Unser Gehirn ist ein faszinierendes Organ, das täglich unzählige Informationen verarbeitet und speichert. Wie es dies bewerkstelligt, ohne dass die Anzahl der Zellen und Verknüpfungen unaufhörlich wachsen muss, ist eine zentrale Frage der Neurowissenschaft. Die Forschungsgruppe von Prof. Martin Korte an der Technischen Universität Braunschweig hat bedeutende Fortschritte bei der Beantwortung dieser Frage erzielt. Ihre Erkenntnisse könnten in Zukunft für die klinische Forschung, beispielsweise im Bereich der Alzheimer-Krankheit, von Bedeutung sein.
Die Synapse als Speichereinheit
Die Speichereinheiten für Informationen im Gehirn sind die Synapsen. Das sind die feinen Verästelungen, über die Nervenzellen miteinander vernetzt sind. Jede einzelne Zelle verfügt über bis zu 10.000 dieser winzigen Äste. Sobald wir Informationen verarbeiten, verändern sich diese. Sollen bestimmte Informationen in das Langzeitgedächtnis übergehen, müssen sich die entsprechenden Synapsen dauerhaft verändern.
Im Zellkern wird ein Mechanismus ausgelöst, der über die dortigen Gene bestimmte Proteine ausschüttet. Die Frage ist, wie diese Proteine wissen, welche Synapsen dauerhaft verstärkt werden sollen und wie sie an die richtige Stelle gelangen.
Synaptisches Tagging: Ein Wimpel für die Verarbeitung
Martin Korte und Shreedharan Salikumar haben beobachtet, dass die betroffenen Bereiche der Synapsen auf raffinierte Weise auf sich aufmerksam machen. Sie produzieren einen Marker, ein sogenanntes "Tag", der dafür sorgt, dass die notwendigen Proteine nur an diesen markierten Synapsen wirksam sind. Dieses "synaptic tagging" ermöglicht es, dass Proteine aus dem Zellkern nicht mehr gezielt transportiert werden müssen, sondern in eine größere Funktionseinheit "geschickt" werden können. Ihre Wirkung entfalten sie nur an der richtigen Stelle. „Das Gehirn hängt auf diese Weise gleichsam einen Wimpel mit der Aufschrift ‚bitte verarbeiten und behalten‘ an die eintreffenden Signale,“ erläutert Prof. Martin Korte.
Lange Zeit ging die Forschung davon aus, dass alle Speichereinheiten im Dendritenbaum auf ähnliche Weise funktionieren. Korte und Salikumar konnten jedoch belegen, dass diese tatsächlich jeweils unabhängig voneinander unterschiedlich codierte Signale aufnehmen und sehr flexibel auf Anforderungen reagieren können. Je wichtiger die Informationen sind, desto komplexer werden die Signale, die sicherstellen, dass diese Erinnerungen auch bleibende Speicherorte finden.
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Überschneidungen und Kopplungen in der Erinnerung
Werden Informationen, die nicht im Zellkern, sondern im Netzwerk selbst gespeichert sind, später abgerufen, kann es zu Überschneidungen oder Kopplungen in der Erinnerung kommen. Denn dann kann gleichzeitig ein ganzes System von weiteren Signalen aktiviert werden, die in beteiligten Zellen gespeichert sind. Daher erinnert man sich oftmals nicht nur an prägende Ereignisse, sondern beispielsweise auch genau an den Ort, wo diese stattfanden. „Dieses Phänomen kann auch eine Erklärung dafür liefern, warum es so schwer ist, gleichzeitig Spanisch und Portugiesisch zu lernen“, erklärt Korte.
NogoA: Ein Protein zur Stabilisierung von Erinnerungen
Eine weitere PNAS-Publikation beschäftigt sich mit der Frage, warum wir wichtige Informationen über lange Zeit zuverlässig abrufen und Gelerntes von Neuem unterscheiden können. Ein medizinisches Rätsel kam Andrea Delekate, Marta Zagrebelsky, Stella Kramer und Prof. Martin Korte vom Institut für Zoologie der Technischen Universität Braunschweig sowie dem Schweizer Hirnforscher Prof. Martin E. Schwab auf die Spur: Das Protein NogoA.
NogoA hemmt das Wachstum von Nervenzellen und kommt im Körper nur im Zentralen Nervensystem vor. Wird beispielsweise das Rückenmark verletzt, sorgt dieses Protein dafür, dass die Nerven sich nicht wieder miteinander vernetzen. „Wir wussten bislang, vor allem aufgrund der Forschungsarbeiten von Martin Schwab, wie NogoA funktioniert. Aber wir wussten nicht, warum es existiert. Vor allem die Tatsache, dass das Protein am allermeisten im Hippocampus vorkommt, gab uns Rätsel auf,“ erläutert Martin Korte. „Es findet sich also vor allem in der Hirnregion, die dafür verantwortlich ist, welche Informationen vom Kurz- ins Langzeitgedächtnis überführt werden.“
Die Forscher konnten nachweisen, dass NogoA sowohl die Funktion als auch die Struktur von Nervennetzen stabilisiert und auf diese Weise hilft, Erinnerungen zu speichern. Es schreibt also in bestimmten Stellen des Gehirns die Funktionalität von neuronalen Netzen fest und schützt sie vor weiteren Änderungen. Die Erkenntnisse können in einigen Jahren zur Entwicklung neuer Medikamente führen. Bei Schäden im zentralen Nervensystem, wie sie etwa bei einem Schlaganfall auftreten, kann die gezielte Blockade von NogoA die Plastizität fördern und die Rehabilitation unterstützen.
Die Rolle des Hippocampus und der synaptischen Plastizität
Ungefähr 86 Milliarden Nervenzellen vernetzen sich in einem menschlichen Gehirn. Die Neurone sind über Synapsen miteinander verbunden, die darauf spezialisiert sind, Signale elektrochemisch umzuwandeln und weiterzuleiten.
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Beim Lernen werden individuell und selektiv erworbene Informationen aus der Umwelt im Gedächtnis in abrufbarer Form gespeichert. Dies geschieht manchmal nur kurzfristig, manchmal auf Erfahrungen aufbauend, auch über längere Zeiträume hinweg, zum Teil sogar für das ganze weitere Leben. Lernen basiert dabei auf einer spezifischen Verstärkung von bestimmten Synapsen, an denen die Signalübertragung durch biochemische und strukturelle Modifikationen erleichtert wird (Langzeitpotenzierung und synaptische Plastizität). Plastische Synapsen verändern hierbei ihre Struktur und ihre Übertragungseigenschaften, was die Grundlage für Lern- und Gedächtnisprozesse ist. Manchmal bilden sich beim Lernen neue Synapsen oder nicht mehr gebrauchte Synapsen werden abgebaut.
Wie gut wir lernen und uns etwas merken können, ist dabei von Faktoren wie Aufmerksamkeit, Motivation und Belohnung abhängig. Dabei werden wichtige von unwichtigen Informationen getrennt. Im Gehirn gibt es keinen zentralen Ort, an dem Informationen gespeichert werden, aber der Hippocampus ist eine zentrale Schaltstelle für viele Gedächtnisinhalte. Das menschliche Gehirn bildet täglich neue Erinnerungen an Ereignisse aus dem Alltag. Aus einer Kette von Ereignissen entstehen sogenannte episodische Erinnerungen an einen räumlichen und zeitlichen Ablauf. Diese speichert das Gehirn im Hippocampus als Aktivierungsmuster von Nervenzellgruppen. Eine entscheidende Rolle spielen dabei Synapsen, die Nervenzellen verbinden. Sie können ihre Stärke anpassen und sich so verändern.
Hemmende Nervenzellen und die Trennung von Gedächtnisinhalten
Wissenschaftler haben die molekularen Mechanismen untersucht, die der langanhaltenden Veränderbarkeit von bestimmten Synapsen zugrunde liegen. Bislang haben Forscher angenommen, dass Gedächtnisbildung vor allem an den Synapsen zwischen erregenden Nervenzellen stattfindet. In den vergangenen Jahren hat sich zunehmend herausgestellt, dass auch Synapsen von hemmenden Nervenzellen eine entscheidende Rolle bei diesem Vorgang spielen. Eine erregende Nervenzelle aktiviert die Zelle, mit der sie über eine Synapse verbunden ist. Eine hemmende Zelle schaltet die nachfolgende Nervenzelle jedoch ab. Wenn hemmende Nervenzellen bei der Gedächtnisbildung aktiviert werden, trägt dies dazu bei, ähnliche Gedächtnisinhalte voneinander zu trennen.
Die Wissenschaftler haben die Stärke synaptischer Verbindungen von erregenden zu hemmenden Nervenzellen gemessen. Sie haben gezeigt, dass sich deren Stärke dauerhaft ändern kann und dass diese Änderung von der Nervenzellaktivität abhängig ist: Wenn Nervenzellen wiederholt gemeinsam aktiv waren, hat dies die Verbindungen zwischen ihnen gestärkt. Das Team ermittelte zudem die molekularen Mechanismen dieses Vorgangs. Dieses Verständnis kann zukünftig gezielte medikamentöse Eingriffe in die synaptische Plastizität zwischen erregenden und hemmenden Nervenzellen erlauben. Dies könnte beispielsweise für die Therapie von Gedächtnisstörungen von Nutzen sein.
Emotionen und das Gedächtnis
Auf Erinnerungen ist kein Verlass. Täglich nehmen wir jede Menge an Infos über unsere Sinne auf, die die Nervenzellen im Gehirn dann verarbeiten, aussortieren oder speichern. Dabei passieren jedoch Fehler. Können wir sie vermeiden und unser Gedächtnis verbessern?
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Unser Gehirn ist ein gigantischer Arbeitsspeicher. Er ist immer aktiv und arbeitet auf Hochtouren. Alles, was wir täglich erleben oder lernen, wird in den mehr als 85 Milliarden Nervenzellen im Gehirn verteilt und gespeichert. Mit einem Reiz aktivieren wir das ganze Netz an Nervenzellen im Gehirn. Diese elektrischen Impulse kann man sogar in bildgebenden Verfahren messen. Die Schaltzentrale für unser Gedächtnis ist der Hippocampus. Dort werden alle Sinnesreize und Erlebnisse gefiltert und an die verschiedenen Hirnregionen geschickt. Informationen, die unser Gedächtnis möglichst lange behalten möchte, werden im Langzeitgedächtnis abgelegt. Sind vor allem Emotionen beteiligt, dann besteht die Chance, dass wir diese Sinneseindrücke besonders lange im Gedächtnis behalten: Emotionale Momente werden über das limbische System gefiltert, das aus Hippocampus und Amygdala besteht. Deshalb können wir uns so gut an die erste große Liebe erinnern. Unser Gehirn wählt gezielt aus, was es wirklich behalten möchte.
Trauma und Gedächtnis
An schöne Erlebnisse erinnern wir uns gerne und am liebsten würden wir sie nicht vergessen. Doch was geschieht mit negativen und traumatischen Erinnerungen? Warum können wir sie so schlecht vergessen, auch wenn wir das gerne möchten? Besonders traumatische Erlebnisse tauchen plötzlich auf, ohne einen bestimmten Zusammenhang mit dem Erlebten. Besonders belastende Ereignisse werden in unserem Gehirn anders gespeichert. Die Schaltzentrale des Gedächtnisses, der Hippocampus, wird durch den Stress außer Gefecht gesetzt. Die Amygdala übernimmt die Verarbeitung, denn sie reagiert auf Angst und Furcht. Negative Erinnerungen können wir analysieren, das Erlebte hinterfragen und von verschiedenen Perspektiven betrachten. Das hilft, um damit leichter umzugehen. Traumatische Erlebnisse verschwinden nicht, sie treten durch sogenannte Flashbacks unwillkürlich immer wieder auf. Nur eine Therapie kann hier helfen, das Erlebte in den richtigen biografischen Kontext einzuordnen, mit dem Ziel, sich dann mit weniger Angst daran zu erinnern.
Stress und Gedächtnis
Forschende haben herausgefunden, wie unser Gehirn emotionale Ereignisse speichert und wann wir uns besonders gut daran erinnern. Sie beobachteten die Signalverarbeitung im Gehirn, während den Studienteilnehmern im Magnetresonanztomographen (MRT) einzelne Bilder aus der Situation gezeigt wurden. Tatsächlich konnten die Wissenschaftler in den Hirnregionen der Kontrollgruppe erkennen, dass ihre Erinnerung an einzelne Objekte geringer war. Hingegen zeigten sich bei Probanden aus dem belastenden Setting bereits beim Betrachten einer Kaffeetasse erste Reaktionen. An emotionale Erlebnisse erinnern wir uns wesentlich besser. Das Gehirn schüttet die Botenstoffe Noradrenalin und Cortisol aus. Durch diesen Stresszustand wird die Wahrnehmung schärfer und wir erinnern uns viel besser. Wird der Stress jedoch zu groß, dann blockieren die Botenstoffe, Informationen werden nicht mehr weitergeleitet und nicht miteinander verknüpft - wir erinnern uns noch weniger. Ein wenig Stress lässt uns besser lernen, doch lernen unter Druck führt eher zum Gegenteil.
Gehirn-Computer-Schnittstellen und die Zukunft der Gedächtnisforschung
Der Blick ins Gehirn in Verbindung mit maschinellem Lernen gilt als medizinischer und technischer Fortschritt. Besonders Menschen mit körperlichen Einschränkungen hoffen, dass ihnen Gehirnimplantate helfen können. Mit einer Gehirn-Computer-Schnittstelle, einem sogenannten Brain Computer Interface (BCI) schaffen es gelähmte Menschen, nur mit Gedankenkraft einen Roboterarm zu steuern, einen Cursor auf einem Computerbildschirm zu bewegen, oder ein Auto durch eine virtuelle Umgebung zu lenken. Nur mit einer Kopplung von Gehirn und Computer ist das möglich.
Doch die Entwicklung ist nicht wirklich ausgereift und lange nicht alltagstauglich. Zudem ist der invasive Eingriff, bei dem Elektroden ins Gehirn gepflanzt werden, nicht ungefährlich. Die Entwicklung von Funkchips als Schnittstelle zwischen Gehirn und Computer ist der nächste Schritt der medizin-technischen Entwicklungen von BCIs.
Die Hirnsignale für BCIs müssen jedoch mit Referenzmustern verglichen werden. Dafür sind Daten notwendig. Aber unser Gehirn mit all seinen Schaltkreisen und Verknüpfungen ist sehr komplex. Das Gedächtnis herunterzuladen, Erinnerungen aufzuzeichnen, womöglich noch zu verändern, klingt nach Science-Fiction. Für weitere Entwicklungen sind die Wissenschaftler und Ingenieure aber auf Daten angewiesen.
Gedächtnisleistung ohne Hirnchips verbessern
Es gibt bereits nicht-medizinische BCIs zur Fitnesssteigerung, zum Abbau von Stress, oder als Hilfe gegen Konzentrationsprobleme. Diese BCIs steuern kein Computersystem, aber sie arbeiten mit Gehirnströmen oder senden elektrische Impulse. Wir können die elektrische Aktivität unserer Nervenzellen messen und therapeutisch nutzen, zum Beispiel mit der Neurofeedback-Methode. Mithilfe von Tönen oder Bildern kann diese Methode bei ADHS, einer Aufmerksamkeits-Defizit-Störung, eine bessere Konzentration fördern.
Wir können unser Gehirn täglich trainieren und fit halten. Doch das Gedächtnis mit Gehirnjogging auf Trab halten, klappt nicht so gut, wie bislang vermutet. Viel Bewegung, ausreichend Schlaf und eine gesunde Ernährung können vor Demenzerkrankungen und vor Vergessen schützen. Diese einfachen Mitteln sorgen für eine bessere Durchblutung des Gehirns und für ein besseres Gedächtnis. Eine Umgebung mit viel Anregung hält das Gedächtnis jung. Die Neurowissenschaftler vermuten, dass es ähnlich wirkt, wenn wir immer wieder Neues lernen. Damit können wir unser Gedächtnis fit halten.
Die Dynamik der Erinnerung: Mehrere Kopien im Gehirn
Forschende der Universität Basel haben herausgefunden, dass das Gedächtnis von einem Ereignis gleich mehrere Kopien speichert und diese im Laufe der Zeit verändert. Der Hippocampus speichert ein einziges Ereignis gleichzeitig in mindestens drei verschiedenen Gruppen von Neuronen ab. Die Grundlagen für diesen Prozess werden bereits im Mutterleib geschaffen: Die dafür zuständigen Neuronen entstehen zu unterschiedlichen Zeitpunkten während der Embryonalentwicklung.
Neuronen, die früh in der Entwicklung entstehen, speichern ein Ereignis langfristig. Allerdings ist ihre Gedächtniskopie zunächst so wenig ausgeprägt, dass sie das Gehirn nicht direkt abrufen kann. Im Laufe der Zeit wird die gespeicherte Erinnerung jedoch immer stärker. Im Gegensatz dazu ist die Gedächtniskopie desselben Ereignisses, die von den später entwickelten Neuronen erstellt wird, anfangs sehr stark, verblasst aber mit der Zeit. Nach einiger Zeit kann das Gehirn auf die Informationen dieser Erinnerung nicht mehr zugreifen. Bei einer dritten Gruppe von Neuronen, die zeitlich zwischen den frühen und späten Neuronen gebildet werden, ist die angelegte Kopie fast gleichbleibend stabil - sie stellen also eine Art Kernerinnerung zur Verfügung, mit den wesentlichen Informationen.
Die drei unterschiedlichen Erinnerungskopien unterscheiden sich vor allem darin, wie leicht sie sich verändern lassen beziehungsweise sich an neue Erfahrungen der Umwelt angepasst werden können. Erinnerungen, die von den späten Neuronen nur kurz gespeichert werden, sind sehr formbar und können umgeschrieben werden. Wenn man sich also kurz nach einem Erlebnis wieder daran denkt, werden die späten Neuronen aktiv und integrieren neue Informationen in die ursprüngliche Erinnerung. Erinnern wir uns hingegen erst nach langer Zeit an dieses Ereignis, rufen die frühen Neuronen ihre Erinnerungskopie hervor, die jedoch kaum mehr veränderbar ist.
Die Bedeutung der Erinnerung für die Orientierung in der Welt
„Sich zu erinnern, ist für das Gehirn eine enorme Herausforderung und eine beeindruckende Leistung“, sagt Studienleiter Donato. Zum einen helfe die Erinnerung an vergangene Ereignisse dabei, sich in der Welt zurechtfinden zu können. Auf der anderen Seite müssen Erinnerungen auch an die Veränderungen der Umwelt angepasst werden, um im Kontext richtige Entscheidungen treffen zu können. Für das Gehirn sei das ein heikler Balanceakt.
Getrennte Speicherung von Inhalt und Kontext
Eine kürzlich veröffentlichte Studie untersucht das episodische Gedächtnis. In Zusammenarbeit mit der University of Texas in Dallas zeigt das Team, dass Erinnerungen nicht einfach wie Dateien auf einem Computer gespeichert werden, sondern aus verschiedenen Bestandteilen bestehen. Während einige aktiv und leicht abrufbar sind, bleiben andere verborgen, bis sie durch ein bestimmtes Ereignis aktiviert werden. Selbst dann ist die Erinnerung, an die wir uns erinnern, möglicherweise keine perfekte Kopie. Sie kann zusätzliche Details aus unserem Allgemeinwissen, früheren Erfahrungen oder sogar der Situation, in der wir uns beim Erinnern befinden, enthalten. Erinnerungen an ältere Ereignisse durchlaufen oft einen Prozess namens Rekodierung, bei dem das Gehirn die Erinnerung im Laufe der Zeit aktualisiert oder umformt.
Ein zentraler Teil der Studie konzentrierte sich darauf, wie das Gehirn Erinnerungen physisch speichert, und hob die Rolle des Hippocampus hervor. Erinnerungen müssen zwar einen kausalen Bezug zu vergangenen Ereignissen haben, um als solche zu gelten, aber sie können sich bei jedem Abruf verändern.
Neurowissenschaftler haben erforscht, wie verschiedene Teile des Gehirns zusammenarbeiten, um Erinnerungen aufzubauen und wieder abzurufen. Während der Bildung einer Erinnerung werden Informationen von der Großhirnrinde zum Hippocampus geleitet. Beim Abrufen einer Erinnerung läuft dieser Informationsfluss umgekehrt ab. Dieser Informationsfluss in den Hippocampus und aus dem Hippocampus kann durch elektrische Oszillationen verfolgt werden. Die Ergebnisse der Studie validieren ein neues Model, nachdem Gedächtnisbildung und -abruf wesentlich auf Synchronisationsprozessen im Hippocampus und Desynchronisationsprozesse im Kortex beruhen.
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