Erinnerungen helfen dem Gehirn, neue Ereignisse zu erkennen, an die es sich zu erinnern lohnt | Quanta-Magazin

Erinnerungen sind Schatten der Vergangenheit, aber auch Taschenlampen für die Zukunft.

Unsere Erinnerungen führen uns durch die Welt, lenken unsere Aufmerksamkeit und prägen das, was wir später im Leben lernen. Studien an Menschen und Tieren haben gezeigt, dass Erinnerungen unsere Wahrnehmung zukünftiger Ereignisse und die Aufmerksamkeit, die wir ihnen schenken, verändern können. „Wir wissen, dass Erfahrungen aus der Vergangenheit Dinge verändern“, sagte er Loren Frank, Neurowissenschaftler an der University of California, San Francisco. „Wie genau das geschieht, ist nicht immer klar.“

Eine neue Studie in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft Fortschritte bietet jetzt einen Teil der Antwort. Bei der Arbeit mit Schnecken untersuchten die Forscher, wie etablierte Erinnerungen die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass die Tiere neue Langzeiterinnerungen an damit verbundene zukünftige Ereignisse bilden, die sie andernfalls möglicherweise ignoriert hätten. Der einfache Mechanismus, den sie entdeckten, bewirkte dies, indem er die Wahrnehmung dieser Ereignisse durch eine Schnecke veränderte.

Die Forscher führten das Phänomen, wie vergangenes Lernen zukünftiges Lernen beeinflusst, „auf eine einzelne Zelle herunter“, sagten sie David Glanzmann, ein Zellbiologe an der University of California, Los Angeles, der nicht an der Studie beteiligt war. Er nannte es ein attraktives Beispiel dafür, „wie man mithilfe eines einfachen Organismus versucht, Verhaltensphänomene zu verstehen, die ziemlich komplex sind“.

Obwohl Schnecken recht einfache Lebewesen sind, bringen die neuen Erkenntnisse Wissenschaftler dem Verständnis der neuronalen Grundlagen des Langzeitgedächtnisses bei Tieren höherer Ordnung wie dem Menschen einen Schritt näher.

Obwohl wir uns der Herausforderung oft nicht bewusst sind, ist die Bildung des Langzeitgedächtnisses „ein unglaublich energiegeladener Prozess“, sagte er Michael Kreuzley, Senior Research Fellow an der University of Sussex und Hauptautor der neuen Studie. Solche Erinnerungen hängen davon ab, dass wir dauerhaftere synaptische Verbindungen zwischen Neuronen herstellen, und Gehirnzellen müssen dafür viele Moleküle rekrutieren. Um Ressourcen zu schonen, muss ein Gehirn daher unterscheiden können, wann es sich lohnt, ein Gedächtnis zu bilden, und wann nicht. Das gilt unabhängig davon, ob es sich um das Gehirn eines Menschen handelt oder um das Gehirn einer „kleinen Schnecke mit einem knappen Energiebudget“, sagte er.

Bei einem kürzlichen Videoanruf hielt Crossley eine solche daumengroße Schnecke hin Lymnaea Molluske mit einem Gehirn, das er „schön“ nannte. Während ein menschliches Gehirn über 86 Milliarden Neuronen verfügt, hat das der Schnecke nur 20,000 – aber jedes seiner Neuronen ist zehnmal größer als unseres und für Studien viel besser zugänglich. Diese riesigen Neuronen und ihre gut kartierten Schaltkreise im Gehirn haben die Schnecken zu einem beliebten Thema für die neurobiologische Forschung gemacht.

Die winzigen Sammler seien auch „bemerkenswerte Lerner“, die sich nach einmaligem Kontakt an etwas erinnern könnten, sagte Crossley. In der neuen Studie blickten die Forscher tief in die Gehirne der Schnecken, um herauszufinden, was auf der neurologischen Ebene passierte, als sie Erinnerungen sammelten.

Erinnerungen wecken

In ihren Experimenten gaben die Forscher den Schnecken zwei Trainingsformen: stark und schwach. Während des starken Trainings besprühten sie die Schnecken zunächst mit Wasser mit Bananengeschmack, dessen Wirkung von den Schnecken als neutral angesehen wurde: Sie schluckten etwas davon, spuckten es dann aber wieder aus. Dann gab das Team den Schnecken Zucker, den sie gierig verschlangen.

Als sie die Schnecken einen Tag später erneut testeten, zeigten die Schnecken, dass sie aus dieser einzigen Erfahrung gelernt hatten, den Bananengeschmack mit dem Zucker in Verbindung zu bringen. Die Schnecken schienen den Geschmack als begehrenswerter zu empfinden: Sie waren viel eher bereit, das Wasser zu schlucken.

Im Gegensatz dazu lernten die Schnecken diese positive Assoziation nicht durch eine schwache Trainingseinheit, bei der auf ein mit Kokosnuss aromatisiertes Bad ein viel stärker verdünnter Zuckergenuss folgte. Die Schnecken schluckten und spuckten weiterhin Wasser aus.

Bisher war das Experiment im Wesentlichen eine Schneckenversion von Pawlows berühmten Konditionierungsexperimenten, bei denen Hunde lernten zu sabbern, wenn sie den Klang einer Glocke hörten. Doch dann untersuchten die Wissenschaftler, was passierte, als sie den Schnecken ein starkes Training mit Bananenaroma gaben, gefolgt von einem schwachen Training mit Kokosnussaroma, das Stunden später folgte. Plötzlich lernten auch die Schnecken aus dem schwachen Training.

Als die Forscher die Reihenfolge änderten und zuerst das schwache Training durchführten, gelang es erneut nicht, eine Erinnerung zu vermitteln. Die Schnecken bildeten noch immer eine Erinnerung an das starke Training, aber das hatte keine rückwirkende stärkende Wirkung auf das frühere Erlebnis. Auch der Austausch der Geschmacksrichtungen in den starken und schwachen Trainings hatte keinen Effekt.

Die Wissenschaftler kamen zu dem Schluss, dass das starke Training die Schnecken in eine „lernreiche“ Phase versetzte, in der die Schwelle für die Gedächtnisbildung niedriger war und es ihnen ermöglichte, Dinge zu lernen, die sie sonst nicht hätten lernen können (z. B. die schwache Trainingsassoziation zwischen einer Geschmacksrichtung und...). Zucker verdünnen). Ein solcher Mechanismus könnte dem Gehirn dabei helfen, Ressourcen zum richtigen Zeitpunkt auf das Lernen zu lenken. Futter könnte die Aufmerksamkeit der Schnecken auf potenzielle Nahrungsquellen in der Nähe erhöhen; Berührungen mit Gefahren könnten ihre Sensibilität für Bedrohungen schärfen.

Die Wirkung auf die Schnecken war jedoch nur vorübergehend. Die lernreiche Phase hielt nach dem starken Training nur 30 Minuten bis vier Stunden an. Danach bildeten die Schnecken während der schwachen Trainingseinheit keine Langzeiterinnerungen mehr, und das lag nicht daran, dass sie ihr starkes Training vergessen hatten – die Erinnerung daran blieb monatelang bestehen.

Ein kritisches Fenster für verbessertes Lernen ist sinnvoll, denn wenn der Prozess nicht abgeschaltet würde, „könnte das schädlich für das Tier sein“, sagte Crossley. Das Tier könnte dann nicht nur zu viele Ressourcen in das Lernen investieren, sondern es könnte auch Assoziationen erlernen, die für sein Überleben schädlich sind.

Veränderte Wahrnehmungen

Durch Sonden mit Elektroden fanden die Forscher heraus, was im Gehirn einer Schnecke passiert, wenn sie aus den Trainings Langzeitgedächtnisse bildet. Es treten zwei parallele Veränderungen der Gehirnaktivität auf. Der erste kodiert den Speicher selbst. Beim zweiten geht es „einzig und allein darum, die Wahrnehmung anderer Ereignisse durch das Tier zu verändern“, sagte Crossley. Es „verändert die Art und Weise, wie es die Welt aufgrund seiner vergangenen Erfahrungen sieht.“

Sie fanden auch heraus, dass sie die gleiche Veränderung in der Wahrnehmung der Schnecken herbeiführen konnten, indem sie die Wirkung von Dopamin blockierten, der Gehirnchemikalie, die von dem Neuron produziert wird, das das Spuckverhalten aktiviert. Tatsächlich schaltete das das Neuron zum Spucken aus und ließ das Neuron zum Schlucken ständig eingeschaltet. Die Erfahrung hatte den gleichen Übertragungseffekt wie starkes Training in den vorherigen Experimenten: Stunden später bildeten die Schnecken ein Langzeitgedächtnis des schwachen Trainings.

Die Forscher skizzieren den Prozess gründlich und elegant vom „Verhalten bis zu den elektrophysiologischen Grundlagen dieser Interaktion zwischen vergangenen und neuen Erinnerungen“, sagten sie Pedro Jacob, ein Postdoktorand an der Universität Oxford, der nicht an der Studie beteiligt war. „Das Wissen darüber, wie mechanistisch dies geschieht, ist interessant, da es wahrscheinlich artenübergreifend konserviert ist.“

Frank ist jedoch nicht ganz davon überzeugt, dass das Versäumnis der Schnecken, aromatisiertes Wasser nach dem schwachen Training zu sich zu nehmen, bedeutet, dass sie keine Erinnerung daran hatten. Man könne ein Gedächtnis haben, aber nicht danach handeln, sagte er, daher seien für diese Unterscheidung möglicherweise Folgeexperimente erforderlich.

Die Mechanismen hinter Lernen und Gedächtnis seien bei Weichtieren und Säugetieren wie dem Menschen überraschend ähnlich, sagte Glanzman. Soweit den Autoren bekannt sei, sei dieser genaue Mechanismus beim Menschen nicht nachgewiesen worden, sagte Crossley. „Es handelt sich möglicherweise um ein weitgehend konserviertes Merkmal, das daher weitere Aufmerksamkeit verdient“, sagte er.

Es wäre interessant zu untersuchen, ob eine Veränderung der Wahrnehmung dauerhafter gemacht werden könnte, sagte Glanzman. Er vermutet, dass dies möglich sein könnte, wenn den Schnecken ein aversiver Reiz gegeben wird, also etwas, das sie krank macht, statt etwas, das sie mögen.

Crossley und sein Team sind vorerst neugierig, was im Gehirn dieser Schnecken passiert, wenn sie mehrere Verhaltensweisen ausführen und nicht nur ihren Mund öffnen oder schließen. „Das sind ziemlich faszinierende Kreaturen“, sagte Crossley. „Man erwartet nicht wirklich, dass diese Tiere in der Lage sind, solch komplexe Prozesse durchzuführen.“

Anmerkung des Herausgebers: Loren Frank ist Forscher bei der Autism Research Initiative (SFARI) der Simons Foundation. Auch die Simons Foundation finanziert Wie viel als redaktionell unabhängiges Magazin. Förderentscheidungen haben keinen Einfluss auf unsere Absicherung.