Studie untersucht Aktivität von unterschiedlichen Interneuron-Populationen im Hippocampus einer Maus während der Konsolidierung von Gedächtnisinhalten.

4. Mai 2023 Feature

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Von Ingrid Fadelli, Medical Xpress

Der Hippocampus ist eine Schlüsselregion im Gehirn von Säugetieren, die an der Bildung episodischer Erinnerungen beteiligt ist. Dabei handelt es sich um langfristige Erinnerungen an Ereignisse oder Erfahrungen, die bewusst erinnert und geistig wiedererlebt werden können, wie z. B. Erinnerungen an eine besonders unvergessliche Geburtstagsfeier, einen Urlaub und so weiter.

Grundsätzlich unterstützt der Hippocampus die „Umwandlung“ unserer Lebenserfahrungen in episodische Erinnerungen, die wir uns lange bewusst zurückrufen können. Frühere neurowissenschaftliche Studien haben gezeigt, dass dieser Prozess der Gedächtniskonsolidierung sowie die Fähigkeit, aus vergangenen Erfahrungen zu lernen, durch die Erzeugung elektrophysiologischer Oszillationen im Hippocampus, bekannt als scharfe Wellenrippel (SWR), beeinflusst wird.

Forscher der Columbia University haben kürzlich untersucht, wie spezifische Populationen von Interneuronen (d. H. Lokale Neuronen, die in der Regel erregende pyramidenförmige Neuronen in kortikalen Strukturen hemmen) die Gedächtniskonsolidierung und das Lernen regulieren, während Tiere aktiv an Aktivitäten beteiligt sind. Ihre Arbeit, veröffentlicht in Nature Neuroscience, charakterisiert die Aktivität von Interneuronen in zwei Regionen des Hippocampus, während Mäuse ihre Umgebung erkunden und ihr Gehirn neue Erinnerungen bildet.

„Nachdem Erinnerungen gebildet wurden, müssen sie konsolidiert werden, sonst verschwinden sie“, sagte Tristan Geiller, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, zu Medical Xpress. „Es gibt überwältigende Beweise dafür, dass die Gedächtniskonsolidierung während Ereignissen stattfindet, die Hunderte von Millisekunden lang sind und als SWR bezeichnet werden. Eine der größten und langlebigsten Fragen in unserem Bereich betrifft die Identifizierung dessen, was diese SWR-Ereignisse auslöst. Über die Jahre hinweg wurden hemmende Interneuronen als ein wichtiger Schaltungselement zur Unterstützung der Erzeugung von SWR vorgestellt, aber es ist berüchtigt schwierig, die Aktivität dieser Zellen bei wachen verhaltenden Tieren experimentell aufzuzeichnen und diese Hypothese zu testen.“

Während andere Forscherteams in der Vergangenheit die Aktivität von Interneuronen untersucht haben, konzentrierten sich die meisten ihrer Bemühungen auf anästhesierte Nagetiere oder verwendeten schlecht durchgeführte Techniken bei sich bewegenden Nagetieren. In ihren jüngsten Experimenten untersuchten Geiller und seine Kollegen die Aktivität von Interneuronen in den CA3- und CA2-Regionen des Mäusehippocampus, während sich die Tiere wach bewegten und verwendeten dabei eine neue Methode, die in ihrer früheren Arbeit vorgestellt wurde.

Es gibt verschiedene Arten von Interneuronen im Gehirn, die jeweils durch unterschiedliche Formen, Aktivitätsmuster und molekulare Signaturen gekennzeichnet sind. Neben der Erkundung des möglichen Zusammenhangs zwischen Interneuronenaktivität und SWR-Ereignissen muss die Neurowissenschaftscommunity daher auch herausfinden, ob bestimmte Interneuronentypen stärker an diesem Gedächtniskonsolidierungsprozess beteiligt sind als andere.

„Vor einigen Jahren haben ein Kollege und ich eine Methode entwickelt, um die Aktivität großer Populationen von Interneuronen aufzuzeichnen, was in der Vergangenheit berüchtigt schwierig war, aber auch um die Interneuronenklasse, die wir aufgezeichnet haben, molekular zu identifizieren“, erklärte Geiller. „Dies ist ein zweistufiger Ansatz, der auf einer unkonventionellen Art der Fluoreszenzmikroskopie und der immunhistochemischen Markierung basiert.“

In ihren Experimenten trainierten Geiller und seine Kollegen im Wesentlichen erwachsene Mäuse, um eine räumliche Lernaufgabe auszuführen, bei der zuvor herausgefunden wurde, dass sie Aktivität im Hippocampus hervorruft und die Gedächtniskonsolidierung anregt. Während die Mäuse diese Aufgabe durchführten, untersuchten sie die Aktivität von Interneuronen in den CA3- und CA2-Hippocampusregionen mit ihrer kürzlich entwickelten mikroskopiebasierten Methode.

Diese Methode ermöglichte es den Forschern, die Aktivität und Reaktionen verschiedener Subtypen von Interneuronen zu charakterisieren, während die Mäuse neue Erinnerungen bildeten und SWRs in ihrem Gehirn generiert wurden. Sie fanden beispielsweise heraus, dass Interneuronen, die das Protein Cholecystokinin exprimieren, weniger aktiv waren, bevor die SWRs stattfanden, während Interneuronen, die das Protein Parvalbumin exprimieren, nach SWR-Oszillationen sehr aktiv waren.

„Kürzlich wurde gezeigt, dass nicht nur SWR für die Gedächtniskonsolidierung wichtig sind, sondern auch die Dauer von SWR vorhersagen kann, wie gut ein Tier sich erinnert oder besser gesagt, wie schnell ein Tier lernt“, sagte Geiller.

'Our paper suggests that the activity of cholecystokinin (CCK)-expressing interneurons (a class of interneurons) in the CA3 region of the hippocampus (where SWR are thought to originate) decreases just before SWR events, and that the magnitude of this decrease is associated with how long the SWR will be. Similarly, we found that parvalbumin (PV)-expressing basket interneurons activity is associated with the termination of SWR events, and reflective of how long the SWR was.'

The recent work by this team of researchers sheds new light on the activity of specific types of interneurons in the hippocampus before, during and after the generation of SWRs, thus contributing to the understanding of memory consolidation and learning processes. In the future, it could pave the way for further studies looking at how distinct interneuron populations influence and regulate learning related SWRs.

'In our next studies we plan to leverage the genetic specificity of these interneuron classes and to manipulate them in a temporally controlled manner with optogenetics,' Geiller added.

'We want to test whether we can artificially increase the duration of SWR events and consequently improve learning in mice. However, we know that CCK and PV interneurons are only one element of the circuit mediating SWR generation. Previous work has also implicated neuromodulation and other subcortical nuclei with this process, so it may be a long time until we fully understand the neural underpinnings of memory consolidation.'

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