Als der inzwischen berühmte neurologische Patient Henry Molaison 1953 den Hippocampus seines Gehirns zur Behandlung von Anfällen operativ durchtrennen ließ, erhielt das wissenschaftliche Verständnis des Gedächtnisses versehentlich den vielleicht größten Schub aller Zeiten. Molaison verlor die Fähigkeit, neue Erinnerungen an Ereignisse zu bilden, und seine Erinnerung an alles, was im vergangenen Jahr passiert war, war stark beeinträchtigt. Andere Arten des Gedächtnisses wie das Erlernen körperlicher Fähigkeiten waren nicht betroffen, was darauf hindeutet, dass der Hippocampus speziell den Rückruf von Ereignissen übernimmt – bekannt als „episodische“ Erinnerungen.Weitere Untersuchungen an anderen Patienten mit Hippocampusschäden bestätigten, dass die jüngsten Erinnerungen stärker beeinträchtigt sind als entfernte. Es scheint, dass der Hippocampus temporären Speicher für neue Informationen bietet, während andere Bereiche mit dem Langzeitgedächtnis umgehen können. Ereignisse, an die wir uns später erinnern können, scheinen für eine dauerhaftere Speicherung im Kortex (den äußeren Schichten des Gehirns, die für höhere Funktionen wie Planung und Problemlösung verantwortlich sind) kanalisiert zu werden. Im Kortex bilden sich diese Erinnerungen allmählich und werden mit verwandten Informationen integriert, um dauerhaftes Wissen über uns selbst und die Welt aufzubauen.Episodische Erinnerungen, die für die Langzeitspeicherung gedacht sind, akkumulieren sich zu dem „autobiografischen“ Gedächtnis, das für unser Identitätsgefühl so wichtig ist. Neurowissenschaftler wissen viel darüber, wie Kurzzeitgedächtnisse im Gehirn gebildet werden, aber die Prozesse, die der Langzeitspeicherung zugrunde liegen, sind noch nicht gut verstanden.Eine neue Studie, die diesen Monat in Science veröffentlicht wurde, von der Neurowissenschaftlerin Susumu Tonegawa und einer Gruppe von Kollegen am RIKEN–MIT Center for Neural Circuit Genetics, bietet einen Einblick in das, was im Gehirn passiert, wenn ein Langzeitgedächtnis gebildet wird, Hervorhebung der kritischen Rolle des vorderen Teils des Kortex. „Es ist die detaillierteste Schaltkreisanalyse des Beitrags des präfrontalen Kortex zum Abrufen des Gedächtnisses, die wir bisher haben“, sagt der Neurowissenschaftler Stephen Maren von der Texas A&M University in College Station, der nicht an der Arbeit beteiligt war.Die neue Studie von Tonegawas Gruppe baut auf früheren Forschungen auf, die zeigen, dass episodische Erinnerungen in Zellpopulationen in Teilen des Hippocampus physisch repräsentiert sind. In diesen Studien haben die Forscher Mäuse gentechnisch so verändert, dass bestimmte Neuronen lichtempfindliche Proteine produzierten. Elektrische und chemische Aktivitäten in den Neuronen könnten dann durch Lichtimpulse aktiviert oder ausgeschaltet werden, die über ein Glasfaserkabel in den Schädel jeder Maus implantiert werden, eine Technik, die als Optogenetik bekannt ist.

Die kabelgebundenen Mäuse erhielten ein Medikament, das die Produktion der lichtempfindlichen Proteine blockiert. Die Mäuse von der Droge zu nehmen, erlaubte Zellen, die feuern, während sie eine neue Umgebung erkundeten, um die Proteine zu machen, effektiv „Tagging“ das Gedächtnis für diese Umgebung. Diese Zellgruppen, sogenannte Speicher- „Engramme“, könnten dann mit den faseroptischen Strahlen gesteuert werden.

Mit diesen Werkzeugen in der Hand gaben die Forscher Mäusen in einigen ihrer Gehege Elektroschocks an die Füße, in anderen jedoch nicht. Die Mäuse erstarrten, als sie wieder in eine Umgebung gebracht wurden, in der sie zuvor geschockt waren, was auf ein „Angstgedächtnis“ hinweist.“ Als die Forscher die Engramme aktivierten, rief dies die gleiche ängstliche Reaktion hervor. Die emotionalen Aspekte von Erinnerungen werden getrennt gespeichert, in einer Region namens Amygdala — aber die Aktivierung des Engramms im Hippocampus aktiviert alle verbundenen Komponenten und bringt das volle Gedächtnis zurück. Dies ähnelt der Art und Weise, wie ein Geräusch oder Geruch eine Erinnerung an eine vergangene Erfahrung im eigenen Leben auslösen kann.In der neuen Studie trainierten die Forscher Mäuse, um einen bestimmten Käfig mit Fußschocks in Verbindung zu bringen. Dann wurde ihre Erinnerung an das, was passiert war, an verschiedenen Tagen bis zu drei Wochen später getestet. Die Forscher markierten Engramm-Zellen im Kortex und aktivierten sie dann mit Licht, wodurch die Mäuse in Umgebungen einfrierten, in denen sie noch nie geschockt waren. Das Team fand heraus, dass diese kortikalen Engramme zwei Tage nach dem Training nicht durch natürliche Hinweise aktiviert werden konnten (sie wurden wieder in das Gehege gelegt, in dem sie geschockt waren), aber sie konnten 13 Tage später durch natürliche Hinweise aktiviert werden.Dieser Befund zeigt, dass sich kortikale Engramme zwar sofort bilden, sich jedoch zunächst in einem von Tonegawa als „still“ bezeichneten Zustand befinden, was bedeutet, dass sie nicht durch natürliche Hinweise aktiviert werden können. Die Engramme reifen erst zwei Wochen später in einen „aktiven“ Zustand, in dem sie auf solche Hinweise reagieren können. Im Gegensatz dazu wurden Hippocampus-Engrammzellen am zweiten Tag nach Erhalt eines Fußschocks durch natürliche Signale aktiviert, jedoch nicht am Tag 13 — die Engramme im Hippocampus werden sofort aktiv, verblassen jedoch allmählich in einen „stillen“ Zustand.Tonegawas Forschung weist auf die Existenz komplementärer Gedächtnissysteme hin: Eines ermöglicht eine schnelle Gedächtnisbildung, hat aber eine begrenzte Kapazität und muss daher Informationen, die beibehalten werden sollten, an ein anderes System weitergeben, das länger anhält, aber langsamer wirkt. Dies gibt Platz im Hippocampus frei, der dann wiederverwendet werden kann. „Es gibt eine Arbeitsteilung. Der Hippocampus kann sehr schnell aktive Erinnerungen bilden, während der Kortex für die Langzeitstabilität sorgt „, erklärt Tonegawa. „Wenn Sie kein verlängertes Gedächtnis benötigen, reicht der Hippocampus aus; Wenn Sie nicht schnell ein aktives Gedächtnis bilden müssen, reicht der Kortex aus; aber wir wollen beides.“

Die Ergebnisse helfen zu klären, wann und wie kortikale Erinnerungen gebildet werden. Eine frühere Theorie besagt, dass Informationen langsam in den Kortex übertragen werden, aber Tonegawas Ergebnisse unterstützen die alternative Idee, dass kortikale Engramme sofort gebildet werden, aber Zeit brauchen, um sich zu entwickeln. „Die Schlüsselfrage, die diese Arbeit löst, ist, ob sich Gedächtnisengramme im Laufe der Zeit vom Hippocampus zu kortikalen Speicherorten bewegen oder während des Lernens im Kortex etabliert und im Laufe der Zeit entlarvt werden“, sagt Maren. „Dies ist ein starker Beweis für letzteres.“Das Team zeigte auch, dass das Blockieren von Eingaben in die Amygdala aus dem Hippocampus während des Gedächtnistests die Kurzzeitgedächtnisleistung beeinträchtigte (getestet am zweiten und achten Tag) – aber nicht das Ferngedächtnis (getestet an den Tagen 15 und 22) — während das Blockieren von Eingaben in die Amygdala aus dem Kortex das entgegengesetzte Muster zeigte. Mit anderen Worten, Speicherengramme in der Amygdala wurden durchgehend beibehalten und waren notwendig, um Angstgedächtnisse abzurufen — aber es gab eine Änderung in der Region, mit der die Amygdala verbunden werden musste, damit das Gedächtnis funktionieren konnte. „Die Zellen, die es einer Maus ermöglichen, sich an die Angst vor einer Erinnerung zu erinnern, werden von Tag 1 bis drei Wochen später beibehalten“, sagt Tonegawa. „Aber es gibt einen Schalter in der Verwendung von Verbindungen: nach drei Wochen, wenn das Hippocampus-Engramm nicht mehr aktiv ist, ermöglicht die Konnektivität zwischen dem präfrontalen Kortex-Engramm und dem Amygdala-Engramm dem Tier, sich an das Angstgedächtnis zu erinnern.“Die Studie „liefert überzeugende Beweise dafür, wo und wann bestimmte Neuronen zu bestimmten Zeiten während und nach dem Lernen wesentlich zu einer bestimmten Form des Gedächtnisses beitragen“, sagt der Neurowissenschaftler Howard Eichenbaum, Direktor des Zentrums für Gedächtnis und Gehirn an der Boston University, der nicht an der Forschung beteiligt war. Obwohl es sich um eine technische Tour de Force handelt, lässt das Papier einige offene Fragen offen: „Die Studie sagt uns nicht, ob es andere Zellen gibt, die für diese Art von Gedächtnis wichtig sind, oder irgendetwas über andere Arten von Gedächtnis“, sagt er. Am wichtigsten ist, fügt er hinzu, es sagt uns nur, dass bestimmte Zellen, in einigen Regionen zu bestimmten Zeiten, Erinnerungen machen — nicht, wie sie dazu beitragen. „Welche Art von Informationsverarbeitung trägt der präfrontale Kortex bei“, sagt er, „die nicht kurz danach für das Lernen oder Abrufen wesentlich ist, aber einige Zeit später wesentlich wird?“ Jede beteiligte Region hat unterschiedliche Funktionen und verarbeitet Informationen auf unterschiedliche Weise. Keines ist speziell dem Gedächtnis gewidmet, das aus Spuren besteht, die zurückgelassen werden, wenn diese neuronalen Systeme Erfahrungen verarbeiten. Der Hippocampus zum Beispiel repräsentiert räumliche Informationen unter Verwendung von „Ort“ -Zellen, die die Umgebung abbilden und möglicherweise erklären, wie sie zur „Wo“ -Komponente des episodischen Gedächtnisses beitragen können. Es ist nicht klar, welche Rolle die Verarbeitung des präfrontalen Kortex spielt, aber Eichenbaum spekuliert, dass seine Rolle bei der Organisation und Auswahl zwischen Alternativen mit zunehmendem Alter der Erinnerungen immer relevanter werden könnte.Ein prägnanteres Bild der Funktionsweise des Gedächtnisses zeichnet sich langsam ab, und diese neuen Erkenntnisse werden dazu beitragen, die weitere Erforschung verschiedener Arten von Gedächtnis voranzutreiben.