Erinnerungen überleben den Verlust der halben Synapsen — künstlicher Winterschlaf verrät warum

Erinnerungen können selbst dann überleben, wenn das Gehirn vorübergehend mehr als die Hälfte seiner synaptischen Verbindungen verliert — ein Befund, der jahrzehntelange Annahmen über das Langzeitgedächtnis infrage stellt.

Die Belege stammen aus einer in Science veröffentlichten Studie an Mäusen, durchgeführt von Forschenden des Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) und Kooperationspartnern der Universität Tsukuba, des Exploratory Research Center on Life and Living Systems sowie der japanischen National Institutes of Physiological Sciences.

Das Team nutzte eine künstliche Winterschlaf-Technik, die 2020 in Tsukuba erstmals entwickelt wurde und es ermöglicht, Mäuse auf Abruf in einen winterschlafähnlichen Zustand zu versetzen. In diesem Zustand kollabierte die Gehirnaktivität der Tiere: Die neuronale Aktivität im Hippocampus sank um etwa 70 Prozent, und mehr als die Hälfte der Hippocampus-Synapsen verschwand.

Durch Bildgebung des Gehirns vor, während und nach dem Winterschlaf beobachteten die Wissenschaftler diesen massiven strukturellen Umbau in Echtzeit. Nach traditioneller Auffassung hätte das die Erinnerungen der Tiere zerstören müssen — Langzeitgedächtnis galt als abhängig von einzelnen Synapsen, die während des Lernens gestärkt und vergrößert wurden.

Doch als die Mäuse nach dem Winterschlaf getestet wurden, waren ihre Erinnerungen intakt — in einigen Fällen sogar verbessert.

"Logischerweise hätte das Gedächtnis massiv verschlechtern müssen, wenn alle unsere Engramm-Synapsen, wie traditionell angenommen, für die Gedächtniserhaltung essenziell wären", sagte Erstautorin Yu-Ju Lin.

Mit korrelativer Licht- und Elektronenmikroskopie (CLEM) — einer technisch anspruchsvollen Methode, die Fluoreszenzmarkierung mit Elektronenmikroskopie kombiniert und hier erstmals zur direkten Beobachtung von Engrammen eingesetzt wurde — fand das Team, dass bestimmte Synapsen-Cluster verschont blieben. Zwei strukturelle Motive stachen hervor: multisyNAPTische Boutons, bei denen eine einzelne präsynaptische Endigung mit mehreren Zellen verbunden ist, sowie räumlich geclusterte Gruppen von Engramm-Synapsen. Synapsen wurden unabhängig von der Größe der dendritischen Dornen eliminiert — "stärkere" Synapsen waren also nicht inhärent geschützt.

"Bisher galt synaptische Stärkung als Schlüssel zur Gedächtnisabrufung... Hier zeigen wir, dass nicht jede Synapse zählt, und belegen stattdessen die entscheidende Bedeutung der Engramm-Architektur", sagte Kazumasa Tanaka, Leiter der Memory Research Unit am OIST und Seniorautor der Studie.

Die Forschenden weisen darauf hin, dass sie bislang eine Korrelation zwischen diesen erhaltenen Clustern und der Gedächtniserhaltung gezeigt haben — ein kausaler Nachweis steht noch aus. Doch die Arbeit deutet darauf hin, dass das Gehirn Langzeitgedächtnis in widerstandsfähigen architektonischen Mustern speichert, die schwere Störungen überstehen können — und da die neuronale Schaltung für den Winterschlaf bei Säugetieren konserviert ist, könnte sie neue Türen für die Erforschung von Gedächtnis und Gehirnresilienz beim Menschen öffnen.