Studie deckt eine neue lehrreiche Rolle für den entorhinalen Kortex auf
Eine langjährige Frage in den Neurowissenschaften ist, wie sich Säugetiergehirne (einschließlich unseres) an äußere Umgebungen, Informationen und Erfahrungen anpassen. In einer in Nature veröffentlichten paradigmenwechselnden Studie haben Forscher des Jan and Dan Duncan Neurological Research Institute (Duncan NRI) am Texas Children’s Hospital und am Baylor College of Medicine die mechanistischen Schritte entdeckt, die einer neuen Art von synaptischer Plastizität zugrunde liegen, die als synaptische Plastizität der Verhaltenszeitskala bezeichnet wird (BTSP). Die Studie unter der Leitung von Dr. Jeffrey Magee, Professor am Baylor, der auch Howard Hughes Medical Institute und Duncan NRI-Forscher ist, zeigt, wie der entorhinale Cortex (EC) instruktive Signale an den Hippocampus sendet -; die Gehirnregion, die für die räumliche Navigation, Gedächtniscodierung und -konsolidierung entscheidend ist; und weist es an, den Ort und die Aktivität einer bestimmten Untergruppe seiner Neuronen spezifisch neu zu organisieren, um ein verändertes Verhalten als Reaktion auf seine sich ändernde Umgebung und räumliche Hinweise zu erreichen.
Neuronen kommunizieren miteinander, indem sie elektrische Signale oder Chemikalien über Verbindungen, die Synapsen genannt werden, übertragen. Synaptische Plastizität bezieht sich auf die adaptive Fähigkeit dieser neuronalen Verbindungen, im Laufe der Zeit stärker oder schwächer zu werden, als direkte Reaktion auf Veränderungen in ihrer äußeren Umgebung. Diese adaptive Fähigkeit unserer Neuronen, schnell und genau auf externe Signale zu reagieren, ist entscheidend für unser Überleben und Wachstum und bildet die neurochemische Grundlage für Lernen und Gedächtnis.
Die Gehirnaktivität und das Verhalten eines Tieres passen sich schnell an räumliche Veränderungen an
Um den Mechanismus zu identifizieren, der der Fähigkeit des Säugetiergehirns zum adaptiven Lernen zugrunde liegt, hat Dr. Christine Grienberger, Postdoktorandin im Magee-Labor und Hauptautorin der Studie, die Aktivität einer bestimmten Gruppe von Ortszellen gemessen, bei denen es sich um spezialisierte Hippocampus-Neuronen handelt Erstellen und aktualisieren Sie „Karten“ externer Umgebungen. Sie befestigte ein leistungsstarkes Mikroskop am Gehirn dieser Mäuse und maß die Aktivität dieser Zellen, während die Mäuse auf einem linearen Laufband liefen.
In der Anfangsphase wurden die Mäuse an diesen Versuchsaufbau gewöhnt und die Position der Belohnung (Zuckerwasser) bei jeder Runde verändert. „In dieser Phase liefen die Mäuse kontinuierlich mit der gleichen Geschwindigkeit, während sie die Strecke kontinuierlich leckten. Dies bedeutete, dass die Ortszellen in diesen Mäusen ein einheitliches Kachelmuster bildeten“, sagte Dr. Grienberger, der derzeit Assistenzprofessor an der Brandeis University ist.
In der nächsten Phase befestigte sie die Belohnung zusammen mit einigen visuellen Hinweisen an einer bestimmten Stelle auf der Strecke, um die Mäuse zu orientieren, und maß die Aktivität derselben Gruppe von Neuronen.
Ich habe gesehen, dass die Änderung des Belohnungsortes das Verhalten dieser Tiere verändert hat. Die Mäuse bremsten nun kurz vor der Belohnungsstelle, um das Zuckerwasser zu kosten. Und was noch interessanter ist, diese Verhaltensänderung wurde von einer erhöhten Dichte und Aktivität von Ortszellen um die Belohnungsstelle herum begleitet. Dies weist darauf hin, dass Änderungen der räumlichen Hinweise zu einer adaptiven Reorganisation und Aktivität von Hippocampus-Neuronen führen können.“
Dr. Christine Grienberger, Assistenzprofessorin, Brandeis University
eBook Neurowissenschaften
Zusammenstellung der Top-Interviews, Artikel und Nachrichten des letzten Jahres. Laden Sie noch heute eine Kopie herunter
Dieses experimentelle Paradigma ermöglichte es den Forschern zu untersuchen, wie Änderungen in räumlichen Hinweisen das Gehirn von Säugetieren formen, um adaptive neue Verhaltensweisen hervorzurufen.
Mehr als 70 Jahre lang dominierte die hebbische Theorie, die umgangssprachlich als „Neuronen, die zusammen feuern, miteinander verdrahten“, zusammengefasst wird, die Sichtweise der Neurowissenschaftler, wie Synapsen im Laufe der Zeit stärker oder schwächer werden. Obwohl diese gut untersuchte Theorie die Grundlage für mehrere Fortschritte auf dem Gebiet der Neurowissenschaften bildet, weist sie einige Einschränkungen auf. Im Jahr 2017 entdeckten Forscher im Magee-Labor eine neue und leistungsstarke Art der synaptischen Plastizität – Behavioral Timescale Synaptic Plasticity (BTSP) -, die diese Einschränkungen überwindet und ein Modell bietet, das die Zeitskala unseres Lernens oder Erinnerns an verwandte Ereignisse im wirklichen Leben am besten nachahmt .
Unter Verwendung des neuen experimentellen Paradigmas beobachtete Dr. Grienberger, dass in der zweiten Phase zuvor stille Ortszellneuronen in einer einzigen Runde abrupt große Ortsfelder erlangten, nachdem der Belohnungsort festgelegt worden war. Dieser Befund steht im Einklang mit einer nicht hebbischen Form der synaptischen Plastizität und des Lernens. Zusätzliche Experimente bestätigten, dass die beobachteten adaptiven Veränderungen in den Hippocampuszellen und im Verhalten dieser Mäuse tatsächlich auf BTSP zurückzuführen waren.
Der entorhinale Cortex weist die Hippocampus-Ortszellen an, wie sie auf räumliche Veränderungen reagieren sollen
Aufgrund früherer Studien wusste das Magee-Team, dass BTSP ein instruktives/überwachendes Signal beinhaltet, das nicht unbedingt innerhalb oder neben den aktivierten Zielneuronen (in diesem Fall die Zellen des Hippocampusplatzes) liegt. Um den Ursprung dieses instruktiven Signals zu identifizieren, untersuchten sie die axonalen Projektionen einer nahe gelegenen Gehirnregion namens entorhinaler Kortex (EC), die den Hippocampus innerviert und als Tor zwischen dem Hippocampus und neokortikalen Regionen fungiert, die höhere Exekutive/Entscheidungsfindung kontrollieren Prozesse.
„Wir fanden heraus, dass die gezielte Hemmung einer Untergruppe von EC-Axonen, die die Hippocampus-Neuronen von CA1 innervieren, von denen wir Aufnahmen gemacht haben, die Entwicklung von CA1-Belohnungsüberrepräsentationen im Gehirn verhinderte“, sagte Dr. Magee.
Basierend auf mehreren Untersuchungslinien kamen sie zu dem Schluss, dass der entorhinale Kortex ein relativ unveränderliches Ziel-Instruktionssignal liefert, das den Hippocampus anweist, die Position und Aktivität von Ortszellen neu zu organisieren, was wiederum das Verhalten des Tieres beeinflusst.
„Die Entdeckung, dass ein Teil des Gehirns (entorhinaler Komplex) eine andere Gehirnregion (Hippocampus) anweisen kann, die Position und Aktivität ihrer Neuronen (Ortszellen) zu verändern, ist eine außergewöhnliche Entdeckung in der Neurowissenschaft“, fügte Dr. Magee hinzu. „Es verändert unsere Sichtweise darüber, wie lernabhängige Veränderungen im Gehirn ablaufen, vollständig und offenbart neue Möglichkeiten, die unseren Umgang mit neurologischen und neurodegenerativen Erkrankungen in Zukunft verändern und leiten werden.“
Diese Studie wurde vom Howard Hughes Medical Institute, der Cullen Foundation und dem Jan and Dan Duncan Neurological Research Institute am Texas Children’s Hospital finanziert.
Quelle:
Referenz:
Grienberger, C & Magee, JC, (2022) Entorhinaler Kortex steuert lernbezogene Veränderungen in CA1-Repräsentationen. Natur. doi.org/10.1038/s41586-022-05378-6.
.
