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Wie Informationen in das Langzeitgedächtnis gelangen

Wissenschaftler am BCCN Berlin haben herausgefunden, wie zelluläre Lernprozesse zur langfristigen Speicherung von Informationen im Gehirn beitragen. (November 2005)

Täglich nimmt unser Gehirn unzählige Eindrücke wahr, von denen nur wenige im Langzeitgedächtnis gespeichert werden. Die Frage, welche neuronalen Mechanismen der Gedächtnisbildung zu Grunde liegen, beschäftigt Wissenschaftler schon seit geraumer Zeit. Je nachdem, unter welchem Aspekt sie die Frage betrachten, haben sie unterschiedliche Antworten gefunden. Auf zellulärer Ebene ist schon recht gut bekannt, wie Lernprozesse die Kontaktstellen zwischen den Neuronen stärken. Neuronale Bahnen, die öfter gebraucht werden, werden so gefestigt. Andere Wissenschaftler betrachten den Lernprozess im Kontext des gesamten Gehirns. Sie haben herausgefunden, dass Informationen, die vor dem Vergessen bewahrt werden sollen, aus dem "Arbeitsgedächtnis" im Hippokampus in die Großhirnrinde übermittelt werden müssen, um dort langfristig gespeichert zu werden. Wissenschaftler um Uwe Heinemann, Leiter des Instituts für Neurophysiologie am Johannes Müller-Centrum für Physiologie der Charité und Mitglied des Bernstein Centers for Computational Neuroscience Berlin, haben nun erstmals einen Zusammenhang zwischen diesen beiden Prozessen hergestellt.

Der Hippokampus ist die wichtigste Koordinierungsstelle für aktuell erworbene Eindrücke verschiedenster Herkunft, hier werden beispielsweise Gerüche, Berührungen, akustische Informationen und visuelle Eindrücke miteinander verknüpft und kurzfristig gespeichert. Die Nervenzellen, die diese Leistung im Hippokampus gewährleisten, sind in Netzwerkverbänden organisiert, die in Form von Netzwerkschwingungen (Oszillationen) untereinander kommunizieren und Informationen weiterleiten.

2005_Heinemann Langzeitgedaechtnis

Da das Fassungsvermögen des Hippokampus für Informationen begrenzt ist und unser Gehirn täglich einer Flut von neuen Eindrücken ausgesetzt ist, versucht es, möglichst schnell Informationen aus dem Arbeits- in das Langzeitgedächtnis zu überführen. Nach heutiger Auffassung müssen hierzu Informationen aus dem Hippokampus in die Großhirnrinde übermittelt werden. Dabei treten im Hippokampus kurze, synchrone Oszillationen im Frequenzbereich um 200 Hertz auf, die besonders im Schlaf während so genannter non-REM Phasen oder tagsüber während Ruhephasen beobachtet werden - wer gut schläft, merkt sich mehr. Welche zellulären Prozesse der Entstehung dieser hochfrequenten Oszillationen zu Grunde liegen haben Heinemann und seine Kollegen genauer untersucht.

Hochfrequente Oszillationen, die zur Gedächtnisbildung führen, wurden bisher nur an lebenden Tieren beobachtet. In Präparaten des Gehirns, so genannten Hirnschnitten, ist das neuronale Netzwerk vermutlich nicht stark genug als dass solche Schwingungen auftreten  - möglicherweise fehlen wichtige Teile des Netzwerks. Die Wissenschaftler um Heinemann nutzten wiederholte elektrische Reize, um die Verbindung zwischen einzelnen Nervenzellen zu verstärken und simulierten damit zelluläre Lernprozesse im Hirnschnitt. Diese Verstärkung der neuronalen Verbindungen hatte zur Folge, dass in den Gehirnschnitten hochfrequente Schwingungen um 200 Hertz induziert werden konnten, wie sie für den Informationstransfer in die Großhirnrinde typisch sind. Erstmals wurde damit ein Zusammenhang zwischen zellulärem Lernen und Lernvorgängen im Kontext des gesamten Gehirns - der Langzeitspeicherung in der Großhirnrinde - hergestellt.

In weiteren Experimenten konnten die Wissenschaftler zeigen, dass die Induktion solcher ultraschnellen Netzwerkoszillationen von der Aktivierung eines spezifischen Glutamat Rezeptors, dem N-Methyl-D-Aspartat (NMDA) Rezeptor, abhängt. Der NMDA-Rezeptor ist ein wichtiger Baustein an den Kontaktstellen zwischen Nervenzellen und spielt eine bedeutende Rolle bei zellulären Lernvorgängen. Dies ist also ein weiterer Beweis dafür, dass zelluläre Lernprozesse eine Voraussetzung für die Langzeitspeicherung von Informationen in der Großhirnrinde sind. Die Möglichkeit, hochfrequente Oszillationen nun auch im Gehirnschnitt zu erzeugen, bietet darüber hinaus neue Perspektiven für die Forschung, denn im Präparat sind die Zellen viel leichter zugänglich als im lebenden Gehirn.


Ansprechpartner Link

Prof. Dr. Uwe Heinemann

Induction of sharp wave-ripple complexes in vitro and reorganization of hippocampal network

Institut für Neurophysiologie, Charité-Universitätsmedizin Berlin
Tucholskystrasse 2
10117 Berlin
Telefon: ++ 49 (0)30 450-52 81

Artikel in Nature Neuroscience, 2005 Nov; 8(11):1560-7.
(URL: http://dx.doi.org/10.1038/nn1571)

 

 

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