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Wie das menschliche Gedächtnis entsteht

Was ist ein Gedächtnis? Im Jahr 1904 hatte der deutsche Biologe Richard Semon die Idee einer Gedächtnisspur, die durch die Verbindung einer diskreten Gruppe von Gehirnzellen zusammengehalten wird. Er nannte diesen imaginären physischen Schaltkreis ein Engramm. Engramme haben in der Science-Fiction und in der Scientology ein reges Leben geführt.

Aber um ihre Existenz im Gehirn zu beweisen, musste man auf die Entwicklung von lichtaktivierten Pinzetten warten, mit denen man die feinen Schaltkreise herauspräparieren konnte. Mit Hilfe dieser so genannten “optogenetischen” Pinzetten konnte das Labor von Susumu Tonegawa am MIT 2012 erstmals zeigen, dass es Engramme wirklich gibt.

In einer im April letzten Jahres in der Zeitschrift Science veröffentlichten Arbeit hat dieselbe Gruppe nun die Einzelheiten darüber enthüllt, wie Engramme in einem Teil des Gehirns, dem Hippocampus, gebildet und dann zur Speicherung in den Cortex, die äußerste Schicht, hochgeladen werden.

Die Entschlüsselung dieser Details der Gedächtnisspeicherung eröffnet die Möglichkeit, neue Wege zu finden, das Gedächtnis zu beeinflussen, wenn es versagt oder hyperaktiv wird.

Der erste experimentelle Nachweis, wie menschliche Erinnerungen gebildet und gespeichert werden, stammt aus dem Jahr 1953.

“Im Prinzip zeigt diese Studie, wie wir diese Zellen behandeln könnten, die bei PTBS überaktiv werden”, sagt Pankaj Sah, Direktor des Queensland Brain Institute. “

Der erste experimentelle Nachweis, wie menschliche Erinnerungen gebildet und gespeichert werden, stammt aus dem Jahr 1953. Damals ließ sich der 27-jährige Amerikaner Henry Molaison seine Hippocampi entfernen, um seine Anfälle zu heilen. Zum Entsetzen seiner Chirurgen zerstörte die Operation auch seine Fähigkeit, neue Erinnerungen zu bilden. Doch seine alten Erinnerungen waren in Ordnung.

Das unbeabsichtigte Experiment zeigte, dass der Hippocampus benötigt wird, um neue Erinnerungen zu weben – insbesondere die kontextreichen “episodischen” Erinnerungen, die jeden Tag gemacht werden, wie z. B. was Sie gesehen haben, als Sie heute Morgen mit Ihrem Hund im Park spazieren gegangen sind.

Diese detaillierten Erinnerungen werden jedoch nicht im Hippocampus gespeichert. Mit der Zeit werden sie in die äußere Hülle des Gehirns – den Kortex – verlagert. Das wissen wir von Patienten, die, wenn diese Teile ihres Gehirns elektrisch stimuliert wurden, bestimmte Erinnerungen abrufen. {%empfohlen 4923%}

Beim Hochladen dieser Erinnerungen werden die Informationen im Allgemeinen komprimiert, ähnlich wie wir Computerdateien für die Langzeitspeicherung komprimieren. Es wurde auch angenommen, dass dies über mehrere Tage hinweg geschieht.

Dieses grobkörnige Bild entsprach weitgehend dem Stand der Dinge bis vor fünf Jahren. Damals hat Tonegawas Labor, eine Zusammenarbeit zwischen dem japanischen RIKEN Brain Science Institute und dem MIT, einige fast mythische Ideen mit Hilfe einer hochmodernen Technologie, der so genannten Optogenetik, in die Praxis umgesetzt. Eine der Ideen war die des Semon’schen Engramms. Er stellte die These auf, dass eine Erinnerung eine physische Spur im Gehirn hinterlässt und dass das Gehirn die Erinnerung wiedergibt, wenn es stimuliert wird.

Semon schlug diese Idee Jahrzehnte vor, bevor Forscher verstanden, dass Neuronen Signale über elektrische Impulse senden. Seitdem haben Forscher einen Großteil der elektrischen Signale entschlüsselt, die zwischen Neuronen übertragen werden, und gezeigt, dass Lernen und Gedächtnis mit der Verstärkung von Verbindungen oder Synapsen zwischen einzelnen Neuronen zusammenhängen.

Doch niemand war je in der Lage gewesen, ein bestimmtes Ensemble von Neuronen im Gehirn einer bestimmten Erinnerung zuzuordnen. 1999 überlegte Francis Crick, ein Nobelpreisträger, der sich der Entschlüsselung der Geheimnisse des Gehirns widmete, dass man mit Lichtimpulsen einzelne Neuronen in einem lebenden Tier aktivieren könnte, um Fortschritte zu erzielen.

“Das scheint ziemlich weit hergeholt”, schrieb er, “aber es ist denkbar, dass Molekularbiologen einen bestimmten Zelltyp so manipulieren könnten, dass er für Licht empfindlich ist.” Nur sechs Jahre später machten die Stanford-Neurowissenschaftler Edward Boyden und Karl Deisseroth dies zu ihrer eigenen Überraschung mit ihrer bahnbrechenden Arbeit in der Optogenetik zur Realität. Sie machten sich einen Lichtschalter zunutze, der von Grünalgen verwendet wird – das Channelrhodopsin-Protein.

Wenn es von blauem Licht angestrahlt wird, öffnet das Protein eine Pore, so dass positiv geladene Ionen durch die Zellmembran fließen können. Dieser Stromfluss signalisiert den Geißeln am anderen Ende der Algenzelle, zu schlagen und sie in Richtung Licht zu treiben.

Die Forscher fanden heraus, dass sie ein einzelnes Channelrhodopsin-Gen in einzelne Neuronen einfügen konnten, indem sie ein infizierendes Virus als Kurier verwendeten. Sie stellten auch sicher, dass nur Zellen, die vor kurzem eine Erinnerung gebildet hatten, das Lichtschalter-Gen produzierten; gedächtnisbildende Zellen produzieren ein Protein namens c-fos, so dass das Gen nur in Zellen gebildet wurde, die c-fos produzieren.

Im Jahr 2012 wandte Tonegawas Gruppe diese optogenetische Technik an, um die Existenz eines Angst-Engramms nachzuweisen. Eine Maus wurde in eine Kiste mit bestimmten Wand- und Bodentexturen gesetzt. Jedes Mal, wenn sie in diese Box gesetzt wurde, erhielt sie einen elektrischen Schock. Die Forscher identifizierten auch eine Gruppe von Zellen im Hippocampus, die aktiv den Lichtschalter betätigten, was darauf hindeutet, dass diese Zellen an der Bildung einer Erinnerung beteiligt waren.

Um dies zu beweisen, fädelten die Wissenschaftler eine optische Faser durch das Gehirn zum Hippocampus, um diese Zellen anzuvisieren. Als sie den Hippocampus mit rhythmischen Blitzen aus blauem Licht bestrahlten, erstarrte die Maus, als würde sie die Erinnerung an die Schockbox erneut durchleben. Dies war der erste Beweis für ein Engramm – eine Ansammlung von einigen hundert Zellen, die, wenn sie stimuliert werden, die Erinnerung wiedergeben.

In dieser neuen Studie wollten die Forscher sehen, was mit dem Hippocampus-Engramm in den Mäusen im Laufe der Zeit passiert. Andere Studien hatten nahegelegt, dass es sich um einen bestimmten kleinen Bereich des Kortex – den präfrontalen Kortex – handelt, in dem Furcht-Erinnerungen gespeichert zu sein scheinen. Also infizierten die Forscher die Zellen des präfrontalen Kortex mit dem Virus, das den Lichtschalter enthält.

Sie fanden etwas Merkwürdiges. Sobald die Mäuse gelernt hatten, sich vor dem Schockraum zu fürchten, konnten sie die Erinnerung wieder abrufen, indem sie Lichtblitze auf den Hippocampus richteten – wie zuvor. Die Überraschung war, dass die Erinnerung auch durch Lichtblitze auf die Zellen des präfrontalen Kortex hervorgerufen werden konnte. Das Engramm wurde also offenbar gleichzeitig in den präfrontalen Kortex hochgeladen. “Das war überraschend”, bemerkt Tonegawa, “weil es darauf hindeutet, dass das kortikale Gedächtnis wahrscheinlich schon am ersten Tag angelegt wurde und nicht erst allmählich, wie bisher angenommen wurde.”

Als die Mäuse jedoch in den Schockraum gebracht wurden und bei der Erinnerung zusammenzuckten, waren dieselben Zellen des präfrontalen Kortex stumm (was durch die Überprüfung der chemischen Aktivität in isoliertem Hirngewebe bewiesen wurde). Erst einige Wochen nach der Erfahrung feuerten die Zellen des präfrontalen Kortex, wenn die Maus in den Schockraum gebracht wurde. Umgekehrt begann das Engramm im Hippocampus zu verblassen.

Wenn es also um die Speicherung des Langzeitgedächtnisses geht, wird zunächst eine stumme Kopie im präfrontalen Kortex angefertigt; erst allmählich wird sie verfestigt, während das Engramm im Hippocampus gelöscht wird. Was genau dieser Langzeitzement ist, muss allerdings noch ermittelt werden, sagt Takashi Kitamura, der Erstautor der Studie.

Ein weiterer Schlüssel zur Zementierung des Gedächtnisses war, dass der präfrontale Kortex Eingänge sowohl vom Hippocampus als auch von der Amygdala, dem emotionalen Zentrum des Gehirns, erhalten musste. Als die Forscher die neuronalen Eingänge von beiden blockierten (wiederum mit Hilfe von Lichtschaltern), konnte sich das Gedächtnis des Kortex nicht verfestigen.

Wie könnten diese Informationen den Menschen helfen? Auch wenn wir keine Lichtschalter implantieren können, so ist es doch möglich, bestimmte Hirnregionen ein- oder auszuschalten, indem wir feine Elektroden implantieren, eine Technik, die als tiefe Hirnstimulation bekannt ist und bereits zur Behandlung von Krankheiten wie der Parkinson-Krankheit eingesetzt wird. Kitamura stellt sich vor, dass es eines Tages möglich sein wird, eine ähnliche Technik anzuwenden, um die Engramme im Gehirn zu manipulieren. “

Angesichts des rasanten Fortschritts auf diesem Gebiet ist die Ära der Manipulation unserer Engramme vielleicht gar nicht mehr so weit entfernt.