Studie: Wie das menschliche Gehirn Erinnerungen trennt, speichert und abruft

Forscher haben in einer Studie zwei Arten von Zellen in unseren Gehirnen identifiziert, die an der Organisation einzelner Erinnerungen je nach Zeitpunkt ihres Auftretens beteiligt sind.

Diese neue Erkenntnis verbessert unser Verständnis darüber, wie das menschliche Gehirn Erinnerungen bildet.

• Sie könnte auch Auswirkungen auf die Behandlung von Gedächtnisstörungen wie die Alzheimer-Krankheit haben.

Was ist der neue Ansatz der Studie?

Die Studie, die in der Zeitschrift Nature Neuroscience veröffentlicht wurde, ist bahnbrechend durch die Art und Weise, wie die Forscher die Denkweise des menschlichen Gehirns untersucht haben.

Sie bringt einen Ansatz in die menschliche Neurowissenschaft, der zuvor bei nicht-menschlichen Primaten und Nagetieren verwendet wurde, indem direkt von Neuronen aufgezeichnet wird, die Gedanken erzeugen, wie Dr. Jim Gnadt, Programmdirektor am National Institute of Neurological Disorders and Stroke in den USA feststellt.

Diese Studie begann mit einer Reihe einfacher Fragen: Wie bildet und organisiert unser Gehirn Erinnerungen? Wir erleben unser Leben im Wachzustand als eine einzige Erfahrung, aber man geht davon aus, dass wir diese Lebensereignisse als einzelne, eindeutige Momente speichern, wie Untersuchungen des menschlichen Verhaltens zeigen.

Was markiert aber den Anfang und das Ende einer Erinnerung?

Die dieser Frage zugrundeliegende Theorie wird als „Ereignissegmentierung“ bezeichnet, und wir wissen relativ wenig darüber, wie dieser Prozess im menschlichen Gehirn funktioniert.

Mit welchen Methoden arbeiteten die Forscher?

Um dies zu untersuchen, arbeiteten die Forscher mit 20 Patienten, bei denen die Hirnaktivität intrakraniell aufgezeichnet wurde, um die Operation zur Behandlung ihrer medikamentenresistenten Epilepsie zu steuern.

• Sie untersuchten, wie die Hirnaktivität der Patienten beeinflusst wurde, wenn ihnen Filmausschnitte gezeigt wurden, die verschiedene Arten von „kognitiven Grenzen“ enthielten.

Damit sind Übergänge gemeint, von denen man annimmt, dass sie Veränderungen in der Art und Weise auslösen, wie eine Erinnerung gespeichert wird, und die den Anfang und das Ende von Erinnerungs-„Dateien“ im Gehirn markieren.

Die erste Art von Übergängen, die als „weiche Grenze“ bezeichnet wird, ist ein Video, das eine Szene enthält, die dann zu einer anderen Szene übergeht, die dieselbe Geschichte fortsetzt.

Bei einem Fußballspiel wird zum Beispiel ein Ballwurf des Torwarts gezeigt, und wenn ein Feldspieler den Ball annimmt, schneidet die Kamera zum Feldspieler, der das Spiel mit dem Ball fortsetzt. Im Unterschied dazu ist eine „harte Begrenzung“ ein Schnitt zu einer völlig anderen Geschichte – stellen Sie sich vor, nach dem Ballwurf des Torwarts würde sofort ein Schnitt zu einem Werbespot folgen.

Die Forscher zeichneten die Hirnaktivität der Teilnehmer auf, während sie sich die Videos ansahen, und sie stellten zwei verschiedene Gruppen von Zellen fest, die auf verschiedene Arten von Grenzen mit einer erhöhten Aktivität reagierten. Eine Gruppe, die so genannten „Grenzzellen“, wurde aktiver, wenn sie auf eine weiche oder harte Grenze reagierte.

Eine zweite Gruppe, die als „Ereigniszellen“ bezeichnet wird, reagierte nur auf harte Grenzen. Daraus ergab sich für die Forscher die Theorie, dass die Bildung eines neuen Gedächtnisses dann erfolgt, wenn die Aktivität sowohl der Grenzzellen als auch der Ereigniszellen einen Höhepunkt erreicht, was nur nach einer harten Grenze der Fall ist.

Eine Analogie dazu, wie Erinnerungen im Gehirn gespeichert und abgerufen werden können, ist die Speicherung von Fotos auf Ihrem Handy oder Computer. Oft werden Fotos automatisch zu Ereignissen gruppiert, je nachdem, wann und wo sie aufgenommen wurden, und dann später als Schlüsselfoto dieses Ereignisses angezeigt. Wenn Sie auf das Foto tippen oder klicken, können Sie das jeweilige Ereignis genauer betrachten.

Eine Grenzreaktion kann man sich wie die Erstellung eines neuen Fotoereignisses vorstellen, so die Forscher. Während man das Gedächtnis aufbaut, ist es, als ob neue Fotos zu diesem Ereignis hinzugefügt werden. Wenn eine harte Grenze auftritt, wird das Ereignis abgeschlossen und ein neues beginnt.

• Weiche Grenzen kann man sich dabei als neue Bilder vorstellen, die innerhalb eines einzigen Ereignisses entstehen.

Als Nächstes untersuchten die Forscher das Abrufen von Erinnerungen und wie dieser Prozess mit dem Feuern von Grenz- und Ereigniszellen zusammenhängt. Sie stellten die Theorie auf, dass das Gehirn Grenzspitzen als Marker für das „Überfliegen“ vergangener Erinnerungen verwendet, ähnlich wie die Schlüsselfotos zur Identifizierung von Ereignissen verwendet werden. Wenn das Gehirn ein Feuerungsmuster findet, das ihm bekannt vorkommt, „öffnet“ es dieses Ereignis.

Um diese Theorie zu untersuchen, wurden zwei verschiedene Gedächtnistests durchgeführt. Im ersten Test wurde den Teilnehmern eine Reihe von Standbildern gezeigt, und sie wurden gefragt, ob sie zu einer Szene aus den gerade gesehenen Filmausschnitten gehörten.

Die Studienteilnehmer erinnerten sich mit größerer Wahrscheinlichkeit an Bilder, die kurz nach einer harten oder weichen Grenze aufgenommen wurden, d.h. wenn ein neues „Foto“ oder „Ereignis“ entstanden war.

Beim zweiten Test wurden den Teilnehmern Bildpaare aus Filmausschnitten gezeigt, die sie gerade gesehen hatten. Die Teilnehmer wurden dann gefragt, welches der beiden Bilder zuerst erschienen war. Es stellte sich heraus, dass es ihnen viel schwerer fiel, das richtige Bild zu wählen, wenn die beiden Bilder auf verschiedenen Seiten einer harten Grenze lagen, möglicherweise weil sie in verschiedenen „Ereignissen“ platziert worden waren.

Diese Ergebnisse geben Aufschluss darüber, wie das menschliche Gehirn Erinnerungen erzeugt, speichert und abruft. Da die Ereigniseinteilung ein Prozess ist, der bei Menschen mit Gedächtnisstörungen beeinträchtigt sein kann, könnten diese Erkenntnisse bei der Entwicklung neuer Therapien genutzt werden.

Nächste Schritte

Für die Zukunft planen die Forscher, zwei mögliche Wege zur Entwicklung von Therapien im Zusammenhang mit diesen Erkenntnissen zu untersuchen. Erstens könnten Neuronen, die den chemischen Stoff Dopamin verwenden und die vor allem für ihre Rolle bei Belohnungsmechanismen bekannt sind, durch Grenz- und Ereigniszellen aktiviert werden, was ein mögliches Ziel für die Stärkung der Gedächtnisbildung darstellen würde.

Zweitens wurde einer der normalen internen Rhythmen des Gehirns, der so genannte Theta-Rhythmus, mit Lernen und Gedächtnis in Verbindung gebracht. Wenn die Ereigniszellen im Takt dieses Rhythmus feuerten, fiel es den Teilnehmern leichter, sich an die Reihenfolge der ihnen gezeigten Bilder zu erinnern. Da die Tiefenhirnstimulation den Theta-Rhythmus beeinflussen kann, könnte dies ein weiterer Ansatzpunkt für die Behandlung von Patienten mit bestimmten Gedächtnisstörungen sein.

Wie das Verhalten das Gehirn formt und das Gehirn das Verhalten formt.

Eine frühere Studie gab bereits Einblicke in die Gedächtnisentwicklung. So verbessert sich das Quellengedächtnis in der Kindheit erheblich. Es wird angenommen, dass diese Verbesserung eng mit der Reifung des Hippocampus zusammenhängt. Da frühere Studien hauptsächlich Querschnittsuntersuchungen verwendet haben, um die Beziehungen zwischen dem Quellengedächtnis und der Hippocampusfunktion zu bewerten, ist nicht bekannt, ob Veränderungen im Gehirn Verbesserungen im Gedächtnis vorausgehen oder umgekehrt.

Um diese Lücke zu schließen, wurde in einer Studie, die im Journal of Neurosciene veröffentlicht wurde, ein beschleunigtes Längsschnittdesign (n = 200, 100 Männer) verwendet, um 4- und 6-jährige menschliche Kinder 3 Jahre lang zu beobachten. Die Forscher verfolgten dabei die Entwicklungsveränderungen im Quellgedächtnis und in der intrinsischen funktionellen Konnektivität des Hippocampus und bewerteten die Unterschiede zwischen den 4- und 6-jährigen Kohorten in den prädiktiven Beziehungen zwischen Quellgedächtnisveränderungen und intrinsischer funktioneller Konnektivität des Hippocampus in Abwesenheit einer anspruchsvollen Aufgabe.

In Übereinstimmung mit früheren Studien zeigte sich eine altersbedingte Zunahme des Quellgedächtnisses und der intrinsischen funktionellen Konnektivität zwischen dem Hippocampus und kortikalen Regionen, die bekanntermaßen an der Gedächtniskodierung beteiligt sind.

Neue Ergebnisse zeigten, dass Veränderungen in der Gedächtnisleistung in frühen Lebensjahren die spätere Konnektivität zwischen dem Hippocampus und kortikalen Regionen vorhersagten und dass die intrinsische funktionelle Konnektivität des Hippocampus spätere Veränderungen im Quellgedächtnis vorhersagte.

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Verhaltenserfahrungen und die Entwicklung des Gehirns interaktive, bidirektionale Prozesse sind, so dass Erfahrungen künftige Veränderungen im Gehirn prägen und das Gehirn künftige Veränderungen im Verhalten prägt.

Die Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass sowohl der Zeitpunkt als auch der Ort eine Rolle spielen, da die beobachteten Effekte sowohl vom Alter der Kinder als auch von den spezifischen Gehirn-ROIs abhingen. Zusammengenommen liefern diese Ergebnisse wichtige Erkenntnisse über die interaktiven Beziehungen zwischen kognitiven Prozessen und den ihnen zugrunde liegenden neurologischen Grundlagen während der Entwicklung.

• Querschnittsstudien haben gezeigt, dass die Fähigkeit, sich an kontextbezogene Details früherer Erfahrungen zu erinnern (d. h. das Quellengedächtnis), mit der Entwicklung des Hippocampus in der Kindheit zusammenhängt.

Es ist unbekannt, ob funktionelle Veränderungen des Hippocampus Verbesserungen des Gedächtnisses vorausgehen oder umgekehrt. Mithilfe eines beschleunigten Längsschnittdesigns fanden wir heraus, dass frühe Veränderungen des Quellgedächtnisses spätere intrinsische funktionelle Konnektivität des Hippocampus vorhersagten und dass diese Konnektivität spätere Veränderungen des Quellgedächtnisses vorhersagte.

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Verhaltenserfahrungen und die Entwicklung des Gehirns interaktive, bidirektionale Prozesse sind, bei denen die Erfahrungen künftige Veränderungen im Gehirn beeinflussen und das Gehirn künftige Verhaltensänderungen. Darüber hinaus variierten diese Wechselwirkungen in Abhängigkeit vom Alter und der Hirnregion der Kinder, was die Bedeutung einer entwicklungsbezogenen Perspektive bei der Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Gehirn und Verhalten unterstreicht.

Quellen

• Neurons detect cognitive boundaries to structure episodic memories in humans. Zheng J. et al. IN: Nature Neuroscience. March 7, 2022.
• How Behavior Shapes the Brain and the Brain Shapes Behavior: Insights from Memory Development. Fengji Geng, Morgan Botdorf and Tracy Riggins. Journal of Neuroscience 3 February, 41 (5) 2021

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