Wenn wir schlafen, wird das am Tag Gelernte ins Langzeitgedächtnis übertragen. Zugleich regeneriert sich unser Gehirn, sodass wir am nächsten Morgen aufnahmefähig für neue Informationen sind. Welche Prozesse dabei ablaufen, ist bislang erst teilweise geklärt. Studien zeigen, dass die am Lernen beteiligten Nervenzellen im Hippocampus in bestimmten Schlafphasen ähnliche Aktivitätsmuster zeigen wie tagsüber. Durch diese sogenannten Sharp-Wave Ripples (SWRs) scheinen wir Gelerntes mental zu wiederholen und so einzuprägen. Andererseits besagt die sogenannte Synaptic Downscaling Theorie, dass bestimmte Verbindungen zwischen Nervenzellen, die sich tagsüber aufgebaut haben, nachts wieder geschwächt werden, was für Ruhe und Regeneration sorgt. Wie diese Prozesse allerdings zusammenwirken und wie sie reguliert werden, war bislang unklar.
Wechselspiel aus Ruhe und Aktivität
Ein Team um Lindsay Karaba von der Cornell University in Ithaca im US-Bundesstaat New York hat nun bei Mäusen eine neue Art von neuronaler Aktivität im Hippocampus entdeckt, die offenbar übermäßige Sharp-Wave Ripples unterdrückt. Dabei feuern Nervenzellen einer kleinen, bisher wenig erforschten Region des Hippocampus, genannt CA2, die sich zwischen den beiden für das Lernen verantwortlichen Regionen CA1 und CA3 befindet. Um die Prozesse im Gehirn während des Schlafs zu beobachten, hatten Karaba und ihr Team Mäusen Elektroden in verschiedene Teile des Hippocampus implantiert, die die neuronale Aktivität aufzeichneten.
Im Einklang mit früheren Studien beobachteten die Forschenden Phasen erhöhter Aktivität in den Regionen CA1 und CA3, bei denen zahlreiche der für die mentale Rekapitulation typischen Wellenmuster auftraten. „Wir stellten aber auch fest, dass während des Schlafs auch andere Zustände im Hippocampus auftreten, in denen alles zum Schweigen gebracht wird“, berichtet Karabas Kollegin Azahara Oliva. „Die CA1- und CA3-Regionen, die zuvor sehr aktiv waren, waren plötzlich ruhig. Das ist ein Reset des Gedächtnisses, und dieser Zustand wird von der mittleren Region, CA2, erzeugt.“ Während die Aktivitätsspitzen in den Regionen CA1 und CA3 üblicherweise nur etwa 50 Millisekunden dauern, feuern die Nervenzellen der CA2-Region deutlich länger und erzeugen über rund 300 Millisekunden hinweg lange Reihen von Aktionspotenzialen, genannt BARRs.
Hemmender Einfluss
Mit Hilfe von sogenannten Interneuronen, die verschiedene Nervenzellen miteinander verschalten, hemmen diese BARR-Signalreihen die Aktivität in den Regionen CA1 und CA3, wie die Analysen ergaben. „Dieser Mechanismus könnte es dem Gehirn ermöglichen, dieselben Ressourcen, dieselben Neuronen, für neues Lernen am nächsten Tag wieder zu verwenden“, sagt Oliva. Wie sie und ihre Kollegen feststellten, wurden die Nervenzellen jedoch je nach Aktivität unterschiedlich stark durch die BARRs gehemmt. „Je mehr eine bestimmte Zelle während des Lernens und anschließend während der SWRs im Schlaf aktiv war, desto stärker wurde sie während der BARRs gehemmt“, berichten Karaba und ihr Team. Wenn die Forschenden die SWR-Aktivität der CA1-Neuronen bei den Mäusen künstlich erhöhten, verstärkten sich auch die darauffolgenden hemmenden BARRs.
