Die Fähigkeit, sich Erinnerungen zu merken und für ein paar Tage oder ein Leben lang zu speichern, ist eine wichtige Funktion
Verstehen, wie das Gehirn Informationen speichert undregelt, welche Erinnerungen lange bestehen bleiben und welche verschwinden, hilft bei der Entwicklung von Methoden zur Stärkung des Gedächtnisses bei Risikogruppen für altersbedingte Erkrankungen und zur Wiederherstellung der normalen Gehirnfunktion nach einer Verletzung.
Wie funktioniert das Gedächtnis?
Es werden verschiedene Arten von Erinnerungen erzeugt und gespeichertunterschiedlich und in verschiedenen Bereichen des Gehirns. Neurowissenschaftler verstehen die Feinheiten aller Prozesse noch nicht vollständig, sie feilen weiter an den Details und entdecken neue Gehirnfunktionen. Es ist jedoch bekannt, dass autobiografische Erinnerungen – Erinnerungen an persönlich erlebte Ereignisse – in den Stunden und Tagen nach dem Ereignis in einem Teil des Gehirns namens Hippocampus Gestalt anzunehmen beginnen.
Neuronen sind die Zellen des Nervensystems, die miteinander kommunizieren.ein anderer durch Synapsen. Dies sind Bereiche, in denen sich zwei Zellen verbinden und durch eine winzige Lücke mithilfe chemischer Botschaften (Neurotransmitter) „Informationen“ austauschen. Jedes Neuron kann über Synapsen mit Tausenden anderen verbunden sein.
Interaktion von Neuronen unter dem Mikroskop. Video: UC Berkeley
Eine der Schlüsseleigenschaften von Neuronen ist synaptischPlastik. Dies ist die Bezeichnung für die Fähigkeit von Synapsen, sich im Laufe der Zeit als Reaktion auf eine Zunahme oder Abnahme der Interaktionsaktivität zu stärken oder zu schwächen. Es wird angenommen, dass langfristige Änderungen der Effizienz von Synapsen in Abhängigkeit von der Häufigkeit der „Nutzung“ wichtig für das Lernen, die Gedächtnisbildung und die neuronale Entwicklung sind.
Neuronen produzieren ständig neue Proteine fürUmbau von Teilen der Synapse, wie Rezeptoren für bestimmte Neurotransmitter. Dadurch können Nervenzellen gezielt ihre Verbindungen untereinander verstärken. Dadurch entsteht ein Netzwerk, das die Erinnerung verschlüsselt. Je öfter eine Erinnerung „aktiviert“ wird, desto stärker wird ihr neuronales Netzwerk. Solche Strukturen gehen über den Hippocampus hinaus und bilden in verschiedenen Teilen des Gehirns ein Langzeitgedächtnis.
Kannst du Erinnerungen sehen?
Ende des 19. Jahrhunderts schufen Wissenschaftler die ersteMikroskope sind stark genug, um einzelne Neuronen zu identifizieren. Mitte des nächsten Jahrhunderts zeigten Elektronenmikroskope synaptische Strukturen mit einer Breite von nur wenigen zehn Nanometern, und später beobachteten Forscher mit Zwei-Photonen-Mikroskopen, wie synaptische Verbindungen während des Lernprozesses in Echtzeit gebildet werden.
Eines der Modelle, die Neurowissenschaftler verwendenFür die Arbeit mit dem Gedächtnis ist es ein Engramm. Dies ist die Bezeichnung für die physische Spur (neuronales Netzwerk) einer bestimmten Erinnerung im Gehirn. Engrammzellen sind Populationen von Neuronen, deren Reaktivierung zum Abruf individueller Erinnerungen führt.
Zahlreiche Forschungen auf dem Gebiet der Genetikmachte es möglich, solche Engramme zu visualisieren. Beispielsweise haben Wissenschaftler Viren verwendet, um ein grün fluoreszierendes Protein, das in Quallen vorkommt, in das Gehirn von Mäusen zu injizieren, wodurch Neuronen beim Lernen leuchten. Und durch die Einführung des lichtempfindlichen Algenproteins Canalrhodopsin (ChR2) ist es möglich, bestimmte Neuronen künstlich zu aktivieren, bestimmte Engramme „abzuschalten“ oder „zu starten“.
Beispielsweise identifizierten Forscher des MITein Engramm, das im Gehirn von Mäusen während des Angstlernprozesses gebildet wurde. Die wiederholte künstliche Aktivierung dieses Netzwerks von Neuronen durch blaues Licht führte dazu, dass die Tiere „einfrierten“, eine charakteristische Reaktion auf Gefahr.
Eine andere Methode zur Visualisierung von Erinnerungen istfunktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT). Diese Technologie basiert auf dem Zusammenhang neuronaler Aktivität mit Veränderungen des Blutflusses im Gehirn. Durch die Beobachtung, wie sich die Hämodynamik (Blutbewegung) verändert, bestimmen Forscher, welche Bereiche des Gehirns zu der einen oder anderen Zeit aktiv sind.
Mit dieser Technologie können z.B.Forscher der University of Oregon haben der KI beigebracht, Gesichtsbilder zu erkennen und zu rekonstruieren, die im menschlichen Gedächtnis auftauchen. Während des Trainingsprozesses wurden den Teilnehmern Fotos von Gesichtern verschiedener Personen gezeigt, und ein Computer verarbeitete die fMRT-Daten und generierte Muster der Gehirnaktivität, die für jedes Foto charakteristisch sind.
Danach, als den Teilnehmern ein neues gezeigt wurdeUnbekanntes KI-Foto, basierend auf Gehirnaktivität versuchte der Computer, das Gesicht auf dem Bild zu rekonstruieren. Obwohl es dem fertigen Bild bei weitem nicht ganz ähnlich war, hat das künstliche neuronale Netzwerk einige Merkmale genau identifiziert und neu erstellt und auch die subjektive Wahrnehmung bestimmter Merkmale durch eine Person, beispielsweise die Hautfarbe, widergespiegelt.
Versuchsschema: Training (oben) und Rekonstruktion eines unbekannten Bildes (unten). Abbildung: Hongmi Lee, Brice A. Kuhl, Journal of Neuroscience
Können Erinnerungen manipuliert werden?
Eine der Möglichkeiten, "falseErinnerungen“ bei Mäusen wurde vor fast einem Jahrzehnt von Forschern des Massachusetts Institute of Technology demonstriert. Der von Wissenschaftlern vorgeschlagene Ansatz basiert darauf, mit bestimmten Ereignissen verbundene Engramme zu identifizieren und sie mithilfe der Optogenetik (Steuerung von Neuronen mit Hilfe von Licht) zu aktivieren.
Schema des Experiments, um falsch zu erstellenErinnerungen. Die Wissenschaftler lasen das der Umgebung A entsprechende Muster. Sie bewegten die Tiere in die Umgebung B, schalteten den Strom ein und aktivierten parallel mit Hilfe von Licht die Neuronen des Engramms, das der Umgebung A entspricht. Als sie wieder in den Kontext A gestellt wurden , sie zeigten eine falsche Erinnerung an Angst um A (Erfrieren wird durch Wellenlinien angezeigt), wo sie nie einen Stromschlag erlitten. Gleichzeitig gab es keine Verhaltensänderungen in neutraler Umgebung C. Bild: Steve Ramirez et al., Frontiers in Behavioral Neuroscience
Wissenschaftler haben gentechnisch veränderte Mäuse anum das Gen, das für das Protein Canalrhodopsin (ChR2) kodiert, in Neuronen einzuschleusen. Es ist ein lichtempfindliches Protein, das in einzelligen Grünalgen als Photorezeptor dient. Das Gen wurde modifiziert, um die Expression eines fluoreszierenden Proteins auszulösen, wenn das Neuron aktiviert wird. Diese Modifikation ermöglichte es den Wissenschaftlern, zu verfolgen, welche Neuronen während des Lernprozesses aktiv sind (fluoreszieren), und sie durch Licht zu reaktivieren.
Während des Experiments platzierten WissenschaftlerLabormäuse betraten den ersten „Raum“ und lasen das Engramm (neuronales Netzwerk), das den Erinnerungen dieser Umgebung entsprach. Danach wurden die Tiere in die zweite Umgebung gebracht, die mit dem ersten „Raum“ verbundenen Neuronen wurden aktiviert und sie wurden geschockt.
Weitere Analysen zeigten dies bei TierenEs bildete sich eine falsche Erinnerung, verbunden mit der Angst vor dem ursprünglichen Bereich (dem ersten „Raum“). Obwohl die Mäuse dort nie geschockt wurden, erstarrten sie in dieser Umgebung vor Angst.
Normales Verhalten einer „trainierten“ Maus vor Lichtaktivierung und Angst nach Aktivierung eines Engramms, das mit einer vergangenen Angst verbunden ist. Video: Liu, X. et al., Nature
Obwohl diese Arbeit nur istein primitives Experiment, und das menschliche Gehirn ist viel komplexer als das einer Maus, zeigt die Studie, wie leicht Erinnerungen unter dem Einfluss äußerer Einflüsse verändert werden. Zahlreiche Studien zur Entstehung falscher Erinnerungen bei Menschen im Alltag bestätigen diese Plastizität.
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