Zwei Hirnareale im Wettbewerb
Der Locus coeruleus und das ventrale tegmentale Areal wetteifern um den Einfluss auf die Bildung von Gedächtnisinhalten. Das hat ein Team der Neurowissenschaft mithilfe lichtgesteuerter Nervenzellen gezeigt.
Veröffentlicht: 14.03.2025
Wie zwei Hirnareale die Natur von Gedächtnisinhalten beeinflussen, haben Forschende der Ruhr-Universität Bochum untersucht. Das Team der Abteilung für Neurophysiologie zeigte in Ratten, wie der sogenannte Locus coeruleus und das ventrale tegmentale Areal die Hirnaktivität in der für das Gedächtnis entscheidenden Region Hippocampus nachhaltig verändern. Die Einflüsse der beiden Areale stehen im Wettbewerb miteinander und bestimmen beispielsweise, wie emotionsgeladene oder relevante Erlebnisse abgespeichert werden. Dr. Hardy Hagena und Prof. Dr. Denise Manahan-Vaughan arbeiteten für die Studie mit der Optogenetik. Sie veränderten Ratten gentechnisch so, dass bestimmte Nervenzellen mit Licht aktiviert oder deaktiviert werden konnten. Die Ergebnisse beschreiben sie in der Zeitschrift PNAS, kurz für Proceedings of the National Academy of Sciences, vom 30. Dezember 2024.
Gedächtnis
Gedächtnis/-/memory
Gedächtnis ist ein Oberbegriff für alle Arten von Informationsspeicherung im Organismus. Dazu gehören neben dem reinen Behalten auch die Aufnahme der Information, deren Ordnung und der Abruf.
Hippocampus
Hippocampus/Hippocampus/hippocampual formatio
Der Hippocampus ist der größte Teil des Archicortex und ein Areal im Temporallappen. Er ist zudem ein wichtiger Teil des limbischen Systems. Funktional ist er an Gedächtnisprozessen, aber auch an räumlicher Orientierung und Lernen beteiligt. Er umfasst das Subiculum, den Gyrus dentatus und das Ammonshorn mit seinen vier Feldern CA1-CA4.
Veränderungen in der Struktur des Hippocampus durch Stress werden mit Schmerzchronifizierung in Zusammenhang gebracht. Der Hippocampus spielt auch eine wichtige Rolle bei der Verstärkung von Schmerz durch Angst.
Die Basis des Lernens
Der Locus coeruleus und das ventrale tegmentale Areal schütten Neurotransmitter in den Hippocampus aus, wo Lernvorgänge stattfinden. Bisher war unklar, inwieweit diese Regionen eine Rolle bei der synaptischen Plastizität und damit auch bei Lernvorgängen spielen. Bekannt ist, dass das ventrale tegmentale Areal wichtig für Belohnungs- und Abneigungsreaktionen ist. Der Locus coeruleus hingegen ist entscheidend für die Wahrnehmung neuartiger Reize und steuert so die Aufmerksamkeit.
Neurotransmitter
Neurotransmitter/-/neurotransmitter
Ein Neurotransmitter ist ein chemischer Botenstoff, eine Mittlersubstanz. An den Orten der Zell-Zellkommunikation wird er vom Senderneuron ausgeschüttet und wirkt auf das Empfängerneuron erregend oder hemmend.
Dopamin
Dopamin/-/dopamine
Dopamin ist ein wichtiger Botenstoff des zentralen Nervensystems, der in die Gruppe der Catecholamine gehört. Es spielt eine Rolle bei Motorik, Motivation, Emotion und kognitiven Prozessen. Störungen in der Funktion dieses Transmitters spielen eine Rolle bei vielen Erkrankungen des Gehirns, wie Schizophrenie, Depression, Parkinsonsche Krankheit, oder Substanzabhängigkeit.
Noradrenalin
Noradrenalin/-/noradranalin
Gehört neben Dopamin und Adrenalin zu den Catecholaminen. Es wird in Zellen des Locus coeruleus und im Nebennierenmark produziert und wirkt meist anregend. Noradrenalin wird oft mit Stress in Verbindung gebracht.
Langzeitpotenzierung
Langzeitpotenzierung/-/long-term potention
Die Langzeitpotenzierung ist ein zentraler Mechanismus für Lernen und Gedächtnisbildung. Sie beruht auf einer verbesserten Kommunikation zwischen zwei Zellen, man spricht von einer Stärkung der Verbindung. Diese Stärkung kann z.B. durch eine Vergrößerung der Verbindungsstelle, einen Einbau neuer Kanäle oder einer vermehrten Ausschüttung von Transmittern (Botenstoffen) erfolgen.
Hippocampus
Hippocampus/Hippocampus/hippocampual formatio
Der Hippocampus ist der größte Teil des Archicortex und ein Areal im Temporallappen. Er ist zudem ein wichtiger Teil des limbischen Systems. Funktional ist er an Gedächtnisprozessen, aber auch an räumlicher Orientierung und Lernen beteiligt. Er umfasst das Subiculum, den Gyrus dentatus und das Ammonshorn mit seinen vier Feldern CA1-CA4.
Veränderungen in der Struktur des Hippocampus durch Stress werden mit Schmerzchronifizierung in Zusammenhang gebracht. Der Hippocampus spielt auch eine wichtige Rolle bei der Verstärkung von Schmerz durch Angst.
Plastizität
Plastizität/-/neuroplasticity
Der Begriff Neuroplastizität beschreibt die Fähigkeit von Synapsen, Nervenzellen und ganzen Hirnarealen, sich abhängig vom Grad ihrer Nutzung strukturell und funktionell zu verändern. Unter synaptischer Plastizität versteht man die Anpassung der Signalübertragungsstärke von Synapsen an die Häufigkeit und Intensität der eintreffenden Reize, etwa in Form von Langzeitpotenzierung oder -depression. Darüber hinaus verändern sich auch Größe, Verschaltung und Aktivitätsmuster verschiedener Hirnbereiche in Abhängigkeit von ihrer Nutzung. Dieses Phänomen wird als kortikale Plastizität bezeichnet, wenn es speziell den Cortex betrifft.
Wahrnehmung
Wahrnehmung/Perceptio/perception
Der Begriff beschreibt den komplexen Prozess der Informationsgewinnung und –verarbeitung von Reizen aus der Umwelt sowie von inneren Zuständen eines Lebewesens. Das Gehirn kombiniert die Informationen, die teils bewusst und teils unbewusst wahrgenommen werden, zu einem subjektiv sinnvollen Gesamteindruck. Wenn die Daten, die es von den Sinnesorganen erhält, hierfür nicht ausreichen, ergänzt es diese mit Erfahrungswerten. Dies kann zu Fehlinterpretationen führen und erklärt, warum wir optischen Täuschungen erliegen oder auf Zaubertricks hereinfallen.
Aufmerksamkeit
Aufmerksamkeit/-/attention
Aufmerksamkeit dient uns als Werkzeug, innere und äußere Reize bewusst wahrzunehmen. Dies gelingt uns, indem wir unsere mentalen Ressourcen auf eine begrenzte Anzahl von Reizen bzw. Informationen konzentrieren. Während manche Stimuli automatisch unsere Aufmerksamkeit auf sich ziehen, können wir andere kontrolliert auswählen. Unbewusst verarbeitet das Gehirn immer auch Reize, die gerade nicht im Zentrum unserer Aufmerksamkeit stehen.
Wie die Gedächtnisbildung im Hippocampus beeinflusst wird
Hagena und Manahan-Vaughan zeichneten die Aktivität der Synapsen im Hippocampus von Nagern auf. Die Tiere waren genetisch so verändert, dass die Aktivität bestimmter Zellen des Locus coeruleus und des ventralen tegmentalen Areals mit Licht gehemmt oder angeregt werden konnten. Wurde das ventrale tegmentale Areal aktiviert, führte das im Hippocampus zu einer Langzeitpotenzierung. Bei einer Aktivierung des Locus coeruleus war das Gegenteil der Fall.
Als das Team das ventrale tegmentale Areal in Verhaltensversuchen inaktivierte, wurde die Langzeitpotenzierung im Hippocampus während der Erkundung einer neuen Umgebung unterdrückt. Inaktivierten die Forschenden den Locus coeruleus wurde die Langzeitdepression während der Erkundung von Inhalten der Umgebung gehemmt.
Der Hippocampus kann durch die Langzeitpotenzierung und Langzeitdepression verschiedene Aspekte von räumlicher Information verarbeiten. Die Forschenden identifizierten nun den physiologischen Prozess, wie diese Veränderungen der synaptischen Plastizität gesteuert werden können.
Hippocampus
Hippocampus/Hippocampus/hippocampual formatio
Der Hippocampus ist der größte Teil des Archicortex und ein Areal im Temporallappen. Er ist zudem ein wichtiger Teil des limbischen Systems. Funktional ist er an Gedächtnisprozessen, aber auch an räumlicher Orientierung und Lernen beteiligt. Er umfasst das Subiculum, den Gyrus dentatus und das Ammonshorn mit seinen vier Feldern CA1-CA4.
Veränderungen in der Struktur des Hippocampus durch Stress werden mit Schmerzchronifizierung in Zusammenhang gebracht. Der Hippocampus spielt auch eine wichtige Rolle bei der Verstärkung von Schmerz durch Angst.
Langzeitpotenzierung
Langzeitpotenzierung/-/long-term potention
Die Langzeitpotenzierung ist ein zentraler Mechanismus für Lernen und Gedächtnisbildung. Sie beruht auf einer verbesserten Kommunikation zwischen zwei Zellen, man spricht von einer Stärkung der Verbindung. Diese Stärkung kann z.B. durch eine Vergrößerung der Verbindungsstelle, einen Einbau neuer Kanäle oder einer vermehrten Ausschüttung von Transmittern (Botenstoffen) erfolgen.
Plastizität
Plastizität/-/neuroplasticity
Der Begriff Neuroplastizität beschreibt die Fähigkeit von Synapsen, Nervenzellen und ganzen Hirnarealen, sich abhängig vom Grad ihrer Nutzung strukturell und funktionell zu verändern. Unter synaptischer Plastizität versteht man die Anpassung der Signalübertragungsstärke von Synapsen an die Häufigkeit und Intensität der eintreffenden Reize, etwa in Form von Langzeitpotenzierung oder -depression. Darüber hinaus verändern sich auch Größe, Verschaltung und Aktivitätsmuster verschiedener Hirnbereiche in Abhängigkeit von ihrer Nutzung. Dieses Phänomen wird als kortikale Plastizität bezeichnet, wenn es speziell den Cortex betrifft.
Prozess bestimmt Natur der Gedächtnisinhalte
„Wir waren überrascht, dass die Effekte so spezifisch waren“, resümiert Hardy Hagena. „Die Tatsache, dass die ventrale tegmentale Region und der Locus coeruleus diese beiden unterschiedlichen Arten der synaptischen Plastizität hervorrufen, gibt uns einen Einblick, wie Motivation und Aufmerksamkeit die synaptischen Antworten relativ zu ihrer Relevanz und dem aktuellen Gedächtnisinhalt beeinflussen“.
Plastizität
Plastizität/-/neuroplasticity
Der Begriff Neuroplastizität beschreibt die Fähigkeit von Synapsen, Nervenzellen und ganzen Hirnarealen, sich abhängig vom Grad ihrer Nutzung strukturell und funktionell zu verändern. Unter synaptischer Plastizität versteht man die Anpassung der Signalübertragungsstärke von Synapsen an die Häufigkeit und Intensität der eintreffenden Reize, etwa in Form von Langzeitpotenzierung oder -depression. Darüber hinaus verändern sich auch Größe, Verschaltung und Aktivitätsmuster verschiedener Hirnbereiche in Abhängigkeit von ihrer Nutzung. Dieses Phänomen wird als kortikale Plastizität bezeichnet, wenn es speziell den Cortex betrifft.
Motivation
Motivation/-/motivation
Ein Motiv ist ein Beweggrund. Wird dieser wirksam, spürt das Lebewesen Motivation – es strebt danach, sein Bedürfnis zu befriedigen. Zum Beispiel nach Nahrung, Schutz oder Fortpflanzung. Motivation kann intrinsisch (von innen, z. B. Neugier) oder extrinsisch (von außen, z. B. Belohnung) sein.
Aufmerksamkeit
Aufmerksamkeit/-/attention
Aufmerksamkeit dient uns als Werkzeug, innere und äußere Reize bewusst wahrzunehmen. Dies gelingt uns, indem wir unsere mentalen Ressourcen auf eine begrenzte Anzahl von Reizen bzw. Informationen konzentrieren. Während manche Stimuli automatisch unsere Aufmerksamkeit auf sich ziehen, können wir andere kontrolliert auswählen. Unbewusst verarbeitet das Gehirn immer auch Reize, die gerade nicht im Zentrum unserer Aufmerksamkeit stehen.
Originalpublikation
Hardy Hagena, Denise Manahan-Vaughan: Oppositional and Competitive Instigation of Hippocampal Synaptic Plasticity by the VTA and Locus Coeruleus, in: PNAS, 2024 DOI: 10.1073/pnas.2402356122
