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Dendrites and memory: role of dendritic spikes in information coding by hippocampal CA3 pyramidal neurons

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Wie Gehirne Erinnerungen verarbeiten

Neue Erkenntnisse über die Mechanismen des Gedächtnisses könnten dazu führen, unser Gehirn besser zu verstehen und vielleicht neue therapeutische Maßnahmen hervorbringen.

Der Hippocampus des Gehirns ist bei der Bildung des räumlichen und episodischen Gedächtnisses wichtig. Er schafft Erinnerungen an wichtige Lebensereignisse, aber auch an alltägliche Dinge, wie z. B. daran, wo wir unseren Autoschlüssel am Vorabend liegen gelassen haben. „Trotz jahrzehntelanger Forschung wissen wir immer noch nicht genau, wie auf zellulärer und subzellulärer Ebene das Gedächtnis gebildet und abgerufen wird“, sagt Judit Makara, Projektkoordinatorin von DeCode(öffnet in neuem Fenster) vom HUN-REN Institute of Experimental Medicine(öffnet in neuem Fenster) in Ungarn. „Wir wissen aus Experimenten, dass der Hippocampus von Nagetieren neuronale Repräsentationen – so etwas wie Karten – der Umgebung erstellt. Aber es ist sehr wenig über die zellulären Mechanismen bekannt, die bestimmen, warum ein einzelnes Neuron an einer Repräsentation teilnimmt und welche Merkmale der Umwelt es kodiert.“

Rolle des Hippocampus bei Lernen und Gedächtnis

Ziel des vom Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) finanzierte Projekt DeCode war es, diesen Prozess besser zu verstehen. Das Projektteam konzentrierte sich vor allem auf das CA3-Areal des Hippocampus, das eine wesentliche Rolle bei assoziativen Gedächtnisprozessen einnehmen soll. Makara interessierte sich außerdem dafür, ob Spannungssignale aktiv von Dendriten (Signale empfangende lange neuronale Fortsätze) erzeugt werden. „Das Projekt betraf zwei wesentliche Themenbereiche“, kommentiert Makara. „Zunächst untersuchten wir die Eigenschaften der Dendriten der sogenannten CA3-Pyramidenzellen (CA3PCs) in Gehirnschnitten von Nagetieren.“ Im zweiten Teil zeichneten Makara und ihr Team die Aktivität von Dendriten und CA3-Zellen bei lebenden Tieren auf. Dies gelang mithilfe fortgeschrittener Bildgebungsverfahren an Mäusen, die in einer Umgebung der virtuellen Realität navigierten. „So konnten wir die Aktivitäten in einzelnen Zellen und sogar in einzelnen Dendriten während des räumlichen Lernens analysieren“, bemerkt Makara.

Neue Erkenntnisse zum dendritischen Verhalten

Zusätzlich zu den erwarteten dendritischen Aktivitäten entdeckten Makara und ihr Team bei den Schnittexperimenten eine neue Art von aktiven dendritischen Spannungssignalen. „Dieser dendritische Spike unterscheidet sich in vielerlei Hinsicht von ‚herkömmlichen‘ dendritischen Spikes, die bei anderen Neuronenarten beobachtet wurden“, fügt Makara hinzu. Im Rahmen des Projekts konnte auch nachgewiesen werden, dass die Feuereigenschaften jeder CA3PC grundsätzlich davon abhängen, welche Art von dendritischen Spikes sie ausbildet. Ein weiteres interessantes Ergebnis lautete, dass die dendritischen Spikes offenbar unter starker Kontrolle von Acetylcholin (einem Neuromodulator, der beim Lernen eine Rolle spielt) stehen, was darauf hindeutet, dass sie zur lernbedingten Reorganisation der Repräsentationen im Hippocampus beitragen könnten. „Im In-vivo-Teil der Arbeit konnten wir die Dendriten von CA3PCs aufzeichnen, die aktive Signale produzieren“, sagt Makara. „Wir analysieren derzeit die Ergebnisse, um ihre Rolle bei der Zellaktivität besser nachzuvollziehen“. Schließlich ergab das Projekt, dass CA3PCs bemerkenswert heterogen sind, wodurch die Existenz verschiedener Subtypen wahrscheinlich ist. In früheren Modellen der CA3-Funktionen war von einer einheitlichen Zellpopulation ausgegangen worden.

Potenzielle Angriffspunkte für therapeutische Eingriffe

Dadurch, dass sie die Mechanismen hinter dem Gedächtnis beleuchten, könnten Projekte wie DeCode eines Tages zu potenziellen Angriffspunkten für therapeutische Eingriffe führen. Makara arbeitet mit Forschenden der Neuroinformatik zusammen, die die Projektdaten nutzen, um Modelle sowohl auf der Ebene einzelner Neuronen als auch auf der Ebene von Schaltkreisen zu erstellen. „Diese Ergebnisse haben viele Fragen aufgeworfen“, unterstreicht sie. „Die nächsten Schritte umfassen den Versuch, die Rolle der verschiedenen dendritischen Spike-Typen zu erforschen. Letztendlich hoffen wir, ein klareres Bild davon zu bekommen, wie die CA3PCs zusammenarbeiten, um Informationen über die Außenwelt zu verarbeiten oder zuvor gespeicherte Assoziationen abzurufen.“

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