonas. „Deshalb haben wir ein nahezu unmögliches Experiment durchgeführt, bei dem wir gleichzeitig elektrische Signale von einem kleinen präsynaptischen Terminal und seinem postsynaptischen Zielneuron aufzeichneten. Das ist die perfekte Methode, um die Synapse zu untersuchen.“

Die Analyse zeigte eine besondere Form der synaptischen Plastizität: die so genannte post-tetanische Potenzierung. Diese verstärkt die Kommunikation zwischen zwei bestimmten Nervenzelltypen (einer Körnerzelle und einer Pyramidenzelle) für mehrere Minuten.

Ein neuer Mechanismus: Vesikel sammeln sich in aktiver Zone

Üblicherweise läuft die Signalverstärkung so ab: Ein eingehendes Signal sorgt dafür, dass Vesikel mit einem Neurotransmitter in die Verbindungsstelle der Neuronen, die Synapse, freigesetzt werden. Nach einem Aktivitätsausbruch werden diese Vesikel mit größerer Wahrscheinlichkeit freigesetzt und der so entlassene Neurotransmitter überträgt das eingehende Signal zur nächsten „angeschlossenen“ Nervenzelle.

Die Forscher dokumentierten nun aber einen anderen Mechanismus: „Wir fanden, dass nach der Aktivität einer Körnerzelle mehr Vesikel mit Neurotransmittern am präsynaptischen Terminal gespeichert werden“, erklärt Vandael. „Das Feuern induziert Plastizität, indem die Zahl an Vesikel in dieser aktiven Zone zunimmt; die Vesikel können einige Minuten lang gespeichert werden.“

Vesikel-Pools als Engramm für das Kurzzeit-Gedächtnis?

Während des Lernens, wenn also die Körnerzelle aktiv ist, werden Vesikel in diesen Pool in der aktiven Zone gedrängt. Lässt die Aktivität nachlässt, bleiben die Vesikel im Pool. Wird die Aktivität dann wieder aufgenommen, sind bereits mehr Vesikel in der aktiven Zone gespeichert. So kann mehr Neurotransmitter in die Synapse freigesetzt werden. „Das Kurzzeitgedächtnis könnte Aktivität sein, die in Vesikeln gespeichert wird, welche später freigesetzt werden“, beschreibt Vandael.

Forschungsleiter Jonas hält die Erkenntnisse für eine wichtige Entdeckung. Laut ihm könnten diese gespeicherten Vesikel das von Semon postulierte Engramm sein, also die Spur des Gedächtnisses im Gehirn. „Zumindest wenn wir glauben, dass die synaptische Plastizität dem Lernen zugrunde liegt“, sagt Jonas. In weiteren Arbeiten versucht die Gruppe derzeit, synaptische Signale in vivo mit Verhaltensänderungen zu korrelieren. Ein besseres Verständnis davon, wie verschiedene Synapsen funktionieren, könne zudem helfen besser zu verstehen, wie sich Krankheiten auf Synapsen auswirken, ergänzt der IST-Forscher.

Originalpublikation: D. Vandael, C. Borges-Merjane, X. Zhang & P. Jonas: Short-term plasticity at hippocampal mossy fiber synapses is induced by natural activity patterns and associated with vesicle pool engram formation, Neuron 107, 1–13; DOI: 10.1016/j.neuron.2020.05.013

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