science global

Wie ein Gehirnschaltkreis Erinnerungen an Orte und Ereignisse kodiert

Ein neues Computermodell erklärt, wie Neuronen, die mit der räumlichen Navigation in Verbindung stehen, auch bei der Speicherung episodischer Erinnerungen helfen können.

Vor fast 50 Jahren entdeckten Neurowissenschaftler im Hippocampus des Gehirns Zellen, die Erinnerungen an bestimmte Orte speichern. Diese Zellen spielen auch eine wichtige Rolle bei der Speicherung von Erinnerungen an Ereignisse, die als episodische Erinnerungen bezeichnet werden. Während der Mechanismus, wie Ortszellen räumliche Erinnerungen kodieren, gut charakterisiert ist, ist es weiterhin ein Rätsel, wie sie episodische Erinnerungen kodieren.

Ein neues Modell, das von MIT-Forschern entwickelt wurde, erklärt, wie diese Ortszellen zur Bildung episodischer Erinnerungen herangezogen werden können, selbst wenn es keine räumliche Komponente gibt. Diesem Modell zufolge fungieren Ortszellen zusammen mit Gitterzellen im entorhinalen Kortex als Gerüst, das zur Verankerung von Erinnerungen als verknüpfte Reihe verwendet werden kann.

„Dieses Modell ist ein erster Entwurf des entorhinal-hippocampalen episodischen Gedächtniskreislaufs. Es ist eine Grundlage, auf der man aufbauen kann, um die Natur des episodischen Gedächtnisses zu verstehen. Das ist es, worüber ich wirklich begeistert bin“, sagt Ila Fiete, Professorin für Gehirn- und Kognitionswissenschaften am MIT, Mitglied des McGovern Institute for Brain Research des MIT und Hauptautorin der neuen Studie.

Das Modell bildet mehrere Merkmale biologischer Gedächtnissysteme genau nach, darunter die große Speicherkapazität, den allmählichen Abbau älterer Erinnerungen und die Fähigkeit von Menschen, die an Gedächtniswettbewerben teilnehmen, enorme Mengen an Informationen in „Gedächtnispalästen“ zu speichern.

Die MIT-Forscher Sarthak Chandra und Sugandha Sharma PhD ’24 sind die Hauptautoren der Studie, die heute in Nature erscheint . Rishidev Chaudhuri, Assistenzprofessor an der University of California in Davis, ist ebenfalls Autor der Abhandlung.

Ein Index der Erinnerungen

Um räumliches Gedächtnis zu kodieren, arbeiten Ortszellen im Hippocampus eng mit Gitterzellen zusammen – einem speziellen Neuronentyp, der an vielen verschiedenen Stellen feuert, die geometrisch in einem regelmäßigen Muster sich wiederholender Dreiecke angeordnet sind. Zusammen bildet eine Population von Gitterzellen ein Gitter aus Dreiecken, die einen physischen Raum darstellen.

Diese hippocampal-entorhinalen Schaltkreise helfen uns nicht nur, uns an Orte zu erinnern, an denen wir schon waren, sondern auch, uns an neuen Orten zurechtzufinden. Von menschlichen Patienten weiß man, dass diese Schaltkreise auch für die Bildung episodischer Erinnerungen entscheidend sind, die zwar eine räumliche Komponente haben können, aber hauptsächlich aus Ereignissen bestehen, wie zum Beispiel, wie Sie Ihren letzten Geburtstag gefeiert haben oder was Sie gestern zu Mittag gegessen haben.

„Dieselben hippocampalen und entorhinalen Schaltkreise werden nicht nur für das räumliche Gedächtnis, sondern auch für das allgemeine episodische Gedächtnis verwendet“, sagt Fiete. „Die Frage, die man stellen kann, ist, welche Verbindung zwischen räumlichem und episodischem Gedächtnis besteht, die dafür sorgt, dass sie im selben Schaltkreis leben?“

Zur Erklärung dieser Funktionsüberschneidung wurden zwei Hypothesen vorgeschlagen. Eine davon ist, dass der Schaltkreis darauf spezialisiert ist, räumliche Erinnerungen zu speichern, da diese Art von Erinnerungen – wie sich daran zu erinnern, wo Nahrung war oder wo Raubtiere gesehen wurden – für das Überleben wichtig sind. Dieser Hypothese zufolge kodiert dieser Schaltkreis episodische Erinnerungen als Nebenprodukt des räumlichen Gedächtnisses.

Einer alternativen Hypothese zufolge ist der Schaltkreis auf die Speicherung episodischer Erinnerungen spezialisiert, kodiert aber auch räumliche Erinnerungen, da der Ort ein Aspekt vieler episodischer Erinnerungen ist.

In dieser Arbeit schlugen Fiete und ihre Kollegen eine dritte Möglichkeit vor: dass die eigentümliche Kachelstruktur der Gitterzellen und ihre Interaktionen mit dem Hippocampus für beide Gedächtnistypen – episodisch und räumlich – gleichermaßen wichtig sind. Um ihr neues Modell zu entwickeln, bauten sie auf Computermodellen auf, die ihr Labor im letzten Jahrzehnt entwickelt hat und die nachahmen, wie Gitterzellen räumliche Informationen kodieren.

„Wir hatten den Punkt erreicht, an dem wir meiner Meinung nach die Mechanismen des Gitterzellenschaltkreises auf einer gewissen Ebene verstanden hatten. Daher schien es an der Zeit, zu versuchen, die Wechselwirkungen zwischen den Gitterzellen und dem größeren Schaltkreis, zu dem auch der Hippocampus gehört, zu verstehen“, sagt Fiete.

In dem neuen Modell vermuteten die Forscher, dass Gitterzellen, die mit Hippocampuszellen interagieren, als Gerüst für die Speicherung von räumlichem oder episodischem Gedächtnis fungieren können. Jedes Aktivierungsmuster innerhalb des Gitters definiert einen „Brunnen“, und diese Brunnen sind in regelmäßigen Abständen angeordnet. Die Brunnen speichern nicht den Inhalt einer bestimmten Erinnerung, sondern jeder fungiert als Zeiger auf eine bestimmte Erinnerung, die in den Synapsen zwischen Hippocampus und sensorischem Kortex gespeichert ist.

Wenn die Erinnerung später aus Fragmenten heraus ausgelöst wird, treiben Interaktionen zwischen Gitter und Hippocampuszellen den Schaltkreiszustand in die nächstgelegene Vertiefung, und der Zustand am Boden der Vertiefung verbindet sich mit dem entsprechenden Teil des sensorischen Kortex, um die Einzelheiten der Erinnerung zu ergänzen. Der sensorische Kortex ist viel größer als der Hippocampus und kann riesige Mengen an Erinnerungen speichern.

„Konzeptionell können wir uns den Hippocampus als ein Zeigernetzwerk vorstellen. Er ist wie ein Index, der aus einem Teil-Input Muster vervollständigt werden kann, und dieser Index verweist dann auf den sensorischen Kortex, wo diese Inputs ursprünglich erfahren wurden“, sagt Fiete. „Das Gerüst enthält nicht den Inhalt, es enthält nur diesen Index abstrakter Gerüstzustände.“

Darüber hinaus können nacheinander auftretende Ereignisse miteinander verknüpft werden: Jede Vertiefung im Gitterzellen-Hippocampus-Netzwerk speichert effizient die Informationen, die zur Aktivierung der nächsten Vertiefung erforderlich sind, sodass Erinnerungen in der richtigen Reihenfolge abgerufen werden können.

Modellierung von Gedächtnisklippen und Palästen

Das neue Modell der Forscher bildet mehrere mit dem Gedächtnis verbundene Phänomene viel genauer nach als bestehende Modelle, die auf Hopfield-Netzen basieren – einer Art neuronalem Netz, das Muster speichern und abrufen kann.

Hopfield-Netzwerke geben zwar Aufschluss darüber, wie Erinnerungen durch die Stärkung der Verbindungen zwischen Neuronen gebildet werden können, sie bilden jedoch nicht perfekt ab, wie das biologische Gedächtnis funktioniert. In Hopfield-Modellen wird jede Erinnerung in allen Einzelheiten abgerufen, bis die Kapazität erreicht ist. Ab diesem Punkt können keine neuen Erinnerungen mehr gebildet werden, und schlimmer noch: Der Versuch, weitere Erinnerungen hinzuzufügen, löscht alle vorherigen. Dieser „Gedächtnisabgrund“ bildet nicht genau nach, was im biologischen Gehirn passiert, das dazu neigt, die Details älterer Erinnerungen allmählich zu vergessen, während ständig neue hinzugefügt werden.

Das neue MIT-Modell greift Erkenntnisse aus jahrzehntelangen Aufzeichnungen von Gitter- und Hippocampuszellen bei Nagetieren auf, die gemacht wurden, während die Tiere verschiedene Umgebungen erkunden und nach Nahrung suchen. Es hilft auch, die zugrundeliegenden Mechanismen einer Gedächtnisstrategie zu erklären, die als Gedächtnispalast bekannt ist. Eine der Aufgaben bei Gedächtniswettbewerben besteht darin, sich die gemischte Kartenfolge in einem oder mehreren Kartenstapeln einzuprägen. Normalerweise tun sie dies, indem sie jeder Karte einen bestimmten Platz in einem Gedächtnispalast zuordnen – eine Erinnerung an ein Elternhaus oder eine andere Umgebung, die sie gut kennen. Wenn sie sich an die Karten erinnern müssen, gehen sie im Geiste durch das Haus und stellen sich dabei jede Karte an ihrem Platz vor. Widersprüchlicherweise wird das Erinnern durch die zusätzliche Gedächtnislast, Karten mit Orten zu assoziieren, stärker und zuverlässiger.

Das Computermodell des MIT-Teams war in der Lage, solche Aufgaben sehr gut zu erfüllen. Dies legt nahe, dass Gedächtnispaläste die Strategie des Gedächtnisschaltkreises nutzen, Eingaben mit einem Gerüst im Hippocampus zu verknüpfen, allerdings eine Ebene tiefer: Längst erworbene Erinnerungen, die im größeren sensorischen Kortex rekonstruiert wurden, können nun als Gerüst für neue Erinnerungen eingesetzt werden. Dies ermöglicht die Speicherung und den Abruf von viel mehr Elementen in einer Sequenz, als dies sonst möglich wäre.

Die Forscher möchten ihr Modell nun weiterentwickeln und untersuchen, wie episodische Erinnerungen in ein „semantisches“ Gedächtnis der Hirnrinde umgewandelt werden können, also in die Erinnerung an Fakten, die losgelöst sind von dem spezifischen Kontext, in dem sie erworben wurden (zum Beispiel ist Paris die Hauptstadt Frankreichs), wie Episoden definiert werden und wie gehirnähnliche Gedächtnismodelle in modernes maschinelles Lernen integriert werden könnten.

Die Forschung wurde vom US Office of Naval Research, der National Science Foundation im Rahmen des Robust Intelligence-Programms, dem ARO-MURI-Preis, der Simons Foundation und dem K. Lisa Yang ICoN Center finanziert.

Hier geht es zum Originalbeitrag

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert