UCLA-Forscher identifizieren Gehirnschaltkreise, die die Gedächtnisorganisation steuern

Wenn ein Mensch eine neue Erfahrung macht, steht sein Gehirn vor einer subtilen, aber entscheidenden Entscheidung: Soll diese Erfahrung mit anderen gespeicherten Erinnerungen kategorisiert werden oder soll sie als eigene neue Erinnerung abgelegt werden? Wenn es richtig gemacht wird, kann das Gehirn Menschen dabei helfen, sich in der Welt zurechtzufinden. Aber wenn man es falsch macht, können falsche Assoziationen entstehen, was ein Merkmal mehrerer psychiatrischer Erkrankungen wie der bipolaren Störung und der Schizophrenie ist.

In einer in der Zeitschrift veröffentlichten Studie NaturneurowissenschaftenForscher der UCLA Health haben nun den spezifischen Schaltkreis im Gehirn identifiziert, der für diesen Anruf verantwortlich sein könnte.

Forscher am UCLA Integrative Center for Learning and Memory fanden heraus, dass eine Region des GehirnsDer präfrontale Kortex, der mit der Entscheidungsfindung und dem Langzeitgedächtnis verbunden ist, spielt eine aktive Rolle bei der Steuerung der Organisation von Erinnerungen im GehirnDer Hippocampus ist das primäre Gedächtniszentrum. Anhand von Mäusen konnten sie den spezifischen Weg verfolgen, über den diese Gedächtnisintegration erfolgt.

Wir wissen seit langem, dass der präfrontale Kortex und der Hippocampus beim Gedächtnis zusammenarbeiten, aber wie der präfrontale Kortex tatsächlich steuert, welche Erinnerungen verknüpft werden, ist ein Rätsel. Diese Studie identifiziert einen spezifischen Schaltkreis, der diesen Prozess bidirektional regulieren kann.“

André de Sousa, Erstautor der Studie, Postdoktorand an der UCLA Health

Zwei Schlüsselfaktoren bestimmen, ob das Gehirn zwei Erinnerungen miteinander verknüpft: wie ähnlich die Erlebnisse sind und wie weit sie zeitlich voneinander entfernt sind. Erfahrungen, die zeitlich nahe beieinander stattfanden, beispielsweise innerhalb weniger Stunden, neigten dazu, im Hippocampus automatisch zusammengeführt zu werden. Wenn die Erfahrungen mehrere Tage auseinander lagen, schien ein bewussterer Prozess die Oberhand zu gewinnen.

Mithilfe von Mäusen fand das Forschungsteam heraus, dass eine Hirnregion namens ventromedialer präfrontaler Kortex (vmPFC) deutlich aktiver wird, wenn ein Tier mehrere Tage nach der vorherigen auf eine neue Umgebung trifft, insbesondere wenn sich die beiden Umgebungen deutlich unterscheiden. Die Forscher fanden heraus, dass dieser Aktivitätsschub die Art und Weise des Gehirns ist, diese Erinnerungen auseinanderzuhalten.

Die Forscher fanden heraus, dass der vmPFC wie ein Kontrollpunkt für die Qualitätskontrolle fungiert. Nach einigen Tagen hatte der präfrontale Kortex genügend Zeit, eine frühere Erinnerung zu festigen. Wenn eine neue Erfahrung auftritt, vergleicht es die neue Erfahrung mit der früheren Erinnerung. Wenn sie sich deutlich unterscheiden, signalisiert der vmPFC dem Hippocampus, einen neuen Satz Neuronen zu verwenden, um die neue Erfahrung aufzuzeichnen, wodurch die Erinnerungen deutlich bleiben. Wenn die beiden Erfahrungen ähnlich sind, löst sich der vmPFC und ermöglicht es dem Hippocampus, beide Erinnerungen in vielen derselben Neuronen zu kodieren und sie miteinander zu verknüpfen. Wenn der vmPFC daran gehindert wird, seine Aufgabe zu erfüllen, verliert der Hippocampus diese Unterscheidungsfähigkeit und beginnt, nicht zusammenhängende Erinnerungen falsch zusammenzuführen.

Um dies zu demonstrieren, setzten die UCLA-Forscher Mäuse im Abstand von einer Woche zwei unterschiedlichen Umgebungen aus. Als die Mäuse die zweite Umgebung besuchten, schalteten die Forscher den vmPFC in den Mäusen aus und die Mäuse verhielten sich so, als ob die beiden Umgebungen gleich wären. Als den Mäusen in der zweiten Umgebung ein leichter Fußschock verabreicht wurde, zeigten sie Angstreaktionen, wenn sie erneut in die erste Umgebung gebracht wurden, obwohl dort nichts Besorgniserregendes passiert war.

Als die Forscher jedoch den vmPFC zum Schweigen brachten, als Mäuse im Abstand von nur fünf Stunden zwei unterschiedlichen Umgebungen ausgesetzt waren, änderte sich nichts. Die Erinnerungen waren trotzdem verknüpft. De Sousa sagte, dies lege die vmPFC naheSeine Rolle besteht insbesondere darin, die Speicherorganisation über längere Zeiträume hinweg zu verwalten, nachdem ausreichend Zeit zur Konsolidierung des Vorhergehenden vorhanden war.

Die Studie verfolgte auch den genauen Weg, den das vmPFC nutzt, um seinen Einfluss auszuüben, und zwar mithilfe einer Kombination fortschrittlicher Techniken, darunter Miniaturmikroskope, die auf den Köpfen von Mäusen montiert wurden, um zu beobachten, wie einzelne Neuronen in Echtzeit feuern, und das Ein- oder Ausschalten bestimmter Neuronen mithilfe von Medikamenten oder Licht.

Sie fanden heraus, dass das Signal vom vmPFC zu einer Relaisregion namens medialer entorhinaler Kortex weitergeleitet wurde, die wiederum mit dem Hippocampus kommuniziert. Wenn dieser vmPFC-zu-Entorhinal-Weg blockiert ist, werden Erinnerungen, die getrennt bleiben sollten, falsch zusammengeführt. Bei der künstlichen Aktivierung wurden Erinnerungen, die normalerweise miteinander verbunden wären, auseinandergedrängt, selbst wenn die Erlebnisse zeitlich nahe beieinander stattfanden.

Am Ende dieses Weges scheint ein spezifischer Typ hemmender Neuronen im Hippocampus, eine so genannte neurogliaforme Zelle, als letzter Torwächter zu fungieren und zu regulieren, welche Neuronen für die Speicherung eines neuen Gedächtnisses rekrutiert werden und welche nicht.

„Auffällig ist, dass dieser Kreislauf in beide Richtungen funktionieren kann“, sagte de Sousa. „Wir können dafür sorgen, dass Erinnerungen verschmelzen, was nicht passieren sollte, oder getrennte Erinnerungen bewahren, die andernfalls verknüpft wären, indem wir einfach diesen einen Weg manipulieren. Das zeigt uns, dass es sich hierbei um einen grundlegenden Kontrollmechanismus handelt.“

De Sousa sagte, die Ergebnisse bieten einen potenziellen Rahmen für das Verständnis, was unter Bedingungen, in denen die Gedächtnisorganisation gestört sei, schief laufe. Störungen wie Schizophrenie, bipolare Störung und bestimmte Angststörungen gehen mit der Bildung unangemessener Assoziationen und einer beeinträchtigten Kommunikation zwischen dem präfrontalen Kortex und dem Hippocampus einher.

Die Ergebnisse könnten auch für das Alter relevant sein. Schwierigkeiten bei der Organisation des Gedächtnisses sind ein gut dokumentiertes Merkmal des kognitiven Verfalls, und es ist bekannt, dass sich die präfrontal-hippocampale Kommunikation mit zunehmendem Alter verschlechtert.

Weitere Studien sind erforderlich, um weiter zu untersuchen, wie der präfrontale Kortex mit dem Hippocampus zusammenarbeitet, um angemessenes Verhalten zu steuern.

„Der präfrontale Kortex unterstützt mehrere wichtige kognitive Funktionen, darunter Arbeitsgedächtnis, Langzeitgedächtnisspeicherung und Entscheidungsfindung. Wir sind daran interessiert zu verstehen, wie er diese Prozesse mit Vorwissen kombiniert, um die Hippocampusaktivität während der Gedächtnisbildung und -abfrage zu beeinflussen“, sagte de Sousa. „Diese Arbeit könnte dabei helfen aufzudecken, wie das Gehirn verschiedene kognitive Funktionen integriert, um adaptives Verhalten zu unterstützen, und wie diese Interaktionen im Alter oder bei Krankheiten gestört werden können.“

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