Der Gehirnkreislauf im vorderen Thalamus ist entscheidend, um sich daran zu erinnern, wie man durch ein Labyrinth navigiert

Mit zunehmendem Alter lässt das Arbeitsgedächtnis oft nach, was die Bewältigung alltäglicher Aufgaben erschwert. Eine Schlüsselregion des Gehirns, die mit dieser Art von Gedächtnis verbunden ist, ist der vordere Thalamus, der hauptsächlich am räumlichen Gedächtnis beteiligt ist -; Erinnerung an unsere Umgebung und wie wir uns darin zurechtfinden.

In einer Studie an Mäusen haben MIT-Forscher einen Schaltkreis im vorderen Thalamus identifiziert, der notwendig ist, um sich daran zu erinnern, wie man durch ein Labyrinth navigiert. Die Forscher fanden auch heraus, dass dieser Schaltkreis bei älteren Mäusen geschwächt ist, aber die Verbesserung seiner Aktivität ihre Fähigkeit, das Labyrinth korrekt zu durchlaufen, erheblich verbessert.

Diese Region könnte ein vielversprechendes Ziel für Behandlungen darstellen, die helfen könnten, den Gedächtnisverlust bei älteren Menschen umzukehren, ohne andere Teile des Gehirns zu beeinträchtigen, sagen die Forscher.

„Indem wir verstehen, wie der Thalamus den kortikalen Output steuert, könnten wir hoffentlich spezifischere und mit Medikamenten verabreichbare Ziele in diesem Bereich finden, anstatt allgemein den präfrontalen Kortex zu modulieren, der viele verschiedene Funktionen hat“, sagt Guoping Feng, der von James W. und Patricia T. Poitras Professor für Gehirn- und Kognitionswissenschaften am MIT, Mitglied des Broad Institute of Harvard und MIT und stellvertretender Direktor des McGovern Institute for Brain Research am MIT.

Feng ist der leitende Autor der Studie, die heute im erscheint Proceedings of the National Academy of Sciences. Dheeraj Roy, ein NIH K99-Preisträger und McGovern Fellow am Broad Institute, und Ying Zhang, ein J. Douglas Tan Postdoctoral Fellow am McGovern Institute, sind die Hauptautoren des Artikels.

Räumliches Gedächtnis

Der Thalamus, eine kleine Struktur in der Nähe des Zentrums des Gehirns, trägt zum Arbeitsgedächtnis und vielen anderen exekutiven Funktionen wie Planung und Aufmerksamkeit bei. Fengs Labor hat kürzlich eine Region des Thalamus untersucht, die als vorderer Thalamus bekannt ist und eine wichtige Rolle für das Gedächtnis und die räumliche Navigation spielt.

Frühere Studien an Mäusen haben gezeigt, dass Schäden am vorderen Thalamus zu Beeinträchtigungen des räumlichen Arbeitsgedächtnisses führen. Beim Menschen haben Studien eine altersbedingte Abnahme der Aktivität des vorderen Thalamus gezeigt, die mit einer geringeren Leistung bei Aufgaben des räumlichen Gedächtnisses korreliert.

Der vordere Thalamus ist in drei Abschnitte unterteilt: ventral, dorsal und medial. In einer im vergangenen Jahr veröffentlichten Studie untersuchten Feng, Roy und Zhang die Rolle des anterodorsalen (AD) Thalamus und des anteroventralen (AV) Thalamus bei der Gedächtnisbildung. Sie fanden heraus, dass der AD-Thalamus an der Erstellung mentaler Karten physischer Räume beteiligt ist, während der AV-Thalamus dem Gehirn hilft, diese Erinnerungen von anderen Erinnerungen an ähnliche Räume zu unterscheiden.

In ihrer neuen Studie wollten die Forscher den AV-Thalamus genauer untersuchen und seine Rolle bei einer räumlichen Arbeitsgedächtnisaufgabe untersuchen. Dazu trainierten sie Mäuse, ein einfaches T-förmiges Labyrinth zu durchlaufen. Zu Beginn jedes Versuchs rannten die Mäuse, bis sie das T erreichten. Ein Arm wurde blockiert, was sie zwang, den anderen Arm hinunterzulaufen. Dann wurden die Mäuse wieder mit offenen Armen in das Labyrinth gesetzt. Die Mäuse wurden belohnt, wenn sie den entgegengesetzten Arm aus dem ersten Durchlauf wählten. Das bedeutete, dass sie sich, um die richtige Entscheidung zu treffen, daran erinnern mussten, in welche Richtung sie bei der vorherigen Fahrt abgebogen waren.

Während die Mäuse die Aufgabe durchführten, verwendeten die Forscher Optogenetik, um die Aktivität von AV- oder AD-Neuronen während drei verschiedener Teile der Aufgabe zu hemmen: der Probenphase, die während des ersten Durchlaufs auftritt; die Verzögerungsphase, während sie auf den Beginn des zweiten Laufs warten; und die Wahlphase, in der die Mäuse ihre Entscheidung treffen, in welche Richtung sie sich im zweiten Lauf wenden.

Die Forscher fanden heraus, dass die Hemmung von AV-Neuronen während der Stichproben- oder Auswahlphasen keine Auswirkung auf die Leistung der Mäuse hatte, aber wenn sie die AV-Aktivität während der Verzögerungsphase unterdrückten, die 10 Sekunden oder länger dauerte, schnitten die Mäuse bei der Aufgabe viel schlechter ab.

Dies deutet darauf hin, dass die AV-Neuronen am wichtigsten sind, um Informationen im Gedächtnis zu behalten, während sie für eine Aufgabe benötigt werden. Im Gegensatz dazu störte die Hemmung der AD-Neuronen die Leistung während der Abtastphase, hatte aber während der Verzögerungsphase nur geringe Auswirkungen. Dieser Befund stimmte mit der früheren Studie des Forschungsteams überein, die zeigte, dass AD-Neuronen an der Bildung von Erinnerungen an einen physischen Raum beteiligt sind.

„Der vordere Thalamus ist im Allgemeinen eine räumliche Lernregion, aber die ventralen Neuronen scheinen in dieser Erhaltungsphase während dieser kurzen Verzögerung benötigt zu werden“, sagt Roy. „Jetzt haben wir zwei Unterteilungen innerhalb des vorderen Thalamus: eine, die beim kontextuellen Lernen zu helfen scheint, und die andere, die tatsächlich dabei hilft, diese Informationen zu speichern.“

Altersbedingter Rückgang

Die Forscher testeten dann die Auswirkungen des Alters auf diesen Schaltkreis. Sie fanden heraus, dass ältere Mäuse (14 Monate) bei der T-Labyrinth-Aufgabe schlechter abschnitten und ihre AV-Neuronen weniger erregbar waren. Als die Forscher diese Neuronen jedoch künstlich stimulierten, verbesserte sich die Leistung der Mäuse bei dieser Aufgabe dramatisch.

Eine andere Möglichkeit, die Leistung bei dieser Gedächtnisaufgabe zu verbessern, besteht darin, den präfrontalen Kortex zu stimulieren, der ebenfalls altersbedingt schrumpft. Die Aktivierung des präfrontalen Kortex erhöht jedoch auch die Angstwerte bei den Mäusen, fanden die Forscher heraus.

„Wenn wir Neuronen im medialen präfrontalen Kortex direkt aktivieren, wird dies auch angstbezogenes Verhalten hervorrufen, aber dies wird nicht während der AV-Aktivierung passieren“, sagt Zhang. „Das ist ein Vorteil der AV-Aktivierung im Vergleich zum präfrontalen Cortex.“

Wenn eine nicht-invasive oder minimal-invasive Technologie verwendet werden könnte, um diese Neuronen im menschlichen Gehirn zu stimulieren, könnte dies eine Möglichkeit bieten, altersbedingten Gedächtnisschwund zu verhindern, sagen die Forscher. Sie planen nun, eine Einzelzell-RNA-Sequenzierung von Neuronen des vorderen Thalamus durchzuführen, um genetische Signaturen zu finden, die zur Identifizierung von Zellen verwendet werden könnten, die die besten Ziele darstellen würden.

Die Forschung wurde teilweise vom Stanley Center for Psychiatric Research am Broad Institute, dem Hock E. Tan and K. Lisa Yang Center for Autism Research am MIT und dem James and Patricia Poitras Center for Psychiatric Disorders Research am MIT finanziert .

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