Wo werden Erinnerungen im Gehirn gespeichert? Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass sie sich möglicherweise in den Verbindungen zwischen Ihren Gehirnzellen befinden.

Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel, der am 10. Januar 2022 veröffentlicht wurde.

Alle Speichergeräte, von Ihrem Gehirn bis zum RAM Ihres Computers, speichern Informationen, indem sie ihre physikalischen Eigenschaften ändern. Vor über 130 Jahren schlug der bahnbrechende Neurowissenschaftler Santiago Ramón y Cajal erstmals vor, dass das Gehirn Informationen speichert, indem es die Verbindungen oder Synapsen zwischen Neuronen neu ordnet.

Seitdem versuchen Neurowissenschaftler, die mit der Gedächtnisbildung verbundenen körperlichen Veränderungen zu verstehen. Aber die Visualisierung und Kartierung von Synapsen ist eine Herausforderung. Zum einen sind Synapsen sehr klein und dicht zusammengepackt. Sie sind etwa zehn Milliarden Mal kleiner als das kleinste Objekt, das mit einem herkömmlichen klinischen MRT sichtbar gemacht werden kann. Darüber hinaus gibt es etwa 1 Milliarde Synapsen im Gehirn von Mäusen, die Forscher häufig zur Untersuchung der Gehirnfunktion nutzen, und sie haben alle die gleiche undurchsichtige bis durchscheinende Farbe wie das sie umgebende Gewebe.

Eine neue Bildgebungstechnik, die meine Kollegen und ich entwickelt haben, hat es uns jedoch ermöglicht, Synapsen während der Gedächtnisbildung abzubilden. Wir fanden heraus, dass der Prozess der Bildung neuer Erinnerungen die Art und Weise verändert, wie Gehirnzellen miteinander verbunden sind. Während einige Bereiche des Gehirns mehr Verbindungen herstellen, verlieren andere diese.

Neue Erinnerungen in Fischen kartieren

Bisher konzentrierten sich Forscher auf die Aufzeichnung der von Neuronen erzeugten elektrischen Signale. Während diese Studien bestätigt haben, dass Neuronen ihre Reaktion auf bestimmte Reize ändern, nachdem ein Gedächtnis gebildet wurde, konnten sie nicht genau bestimmen, was diese Veränderungen auslöst.

Um zu untersuchen, wie sich das Gehirn physisch verändert, wenn es ein neues Gedächtnis bildet, haben wir 3D-Karten der Synapsen von Zebrafischen vor und nach der Gedächtnisbildung erstellt. Wir haben Zebrafische als unsere Testpersonen ausgewählt, weil sie groß genug sind, um Gehirne zu haben, die wie die von Menschen funktionieren, aber klein und transparent genug, um einen Einblick in das lebende Gehirn zu bieten.

Um bei den Fischen ein neues Gedächtnis zu wecken, verwendeten wir einen Lernprozess namens klassische Konditionierung. Dabei wird ein Tier gleichzeitig zwei verschiedenen Arten von Reizen ausgesetzt: einem neutralen Reiz, der keine Reaktion hervorruft, und einem unangenehmen Reiz, den das Tier zu vermeiden versucht. Wenn diese beiden Reize oft genug gepaart werden, reagiert das Tier auf den neutralen Reiz, als wäre es der unangenehme Reiz, was darauf hindeutet, dass es ein assoziatives Gedächtnis gebildet hat, das diese Reize miteinander verknüpft.

Als unangenehmen Reiz erhitzten wir den Kopf des Fisches sanft mit einem Infrarotlaser. Als der Fisch mit dem Schwanz wedelte, werteten wir das als Zeichen dafür, dass er fliehen wollte. Wenn der Fisch dann einem neutralen Reiz ausgesetzt wird, bedeutet das Aufleuchten eines Lichts und das Zucken des Schwanzes, dass er sich daran erinnert, was passiert ist, als er zuvor dem unangenehmen Reiz begegnet ist.

Um die Karten zu erstellen, haben wir Zebrafische gentechnisch mit Neuronen verändert, die fluoreszierende Proteine ​​produzieren, die sich an Synapsen binden und diese sichtbar machen. Anschließend haben wir die Synapsen mit einem speziell angefertigten Mikroskop abgebildet, das eine viel geringere Laserlichtdosis verwendet als Standardgeräte, die auch Fluoreszenz zur Bilderzeugung nutzen. Da unser Mikroskop die Neuronen weniger schädigte, konnten wir die Synapsen abbilden, ohne ihre Struktur und Funktion zu verlieren.

Als wir die 3D-Synapsenkarten vor und nach der Gedächtnisbildung verglichen, stellten wir fest, dass Neuronen in einer Gehirnregion, dem anterolateralen dorsalen Pallium, neue Synapsen entwickelten, während Neuronen überwiegend in einer zweiten Region, dem anteromedialen dorsalen Pallium, Synapsen verloren. Das bedeutete, dass sich neue Neuronen paarten, während andere ihre Verbindungen zerstörten. Frühere Experimente deuten darauf hin, dass das dorsale Pallium von Fischen mit der Amygdala von Säugetieren vergleichbar sein könnte, in der Angsterinnerungen gespeichert sind.

Überraschenderweise waren die Veränderungen in der Stärke bestehender Verbindungen zwischen Neuronen, die bei der Gedächtnisbildung auftraten, gering und nicht von Veränderungen bei Kontrollfischen zu unterscheiden, die keine neuen Erinnerungen bildeten. Dies bedeutete, dass die Bildung eines assoziativen Gedächtnisses mit der Bildung und dem Verlust von Synapsen einhergeht, nicht aber notwendigerweise mit Veränderungen in der Stärke bestehender Synapsen, wie bisher angenommen.

Könnte das Entfernen von Synapsen Erinnerungen entfernen?

Unsere neue Methode zur Beobachtung der Gehirnzellfunktion könnte nicht nur die Tür zu einem tieferen Verständnis der tatsächlichen Funktionsweise des Gedächtnisses öffnen, sondern auch zu potenziellen Möglichkeiten zur Behandlung neuropsychiatrischer Erkrankungen wie PTSD und Sucht.

Assoziative Erinnerungen sind in der Regel viel stärker als andere Arten von Erinnerungen, beispielsweise bewusste Erinnerungen an das, was Sie gestern zu Mittag gegessen haben. Darüber hinaus wird angenommen, dass assoziative Erinnerungen, die durch klassische Konditionierung hervorgerufen werden, analog zu traumatischen Erinnerungen sind, die eine PTSD verursachen. Ansonsten harmlose Reize, ähnlich denen, die jemand zum Zeitpunkt des Traumas erlebt hat, können die Erinnerung an schmerzhafte Erinnerungen auslösen. Beispielsweise könnten ein helles Licht oder ein lautes Geräusch Erinnerungen an einen Kampf wecken. Unsere Studie enthüllt die Rolle, die synaptische Verbindungen im Gedächtnis spielen können, und könnte erklären, warum assoziative Erinnerungen länger anhalten und lebhafter im Gedächtnis bleiben können als andere Arten von Erinnerungen.

Die derzeit gebräuchlichste Behandlung von PTSD, die Konfrontationstherapie, besteht darin, den Patienten wiederholt einem harmlosen, aber auslösenden Reiz auszusetzen, um die Erinnerung an das traumatische Ereignis zu unterdrücken. Theoretisch werden dadurch indirekt die Synapsen des Gehirns umgestaltet, um die Erinnerung weniger schmerzhaft zu machen. Obwohl mit der Expositionstherapie einige Erfolge erzielt wurden, neigen die Patienten zu Rückfällen. Dies deutet darauf hin, dass die zugrunde liegende Erinnerung, die die traumatische Reaktion verursacht, nicht beseitigt wurde.

Es ist immer noch unbekannt, ob die Bildung und der Verlust von Synapsen tatsächlich die Gedächtnisbildung vorantreiben. Mein Labor hat eine Technologie entwickelt, die Synapsen schnell und präzise entfernen kann, ohne Neuronen zu beschädigen. Wir planen, mit ähnlichen Methoden Synapsen bei Zebrafischen oder Mäusen zu entfernen, um zu sehen, ob sich dadurch assoziative Erinnerungen verändern.

Mit diesen Methoden könnte es möglich sein, die assoziativen Erinnerungen, die verheerenden Erkrankungen wie PTBS und Sucht zugrunde liegen, physisch zu löschen. Bevor eine solche Behandlung überhaupt in Betracht gezogen werden kann, müssen jedoch die synaptischen Veränderungen, die assoziative Erinnerungen kodieren, genauer definiert werden. Und es gibt offensichtlich schwerwiegende ethische und technische Hürden, die überwunden werden müssten. Dennoch ist es verlockend, sich eine ferne Zukunft vorzustellen, in der eine synaptische Operation schlechte Erinnerungen beseitigen könnte.

Geschrieben von Don Arnold, Professor für Biowissenschaften und biomedizinische Technik, USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences .