Die neurologische Basis des Gedächtnisses erkunden
Erinnern Sie sich an irgendetwas vor Ihrem dritten Geburtstag? Die Realität ist, dass die meisten das nicht tun. Diese Unfähigkeit von Erwachsenen, solche frühen episodischen Erinnerungen abzurufen – also Erinnerungen an spezifische, persönliche Erlebnisse –, wird als infantile Amnesie bezeichnet. Obwohl dieses Defizit wohlbekannt ist, sind die Ursachen dafür weiterhin unklar. „Die kindliche Amnesie ist nach wie vor eine der zentralen Fragen der Gedächtnisforschung, da menschliche Kleinkinder zwar offensichtlich schnell etwas über die Welt lernen, die meisten Erinnerungen aus der frühen Kindheit später jedoch nicht bewusst abgerufen werden können“, erklärt Francesca Cacucci(öffnet in neuem Fenster), Professorin für Neurowissenschaften am University College London(öffnet in neuem Fenster). Das Studium der infantilen Amnesie gestaltet sich unter anderem schwierig, da präverbale Kinder ihre Erfahrungen nicht verlässig wiedergeben können. Bis vor kurzem fehlten der Wissenschaft zudem die notwendigen Instrumente, um die Entstehung von Gedächtniskreisläufen auf neuronaler Ebene zu untersuchen. Außerdem entwickeln sich Gedächtnisprozesse möglicherweise auf unterschiedlichen zeitlichen Skalen. „Dies bedeutet, dass die infantile Amnesie eine Folge unreifer Gedächtnisbildung, unzureichender Konsolidierung, veränderter Abrufmechanismen oder einer Unvereinbarkeit zwischen der frühen Gedächtnisbildung und dem späteren Zugriffsversuch des erwachsenen Gehirns sein könnte“, sagt Cacucci. Durch das DEVMEM-Projekt, das vom Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) finanziert wurde, gingen Cacucci und ihre Kolleginnen und Kollegen diesen Fragen nach, indem sie entwicklungsbezogene Verhaltensexperimente, groß angelegte Elektrophysiologie und computergestützte Modellierung in Tiermodellen kombinierten, um zu untersuchen, wie Gedächtnisschaltkreise erstmals entstehen.
Überwachung hirnweiter Gedächtnisnetzwerke
Die Forschenden zeichneten die neuronale Aktivität bei sich frei bewegenden Ratten in verschiedenen Entwicklungsstadien auf, während die Tiere ihre Umgebung erkundeten oder Gedächtnisaufgaben ausführten. „Wir haben uns insbesondere auf räumlich abgestimmte Neuronen wie Ortszellen, Gitterzellen und grenzreaktive Zellen konzentriert, von denen angenommen wird, dass sie das neuronale Gerüst für das episodische Gedächtnis („Was-Wann-Wo“) und die Navigation bilden“, erklärt Cacucci weiter. Die Forschung konzentrierte sich auch auf den Schlaf, der für die Gedächtniskonsolidierung wichtig ist. Das Projekt nutzte hochauflösende elektrophysiologische Aufzeichnungen, verhaltensbezogene Paradigmen, virtuelle Realitätsumgebungen und computergestützte Modelle, die darauf ausgelegt sind, zu erfassen, wie sich entwickelnde Tiere aus Erfahrungen lernen. „Dadurch konnten wir nicht nur einzelne Hirnregionen untersuchen, sondern auch, wie sich größere, vom Hippocampus ausgehende Netzwerke entwickeln und beginnen, ein stabiles, gedächtnisgesteuertes Verhalten zu unterstützen“, so Cacucci weiter.
Erforschung des Entstehens von Gedächtnis
Eine wichtige Erkenntnis war, dass sich viele gedächtnisbezogene neuronale Systeme schrittweise und asynchron entwickeln. „Zum Beispiel reifen Gehirnsysteme, die an der Transformation von Informationen zwischen egozentrischen (‚ich-zentrierten‘) und allozentrischen (‚welt-zentrierten‘) Referenzrahmen beteiligt sind, relativ spät“, merkt Cacucci an. „Diese sollen dem Gehirn helfen, unmittelbare Erlebnisse aus der ersten Person in stabile mentale Karten von Orten und Ereignissen zu überführen.“ Unter anderem entdeckte das Projekt, dass wichtige neuronale Aktivitätsmuster, die mit der Gedächtniskonsolidierung während des Schlafs in Verbindung stehen, in hochgradig koordinierter Weise entstehen. Dies unterstützt die Annahme, dass die Fähigkeit des Gehirns, Erfahrungen zu kodieren, zu organisieren und in stabile Erinnerungen zu stabilisieren, sich schrittweise im Laufe der Entwicklung ausbildet.
Ein tieferes Verständnis von Amnesie bis zur künstlichen Intelligenz
Diese Forschung könnte potenziell dazu beitragen, andere Formen der Amnesie zu verstehen, denn zahlreiche neurologische und psychiatrische Erkrankungen gehen mit Störungen der Gedächtnisnetzwerke, der schlafabhängigen Konsolidierung oder der Kommunikation zwischen Gehirnregionen einher. „Wenn wir verstehen, wie diese Systeme normalerweise während der Entwicklung entstehen, können wir vielleicht Erkenntnisse darüber gewinnen, was passiert, wenn sie im späteren Leben gestört werden“, erklärt Cacucci. Die computergestützte Modellierung zeigte außerdem, dass die Reihenfolge und Struktur früher Erfahrungen die von künstlichen neuronalen Netzwerken erlernten Repräsentationen maßgeblich beeinflussen, was künftig die Trainingsverfahren für robuste Systeme der künstlichen Intelligenz prägen könnte. „Ein weiterer Ansatz besteht darin, zu untersuchen, ob ein besseres Verständnis der Mechanismen der schlafabhängigen Gedächtniskonsolidierung letztendlich auch für die Forschung zu traumatischen Erinnerungen von Nutzen sein könnte“, so Cacucci weiter.