MIT-Wissenschaftler identifizieren Gehirn-Schaltkreise der Gedächtnisbildung

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Schematisches Modell, das zeigt, wie Gedächtnis im präfrontalen Kortex konsolidiert wird und wie Schaltkreise durch die Amygdala verschoben werden, wenn hippocampale Engrammzellen verstummen und kortikale Engramme aktiv werden.
Quelle: Mit freundlicher Genehmigung von RIKEN

Eine neue Studie an Mäusen des Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat ein neues schematisches Modell und eine Zeitachse identifiziert, die zeigen, wie Erinnerungen im präfrontalen Kortex (PFC) konsolidiert werden, nachdem sie von einem Teil des Gehirns zur Langzeitspeicherung weitergeleitet wurden .

Dieser Bericht, "Engrams and Circuits Crucial für Systemkonsolidierung eines Gedächtnisses", wurde online vor Druck am 6. April in der Zeitschrift Science veröffentlicht . Susumu Tonegawa, Direktor des RIKEN-MIT Brain Science Institute und des Zentrums für Neuronale Schaltkreisgenetik (CNCG), war leitender Autor dieser Studie. Diese Ergebnisse stellen historische Modelle der Langzeitgedächtnisbildung in Frage und könnten laut den MIT-Forschern zu Revisionen einiger dominanter Gedächtniskonsolidierungsmodelle führen.

Weitere Beiträge zu dieser bahnbrechenden Studie sind der Hauptautor Takashi Kitamura, Postdocs Sachie Ogawa, Teruhiro Okuyama und Mark Morrissey; zusammen mit Doktorand Dheeraj Roy, technischer Mitarbeiter Lillian Smith und ehemaliger Postdoc Roger Redondo.

Humanes präfrontales Cortex (PFC) in rot.
Quelle: Biowissenschaftsdatenbank / Wikimedia Commons

Die neue MIT-Studie von Kitamura et al. zeigt zum ersten Mal, dass Erinnerungen gleichzeitig im Hippocampus und spezialisierten Neuronen im präfrontalen Kortex entstehen, die "Engrammzellen" genannt werden, die langfristige Erinnerungen im Laufe der Zeit konsolidieren. In einer Stellungnahme zu MIT News sagte Tonegawa: "Diese und andere Ergebnisse in diesem Papier bieten einen umfassenden Schaltkreismechanismus für die Konsolidierung von Speicher."

Um zu bestimmen, welche spezifischen Bereiche der Großhirnrinde für die Bildung eines Langzeitgedächtnisses wichtig sind, blockierten die Forscher während eines 3-wöchigen Zeitraums während des Konditionierens und des Erinnerungsabrufs Eingaben in verschiedene Gehirnbereiche. Überraschenderweise fanden die Forscher heraus, dass Langzeitgedächtnis im präfrontalen Kortex für etwa zwei Wochen "still" bleiben, bevor sie reifen und sich zu permanenten Langzeitgedächtnis verdichten.

Leitender Autor Takashi Kitamura sagte in einer Aussage: "Wir haben die Existenz von kortikalen Engrammzellen entdeckt, aber es stellt sich heraus, dass sie sich nicht allmählich mit der Zeit bilden. Sie bilden sich zur gleichen Zeit wie die ursprüngliche Erinnerung im Hippocampus. "Morrissey fügte hinzu:" Sie werden parallel gebildet, aber dann gehen sie von dort aus auf andere Weise. Der präfrontale Kortex wird stärker und der Hippocampus wird schwächer. "

Der Präfrontale Cortex, Hippocampus und Amygdala arbeiten zusammen, um langfristige Erinnerungen über einen Zeitraum von 12 Tagen zu konsolidieren

Courtesy of Takashi Kitamura, Tonegawa lab
Eine MIT-Studie der neuronalen Schaltkreise, die dem Gedächtnisprozess zugrunde liegen, zeigt zum ersten Mal, dass Erinnerungen gleichzeitig im Hippocampus und dem Langzeitspeicherort im Cortex des Gehirns entstehen. Dieses Bild zeigt Speicher-Engramm-Zellen (grün und rot), die für die dauerhafte Speicherung im präfrontalen Kortex entscheidend sind.
Quelle: Mit freundlicher Genehmigung von Takashi Kitamura, Tonegawa-Labor

Diese Studie zeigt, wie funktionelle Konnektivität mit anderen Hirnregionen es ermöglicht, dass kortikale Engrammzellen reifen und zu dauerhaften Langzeitgedächtnis in PFC-Neuronen über den Zeitraum von etwa 12 Tagen werden. Im Speziellen markierten die Forscher Speicherzellen in drei Teilen des Gehirns: dem präfrontalen Kortex , dem Hippocampus (HPC) und der basolateralen Amygdala (BLA). Bemerkenswerterweise fanden sie die BLA speichert sowohl positive als auch negative emotionale Assoziationen zu einem Gedächtnis in Verbindung mit dem PFC und HPC.

Die Ergebnisse legen nahe, dass traditionelle Theorien der Langzeitgedächtniskonsolidierung nur teilweise zutreffend sind. Erinnerungen scheinen sowohl am präfrontalen Kortex als auch am Hippocampus am Tag der Entstehung einer initialen Erinnerung schnell und gleichzeitig gebildet zu werden. Dann wird der Speicher im Laufe der Zeit in der PFC konsolidiert.

Historisch gesehen wurde der Hippocampus von den meisten Experten als "Erinnerungszentrum" betrachtet, und der präfrontale Kortex wurde als Sitz von "Exekutivfunktionen" wie Planung, Emotionsregulation, Impulskontrolle, kognitive Flexibilität usw. betrachtet Ansichten über die Rolle, die der Hippocampus und die Großhirnrinde bei der Gedächtniskonsolidierung spielen.

Kitamura und Kollegen entdeckten auch, dass Engrammzellen, die sowohl mit positiven als auch mit negativen emotionalen Ereignissen in Verbindung stehen, in der Amygdala kodiert sind, die als Teil eines neuronalen Netzwerks mit dem Hippocampus und dem präfrontalen Kortex verbunden ist. Die neuesten MIT-Ergebnisse können einen weiteren populären Mythos entlarven, dass die Amygdala das "Angstzentrum" des Gehirns ist.

Interessanterweise blieb es, sobald sich in den Engrammzellen der basolateralen Amygdala ein Gedächtnis gebildet hatte, während des Versuchsverlaufs unverändert. Engram-Speicherzellen in der Amygdala erscheinen notwendig für die Kommunikation eines Spektrums von Emotionen, die mit einer bestimmten Erinnerung verknüpft sind. Die Amygdala fungiert als eine Art emotionale Relaisstation zwischen dem Hippocampus und dem präfrontalen Cortex.

Technologische Fortschritte in Tonegawas MIT-Labor erweitern unser Verständnis von Engramm-Zellen und Gehirn-Schaltkreisen, die für die Gedächtnisbildung notwendig sind

Im Jahr 2012 entwickelte Tonegawas Labor einen technologischen Durchbruch, der es ihnen ermöglichte, spezifische Engrammzellen in verschiedenen Teilen des Gehirns zu markieren, die spezifische Erinnerungen enthielten. Dies ermöglichte den Forschern, die Gehirnschaltung zu verfolgen, die an der Speicherbildung, Speicherung und Wiedergewinnung beteiligt ist. Mit Hilfe modernster Optogenetik konnte das Team von Tonegawa die Zielzellen mit Lichtblitzen an- und ausschalten. Indem diese Zellen aktiviert werden, aktivieren sie künstlich aktivierte Erinnerungen in spezifischen Engrammzellen.

Für ihre neueste Studie etikettierten die MIT-Forscher Speicherzellen in Mäusen während eines Angst-konditionierenden Ereignisses – das war ein milder elektrischer Fußschock, der abgegeben wurde, wenn sich die Maus in einer bestimmten Kammer befand. Die Optogenetik ermöglichte es ihnen, das anschließende angstbedingte Verhalten des Einfrierens zu beobachten, wenn spezifische Engrammzellen reaktiviert wurden. Diese Befunde wurden auch bestätigt, indem die Mäuse zurück in die ursprüngliche Kammer gebracht wurden, wo die Fußschocks zuerst abgegeben worden waren, um eine natürliche Erinnerung des angstbasierten Gedächtnisses zu beobachten.

Mehr Forschung ist notwendig, um zu bestimmen, ob Erinnerungen vollständig aus Hippocampuszellen verschwinden oder ob einige Spuren in hippokampalen Engrammzellen verbleiben. Derzeit können Forscher in Tonegawa nur Engramm-Zellen für ein paar Wochen überwachen. Aber sie arbeiten an Fortschritten in ihrer Technologie, die es ihnen ermöglichen, diese Zellen für längere Zeit zu überwachen.

Kitamura hat eine Ahnung, dass eine Spur einer Erinnerung auf unbestimmte Zeit im Hippocampus verbleibt und dass Details gelegentlich abgerufen und aktualisiert werden, wenn eine Erinnerung ausgelöst wird. "Um zwei ähnliche Episoden zu unterscheiden, kann dieses stille Engramm reaktiviert werden und Menschen können das detaillierte episodische Gedächtnis sogar zu sehr entfernten Zeitpunkten abrufen", sagte Kitamura.

In Zukunft wollen die MIT-Forscher untersuchen, wie sich der Reifeprozess eines Gedächtnis-Engramms im präfrontalen Kortex entwickelt. Bleiben Sie dran für Nachforschungen aus Tonegawas Labor und anderen, die uns helfen werden, besser zu verstehen, wie Engrammzellen und komplexe neuronale Schaltkreise zusammenarbeiten, um Erinnerungen zu konsolidieren.

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