Gedächtnis und Konsolidierung: Wie Erinnerungen sich festigen

Auf einen Blick

• Synaptische Konsolidierung umfasst Veränderungen an den Kontaktstellen zwischen Nervenzellen. Rezeptoren, Signalproteine und die Gestalt dendritischer Dornen sind daran beteiligt. [2] [3]
• Systemkonsolidierung beschreibt die zeitliche Veränderung der Zusammenarbeit mehrerer Hirnregionen, besonders von Hippocampus und Neocortex (entwicklungsgeschichtlich jüngerer Großhirnrinde). [1]
• Reaktivierung bedeutet, dass Bestandteile eines zuvor entstandenen Aktivitätsmusters später erneut auftreten. Solche Vorgänge werden im Wachzustand und im Schlaf untersucht. [4] [5]
• Der spätere Gedächtnistest macht sichtbar, welche Information über einen festgelegten Zeitraum verfügbar bleibt. Aufgabe, Zeitabstand und Art des Abrufs gehören zum Ergebnis. [7] [8]

Von Sekunden bis zu längeren Zeiträumen

Beim ersten Kennenlernen einer Person treffen Gesicht, Name, Stimme und Situation zusammen. Enkodierung bezeichnet die Verarbeitung beim Aufnehmen dieser Information. Konsolidierung umfasst die anschließende Stabilisierung und Umorganisation. Beim Abruf wird Information für eine aktuelle Frage verfügbar: etwa der Name zur wiedererkannten Person. Diese Begriffe unterscheiden Funktionen; im Alltag greifen die Vorgänge ineinander. [1]

Ein zeitlicher Verlauf lässt sich auf mehreren Ebenen untersuchen. An einem Zellkontakt können sich Rezeptoreigenschaften innerhalb kurzer Zeit ändern. Für länger anhaltende Anpassungen werden Proteine gebildet und Zellstrukturen umgebaut. Auf Netzwerkebene verändert sich, wie hippocampale und kortikale Beiträge gemeinsam einen späteren Abruf tragen. Dauer und Verlauf hängen unter anderem vom Gedächtnisinhalt und vom vorhandenen Vorwissen ab. [1] [3]

Die Synapse als veränderlicher Kontakt

Ein Axon (Nervenfortsatz zur Signalweiterleitung) bildet Endigungen an anderen Zellen. An einer glutamatergen Synapse setzt die präsynaptische Endigung Glutamat frei. Auf der empfangenden Seite liegen Rezeptoren in einer spezialisierten Membranregion. Viele solcher Kontakte sitzen auf Spinae dendriticae (dendritischen Dornen), kleinen Ausstülpungen der Dendriten. [2] [3]

Synaptische Stärke beschreibt, wie kräftig ein Kontakt auf eine definierte Aktivierung antwortet. Eine anhaltende Zunahme dieser Antwort heißt Langzeitpotenzierung, englisch long-term potentiation oder LTP. Eine anhaltende Abnahme heißt Langzeitdepression, LTD. Beide Begriffe werden anhand messbarer Antworten nach einer bestimmten Aktivierungsfolge verwendet. [2]

AMPA- und NMDA-Rezeptoren: Aktivität trifft auf Membranspannung

Die eigene Tafel zeigt eine gut untersuchte, NMDA-abhängige Form der Potenzierung an einer erregenden Synapse. Glutamat aktiviert AMPA-Rezeptoren. Der Ionenstrom durch diese Kanäle kann die postsynaptische Membran depolarisieren: Das elektrische Potenzial wird weniger negativ. In der Zeichnung ist der Einstrom von Natriumionen hervorgehoben. [2]

NMDA-Rezeptoren benötigen Glutamat und einen Koagonisten, Glycin oder D-Serin. Bei einer stark negativen Membranspannung behindert Magnesium den Strom durch den Kanal. Ausreichende Depolarisation erleichtert das Verlassen dieses Blocks; Calcium kann durch aktivierte NMDA-Rezeptoren in den dendritischen Dorn gelangen. Ligandenbindung und elektrische Situation wirken hier zusammen. [2] [9]

AMPA und NMDA bezeichnen die namensgebenden experimentellen Aktivatoren dieser Rezeptorfamilien. Im dargestellten natürlichen Signalweg ist Glutamat der Transmitter. Für das Verständnis der Abbildung ist die räumliche Zuordnung hilfreich: Freisetzung oben, synaptischer Spalt dazwischen und empfangende Zellmembran mit den Kanälen unten. [2] [9]

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Vom Calciumsignal zur veränderten Antwort

Calcium aktiviert im Zellinneren Signalproteine. Dazu gehört die Calcium/Calmodulin-abhängige Proteinkinase II, kurz CaMKII. Proteinkinasen übertragen Phosphatgruppen auf Zielproteine und verändern damit deren Eigenschaften. Bei der abgebildeten Potenzierung können AMPA-Rezeptoren in ihrer Funktion beeinflusst und zusätzliche Rezeptoren in die postsynaptische Membran eingebaut werden. Auf dieselbe Glutamatfreisetzung kann anschließend eine größere Antwort folgen. [2]

Länger anhaltende Veränderungen beziehen die Herstellung von Proteinen und die Organisation des Zellgerüsts ein. Größe und Form dendritischer Dornen, Rezeptorverankerung und Kontaktflächen können sich verändern. Die strukturelle Forschung verfolgt, wie solche Anpassungen mit anhaltender synaptischer Funktion zusammenhängen. [3]

Die Zeichnung lässt sich in drei Schritten lesen: Zuerst erreicht Glutamat die Rezeptoren. Dann öffnet die passende Kombination aus Bindung und Depolarisation den Weg für Calcium. Schließlich beeinflussen intrazelluläre Signale die spätere Rezeptorantwort. So wird ein vorausgegangenes Aktivitätsmuster Teil der künftigen Übertragungseigenschaften dieses Kontakts. [2] [9]

Hippocampus und Neocortex (Großhirnrinde) arbeiten zusammen

Für neue deklarative Erinnerungen sind die Formatio hippocampi (Hippocampusformation) und verbundene Regionen im medialen Temporallappen (Schläfenlappen) besonders wichtig. Deklarativ bezeichnet hier Inhalte, die sich bewusst wiedergeben lassen, etwa Ereignisse und Fakten. Die verarbeiteten Bestandteile einer Erfahrung beziehen zugleich weit verteilte kortikale Netzwerke ein. [1]

Modelle der Systemkonsolidierung beschreiben, wie wiederholte gemeinsame Aktivierung diese Verbindungen verändert. Vorwissen kann neuen Inhalt an bereits vorhandene Zusammenhänge anbinden. Bei länger zurückliegenden Erinnerungen unterscheiden die Modelle unter anderem zwischen verallgemeinertem Wissen und lebhaften, detailreichen Ereigniserinnerungen. Der hippocampale Beitrag wird deshalb zusammen mit Inhalt und Abrufanforderung betrachtet. [1]

Als räumlicher Einstieg eignet sich das Kapitel zur Hippocampusformation. Es verfolgt die Verbindungen von der entorhinalen Rinde über Gyrus dentatus (gezähnte Windung) und die CA-Felder zum Subiculum. Das neue Zellbild zoomt anschließend bis in eine einzelne Kontaktstelle hinein.

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Erneute Aktivität während Schlaf und Wachsein

Bei drei Ratten zeichneten Wilson und McNaughton Aktivität hippocampaler Zellverbände auf. Nach räumlichem Verhalten trat im anschließenden Tiefschlaf ein Teil der zuvor beobachteten gemeinsamen Aktivität erneut auf. Der Versuch lieferte einen frühen experimentellen Zugang zu Reaktivierung auf der Ebene gleichzeitig abgeleiteter Nervenzellen. [4]

Beim Menschen untersuchten Staresina und Kollegen gelernte Objekt-Szenen-Verbindungen mit funktioneller Magnetresonanztomografie, kurz fMRT. Während einer anschließenden zweiminütigen Aufgabe mit Zahlen erfassten sie wiederkehrende Aktivitätsmuster. Stärkere Reaktivierung in entorhinaler und retrosplenialer Rinde hing mit besserem späterem Erinnern zusammen. Gemessen wurde damit ein Zusammenhang zwischen Musterwiederkehr und Gedächtnisleistung. [5]

Eine andere Versuchsanordnung nutzte einen Geruch beim Lernen einer räumlichen Aufgabe. Derselbe Geruch wurde später während des Tiefschlafs erneut dargeboten. Unter diesen Bedingungen verbesserten sich spätere deklarative Erinnerungen. Die zeitlich kontrollierte Darbietung zeigt, wie sich eine spezifische Reaktivierungsfrage im Schlaf experimentell prüfen lässt. [6]

Was Lernpausen und späterer Abruf untersuchen

Nach gehörten Geschichten verglich Dewars Arbeitsgruppe zehn Minuten ruhiges Wachsein mit einer visuellen Suchaufgabe. Nach der ruhigen Phase erinnerten die Teilnehmenden mehr Inhalt; in den untersuchten Bedingungen war ein Vorteil auch nach sieben Tagen messbar. Ruhe und zusätzliche Beschäftigung wurden hier unmittelbar nach derselben Lernaufgabe verglichen. [7]

Ein Lernplan kann Aufnahme, Pause und späteren Abruf getrennt vorsehen. Nach einem überschaubaren Abschnitt lässt sich kurz innehalten. Zu einem späteren Zeitpunkt folgt eine konkrete Frage: Welche drei Zusammenhänge kann ich noch erklären? Anschließend wird die Erklärung mit der Vorlage abgeglichen. So wird erkennbar, welche Teile verfügbar sind und welche erneut Aufmerksamkeit brauchen.

Wiederholter Abruf hat in Vokabelexperimenten die spätere Erinnerung deutlich unterstützt. Für die praktische Gestaltung kannst du eine Frage zu einem gerade gelernten Inhalt aufschreiben und sie später aus dem Kopf beantworten. Der gemeinsame Bezugspunkt ist ein prüfbarer Inhalt: die selbst gegebene Antwort nach einem festgelegten Abstand. [8]

Medizinische Begriffe zum Nachschlagen

• Spina dendritica: dendritischer Dorn; kleine Ausstülpung mit häufig erregender synaptischer Kontaktstelle.
• Postsynaptisch: auf der empfangenden Seite eines Zellkontakts.
• Depolarisation: Verschiebung des Membranpotenzials zu weniger negativen Werten.
• Formatio hippocampi: Hippocampusformation im medialen Schläfenlappen mit eng verbundenen Teilgebieten.
• Neocortex: entwicklungsgeschichtlich jüngerer, typischerweise sechsschichtiger Anteil der Großhirnrinde.
• Reaktivierung: erneutes Auftreten zuvor beteiligter Aktivitätsmuster.
• Systemkonsolidierung: längerfristige Veränderung des Zusammenwirkens von Hirnregionen beim Erinnern.

Die Ebenen miteinander verbinden

Nervenzellen und Synapsen erklären den Kontaktaufbau. Die Hippocampusformation ordnet die beteiligten Regionen räumlich ein. Adenosin vertieft die Verbindung zwischen Zellaktivität und Schlafregulation.

Synapsen im schnellen Wechsel vertieft Restcalcium, Synaptotagmin-7, Vesikelbereitstellung und das Zusammenspiel von Fazilitation und Depression.