Zusammenfassung: Eine neue Studie zeigt, dass der genetische Zustand von Neuronen ihre Rolle bei der Gedächtnisbildung bestimmt. Neuronen mit offenen Chromatinzuständen werden eher in Gedächtnispfade rekrutiert und zeigen beim Lernen eine höhere elektrische Aktivität.
Forscher haben gezeigt, dass die Manipulation dieser genetischen Bedingungen bei Mäusen das Lernen verbessern oder beeinträchtigen kann. Diese Entdeckung verlagert den Fokus von der synaptischen Plastizität auf nukleare Prozesse und eröffnet potenzielle neue Wege zur Behandlung kognitiver Störungen.
Wichtige Fakten:
- Neuronen mit offenen Chromatinzuständen sind eher an der Gedächtnisbildung beteiligt.
- Die Manipulation des genetischen Zustands von Neuronen bei Mäusen kann das Lernen verbessern oder beeinträchtigen.
- Diese Forschung verlagert den Fokus von der synaptischen Plastizität auf nukleare Prozesse beim Lernen.
Quelle: Eidgenössische Technische Hochschule in Lausanne
Wenn wir eine neue Erinnerung bilden, erfährt das Gehirn physische und funktionelle Veränderungen, die zusammen als „Gedächtnisspur“ bezeichnet werden. Eine Gedächtnisspur stellt die spezifischen Aktivitätsmuster und strukturellen Veränderungen von Neuronen dar, die auftreten, wenn eine Erinnerung gebildet und später erinnert wird.
Aber wie „entscheidet“ das Gehirn, welche Neuronen an der Gedächtnisverfolgung beteiligt sind? Studien deuten darauf hin, dass die inhärente Erregbarkeit von Neuronen eine Rolle spielt, die derzeit akzeptierte Sichtweise des Lernens vernachlässigt jedoch die Berücksichtigung der Kommandozentrale des Neurons selbst oder seines Kerns. Der Zellkern scheint eine ganz andere Dimension zu enthalten, die noch nicht erforscht wurde: die Epigenetik.
In jeder Zelle eines Organismus ist das von der DNA kodierte genetische Material das gleiche, doch die verschiedenen Zelltypen, aus denen der Körper besteht, wie z. B. Hautzellen, Nierenzellen oder Nervenzellen, exprimieren jeweils einen anderen Satz von Genen. Epigenetik ist der Mechanismus, mit dem Zellen die Genaktivität steuern, ohne die DNA-Sequenz zu verändern.
Nun haben Wissenschaftler der EPFL unter der Leitung des Neurowissenschaftlers Johannes Graf untersucht, ob die Epigenetik die Wahrscheinlichkeit beeinflussen könnte, dass Neuronen für die Gedächtnisbildung ausgewählt werden.
Ihre Forschung an Mäusen, jetzt veröffentlicht in WissenschaftenEs scheint, dass der genetische Zustand eines Neurons der Schlüssel zu seiner Rolle bei der Gedächtniskodierung ist.
„Wir beleuchten den ersten Schritt der Gedächtnisbildung auf DNA-Ebene“, sagt Graf.
Graf und sein Team fragten sich, ob genetische Faktoren die „Gedächtnis“-Funktion des Neurons beeinflussen könnten. Eine Nervenzelle kann genetisch offen sein, wenn die DNA in ihrem Kern locker oder locker ist. Sie können geschlossen sein, wenn die DNA kompakt und fest ist.
Die Forscher fanden heraus, dass offene Zellen eher in die „Gedächtnisspur“ rekrutiert werden, die spärliche Gruppe von Neuronen im Gehirn, die elektrische Aktivität zeigen, wenn sie etwas Neues lernen. Tatsächlich waren Neuronen, die sich in einem offeneren Chromatinzustand befanden, auch die Zellen, die eine höhere elektrische Aktivität zeigten.
Wissenschaftler der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Lausanne verwendeten dann einen Virus, um genetische Enzyme zu liefern, um die Neuronen künstlich zum Öffnen anzuregen. Sie fanden heraus, dass die Mäuse, die sie testeten, viel besser lernten. Als Wissenschaftler den umgekehrten Ansatz verwendeten, um die DNA der Neuronen abzuschalten, wurde die Lernfähigkeit der Mäuse ausgeschaltet.
Die Ergebnisse eröffnen neue Wege zum Verständnis des Lernens, das den Kern eines Neurons betrifft, und könnten eines Tages sogar zu einem Medikament zur Verbesserung des Lernens führen. Graf erklärt: „Sie entfernen sich von der vorherrschenden neurowissenschaftlichen Sichtweise von Lernen und Gedächtnis, die die Bedeutung der synaptischen Plastizität betont, und richten den Fokus wieder auf das, was im Kern eines Neurons, auf seiner DNA, passiert.“
„Dies ist besonders wichtig, da viele kognitive Störungen wie Alzheimer und PTBS durch fehlerhafte genetische Mechanismen gekennzeichnet sind.“
Über diese Neuigkeiten im Zusammenhang mit Gedächtnisforschung und Genetik
Autor: Nick Papageorgiou
Quelle: Eidgenössische Technische Hochschule in Lausanne
Kommunikation: Nick Papageorgiou – EPFL
Bild: Bild entnommen aus Neuroscience News
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„Die Plastizität des Chromatins bestimmt die Eignung von Neuronen zur Bildung von Gedächtnisspuren„Von Johannes Graf et al.“ Wissenschaften
eine Zusammenfassung
Die Plastizität des Chromatins bestimmt die Fähigkeit von Neuronen, Gedächtnisspuren zu bilden
Einführung
Während der Entwicklung entstehen durch genetische Variation verschiedene Zelltypen mit unterschiedlichen Funktionen. Durch die Erteilung ständiger Anweisungen zur Aktivierung und Inaktivierung genomischer Loci zur Stimulierung spezifischer Signalkaskaden spielen epigenetische Mechanismen eine entscheidende Rolle bei der Abstammungsbindung und der Zelldifferenzierung. Es bleibt jedoch unklar, ob die Chromatinplastizität eine ebenso wichtige Rolle bei der Entwicklung dynamischer Funktionen in vollständig differenzierten Zellen wie erwachsenen Neuronen spielt.
Eine der interessantesten Eigenschaften von Neuronen ist ihre Fähigkeit, Informationen zu kodieren. Es ist erwähnenswert, dass das Gehirn für jede neu gespeicherte Information nur eine Untergruppe von Neuronen einsetzt, was bedeutet, dass selbst innerhalb derselben Art von entwicklungsspezifischen Zellen nicht alle Neuronen zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Lage sind, Informationen zu kodieren.
Begründung
Die Abhängigkeit der Gedächtnisbildung von der neuronalen Selektion ließ uns fragen, ob die Chromatinstruktur unter scheinbar homogenen Zellidentitäten ausreichend heterogen sein könnte, um die Informationskodierung zu steuern. Insbesondere bleibt abzuwarten, ob eine erhöhte Chromatinplastizität eine motivierende Kraft sein könnte, Neuronen auf die bevorzugte Selektion für die Gedächtnisbildung vorzubereiten.
Ergebnisse
Indem wir uns auf die laterale Amygdala der Maus konzentrierten, eine Schlüsselregion des Gehirns, die für die Kodierung assoziativer Formen des Gedächtnisses verantwortlich ist, entdeckten wir, dass die darin enthaltenen erregenden Neuronen tatsächlich eine heterogene Chromatinplastizität aufweisen und dass darüber hinaus Zellen, die bevorzugt in lernaktivierte Neuronen rekrutiert wurden, mit hyperacetylierten Histonen angereichert waren , eine genetische Veränderung, die im Gehirn häufig vorkommt.
Um diesen Zusammenhang zwischen der Plastizität des Chromatins und der Informationskodierung zu testen, manipulierten wir als nächstes die Histonacetylierung, indem wir die Histonacetyltransferase in diesen Neuronen entweder erhöhten oder verringerten. Wir fanden heraus, dass der durch Histonacetylierung vermittelte Funktionsgewinn der epigenetischen Plastizität die Rekrutierung von Neuronen für die Gedächtnisspur erleichterte, während der Verlust ihrer Funktion die Gedächtniszuordnung verhinderte.
Da wir uns für die molekularen Mechanismen interessierten, die dieser Selektion zugrunde liegen, führten wir als nächstes eine Multiplex-Einzelkernsequenzierung durch, um gleichzeitig die Zugänglichkeit von Chromatin und Genexpressionsänderungen zu bewerten, die in transgenen Neuronen auftreten.
Diese Ergebnisse zeigten eine erhöhte Zugänglichkeit oder Expression von Chromatin an Genomorten, die eng mit der strukturellen und synaptischen Plastizität sowie der neuronalen Erregbarkeit verbunden sind, die als wichtiger physiologischer Prozess für die Informationskodierung identifiziert wurde. Dementsprechend fanden wir heraus, dass eine erhöhte Chromatinplastizität auch zu einer erhöhten intrinsischen neuronalen Erregbarkeit und einer verbesserten strukturellen und funktionellen Umgestaltung der Synapsen führte.
Damit ein Prozess tatsächlich die Speicherzuweisung beeinflussen kann, muss er auch die Speichererhaltung unterstützen. Zu diesem Zweck testeten wir Mäuse, denen das HAT-Protein injiziert wurde, auf Pawlowsche Angstkonditionierung, eine Art assoziatives Gedächtnis, und stellten fest, dass sie ein deutlich stärkeres Angstgedächtnis zeigten – ein Effekt, der bis zu acht Tage anhielt. Es ist erwähnenswert, dass die Stummschaltung transgener Neuronen durch Licht das Abrufen von Angstgedächtnissen verhinderte, was auf einen unabhängigen Zusammenhang zwischen der Chromatinplastizität und der Bildung von Gedächtnisspuren hinweist.
Schließlich haben wir durch die Kombination der Werkzeuge des Förster-Resonanzenergietransfers (FRET) und der Kalziumbildgebung in einzelnen Neuronen entdeckt, dass die Beziehung zwischen Chromatinplastizität und intrinsischer neuronaler Erregbarkeit endogen, zellunabhängig und in Echtzeit auftritt.
Abschluss
Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Eignung eines Neurons für die Rekrutierung in einen Gedächtnisweg von seinem epigenetischen Zustand vor dem Lernen abhängt. Damit identifizieren wir Chromatinplastizität als eine neue Form der Plastizität, die für die Informationskodierung wichtig ist. Somit könnte die epigenetische Landschaft des Neurons ein adaptives Modell darstellen, das in der Lage ist, Umweltsignale auf dynamische und dennoch langanhaltende Weise zu registrieren und zu integrieren.
