Muster der Erinnerung

LMU-Forscher zeigen, dass im Gehirn bereits Aktivitätsmuster von Nervenzellen vorhanden sind, in die neue Erfahrungen gespeichert werden.

Nervenzellen im Hippocampus und im entorhinalen Cortex sind entscheidend für das Gedächtnis und die räumliche Orientierung. Die Mechanismen, die der Speicherung, Konsolidierung und dem Abruf von Informationen zugrunde liegen, sind bisher allerdings nur unvollständig verstanden. LMU-Wissenschaftler um Christian Leibold, Professor für Computational Neuroscience am Biozentrum der LMU, haben nun im Tiermodell gezeigt, dass bestimmte Aktivierungssequenzen von Nervenzellen im Hippocampus, von denen man annimmt, dass sie mit der Gedächtnisbildung zusammenhängen, unabhängig vom Verhalten bereits vorhanden sind. Aktivitäten – im Experiment das Erkunden einer unbekannten Umgebung – verstärken diese Muster, dabei spielt der entorhinale Cortex, eine zentrale Eingangsstruktur im Hippocampus, eine wichtige Rolle.

Untersuchungen an Ratten haben gezeigt, dass bestimmte Aktivitätsmuster von Nervenzellen im Hippocampus sowohl bei aktiven als auch bei ruhenden Tieren auftreten. „Es gibt Hinweise darauf, dass diese Sequenzen die Gedächtnisbildung unterstützen, aber es war bislang unklar, ob sie eine gemeinsame Ursache haben beziehungsweise ob sie durch Erfahrungen hervorgerufen werden oder sozusagen vorverdrahtete Schemata widerspiegeln“, sagte Leibold.

Um diese Frage zu beantworten, untersuchten die Wissenschaftler diese Aktivitätsmuster bei Ratten sowohl vor der erstmaligen Erkundung einer fremden Umgebung, als auch während der Erkundung und in der Ruhephase danach. „Viele der Aktivitätsmuster, die die Ratte während des ersten Erkundens zeigen, waren tatsächlich schon vorhanden, bevor die Ratte die Umgebung je gesehen hat. Durch ihr Verhalten werden diese Muster hochgeregelt und in der Ruhephase weiter verstärkt“, erkärte Leibold. „Erst durch das Verhalten des Tieres wird diesen Mustern eine entsprechende Bedeutung zugemessen.“

Frühere Arbeiten Leibolds und seiner Kooperationspartner zeigten, dass der entorhinale Cortex vor allem die zeitliche Struktur der Nervenzellantwort im Hippocampus beeinflusst und dass bestimmte Nervenzellsequenzen nicht mehr abgerufen können, wenn er fehlt. Um zu untersuchen, ob der entorhinale Cortex auch für die hier untersuchten Aktivitätsmuster eine Rolle spielt, analysierten die Forscher die Nervenzellaktivität von Tieren, bei denen dieser Bereich defekt war. „Überraschenderweise wurden die intrinsisch vorhandenen Muster dadurch nur sehr wenig beeinflusst“, sagt Leibold. Allerdings wirkte sich der Defekt stark auf deren Hochregulation während des Verhaltens aus – die Aktivität wurde zwar immer noch hochreguliert, aber in geringerem Ausmaß.

Aus ihren Ergebnissen schließen die Wissenschaftler, dass im Gehirn beim Lernen und der Gedächtnisbildung neue Inhalte in bereits vorhandene Aktivitätsmuster gespeichert werden. „Es gibt keinen leeren Speicherplatz im Gehirn, sondern es ist immer schon eine Struktur vorhanden. Auf diese gegebene Struktur wird sensorisch etwas Neues eingespeichert“, sagt Leibold.

Originalpublikation:
Chenani A. et al.: Hippocampal CA1 replay becomes less prominent but more rigid without inputs from medial entorhinal cortex. Nat Com 2019;10:1341.