Auf der Suche nach dem Erinnerungsspeicher

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Nummer 72 - Bochum, 03.06.2015

Auf der Suche nach dem Erinnerungsspeicher

Neues Modell zur Gedächtnisbildung im Hippocampus

RUB-Wissenschaftler nutzen Computersimulation

Der Hippocampus spielt eine ganz besondere Rolle bei der Gedächtnisbildung. Doch wie genau die einzelnen Regionen dieser Hirnstruktur bei der Bildung von Erinnerungen beteiligt sind, ist noch unklar. Neurowissenschaftler des Sonderforschungsbereichs 874 und der Mercator Forschergruppe "Strukturen des Gedächtnisses" der RUB haben diesen Prozess nun anhand einer Computersimulation nachempfunden. Die Ergebnisse stellen das bisher etablierte Modell der Gedächtnisformierung im Hippocampus in Frage. Ihre Ergebnisse wurde nun im Journal „PLOS Computational Biology“ veröffentlicht.

Einzigartige Anatomie des Hippocampus

Wie wichtig der Hippocampus für die Gedächtnisbildung ist, wird deutlich, wenn diese Hirnstruktur geschädigt ist: Informationen gelangen nicht mehr in das Langzeitgedächtnis; alles, was länger als ein paar Minuten zurückliegt, wird nicht mehr erinnert. Die außergewöhnliche Anatomie des Hippocampus, von der er auch seinen Namen hat (Hippocampus=Seepferdchen), unterstützt seine Funktionsweise. Man unterscheidet verschiedene Regionen: Am so genannten „Gyrus dentatus“ kommen die Informationen zuerst an. Von hier aus strahlen Nervenzellen in die „Cornu Ammonus“-Region CA3 aus, welche wiederum nach CA1 projiziert. Neurowissenschaftler gehen davon aus, dass die CA3-Region der Speicher für Erinnerungen ist.

Ein Funktionsmodell vollzieht den Weg der Erinnerung

Aus dieser anatomischen Struktur wurde in den vergangenen Jahren ein Funktionsmodell des Hippocampus entwickelt und anhand von Computersimulationen getestet. Der Hippocampus reduziert zunächst die Informationen aus der Großhirnrinde, so dass daraus kleine unverwechselbare Erinnerungsstücke werden. Ein Vorgang, der „pattern separation“ genannt wird. Die Erinnerungsstücke werden dann an die CA3-Region weitergeleitet und abgespeichert. Der CA3-Region wird dabei eine auto-assoziative Funktion zugeschrieben. Das bedeutet, sie ist in der Lage, aus einer Kurznotiz die komplette Information abzuleiten. Dieser Prozess wird in der Fachsprache „pattern completion“ genannt. Die CA1-Region ist anschließend dafür zuständig, die komplette Information zurück an die Großhirnrinde zu übermitteln, wo sie als Erinnerung abgerufen wird.

Hippocampus-Regionen arbeiten anders zusammen, als bisher gedacht

Die RUB-Neurowissenschaftler Torsten Neher, Prof. Dr. Sen Cheng und Prof. Dr. Laurenz Wiskott haben nun anhand verschiedener Computersimulationen berechnet, dass dieses Modell grundsätzlich überdacht werden muss. Mit einem künstlichen neuronalen Netzwerk, das auf einem Ratten-Hippocampus basiert, haben sie getestet, wie das Netzwerk Informationen verarbeitet, wo sie abgespeichert werden und wie sie als Erinnerung wieder abgerufen werden. Ihre Ergebnisse zeigen, dass die CA1-Region vermutlich stärker als bisher gedacht in das Komplettieren von Erinnerungsreizen eingebunden ist. Somit können auch ohne die stark in sich verzweigten Nervenzellen der CA3-Region Erinnerungen dekodiert werden.

Wissenschaftler sind überrascht

Zudem gibt es Erinnerungen, speziell solche, die uns die Orientierung in bekannter Umgebung ermöglichen, die nicht separiert werden. Vielmehr bilden sich in der CA3-Region dazu mentale Karten, die Entfernungen und Relationen abbilden. Eine auto-assoziative Arbeitsweise, die darauf baut, dass Informationen sich gerade nicht ähneln, wäre in diesem Fall sogar hinderlich für den Erinnerungsprozess. „Dass das System so viel effizienter ohne pattern completion in CA3 arbeitet, hat uns doch überrascht. Es stellt schließlich ein seit über 20 Jahren etabliertes Modell zur Diskussion“, so Torsten Neher.

Kapazitäten für andere Aufgaben

Das Computermodell der RUB-Wissenschaftler deutet an, dass ein Großteil der Speicherung und Entschlüsselung von Informationen zwischen Großhirnrinde und CA1 passiert. Das wiederum eröffnet CA3 Kapazitäten für andere wichtige Aufgaben, die es nun zu erforschen gilt. So könnte diese Hippocampus-Region zum Beispiel in der Lage sein, Sequenzen von autobiografischen Erinnerungen abzubilden.

Titelaufnahme

T. Neher, S. Cheng, L. Wiskott (2015) Memory Storage Fidelity in the Hippocampal Circuit: The Role of Subregions and Input Statistics, PLoS Comput Biol 11(5): e1004250, DOI:10.1371/journal.pcbi.1004250

Weitere Informationen

Torsten Neher, Ruhr-Universität Bochum, Fakultät Psychologie, Universitätsstr. 150, 44801 Bochum, Tel. 0234/ 32-29616
SFB 874 torsten.neher@ini.rub.de