Studie zur Gedächtnisbildung: Erinnerungen beim Entstehen beobachten

Bislang weiß die Wissenschaft immer noch nicht genau, wie unser Gehirn Erinnerungen abspeichert. Um diese Prozesse auf molekularer Ebene zu ergründen, setzt sie daher auf Modellorganismen wie Fruchtfliegen. Auch Forscher der TUK nutzen die Fliegen.

Nun haben sie ein Verfahren entwickelt, um Langzeiterinnerungen im Gehirn von Fruchtfliegen zu beobachten und zu verändern.

„Erkenntnisse über prinzipielle Funktionsweisen von Gedächtnissen aus dem einfacheren Hirn der Fruchtfliegen können uns helfen, Gedächtnisvorgänge beim Menschen besser zu verstehen“, erläutert Professor Dr. Jan Pielage, der die Abteilung für Neurobiologie und Zoologie an der TUK leitet.

Für die Forschung stellt es immer noch eine große Herausforderung dar, zelluläre Mechanismen zu beobachten, die zur Bildung von Langzeiterinnerungen im Gehirn von Fruchtfliegen führen.

„Dies liegt vor allem daran, dass es bisher nicht möglich war, die Neuronen, die ein einzelnes spezifisches Langzeitgedächtnis enthalten, auf genetischer Ebene zu identifizieren“, so der Kaiserslauterer Biologe.

Um dieses Problem zu lösen, hat Professor Pielage zusammen mit Dominique Siegenthaler, Benjamin Escribano und Vanessa Bräuler ein genetisches Werkzeug entwickelt, das bei der Erzeugung von Erinnerungen in Neuronen angeschaltet wird. Dabei handelt es sich um eine kurze DNA-Sequenz. Die Forscher haben es „CRE-activity dependent memory engram label“ getauft, kurz CAMEL.

Den Namen hat es, da es die DNA-Bindungsstelle des sogenannten CRE-Bindungsproteins CREB2 nutzt. „Dieses Protein ist für die Bildung von Langzeiterinnerungen unerlässlich“, erläutert der Professor. „CAMEL wird nur angeschaltet, wenn diese Bindungsproteine an die CRE-Elemente in der DNA-Sequenz binden, sodass ausschließlich Neuronen markiert werden, die an der Bildung einer Erinnerung beteiligt sind.“

Auf diese Weise ist es den Forschern nun erstmals gelungen, Neuronen gezielt genetisch zu kontrollieren, die in Drosophila Langzeiterinnerungen speichern.

Darüber hinaus ist es mit diesem neuen molekulargenetischen Verfahren möglich, die Aktivität von Gedächtnisneuronen an- oder ausschalten. „Damit haben wir genetischen Zugang zu diesen Neuronen“, sagt Pielage. Die Wissenschaftler können die zellulären und molekularen Veränderungen gezielt untersuchen, die während der Bildung von Langzeiterinnerungen auftreten.

So hat das Team beispielsweise die Signalübertragung der potenziellen Gedächtnisneuronen gehemmt und anschließend die Auswirkungen auf das Abrufen von Duftgedächtnissen getestet. Die Forscher haben Fliegen derart trainiert, dass sie einen Geruchsstoff mit einem Elektroschock in Verbindung bringen.

„Dabei bilden sie ein negatives Gedächtnis“, sagt er. Nach der Hemmung der Neuronen konnten die Fliegen diese Erinnerung innerhalb der ersten drei Stunden noch abrufen. „Die Bildung von Kurzzeiterinnerungen wird durch das Abschalten dieser Neuronen nicht beeinträchtigt“, fährt er fort.

Im Gegensatz dazu haben sich die Fliegen in den folgenden vier Tagen nicht mehr an die negative Assoziation des Duftstoffes erinnert. „Das entspricht dem Zeitraum, in dem das CRE-Bindeprotein für die Bildung und Aufrechterhaltung von Langzeiterinnerungen wichtig ist“, so der Professor. Sieben Tage nach dem Training, zu einem Zeitpunkt, an dem das Bindeprotein und somit auch das CAMEL-Werkzeug nicht mehr aktiv ist, konnte die Erinnerung wieder abgerufen werden, das heißt, das negative Gedächtnis war wieder vorhanden.

„Die Experimente zeigen, dass die Ausschaltung von CAMEL-Neuronen spezifisch den Abruf von Langzeiterinnerungen stört, nicht aber das Bilden oder Speichern der Erinnerung selbst“, fasst Pielage seine Ergebnisse zusammen.

In einem weiteren Versuch hat die Gruppe untersucht, ob sich Erinnerungen auch künstlich aktivieren lassen. Dazu hat sie das Gedächtnis von Fliegen erneut mit einem Geruchsstoff und einem Elektroschock trainiert. Im Anschluss hat sie ihr genetisches Werkzeug verwendet, um einen Kationen-Kanal in den Gedächtnisneuronen zu bilden. „Dieser aktiviert die markierten Neurone, wenn sie rotem Licht ausgesetzt sind“, erläutert der Professor. Lässt man trainierten Fliegen die Wahl, sich in Bereichen mit oder ohne Rotlicht aufzuhalten, entscheiden sich mehr Fliegen für die dunklen Bereiche.

Die Ergebnisse zeigen, dass das rote Licht die Neuronen aktiviert, die die „schlechte” Erinnerung des zuvor bestraften Duft kodierten. „Die Fliegen haben aktiv den Abruf einer negativen Erinnerung vermieden”, sagt Pielage. „Zusammengenommen sehen wir, dass eine kleine Anzahl von Neuronen ausreichend ist, um Langzeiterinnerungen zu speichern und abzurufen.“

Das Forscherteam möchte in nächsten Versuchen künstliche Erinnerungen erzeugen, um systematisch die zellulären Veränderungen zu identifizieren, die für das Bilden und Speichern von Erinnerungen wichtig sind. „Wir wissen immer noch nicht, was genau in Neuronen passiert, um Langzeiterinnerungen zu bilden oder wie wir Erinnerungen abrufen können”, sagt Pielage.

Prof. Dr. Jan Pielage
Abteilung Zoologie-Neurobiologie
Tel: 0631 205-2426
E-Mail: pielage(at)bio.uni-kl.de

Die Studie „Selective suppression and recall of long-term memories in Drosophila“ ist in der renommierten Fachzeitschrift PLOS Biology erschienen.
DOI: doi.org/10.1371/journal.pbio.3000400