image: Dynamic mechanisms of engram maturation. During the allocation, engram allocation is primarily governed by enhancements in intrinsic neuronal excitability, driven primarily by increased phosphorylation of CREB, which primes these cells for selective recruitment. Following allocation, engram formation is molecularly marked by the expression of IEGs including Fos, Npas4, Arc, and Egr1. The consolidation phase is characterized by epigenetic reprogramming, such as DNA methylation, histone posttranslational modifications (e.g., acetylation, phosphorylation), and histone variant exchange. Concurrently, neuronal excitability is further modulated through synaptic recruitment of NMDA receptors, AMPA receptors, and inwardly rectifying potassium channels (Kir), while dendritic spine density increases to reinforce synaptic connectivity. Throughout this maturation process, engrams transition from a silent state to a functionally mature configuration, marked by enduring structural and molecular adaptations that support long-term memory storage.
Credit: Zhe-Yu Chen
JINAN, Shandong, China, 20. Mai 2025 – In einer umfassenden Übersichtsarbeit von Fachexperten, die heute von Genomic Press veröffentlicht wurde, haben Forscher die dynamischen zellulären Mechanismen kartiert, die es dem Gehirn ermöglichen, Erinnerungen zu bilden, zu konsolidieren, zu generalisieren und zu aktualisieren. Diese wissenschaftliche Synthese bietet wertvolle Einblicke in die Kodierung von Erinnerungen im Gehirn und ihre Veränderung im Laufe der Zeit, mit erheblichen Implikationen für Erkrankungen wie die posttraumatische Belastungsstörung (PTBS).
Die Suche nach Gedächtnisspuren
Eine der grundlegendsten Fragen der Neurowissenschaft ist, wie das Gehirn Erinnerungen speichern, generalisieren und aktualisieren kann. Man geht davon aus, dass Erinnerungen durch biophysikalische und molekulare Veränderungen in neuronalen Ensembles, den sogenannten Engrammen, gespeichert werden, die über verschiedene Hirnregionen verteilt sind. Diese Engramme sind spärlich verteilte Neuronenpopulationen, die während des Lernens dauerhafte physische oder chemische Veränderungen durchlaufen und so eine biologische Repräsentation unserer Erfahrungen schaffen.
"Die Suche nach den mechanistischen Substraten des Gedächtnisses, was Richard Semon als 'Engramm' bezeichnete, hat bis in die Gegenwart angedauert", erklärt Professor Zhe-Yu Chen von der Universität Shandong, der korrespondierende Autor der Übersichtsarbeit. "Unser Verständnis von Gedächtnisengrammen hat sich durch moderne neurowissenschaftliche Techniken von einer theoretischen Abstraktion zu einer biologischen Realität entwickelt."
Neurowissenschaftliche Durchbrüche ermöglichen die Visualisierung des Gedächtnisses
Die Übersichtsarbeit beschreibt im Detail, wie jüngste technologische Fortschritte unsere Fähigkeit zur Untersuchung des Gedächtnisses verändert haben. Moderne Techniken ermöglichen es Wissenschaftlern nun, die spezifischen Neuronen, die an der Bildung und dem Abrufen von Erinnerungen beteiligt sind, zu markieren, zu verfolgen und sogar zu manipulieren.
"Fortgeschrittene Methoden, die die Markierung auf Basis von unmittelbar frühen Genen mit optogenetischer Manipulation kombinieren, haben die Identifizierung und Kontrolle neuronaler Ensembles ermöglicht, die spezifische Erinnerungen kodieren", bemerkt Dr. Shuai-Wen Teng, Mitautor der Übersichtsarbeit. "Dieser technologische Durchbruch hat es uns ermöglicht, das Gedächtnis auf zellulärer Ebene in Aktion zu beobachten."
Wissenschaftler können nun visuell identifizieren, welche Neuronen während der Gedächtnisbildung und des Gedächtnisabrufs aktiviert werden. Noch bemerkenswerter ist, dass sie diese Neuronen künstlich aktivieren können, um das Abrufen von Erinnerungen zu induzieren, selbst in Abwesenheit normaler sensorischer Reize. Das bedeutet, dass Forscher effektiv eine Erinnerung "einschalten" können, indem sie die richtigen Zellen stimulieren.
Gedächtniszuweisung und -bildung
Die Übersichtsarbeit erklärt, wie Neuronen ausgewählt werden, um während des anfänglichen Kodierungsprozesses Teil einer Gedächtnisspur zu werden. Diese Auswahl ist nicht zufällig – Neuronen mit höherer Erregbarkeit zum Zeitpunkt des Lernens werden mit größerer Wahrscheinlichkeit in das Gedächtnisensemble rekrutiert.
"Es ist wie ein Wettbewerb unter Neuronen", fährt Dr. Teng fort. "Zellen mit erhöhter Basiserregbarkeit zeigen eine bevorzugte Aktivierung während des Lernens und werden überproportional in gedächtniskodierende Ensembles eingebaut."
Dieser Prozess wird durch einen Transkriptionsfaktor namens CREB reguliert, der sowohl die intrinsische Erregbarkeit als auch die Dichte der dendritischen Dornen erhöht. Wenn ein Neuron eine höhere CREB-Aktivität aufweist, wird es wahrscheinlicher in ein Gedächtnisengramm rekrutiert.
Wie sich Erinnerungen im Laufe der Zeit verändern
Ein faszinierender Aspekt der Übersichtsarbeit behandelt, wie sich Erinnerungen während ihrer Konsolidierung verändern. Neue Erinnerungen hängen zunächst vom Hippocampus ab, gehen aber allmählich durch einen Prozess, der als Systemkonsolidierung bezeichnet wird, dazu über, sich mehr auf den Kortex zu stützen.
"Nach der anfänglichen synaptischen Stabilisierung durchlaufen Erinnerungen eine Systemkonsolidierung, bei der sie von der Abhängigkeit vom Hippocampus zur Speicherung im medialen präfrontalen Kortex über Tage bis Jahre übergehen", erklärt Dr. Chen. "Dies ermöglicht es Hippocampus-Engrammen, episodische, kontextspezifische Details zu bewahren, während Ensembles im medialen präfrontalen Kortex schematischere, generalisierte Darstellungen kodieren."
Dieser natürliche Prozess erklärt, warum Erinnerungen oft mit der Zeit allgemeiner werden, wobei spezifische Details verloren gehen, während Kernkonzepte erhalten bleiben. Dieser grundlegende Gehirnmechanismus unterstützt das Lernen, kann aber auch zu Erkrankungen wie PTBS beitragen, wenn Angsterinnerungen übergeneralisiert werden.
Gedächtnisgeneralisierung und Angststörungen
Die Forscher beschreiben detailliert, wie die Gedächtnisgeneralisierung, obwohl sie ein adaptiver Prozess ist, um vergangenes Lernen auf neue Situationen anzuwenden, bei Erkrankungen wie PTBS und Angststörungen maladaptiv werden kann.
Der Hippocampus spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der Gedächtnisspezifität. Wenn diese Funktion beeinträchtigt ist, vielleicht aufgrund von Stressexposition oder veränderten Signalwegen, können Erinnerungen übergeneralisiert werden, was zu unangemessenen Angstreaktionen führt.
"Die Übergeneralisierung von Angst stellt eine maladaptive Verhaltensreaktion auf nicht bedrohliche Reize oder neutrale Umgebungen dar", erklärt Dr. Chen. "Dieses Phänomen ist ein charakteristisches Merkmal von Angststörungen wie der generalisierten Angststörung, der Panikstörung und der posttraumatischen Belastungsstörung."
Die Forscher skizzieren mehrere Mechanismen, die die Gedächtnisgeneralisierung vorantreiben, einschließlich stressinduzierter Veränderungen in Hippocampus- und Amygdala-Schaltkreisen. Das Verständnis dieser Mechanismen könnte zu gezielten Interventionen für Angststörungen führen.
Gedächtnisaktualisierung und -modifikation
Die Übersichtsarbeit untersucht auch, wie bestehende Erinnerungen mit neuen Informationen aktualisiert werden können. Wenn Erinnerungen reaktiviert werden, werden sie vorübergehend formbar, was es ihnen ermöglicht, neue Daten oder emotionale Kontexte zu integrieren.
"Gedächtnisaktualisierung ist ein grundlegender Prozess, der es Organismen ermöglicht, sich an neue Informationen anzupassen, bestehendes Wissen zu modifizieren und neue Erfahrungen mit bereits vorhandenen Erinnerungen zu integrieren", sagt Dr. Teng. "Die mit dem Gedächtnisengramm des hippocampalen Gyrus dentatus verbundene Valenz könnte bidirektional umgekehrt werden."
Dies deutet auf spannende Möglichkeiten für die Behandlung emotionaler Störungen hin, indem die emotionalen Assoziationen traumatischer Erinnerungen modifiziert werden. Könnten Therapien entwickelt werden, die gezielt auf Gedächtnisengramme abzielen, um ihre emotionale Wirkung zu reduzieren, ohne die Erinnerungen selbst zu löschen? Dies bleibt ein aktives Forschungsgebiet mit erheblichem klinischem Potenzial.
Die Zukunft der Gedächtnisforschung
Die Übersichtsarbeit skizziert mehrere offene Fragen, an denen Forscher noch arbeiten. Wie genau verbinden sich nukleäre Veränderungen während der Gedächtnisbildung mit der Verstärkung spezifischer synaptischer Verbindungen? Welche Mechanismen veranlassen Neuronen, Engramm-Netzwerken während verschiedener Gedächtnisprozesse beizutreten oder sie zu verlassen? Wie erhält das Gehirn das empfindliche Gleichgewicht zwischen Gedächtnisstabilität und -flexibilität?
"Unser Wissen über den intrinsischen Mechanismus, der der Offline-Aktivierung von Gedächtnisengrammen in einem unbewussten Zustand zugrunde liegt, ist völlig unzureichend", bemerkt Dr. Chen. "Das Verständnis, wie Gedächtnisrepräsentationen im Laufe der Zeit in Abhängigkeit von unseren Erfahrungen und internen Zuständen driften, ist ein kritischer Bereich für zukünftige Untersuchungen."
Der Artikel in Brain Medicine mit dem Titel "Dynamic memory enqrams: Unveiling the celular mechanisms of memory encoding, consolidation, generalizaton, and updating in the brain" ist ab dem 20. Mai 2025 in Brain Medicine über Open Access frei verfügbar unter folgendem Hyperlink: https://doi.org/10.61373/bm025i.0044.
Über Brain Medicine: Brain Medicine (ISSN: 2997-2639, online und 2997-2647, print) ist eine hochqualitative medizinische Forschungszeitschrift, die von Genomic Press, New York, herausgegeben wird. Brain Medicine ist eine neue Heimat für den interdisziplinären Weg von der Innovation in der grundlegenden Neurowissenschaft zu translationalen Initiativen in der Gehirnmedizin. Der Umfang der Zeitschrift umfasst die zugrundeliegende Wissenschaft, Ursachen, Ergebnisse, Behandlungen und gesellschaftliche Auswirkungen von Gehirnstörungen über alle klinischen Disziplinen und ihre Schnittstellen hinweg.
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Journal
Brain Medicine
Method of Research
Literature review
Subject of Research
Animals
Article Title
Dynamic memory enqrams: Unveiling the celular mechanisms of memory encoding, consolidation, generalizaton, and updating in the brain
Article Publication Date
20-May-2025
COI Statement
The authors declare no competing interests.