Prof. Don Arnold und Kollegen haben versucht, das lang andauernde Rätsel zu lösen, wo unsere Erinnerungen gespeichert sind.
Alle Speichergeräte, von Ihrem Gehirn bis zum Arbeitsspeicher Ihres Computers, speichern Informationen, indem sie ihre physikalischen Eigenschaften ändern. Vor über 130 Jahren schlug der wegweisende Neurowissenschaftler Santiago Ramón y Cajal erstmals vor, dass das Gehirn Informationen speichert, indem es die Verbindungen oder Synapsen zwischen Neuronen neu anordnet.
Seitdem haben Neurowissenschaftler versucht, die mit der Gedächtnisbildung verbundenen körperlichen Veränderungen zu verstehen. Die Visualisierung und Kartierung von Synapsen ist jedoch eine Herausforderung. Zum einen sind Synapsen sehr klein und dicht an dicht gepackt.
Sie sind ungefähr 10 Milliarden Mal kleiner als das kleinste Objekt, das eine klinische Standard-MRT darstellen kann. Darüber hinaus gibt es ungefähr 1 Milliarde Synapsen in den Gehirnen von Mäusen, die Forscher häufig verwenden, um die Gehirnfunktion zu untersuchen, und sie haben alle die gleiche undurchsichtige bis durchscheinende Farbe wie das sie umgebende Gewebe.
Eine neue bildgebende Technik, die meine Kollegen und ich entwickelt haben, hat es uns jedoch ermöglicht, Synapsen während der Gedächtnisbildung abzubilden. Wir fanden heraus, dass der Prozess der Bildung neuer Erinnerungen die Art und Weise verändert, wie Gehirnzellen miteinander verbunden sind. Während einige Bereiche des Gehirns mehr Verbindungen herstellen, verlieren andere sie.
Kartierung neuer Erinnerungen in Fischen
Zuvor konzentrierten sich die Forscher darauf, die von Neuronen erzeugten elektrischen Signale aufzuzeichnen. Während diese Studien bestätigt haben, dass Neuronen ihre Reaktion auf bestimmte Reize ändern, nachdem eine Erinnerung gebildet wurde, konnten sie nicht genau bestimmen, was diese Änderungen antreibt.
Um zu untersuchen, wie sich das Gehirn physisch verändert, wenn es eine neue Erinnerung bildet, haben wir 3D-Karten der Synapsen von Zebrafischen vor und nach der Gedächtnisbildung erstellt. Wir haben Zebrafische als unsere Testpersonen ausgewählt, weil sie groß genug sind, um Gehirne zu haben, die wie die von Menschen funktionieren, aber klein und transparent genug sind, um einen Einblick in das lebende Gehirn zu bieten.
Um bei den Fischen ein neues Gedächtnis zu induzieren, verwendeten wir einen Lernprozess namens klassische Konditionierung. Dabei wird ein Tier gleichzeitig zwei verschiedenen Arten von Reizen ausgesetzt: einem neutralen, der keine Reaktion hervorruft, und einem unangenehmen, den das Tier zu vermeiden versucht. Wenn diese beiden Stimuli oft genug gepaart werden, reagiert das Tier auf den neutralen Stimulus, als wäre es der unangenehme Stimulus, was darauf hinweist, dass es ein assoziatives Gedächtnis gebildet hat, das diese Stimuli miteinander verbindet.
Als unangenehmen Reiz haben wir den Fischkopf sanft mit einem Infrarotlaser erhitzt. Als der Fisch mit dem Schwanz schnippte, nahmen wir das als Hinweis darauf, dass er fliehen wollte. Wenn der Fisch dann einem neutralen Stimulus ausgesetzt wird, einem Licht, das aufleuchtet, bedeutet das Schlagen des Schwanzes, dass er sich daran erinnert, was passiert ist, als er zuvor auf den unangenehmen Stimulus gestoßen ist.
Um die Karten zu erstellen, haben wir gentechnisch veränderte Zebrafische mit Neuronen hergestellt, die fluoreszierende Proteine produzieren, die an Synapsen binden und sie sichtbar machen. Wir haben dann die Synapsen mit einem speziell angefertigten Mikroskop abgebildet, das eine viel geringere Dosis an Laserlicht verwendet als Standardgeräte, die auch Fluoreszenz verwenden, um Bilder zu erzeugen. Da unser Mikroskop die Neuronen weniger schädigte, konnten wir die Synapsen abbilden, ohne ihre Struktur und Funktion zu verlieren.
Als wir die 3D-Synapsenkarten vor und nach der Gedächtnisbildung verglichen, stellten wir fest, dass Neuronen in einer Gehirnregion, dem anterolateralen dorsalen Pallium, neue Synapsen entwickelten, während Neuronen überwiegend in einer zweiten Region, dem anteromedialen dorsalen Pallium, Synapsen verloren. Das bedeutete, dass sich neue Neuronen paarten, während andere ihre Verbindungen zerstörten. Frühere Experimente deuteten darauf hin, dass das dorsale Pallium von Fischen der Amygdala von Säugetieren entsprechen könnte, wo Angsterinnerungen gespeichert sind.
Überraschenderweise waren Änderungen in der Stärke bestehender Verbindungen zwischen Neuronen, die bei der Gedächtnisbildung auftraten, gering und nicht von Änderungen bei Kontrollfischen zu unterscheiden, die keine neuen Erinnerungen bildeten. Dies bedeutete, dass die Bildung eines assoziativen Gedächtnisses die Bildung und den Verlust von Synapsen beinhaltet, aber nicht unbedingt die Stärke bestehender Synapsen ändert, wie bisher angenommen.
Könnte das Entfernen von Synapsen Erinnerungen entfernen?
Unsere neue Methode zur Beobachtung der Funktion von Gehirnzellen könnte nicht nur die Tür zu einem tieferen Verständnis der tatsächlichen Funktionsweise des Gedächtnisses öffnen, sondern auch zu potenziellen Wegen zur Behandlung von neuropsychiatrischen Erkrankungen wie PTBS und Sucht.
Assoziative Erinnerungen sind in der Regel viel stärker als andere Arten von Erinnerungen, z. B. bewusste Erinnerungen an das, was Sie gestern zu Mittag gegessen haben. Darüber hinaus wird angenommen, dass assoziative Erinnerungen, die durch klassische Konditionierung induziert werden, analog zu traumatischen Erinnerungen sind, die PTBS verursachen. Andernfalls können harmlose Reize, die denen ähneln, die jemand zum Zeitpunkt des Traumas erlebt hat, die Erinnerung an schmerzhafte Erinnerungen auslösen. Beispielsweise könnte ein helles Licht oder ein lautes Geräusch Erinnerungen an den Kampf wecken. Unsere Studie zeigt die Rolle, die synaptische Verbindungen beim Gedächtnis spielen können, und könnte erklären, warum assoziative Erinnerungen länger andauern und lebendiger in Erinnerung bleiben als andere Arten von Erinnerungen.
Gegenwärtig besteht die häufigste Behandlung für PTBS, die Expositionstherapie, darin, den Patienten wiederholt einem harmlosen, aber auslösenden Reiz auszusetzen, um die Erinnerung an das traumatische Ereignis zu unterdrücken. Theoretisch baut dies indirekt die Synapsen des Gehirns um, um die Erinnerung weniger schmerzhaft zu machen. Obwohl mit der Expositionstherapie einige Erfolge erzielt wurden, sind die Patienten anfällig für Rückfälle. Dies deutet darauf hin, dass die zugrunde liegende Erinnerung, die die traumatische Reaktion verursacht, nicht beseitigt wurde.
Es ist noch unbekannt, ob Synapsenbildung und -verlust tatsächlich die Gedächtnisbildung antreiben. Mein Labor hat eine Technologie entwickelt, die Synapsen schnell und präzise entfernen kann, ohne Neuronen zu schädigen. Wir planen, ähnliche Methoden zu verwenden, um Synapsen in Zebrafischen oder Mäusen zu entfernen, um zu sehen, ob dies assoziative Erinnerungen verändert.
Mit diesen Methoden könnte es möglich sein, die assoziativen Erinnerungen, die verheerenden Zuständen wie PTBS und Sucht zugrunde liegen, physisch zu löschen. Bevor eine solche Behandlung überhaupt in Betracht gezogen werden kann, müssen jedoch die synaptischen Veränderungen, die assoziative Erinnerungen kodieren, genauer definiert werden. Und es gibt offensichtlich ernsthafte ethische und technische Hürden, die angegangen werden müssten. Dennoch ist es verlockend, sich eine ferne Zukunft vorzustellen, in der eine synaptische Operation schlechte Erinnerungen beseitigen könnte.
