Studie entdeckt "molekularen Klebstoff", der Gedächtnisbildung und -stabilisierung fördert

Ob unser erster Zoobesuch oder der Moment, als wir Fahrradfahren lernten – Kindheitserinnerungen bleiben uns ein Leben lang erhalten. Doch was macht diese Erinnerungen so langlebig?

Eine im Fachmagazin Science Advances veröffentlichte Studie eines internationalen Wissenschaftlerteams hat die biologischen Grundlagen des Langzeitgedächtnisses enthüllt. Die zentrale Entdeckung war die Rolle des Moleküls KIBRA, das als „Klebstoff“ für andere Moleküle fungiert und so die Bildung von Erinnerungen zementiert.

„Frühere Versuche, zu verstehen, wie Moleküle Langzeiterinnerungen speichern, konzentrierten sich auf die individuellen Aktionen einzelner Moleküle“, erklärt Andre Fenton, Professor für Neurowissenschaften an der New York University und einer der leitenden Forscher. „Unsere Studie zeigt, wie diese Moleküle miteinander interagieren, um sicherzustellen, dass Erinnerungen dauerhaft gespeichert werden.“

„Ein besseres Verständnis davon, wie wir unsere Erinnerungen speichern, wird uns bei zukünftigen Bemühungen zur Erforschung und Behandlung von Gedächtnisstörungen helfen“, fügt Todd Sacktor hinzu, Professor an der SUNY Downstate Health Sciences und einer der leitenden Forscher.

Es ist seit langem bekannt, dass Neuronen Informationen in Mustern starker und schwacher Synapsen speichern, die die Konnektivität und Funktion neuronaler Netzwerke bestimmen. Die Moleküle in den Synapsen sind jedoch instabil, bewegen sich ständig innerhalb der Neuronen, nutzen sich ab und werden innerhalb von Stunden oder Tagen ersetzt. Dies wirft die Frage auf: Wie können Erinnerungen über Jahre oder Jahrzehnte hinweg stabil bleiben?

Im Mausmodell konzentrierten sich die Forscher auf die Rolle von KIBRA, einem Protein, das in Nieren und Gehirn vorkommt und dessen genetische Varianten sowohl mit gutem als auch mit schlechtem Gedächtnis in Verbindung gebracht werden. Sie untersuchten, wie KIBRA mit anderen für die Gedächtnisbildung wichtigen Molekülen interagiert, in diesem Fall mit der Proteinkinase Mzeta (PKMzeta). Dieses Enzym ist ein Schlüsselmolekül zur Stärkung normaler Synapsen bei Säugetieren, baut sich aber nach wenigen Tagen ab.

Experimente haben gezeigt, dass KIBRA das „fehlende Bindeglied“ im Langzeitgedächtnis ist und als „permanentes synaptisches Etikett“ oder Klebstoff fungiert, der sich an starke Synapsen und PKMzeta anheftet und schwache Synapsen meidet.

„Bei der Gedächtnisbildung werden die beteiligten Synapsen aktiviert, und KIBRA wird gezielt an diesen Synapsen platziert“, erklärt Sacktor, Professor für Physiologie, Pharmakologie, Anästhesiologie und Neurowissenschaften an der SUNY Downstate. „PKMzeta bindet sich dann an das synaptische KIBRA-Tag und hält diese Synapsen stark. Dadurch können die Synapsen am neu gebildeten KIBRA haften bleiben und weiteres neu gebildetes PKMzeta anziehen.“

Genauer gesagt zeigen ihre in einem Artikel in Science Advances beschriebenen Experimente, dass das Unterbrechen der KIBRA-PKMzeta-Verbindung alte Erinnerungen löscht.

Frühere Studien haben gezeigt, dass zufällige Erhöhungen von PKMzeta im Gehirn schwache oder verblassende Erinnerungen verbessern. Dies war rätselhaft, da die Wirkung an zufälligen Stellen erfolgte. Die anhaltende synaptische Markierung durch KIBRA erklärt, warum zusätzliches PKMzeta das Gedächtnis verbesserte, indem es nur an den durch KIBRA markierten Stellen wirkte.

„Der Mechanismus der anhaltenden synaptischen Markierung erklärt zum ersten Mal diese Ergebnisse, die klinische Auswirkungen auf neurologische und psychiatrische Gedächtnisstörungen haben“, sagte Fenton, der auch am Institute of Neurosciences des NYU Langone Medical Center tätig ist.

Die Autoren der Studie weisen darauf hin, dass die Studie ein 1984 von Francis Crick eingeführtes Konzept bestätigt. Sacktor und Fenton weisen darauf hin, dass seine Hypothese zur Erklärung der Rolle des Gehirns bei der Speicherung von Erinnerungen trotz ständiger zellulärer und molekularer Veränderungen auf dem Mechanismus des „Schiffs des Theseus“ beruht – einem philosophischen Argument aus der griechischen Mythologie, in dem neue Planken alte ersetzen, um das „Schiff des Theseus“ über Jahre hinweg zu stützen.

„Der Mechanismus der dauerhaften synaptischen Markierung ist vergleichbar mit der Art und Weise, wie neue Platinen alte Platinen ersetzen, um das Schiff des Theseus über Generationen hinweg zu erhalten. Er ermöglicht es, dass Erinnerungen jahrelang bestehen bleiben, selbst wenn die Proteine, die das Gedächtnis unterstützen, ersetzt werden“, sagt Sacktor.

„Francis Crick hat diesen Mechanismus des Schiffs des Theseus intuitiv vorhergesagt und sogar die Rolle der Proteinkinase vorhergesagt. Aber es dauerte 40 Jahre, bis er herausfand, dass es sich bei den Komponenten um KIBRA und PKMzeta handelte, und bis er den Mechanismus ihrer Interaktion entschlüsselte.“