Bleibende Eindrücke und spitze Wellen

Prof.  Ryuichi Shigemoto in seinem Labor.

KLOSTERNEUBURG. In zwei Publikationen präsentieren Ryuichi Shigemoto, Professor am IST Austria, und sein Team neue Einsichten in die synaptischen Veränderungen, auf denen motorisches Lernen basiert.

Strukturelle Veränderungen im motorischen Lernen

Erinnerungen werden in neuronalen Schaltkreisen durch subzelluläre Ereignisse gebildet, wie etwa Veränderungen in der Informationsübertragung zwischen Neuronen an Synapsen, und der Größe und Anzahl dieser Verbindungen. Eine bestimmte Art der Synapse im Zerebellum, zwischen Parallelfasern und Purkinjezellen (PF-PC), ist Gegenstand der ersten Publikation des Teams, in der es untersucht, wie über mehrere Tage andauernde Erinnerungen im Gehirn implementiert sind. Als Model für motorisches Lernen verwendet das Forscherteam kompensierende Augenbewegungen von Mäusen, die ihnen erlauben, ein Bild zu stabilisieren während sich die Umgebung bewegt. Die ForscherInnen zeigen, dass bei kurzfristigem Lernen die Glutamat-Rezeptoren des AMPA-Typs aus den Synapsen entfernt werden, bei langfristigem Lernen ändert sich darauf folgend auch die Zahl der Synapsen und der Purkinjezell-Dornen. Dabei folgt auf die Entfernung der Rezeptoren die Eliminierung der synaptischen Verbindung. Ryuichi Shigemoto und sein Team zeigen so, dass unterschiedliche strukturelle Veränderungen dem Kurzzeit- und Langzeit-Gedächtnis im motorischen Lernen zugrunde liegen.

Besser erinnern durch Ruheperioden

Eine Eigenheit der Gedächtnisbildung ist das Thema der zweiten Publikation des Forschungsteams. Die Art, in der Information präsentiert wird, beeinflusst auch, ob und wie Erinnerungen gebildet werden und wie lange sie andauern. Zum Beispiel sind Erinnerungen länger und stärker anhaltend, wenn das Lernen durch Ruheperioden unterbrochen wird (spaced, also verteiltes Training) als wenn das Lernen nicht unterbrochen wird (massed, also geballtes Training). Wie subzelluläre Veränderungen mit Erinnerung zusammenhängen und, insbesonders wie verteiltes und geballtes Training diese Veränderungen beeinflussen, ist bis jetzt nicht bekannt. Die ForscherInnen zeigen, dass die Zahl der PF-PC Synapsen sowohl beim verteilten wie auch beim geballten Training reduziert wird. Allerdings unterscheiden sie sich im Zeitraum der Veränderung, welcher auch mit der Kinetik der Erinnerung korreliert.
Beim verteilten Training bildet sich die Langzeit-Erinnerung schneller und hält länger, dementsprechend verändert sich auch die synaptische Struktur schneller und die Modifikation hält länger an. Beim geballtem Training bildet sich die sofortige Erinnerung rasch, verblasst aber auch schnell, die Langzeit-Erinnerung baut sich danach langsam auf und ist nur von kurzer Dauer. In dieser Art des Trainings verändert sich auch die Synapse nur langsam und die Modifikation hält nur kurzfristig an. Das Forscherteam zieht daraus den Schluss, dass die Regulierung der Synapsenzahl und ihre Kinetik den verschiedenen Arten der Gedächtnisbildung beim verteilten und beim geballten Training zugrunde liegt.

Spitze Wellen helfen lernen

Schnelle Schwingungsmuster – genannt Sharp wave/ripple (SWR, 150 - 250Hz) – treten in der Regel im Hippocampus während des Schlafes auf. Lange wurde angenommen, dass diese SWRs an der Festigung von Erinnerung beteiligt sind. In aktuellen Forschungsprojekten wurde die Rolle der SWRs im Wachzustand untersucht. Die Befunde legen nahe, dass die SWRs auch bei der Stärkung der Zellanordnung und der Formung des räumlichen Arbeitsgedächtnisses eine Rolle spielen. Aber lassen sich diese Theorien auch auf Lernprozesse bei Tieren anwenden? In einem heute erscheinenden Übersichtsartikel in den Philosophical Transactions der Royal Society erläutern IST Austria Professor Jozsef Csicsvari und sein Kollege von der University of Oxford, David Dupret, wie die allgemeinen Theorien bezüglich der Funktion der SWRs bei der Erinnerung jene Mechanismen erklären können, die bei Nagern für das räumliche Lernen und damit verbundene Stabilisierung neuer kognitiven Karten im Hippocampus verantwortlich sind.

Autor:

Bezirksblätter Klosterneuburg aus Klosterneuburg

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