Zum ersten Mal haben Wissenschaftler herausgefunden, dass die Gedächtnisregion unseres Gehirns nicht nur aus einem, sondern aus zwei Teilen besteht: einem Teil, der für die Verarbeitung vergangener Zeit- und Ortserfahrungen verantwortlich ist, und einem anderen, der eher prädiktiv ist und zukünftiges Verhalten aktiv strukturiert. Forscher der Cornell University haben herausgefunden, dass im Hippocampus ein neuronaler Code für unsere Fähigkeit verantwortlich ist, „Punkte zu verbinden“, etwa um uns daran zu erinnern, wohin wir gehen müssen.
Wir müssen zum Beispiel einen Laib Brot besorgen. Die zweite Art von neuronalem Code, der Vorhersagecode, ist für die Improvisation neuer Pläne verantwortlich. Um dasselbe Beispiel zu verwenden: Wenn die Bäckerei unerwartet schließt, entwickelt der zweite Typ von neuronalem Code einen Plan B und sagt voraus, in welche Richtung es gehen soll, was zu einem flexibleren Verhalten führt.
In einer Mausstudie identifizierten und isolierten Wissenschaftler mithilfe fortschrittlicher optogenetischer Techniken zwei unterschiedliche Gedächtnisfunktionen, um jeweils einen Gedächtnistyp zu deaktivieren. Verständlicherweise ist dies vielversprechend für die Behandlung von Gedächtnis- und Lernproblemen bei Alzheimer und Demenz.
„Wir haben herausgefunden, dass es zwei verschiedene neuronale Codes gibt, die diesen sehr wichtigen Aspekten des Gedächtnisses und der Kognition zugrunde liegen, und dass sie wie in unseren Experimenten getrennt werden können“, sagte Antonio Fernandez-Ruiz, Assistenzprofessor für Neurobiologie und Verhalten am Cornell’s College of Arts and Sciences (A&S).
Die Forscher platzierten eine Reihe von Elektroden im Gehirn der Ratten, um alle feuernden Neuronen gleichzeitig zu verfolgen, und nutzten dann Optogenetik, um diese Aktivität zu manipulieren. Anschließend wird ein Virus eingesetzt, um eine bestimmte Gruppe von Neuronen zu hemmen, ohne sie vollständig zum Schweigen zu bringen.
Mithilfe dieser Methode beobachteten die Wissenschaftler in einem Bereich des Hippocampus, der mit Aufgabenlernen verbunden ist, dass Ratten einen Weg von Punkt A nach Punkt D mit einer Belohnung am Ende lernen konnten, das Gedächtnis jedoch aufgrund der induzierten Fehlerauslösung nicht „hängen blieb“. Als das Experiment nach dem Schlafen wiederholt wurde, konnten sich die Mäuse an die Punkte A und D erinnern, nicht jedoch an den Weg zum Belohnungspunkt.
„Diese Abfolge von Schritten wird im Gehirn als Abfolge von Zellfeuern kodiert“, sagte Fernandez-Ruiz. „Die Art und Weise, wie wir uns in Zukunft daran erinnern, besteht darin, dass beim Schlafen dieselbe Aktivitätssequenz wiederholt wird, sodass dieselben Neuronen, die [den Pfad] codieren, in derselben Reihenfolge feuern.“
Grundsätzlich sind Neuronen im Schlaf nicht in der Lage, nacheinander zu feuern, um das Gedächtnis zu festigen. Daher merkt es sich zwar zwei Punkte, behält aber keine der Assoziationen bei.
In einem anderen Experiment wurden Ratten ähnlich behandelt und beauftragt, jeden Tag einen neuen Weg zu einer Belohnung zu finden. Wenn bestimmte Neuronen gestört waren, konnten sich Mäuse nicht mehr erinnern, wie sie ihre Ziele erreichen sollten.
„Dieses Verhalten erfordert, dass es eine Karte erstellt, was Planungs- und Vorhersagefähigkeiten erfordert, und sich daran erinnert, um seine Handlungen zu steuern“, sagte Fernandez-Ruiz. In einem anderen Test wurden Ratten damit beauftragt, einen Ort mit einer Belohnung zu verknüpfen. Als die Wissenschaftler den prädiktiven Kodierungsbereich blockierten, blieb ihr assoziatives Gedächtnis intakt und zeigte zum ersten Mal, wie zwei Seiten derselben Medaille tatsächlich sehr unterschiedlich sein können.“
„Indem wir untersuchen, welche Arten von Gedächtnisdefiziten Patienten entwickeln, können wir versuchen abzuleiten, welche Arten von zugrunde liegenden neuronalen Mechanismen beeinträchtigt sind, was uns bei der Entwicklung gezielterer Interventionen helfen wird“, sagte Fernandez-Ruiz.
Der Hippocampus, der aufgrund seiner ähnlichen Form nach der Gattung benannt ist, zu der er gehört, ist ein Bereich, der in der Forschung zur Behandlung der Alzheimer-Krankheit besonders im Fokus steht. Der kognitive Rückgang bei Menschen mit Demenz kann sich dramatisch auf den Hippocampus auswirken und zu einer Verschlechterung der Gedächtnis- und Navigationsfähigkeiten führen.
Die Forschung wurde in der Zeitschrift Science veröffentlicht.