Störungen des Gedächtnisses zählen zu den zentralen klinischen Herausforderungen in der Neurologie und Psychiatrie. Lern- und Erinnerungsprozesse beruhen auf hochkomplexen Interaktionen zwischen einzelnen Nervenzellen und großflächigen neuronalen Netzwerken. Besonders der mediale Schläfenlappen, zu dem der Hippocampus gehört, gilt als zentrale Schaltstelle des deklarativen Gedächtnisses.
Ein internationales Forschungsteam des Universitätsklinikums Bonn, der Universität Bonn, des Universitätsklinikums Freiburg und der Columbia University in New York untersuchte nun, wie Nervenzellen mit den rhythmischen Schwingungen des Gehirns zusammenarbeiten. Die Ergebnisse der Studie wurden in 'Nature Communications' veröffentlicht.
Präzise Einblicke dank Epilepsiediagnostik
Für ihre Analysen nutzten die Wissenschaftler die besondere diagnostische Situation von Patienten mit therapieresistenter Epilepsie. Bei diesen werden im Rahmen der prächirurgischen Abklärung Elektroden direkt in das Gehirn implantiert. So lassen sich nicht nur die Anfallsherde lokalisieren, sondern zugleich die Aktivität einzelner Neuronen aufzeichnen.
Während einer räumlichen Gedächtnisaufgabe analysierten die Forschenden die neuronale Aktivität in Relation zu Hirnrhythmen im Frequenzbereich von 1 bis 10 Hertz. Im Mittelpunkt stand die sogenannte Theta-Phasenbindung – das zeitlich abgestimmte Feuern von Nervenzellen im Takt der Theta-Wellen.
„Ähnlich wie die Mitglieder in einem Orchester, die sich an einem gemeinsamen Takt orientieren, ist die Aktivität der Nervenzellen offenbar mit elektrischen Schwingungen – ein- bis zehnmal pro Sekunde – im Gehirn verknüpft. Dabei feuern die Zellen bevorzugt zu bestimmten Zeitpunkten innerhalb dieser Hirnwellen, ein Phänomen namens Theta-Phasenbindung“, erklärt Erstautor und Postdoktorand der Universität Bonn (UKB) Dr. Tim Guth, der kürzlich vom Universitätsklinikum Freiburg zur Arbeitsgruppe „Kognitive und Translationale Neurowissenschaften“ am UKB wechselte.
Neuronen synchronisieren sich beim Lernen und Erinnern
Die Auswertung zeigte, dass etwa 86 % der untersuchten Neuronen eine Theta-Phasenbindung aufwiesen. Dieses Phänomen trat sowohl während der Gedächtnisbildung als auch beim Erinnern auf. Entscheidend dabei: Die Stärke der Phasenbindung hing nicht davon ab, ob sich die Patienten später korrekt erinnerten. Damit stellt sie ein generelles Merkmal der Gedächtnisprozesse dar, ohne direkt den Erfolg des Erinnerns vorherzusagen.
Eigenschaften der Hirnwellen beeinflussen die Synchronisation
Die Forschenden konnten nachweisen, dass die Stärke der Theta-Phasenbindung von den Eigenschaften des lokalen Feldpotenzials abhing. Besonders ausgeprägte Theta-Wellen, klar erkennbare Oszillationen und steile aperiodische Spektren gingen mit einer stärkeren Kopplung der Neuronen einher. Mit anderen Worten: Je ausgeprägter die rhythmische Aktivität im Hintergrundsignal, desto präziser folgten die Nervenzellen dem Takt der Hirnwellen.
Verschiebungen zwischen Lernen und Erinnern
Die meisten Nervenzellen feuerten bevorzugt am Tiefpunkt der Theta-Welle. Ein kleiner, statistisch signifikanter Anteil der Neuronen verlagerte seine bevorzugte Phase jedoch abhängig davon, ob Informationen erlernt oder abgerufen wurden. Über alle phasenverschiebenden Neuronen hinweg lag der mittlere Unterschied bei etwa 90°. In der Untergruppe mit signifikanter Phasenbindung in beiden Zuständen lag der Mittelwert bei rund 40°. Dies deutet darauf hin, dass unterschiedliche Gedächtnisprozesse zu leicht versetzten Zeitpunkten innerhalb derselben Hirnwelle stattfinden.
Bedeutung für die Gedächtnisforschung
Die Studie liefert grundlegende Erkenntnisse über die Dynamik zwischen neuronaler Aktivität und Hirnrhythmen. Theta-Phasenbindung erweist sich als konstantes Phänomen sowohl beim Lernen als auch beim Erinnern und wird von spezifischen Eigenschaften der lokalen Feldpotenziale beeinflusst.
Die Ergebnisse erweitern das Verständnis der elektrophysiologischen Mechanismen, die Gedächtnisprozesse steuern. Weitere Studien sollen nun klären, wie Theta-Phasenbindung mit anderen neuronalen Mechanismen interagiert und welche Bedeutung sie bei Gedächtnisstörungen hat.
