Karten aus Nervenzellen

Dr. Thomas Hainmüller und Prof. Dr. Marlene Bartos vom Institut für Physiologie der Universität Freiburg haben ein neues Erklärungsmodell aufgestellt, wie das Gehirn Erinnerungen an konkrete Erlebnisse speichert. Grundlage war ein Experiment, bei dem Mäuse in einer virtuellen Umgebung Orte aufsuchen, an denen sie eine Belohnung erhalten. Das  Fachjournal „Nature“ hat die Studie veröffentlicht.

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Mithilfe eines frei schwebenden Styroporballs bewegt sich die Maus durch die virtuelle Videospielwelt. Quelle: Thomas Hainmüller, Marlene Bartos, Nature

Ein paar Schritte nach vorn, stehenbleiben, umschauen. Die Wände, die in der Videospielwelt einen vier Meter langen Gang bilden, bestehen aus blau und grün gemusterten Quadern, der Boden ist türkisfarben gepunktet. Ein Stück entfernt liegt eine braune Scheibe, die an einen Keks erinnert: das Symbol für einen Belohnungsort. Die Maus steuert darauf zu, erreicht es, das Symbol verschwindet. Prompt erscheint das nächste etwas weiter den Gang entlang. Die Maus ist von Monitoren umgeben und steht auf einem Styroporball, der frei auf Druckluft schwebt und sich unter ihr dreht, wenn sie läuft. So ist es möglich, ihre Bewegungen auf die virtuelle Umgebung zu übertragen. Erreicht sie ein Belohnungssymbol, erhält sie über einen Strohhalm vor ihrer Schnauze einen Tropfen Sojamilch – und damit einen Anreiz, Erinnerungen an ihre Erlebnisse in der virtuellen Welt zu bilden: Sie lernt, wann und an welcher Stelle sie eine Belohnung bekommt und in welchem der unterschiedlichen Gänge der Videospielwelt sie sich gerade befindet.

Gehirn unterm Spezialmikroskop

„Während die Maus ihre Umgebung erkundet, blicken wir mit einem Spezialmikroskop von außen in ihr Gehirn und zeichnen die Aktivität von Nervenzellen auf“, erklärt Thomas Hainmüller, Arzt und Doktorand im MD/PhD-Programm der Spemann Graduiertenschule für Biologie und Medizin (SGBM) der Universität Freiburg. Das funktioniert, weil der Kopf der Maus in Realität ruhig unter dem Mikroskop bleibt, während sie durch die Videospielwelt läuft. Ihre Nervenzellen sind durch genetische Manipulation so verändert, dass sie auf den Videoaufnahmen aufleuchten, sobald sie aktiv sind. Mit dieser Methode untersuchen Hainmüller und Marlene Bartos, Professorin für Systemische und Zelluläre Neurophysiologie, wie Erinnerungen gespeichert und abgerufen werden: „Wir setzen die Mäuse an aufeinanderfolgenden Tagen wiederholt in die virtuelle Welt ein“, sagt Hainmüller. „So können wir die Aktivität der Nervenzellen in verschiedenen Stadien der Gedächtnisbildung beobachten und vergleichen.“

Blick ins Gedächtnis: Die Nervenzellen leuchten in der Videoaufnahme auf, sobald sie aktiviert werden. Quelle: Thomas Hainmüller, Marlene Bartos, Nature

Nervenzellen kodieren Orte

An der Bildung von Gedächtnisepisoden – also Erinnerungen an konkrete Erlebnisse – ist der Hippocampus, eine Gehirnregion, entscheidend beteiligt. Hainmüller und Bartos haben im Fachjournal „Nature“ eine Studie veröffentlicht, in der sie darlegen: Die Nervenzellen im Hippocampus bilden eine Karte der virtuellen Welt, in der einzelne Nervenzellen konkrete Orte im Videospiel kodieren. Frühere Studien am Universitätsklinikum Freiburg zeigten, dass Nervenzellen im Hippocampus bei Menschen solche Videospiele auf die gleiche Art kodieren.  Die Zellen werden aktiviert und leuchten, wenn sich die Maus an dem jeweiligen Ort befindet, bleiben aber ansonsten dunkel. „Zu unserer Überraschung haben wir innerhalb des Hippocampus sehr unterschiedliche Karten gefunden“, berichtet Hainmüller. Sie liefern teilweise eine grobe Übersicht über die Position der Maus in einem Gang, teilweise berücksichtigen sie aber auch die Zeit sowie Kontextfaktoren, vor allem die Information, in welchem der Gänge sich die Maus befindet. Zudem verändern sich die Karten über die Versuchstage hinweg und lassen somit einen Lernprozess erkennen.

Gedächtnisbildung besser verstehen

Die Beobachtungen, so die Bilanz des Forschungsteams, liefern ein Erklärungsmodell dafür, wie Raum, Zeit und Kontext von Gedächtnisepisoden durch die Aktivität von Nervenzellen im Hippocampus abgebildet werden können. Die Erkenntnisse ermöglichen ein besseres Verständnis für die biologischen Vorgänge, die Gedächtnisbildung im Gehirn bewirken, sagt Hainmüller: „Langfristig möchten wir mit unseren Ergebnissen zur Entwicklung medikamentöser Therapien beitragen, die Menschen mit neurologischen und psychiatrischen Krankheiten helfen könnten.“

Nicolas Scherger

Originalveröffentlichung
Thomas Hainmüller and Marlene Bartos (2018): Parallel emergence of stable and dynamic memory engrams in the hippocampus. In: Nature. doi: 10.1038/s41586-018-0191-2

Podcast: Magnetic animal migration, cold enzymes, and mouse memory