Wir wissen instinktiv, dass unsere Erfahrungen die Art und Weise prägen, wie wir lernen. Wenn wir mit einer bestimmten Aufgabe, wie zum Beispiel dem Kochen, sehr vertraut sind, ist es viel einfacher, ein neues Rezept zu lernen, als es als Anfänger war. Neue Forschungsergebnisse der University of California, Davis, zeigen, dass Erfahrung auch die Art und Weise verändert, wie unsere Neuronen plastisch werden und neue Erinnerungen bilden.
Die Arbeit ist online in der Zeitschrift Neuropsychopharmacology erschienen.
"Unsere Hauptfrage war, wie verändert Erfahrung die Art und Weise, wie das Gehirn lernt?" sagte Brian Wiltgen, außerordentlicher Professor an der UC Davis Abteilung für Psychologie und Zentrum für Neurowissenschaften."Wenn Sie bis auf die Ebene eines Neurons herunterzoomen, verändert die Erfahrung die Art und Weise, wie es plastisch wird?"
Wiltgens Labor verwendet Labormäuse, um die zellulären und molekularen Mechanismen zu verstehen, die dem Lernen und Gedächtnis in einer Gehirnstruktur namens Hippocampus zugrunde liegen. Im Gegensatz zu ihren wilden Verwandten sind Labormäuse sicher vor Fressfeinden, warm, wohlgenährt und gut versorgt, aber sie haben nicht die gleiche Vielf alt an Lebenserfahrung wie eine wilde Maus.
Jahrzehntelange Forschung mit Labornagetieren hat gezeigt, dass ein Protein namens NMDA-Rezeptor, das sich an der Verbindung zwischen Nervenzellen befindet, für die Bildung neuer Erinnerungen unerlässlich ist. Wenn Sie Mäusen eine einfache Aufgabe beibringen, können Sie sie am Lernen hindern, indem Sie ihnen ein Medikament geben, das den NMDA-Rezeptor blockiert.
Die Doktoranden Ana Crestani und Jamie Krueger in Wiltgens Gruppe verwendeten ein einfaches, aber robustes Trainingsverfahren namens "kontextuelle Angstkonditionierung". Die Mäuse wurden in eine neuartige Umgebung gebracht (wo sie noch nie zuvor gewesen waren) und erhielten nach einigen Minuten durch elektrifizierte Gitter auf dem Boden einen leichten Fußschock. Das Gefühl ist ungefähr so, als würde man seine Zunge auf eine Batterie legen. Der Schock schreckte die Mäuse auf und in der Folge lernten sie, sich vor dem neuen Kontext zu fürchten. In Übereinstimmung mit anderen Arbeiten an Labormäusen fanden sie heraus, dass die Tiere am nächsten Tag keine Erinnerung an die Erfahrung zeigten, wenn NMDA-Rezeptoren blockiert waren.
Um zu sehen, ob erfahrene Tiere auf die gleiche Weise lernten, trainierten die Forscher Mäuse, die sich zuvor einer Angstkonditionierung unterzogen hatten, jedoch in einer anderen Umgebung. Wenn diese Tiere in einem neuen Kontext trainiert wurden, konnten sie eine Reaktion entwickeln, selbst wenn NMDA-Rezeptoren blockiert waren.
"Dies deutet darauf hin, dass erfahrene Tiere Erinnerungen mit anderen Plastizitätsmechanismen bilden als naive Subjekte, selbst wenn sie genau dasselbe lernen", sagte Wiltgen. Mit anderen Worten, die Art und Weise, wie unsere Neuronen neue Verbindungen bilden, hängt von ihrer Vorgeschichte ab, einem Phänomen, das als Metaplastizität bezeichnet wird.
Netzwerke reaktivieren
Tiere bilden Erinnerungen, indem sie Verbindungen zwischen Netzwerken von Neuronen herstellen und verstärken. Wiltgens Hypothese war, dass, wenn ein bestehendes Netzwerk reaktiviert würde, es neue Verbindungen eingehen könnte.
"In unseren Experimenten fanden wir heraus, dass zuvor aktivierte Neuronen erregbarer waren als ihre Nachbarn. Das heißt, sie feuerten viel mehr Aktionspotentiale ab, wenn sie stimuliert wurden", sagte Wiltgen.
Sie stellten die Hypothese auf, dass der erregbare Zustand dieser Neuronen sie zu verschiedenen Arten von Plastizität befähigen könnte - als ob das Netzwerk verstärkt und bereit wäre, neue Informationen zu lernen.
Um dies zu demonstrieren, arbeiteten sie mit Mäusen, in denen zuvor aktivierte Neuronen mit grün fluoreszierendem Protein oder GFP leuchten. Co-Autor John Gray, Assistenzprofessor an der Abteilung für Neurologie und Zentrum für Neurowissenschaften, und sein Doktorand Eden Barragan maßen die Erregbarkeit dieser Zellen und stellten fest, dass die GFP-Zellen in zuvor aktivierten Netzwerken tatsächlich erregbarer waren als andere Neuronen.
Wichtig: Als sie erfahrene Mäuse mit der kontextuellen Angstkonditionierungsaufgabe trainierten, stellten sie fest, dass GFP-Zellen bevorzugt aktiviert wurden, was darauf hindeutet, dass sie das neue Gedächtnis bildeten. Interessanterweise war die Art und Weise, wie sie dies taten, einzigartig. Anstatt NMDA-Rezeptoren zu verwenden, schienen diese Neuronen ein anderes Molekül zu verwenden, den metabotropen Glutamatrezeptor.
"Wenn Tiere etwas völlig Neues lernen, aktiviert es NMDA-Rezeptoren, die Synapsen stärken und ein neues Gedächtnisnetzwerk bilden. Außerdem werden die aktivierten Zellen erregbarer, wodurch sie zusätzliche Informationen über einen anderen Rezeptor kodieren können, “sagte Wiltgen.
Diese Ergebnisse geben Einblick in die Art und Weise, wie neue Erfahrungen mit etablierten Erinnerungen integriert werden – etwas, das Tiere, einschließlich Menschen, jeden Tag tun. Doch wie Wiltgen zugibt, sind seine Versuchstiere im Vergleich zu ihren wilden Verwandten noch sehr naiv.
"Ein wildes Nagetier würde Hunderte von Umgebungen kennenlernen und feststellen, ob sie sicher oder gefährlich sind. Unsere Tiere lernten nur ungefähr zwei. Nichtsdestotrotz bringt uns unsere Arbeit dem Verständnis näher, wie erfahrene Tiere etwas über die Welt lernen, die ganz anders sein kann, als wir bisher dachten“, sagte er.
