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 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.
Neuron
Neuron/-/neuron
Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.
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 im Nebennierenmark und in Zellen des Locus coeruleus produziert und wirkt meist anregend. Noradrenalin wird oft mit Stress in Verbindung gebracht.
Neuron
Neuron/-/neuron
Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.
Langzeitpotenzierung
Langzeitpotenzierung/-/long-term potention
Die Langzeitpotenzierung ist die zelluläre Grundlage für Lernen und Gedächnisbildung. 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.
Synapse
Synapse/-/synapse
Eine Synapse ist eine Verbindung zwischen zwei Neuronen und dient deren Kommunikation. Sie besteht aus einem präsynaptischen Bereich – dem Endknöpfchen des Senderneurons – und einem postsynaptischen Bereich – dem Bereich des Empfängerneurons mit seinen Rezeptoren. Dazwischen liegt der sogenannte synaptische Spalt.
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 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 beschreibt die Fähigkeit von Synapsen, Nervenzellen und ganzen Hirnarealen, sich abhängig vom Grad ihrer Nutzung zu verändern. Mit synaptischer Plastizität ist die Eigenschaft von Synapsen gemeint, ihre Erregbarkeit auf die Intensität der Reize einzustellen, die sie erreichen. Daneben unterliegen auch Größe und Vernetzungsgrad unterschiedlicher Hirnbereiche einem Wandel, der von ihrer jeweiligen Aktivität abhängt. Dieses Phänomen bezeichnen Neurowissenschaftler als corticale Plastizität.
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 Bewusstseinsinhalten 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.
Synapse
Synapse/-/synapse
Eine Synapse ist eine Verbindung zwischen zwei Neuronen und dient deren Kommunikation. Sie besteht aus einem präsynaptischen Bereich – dem Endknöpfchen des Senderneurons – und einem postsynaptischen Bereich – dem Bereich des Empfängerneurons mit seinen Rezeptoren. Dazwischen liegt der sogenannte synaptische Spalt.
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 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.
Gen
Gen/-/gene
Informationseinheit auf der DNA. Den Kernbestandteil eines Gens übersetzen darauf spezialisierte Enzyme in so genannte Ribonukleinsäure (RNA). Während manche Ribonukleinsäuren selbst wichtige Funktionen in der Zelle ausführen, geben andere die Reihenfolge vor, in der die Zelle einzelne Aminosäuren zu einem bestimmten Protein zusammenbauen soll. Das Gen liefert also den Code für dieses Protein. Zusätzlich gehören zu einem Gen noch regulatorische Elemente auf der DNA, die sicherstellen, dass das Gen genau dann abgelesen wird, wenn die Zelle oder der Organismus dessen Produkt auch wirklich benötigen.
Langzeitpotenzierung
Langzeitpotenzierung/-/long-term potention
Die Langzeitpotenzierung ist die zelluläre Grundlage für Lernen und Gedächnisbildung. 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 beschreibt die Fähigkeit von Synapsen, Nervenzellen und ganzen Hirnarealen, sich abhängig vom Grad ihrer Nutzung zu verändern. Mit synaptischer Plastizität ist die Eigenschaft von Synapsen gemeint, ihre Erregbarkeit auf die Intensität der Reize einzustellen, die sie erreichen. Daneben unterliegen auch Größe und Vernetzungsgrad unterschiedlicher Hirnbereiche einem Wandel, der von ihrer jeweiligen Aktivität abhängt. Dieses Phänomen bezeichnen Neurowissenschaftler als corticale Plastizität.
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 beschreibt die Fähigkeit von Synapsen, Nervenzellen und ganzen Hirnarealen, sich abhängig vom Grad ihrer Nutzung zu verändern. Mit synaptischer Plastizität ist die Eigenschaft von Synapsen gemeint, ihre Erregbarkeit auf die Intensität der Reize einzustellen, die sie erreichen. Daneben unterliegen auch Größe und Vernetzungsgrad unterschiedlicher Hirnbereiche einem Wandel, der von ihrer jeweiligen Aktivität abhängt. Dieses Phänomen bezeichnen Neurowissenschaftler als corticale Plastizität.
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.
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 Bewusstseinsinhalten 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
Ventrales tegmentales Areal
Ventrales tegmentales Areal/Area tegmentalis ventralis7ventral tegmental area
Gelegen im Mittelhirn, dem obersten Abschnitt des Hirnstamms, liegt das ventrale tegmentale Areal (VTA) – ein zentraler Bestandteil des Belohnungssystems. Das Areal selbst ist nicht besonders groß, sein Einfluss jedoch immens: Die Neurone des VTA senden ihre Axone zum Nucleus accumbens und breit gefächert in den präfrontalen Cortex (PFC), wo sie den Neuromodulator Dopamin freisetzen. So verstärken sie Lernprozesse, können aber auch zur Entstehung von Süchten beitragen.
