Forscher beobachten Veränderung der Synapsen bei Gedächtnisbildung
Wissenschaftler beobachten erstmals bei Mäusen, wie sich die Verbindungen zwischen Neuronen bei der Gedächtnisbildung verändern.
NEW YORK, NY — Man geht davon aus, dass jeder Moment, an den wir uns erinnern, durch Veränderungen in der Stärke der Verbindungen zwischen Gehirnzellen, den sogenannten Synapsen, kodiert wird. Diese Theorie besteht seit etwa einem halben Jahrhundert. Doch Wissenschaftler hatten sich nie vorstellen können, dass diese synaptischen Veränderungen tatsächlich stattfinden, wenn sich Erinnerungen im Gehirn eines komplexen Lebewesens bilden – bis jetzt.
In einem heute online in Nature veröffentlichten Artikel haben Forscher des Zuckerman Institute der Columbia-Universität erstmals den Prozess der Gedächtniskodierung bei Mäusen beobachtet.
„Jahrzehntelang haben Forscher untersucht, wie sich Synapsen im Gehirn von Säugetieren verändern oder im Zusammenhang mit Alterung, Neurodegeneration, psychischen Störungen oder anderen Leiden, ohne tatsächliche Ergebnisse dieser lebenswichtigen Verbindungen zu haben“, sagte Dr. Franck Polleux , leitender Forscher am Zuckerman Institute der Columbia-Universität. „Jetzt haben wir den bisher besten Einblick, wie sich Synapsen während der Entstehung einer Erinnerung verändern.“
Im gesamten Gehirn werden die elektrischen Signale, die Informationen übertragen, an Synapsen von einem Neuron zum nächsten weitergeleitet. Wissenschaftler waren lange davon ausgegangen, dass die Fähigkeit der Synapsen, mit der Zeit stärker oder schwächer zu werden (synaptische Plastizität), mitbestimmt, ob Erinnerungen erhalten bleiben oder verblassen.
„Synaptische Plastizität ist die Grundlage für Lernen und Gedächtnis“, sagte Atilla Losonczy , MD, PhD, leitender Forscher am Zuckerman Institute. „Sie ist die Grundlage der menschlichen Existenz: wie wir lernen, uns erinnern, uns anpassen und unser Verhalten ändern.“
Bisherige Erkenntnisse zur Funktionsweise synaptischer Plastizität stammen aus Experimenten mit relativ einfachen Tieren wie Meeresschnecken oder unter künstlichen Bedingungen wie in Laborschalen gezüchteten Gehirnzellen. Über die tatsächliche Art und Weise, wie sich Synapsen während des Lernens bei komplexeren Tieren wie Mäusen und Menschen verändern, blieb vieles unklar.
„Die technischen Herausforderungen bei der Untersuchung der synaptischen Plastizität bei einem komplexen, lebenden Tier, das wach ist und sich frei bewegen kann, sind enorm“, sagte Kevin Gonzalez, ein Doktorand in den Laboren von Losonczy und Polleux und Erstautor der Studie. „Das erklärt, warum dies bisher niemandem gelungen ist.“
In ihrer neuen Studie haben die Forscher viele dieser technischen Herausforderungen bewältigt. Sie konzentrierten sich auf den Hippocampus, ein zentrales Gehirnareal für Lernen und Gedächtnis. Pyramidenförmige Neuronen in der CA1-Region des Hippocampus können zu „Ortszellen“ werden, die Erinnerungen an Orte kodieren. Während sich Individuen in ihrer Umgebung zurechtfinden, feuert jede Ortszelle selektiv nur an einem bestimmten Ort.
„Wir können verfolgen, wann während der Navigation jede Synapse aktiv ist und wie stark sie ist, und wir können dies für Hunderte von Synapsen pro Neuron tun.“
Jedes CA1-Neuron empfängt zwischen 10.000 und 15.000 synaptische Eingänge von anderen Neuronen, die jeweils Informationen über den gesamten Raum liefern, den ein Tier erkundet. Um das Rätsel zu lösen, wie diese Neuronen im Hippocampus diese Informationsflut nutzen können, um zu einer Ortszelle zu werden, haben die Forscher einzelne CA1-Neuronen im Gehirn von Mäusen genetisch so verändert, dass sie fluoreszierende Moleküle produzieren: rot, wenn die Synapsen aktiviert werden, und grün, um die Stärke des durch sie fließenden Stroms anzuzeigen.
„Wir können verfolgen, wann während der Navigation jede Synapse aktiv ist und wie stark sie ist, und wir können dies für Hunderte von Synapsen pro Neuron tun“, sagte Dr. Losonczy, der auch Professor für Neurowissenschaften am Vagelos College of Physicians and Surgeons der Columbia-Universität ist.
Um dieses synaptische Lichtspiel zu visualisieren, verwendeten die Forscher die schnelle Zwei-Photonen Mikroskopie , eine präzise Bildgebungstechnologie.
„Wir überwachen all diese Aktivitäten in Strukturen, die ein Hundertstel der Breite eines menschlichen Haares betragen“, sagte Gonzalez. „Unsere Bildgebungstechnik ist schnell genug, um Änderungen der Synapsenstärke zu erfassen, die Hundertstelsekunden dauern.“
Um Synapsen im Moment der Gedächtnisbildung abzubilden, spornten die Forscher die genetisch veränderten Zellen der Nagetiere an, eine Erinnerung an ihren aktuellen Standort zu kodieren, während sie eine virtuelle Umgebung erkundeten. „Das ist ein wirkungsvoller Ansatz. Wir müssen nicht warten, bis ein Ereignis eintritt, das eine Erinnerung erzeugen könnte, sondern können es jetzt auslösen, wenn wir wollen, und ein einzelnes Neuron zur Gedächtniskodierung in das Gehirn implantieren“, sagte Dr. Losonczy.
Die Forscher fanden heraus, dass Synapsen, die ein bis zwei Sekunden vor der Entstehung der Erinnerung aktiv waren (etwa drei bis fünf Prozent der Synapsen eines Neurons), mit der Zeit stärker wurden. Synapsen, die außerhalb dieses Zeitfensters aktiv waren, wurden schwächer.
„Das Gehirn verstärkt die Stärke der Synapsen, die für die Ortsbestimmung relevant sind, und dämpft andere, die irrelevant sind“, sagte Dr. Polleux, der auch Professor für Neurowissenschaften am Vagelos College of Physicians and Surgeons der Columbia-Universität ist.
Dieses Muster der synaptischen Plastizität stützt nachdrücklich die Vorhersagen eines kürzlich von anderen Forschern vorgeschlagenes Modell . Dieses Modell hilft zu erklären, wie das Gehirn aus einem einzigen Ereignis eine Erinnerung bilden kann, im Gegensatz zu anderen Modellen, die Hunderte von Erfahrungen erfordern, um eine Erinnerung zu erzeugen.
„Dies sind die ersten experimentellen Messungen der Regeln der synaptischen Plastizität, die das Lernen steuern“, sagte Dr. Polleux.
Eine der größten Überraschungen für die Wissenschaftler war ihre Entdeckung, dass sich nicht alle Synapsen in den von ihnen beobachteten Neuronen des Hippocampus gleich verhielten. Neuronen haben Verzweigungen wie ein Baum: Obwohl sich die Aktivität und Stärke der Synapsen in den Verzweigungen nahe der Spitze der pyramidenförmigen Zellen in den Experimenten veränderte, änderte sich dies bei denen in der Nähe der Basis dieser Zellen nicht.
„Wir wissen noch nicht, warum das so ist oder warum es wichtig sein könnte“, sagte Dr. Losonczy. „Wir wissen, dass das Gedächtnis auf mehreren Ebenen organisiert ist, von Synapsen über einzelne Neuronen bis hin zu neuronalen Schaltkreisen, und jetzt sehen wir, dass es sogar auf subzellulärer Ebene organisiert sein könnte.“
Ausgestattet mit den neuen Ergebnissen „sind wir in der einzigartigen Lage, die molekulare Basis der synaptischen Plastizität während der Gedächtnisbildung zu untersuchen und potenzielle Defekte zu untersuchen, die Verzerrungen oder Verlusten von Erinnerungen bei psychiatrischen oder neurodegenerativen Erkrankungen zugrunde liegen“, sagte Dr. Polleux.
Der Artikel „Synaptic basis of feature selectivity in hippocampal neurons“ wurde 2024 in Nature auf TKTK veröffentlicht.
Die vollständige Liste der Autoren umfasst Kevin C. Gonzalez, Adrian Negrean, Zhenrui Liao, Satoshi Terada, Guofeng Zhang, Sungmoo Lee, Katalin Ócsai, Balázs J. Rózsa, Michael Z. Lin, Franck Polleux und Attila Losonczy.
Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte vorliegen.
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