Warum wird allgemein anerkannt, dass Synapsen die Speicher- und Speicherbereiche im Gehirn sind?

Die vorhandenen Antworten enthalten viele nützliche Informationen, aber lassen Sie mich sie mit einer Geschichte ergänzen.

Die Suche nach dem “Engramm” – der physikalischen Grundlage des Gedächtnisses – begann mit dem deutschen Biologen Richard Semon in den frühen Jahren des 20. Jahrhunderts, doch seine Ideen fanden keine große Beachtung. In den Anfängen wurde vor allem die Frage beantwortet, ob das Gedächtnis durch elektrische Aktivität, die ständig im Gehirn zirkuliert, oder durch einen robusteren Mechanismus gespeichert wurde. Die Rezirkulationstheorie wurde als ausgeschlossen angesehen, da starke elektrische Schläge auf das Gehirn nicht das gesamte Gedächtnis löschten.

Karl Lashley nahm die Suche ab Ende der 1920er Jahre auf und arbeitete intensiv an dem Problem. Seine Ergebnisse waren jedoch weitgehend negativ. Mit Nagetieren untersuchte er die Auswirkungen der Entfernung von Hirngewebe auf das Gedächtnis und hoffte, dass die Entfernung eines bestimmten Teils des Gehirns Gedächtnisspuren beseitigen würde. Leider waren die Aufgaben, die er verwendete, ziemlich komplex und das Ergebnis war, dass je mehr Gehirngewebe er entfernte, desto schlechter die Leistung wurde – genau welches Gewebe es zu sein schien, schien keine Rolle zu spielen. Lashleys Schlussfolgerung war, dass Gedächtnisspuren nicht an einem einzelnen Punkt im Gehirn gespeichert werden, sondern über das gesamte Gehirn verteilt sind. Diese “Feldtheorie” wurde von der Gestaltschule der Psychologie aufgegriffen und wurde ziemlich populär. Die Theorie hatte jedoch Schwierigkeiten, über das Winken von Hand hinauszukommen, wenn es darum ging, genau zu erklären, wie ein solches Modell biologisch implementiert werden könnte. Nach der Erfindung von Lasern und Holographie schlug Lashleys Schüler Karl Pribram in den 1960er Jahren die Idee einer holographischen Gedächtnisspur vor. Die Ideen von Pribram fanden große Beachtung, wurden jedoch nie allgemein akzeptiert, da die empirischen Beweise für sie dürftig waren.

Die Idee, synaptische Verbindungen zum Speichern von Speicher zu verwenden, wird normalerweise Donald Hebbs 1948 erschienenem Buch The Organization of Behavior zugeschrieben . Hebb selbst schrieb es früheren Schriftstellern zu, identifizierte sie aber nicht – er hätte an William James denken können.

In den Anfängen war die Hebb-Theorie nur eine von mehreren konkurrierenden Theorien. Dafür sprechen zwei Faktoren: (1) Hebb gab eine klare Erklärung, wie es auf konzeptioneller Ebene funktionieren könnte; (2) Die Zahlen sind sinnvoll, da es in der menschlichen Hirnrinde in der Größenordnung von hundert Billionen Synapsen gibt, die für 10 Terabyte Speicher ausreichen, wenn Sie ein Bit pro Synapse speichern können. Bis in die 1970er Jahre gab es jedoch nur sehr wenige empirische Beweise, die diese Theorie stützten.

Die populärste konkurrierende Theorie (ohne die Lashley-Pribram-Theorie) schlug vor, dass das Gedächtnis in speziell konstruierten RNA-Molekülen gespeichert wird. Früher schien es Beweise für diese Theorie zu geben (google für “scotophobin”, wenn Sie mehr wissen wollen), aber bei genauer Betrachtung stimmten die Beweise nicht, und auf jeden Fall war es äußerst schwierig, sie zu finden ein plausibler Mechanismus zum Speichern und Abrufen von Gedächtnis mithilfe von RNA.

Das Ereignis, das die Unterstützung für die Hebb-Theorie wirklich festigte, war die Entdeckung eines Prozesses namens “Langzeitpotenzierung”, abgekürzt LTP, in den frühen 1970er Jahren. LTP schien genau die Eigenschaften zu haben, die benötigt wurden, um Synapsen in Speicherelemente umzuwandeln. In den folgenden Jahren wurde LTP zum heißesten Thema in den Neurowissenschaften, und es wurden buchstäblich Zehntausende von Artikeln darüber veröffentlicht. Die Beweise, die seine Rolle im Gedächtnis belegen, sind jetzt überwältigend – es gibt jetzt eine Reihe von Paradigmen, in denen es möglich ist, den Zusammenhang zwischen der Stärkung einer Gruppe von Synapsen und der Bildung eines Verhaltensgedächtnisses direkt zu beobachten.

Lassen Sie mich mit einer Einschränkung enden. Obwohl die Rolle von Synapsen im Gedächtnis endgültig festgelegt ist, bedeutet dies nicht, dass synaptische Veränderungen die einzige Möglichkeit sind, das Gedächtnis zu speichern. Es gibt Gründe zu der Annahme, dass Zellen in einigen Fällen einfache Speicherspuren speichern können, indem sie ihre Schwellenwerte ändern – das heißt, sie sind einfacher oder schwerer zu aktivieren. Die Kapazität dieses Mechanismus ist erheblich kleiner als die Kapazität des Synapsenmechanismus, was jedoch nicht bedeutet, dass er niemals verwendet wird. Es kann auch zusätzliche Formen des Gedächtnisses geben, die epigenetische Änderungen der DNA oder Änderungen der Struktur von Gliazellen (nicht-neuronale Zellen des Nervensystems) oder andere Modifikationen der Zellstruktur beinhalten. Keine dieser Möglichkeiten konkurriert mit der Synapsen-Theorie, sie sind lediglich zusätzliche Möglichkeiten, um spezielle Arten von Gedächtnisspuren zu erzeugen.

Die Aussage “Synapsen sind die Gedächtnis- und Speicherbereiche im Gehirn” ist nicht ganz richtig, insbesondere der letzte Teil. Wenn Leute sagen, Dinge wie “Gedächtnis wird in den Synapsen gespeichert”, ist das nicht wörtlich zu verstehen. Die Stärkung der synaptischen Verbindungen ist ein wesentlicher Bestandteil, aber die Synapsen an sich repräsentieren keine Erinnerungen. Vielmehr werden Erinnerungen als Muster synaptischer Verbindungen im gesamten Kortex gespeichert.

Wie werden Erinnerungen gespeichert?
Stellen Sie sich dieses stark vereinfachte Szenario vor, in dem sich in meinem Hippocampus ein kleines, ungeübtes, spärliches Netzwerk von Pyramidenzellen befindet:

An diesem Tag entscheide ich mich, mein Papier nicht mehr zu schreiben und stattdessen im Internet nach niedlichen Fotos von Katzen zu suchen. Nachdem ich dieses Bild einer entzückenden schlafenden Katze gesehen habe, verschlüsselt mein Gehirn diese Informationen mit einem einzigartigen Aktivitätsmuster. Nur meine postsynaptischen Neuronen, die genügend konvergierende Anregung erhalten, haben genug “Push”, um ebenfalls aktiviert zu werden, und diejenigen, die im Laufe der Zeit stark aktiviert werden, sind diejenigen, die an der Synapse potenziert werden. Diejenigen Synapsen, die möglicherweise keine Langzeitdepression erfahren. Eine langfristige Potenzierung (dh Verstärkung der synaptischen Verbindung) wird am häufigsten durch den Handel und das Einfügen zusätzlicher Rezeptoren in die postsynaptische Dichte erreicht.
Meine Erinnerung an die schlafende Katze ist also in diesem einfachen blauen Netzwerk gespeichert.

Als ich weiter zögere und ein paar weitere Bilder von Katzen im Internet durchstöbere, stoße ich plötzlich auf ein entzückendes orangefarbenes Kätzchen. Mein Gehirn codiert diese zweite Katze mit einem neuen Aktivitätsmuster, das hier durch ein orangefarbenes Netzwerk gekennzeichnet ist. Beachten Sie, wie das mittlere Neuron bei beiden Katzen aktiv ist. Manchmal können solche Überlappungen auftreten.

Da das Gedächtnis jeder Katze über ein bestimmtes Netzwerk von Neuronen verteilt ist, halten die Synapsen das Gedächtnis sozusagen zusammen.

In der Summe wird das Gedächtnis als eindeutiges Muster neuronaler Aktivität codiert. Synapsen können keine bestimmten Erinnerungen darstellen, aber Modifikationen an der Synapsen sind wichtig für die Gedächtnisbildung.

Zuallererst, warum scheint das Sie so zu erschweren?

Es gibt eine Menge Dinge, auf die wir keine Antworten kennen, aber wir machen immer noch Theorien… Warum müssen wir schlafen? Was ist die Natur des Universums? Wie bleibt ein Fahrrad stehen (überraschenderweise argumentieren die Leute das)? Gibt es einen Gott? Ein Leben nach dem Tod?

Wie Sie bereits erwähnt haben, ist diese Theorie zur Erinnerung genau das, eine Theorie. Das heißt, es ist eine sehr tragfähige Theorie, die durch große Mengen an Forschung gestützt wird. Vast.

Informieren Sie sich zuerst über das Thema und bilden Sie sich dann eine Meinung.

Informieren Sie sich über Langzeitpotenzierung (LTP) und Langzeitdepression (LTD), über die Physiologie des Hippocampus und über die Mechanismen, nach denen er arbeitet. Studieren Sie die verschiedenen Arten des Gedächtnisses (arbeiten, kurzzeitig, langfristig, “Muskel”, emotional, etc.), lernen Sie einige Gedächtnisstörungen wie Alzheimer und die Mechanismen, wie sie funktionieren, und Sie werden sehen, dass die Gehirn ist keine Zauberei , es gibt eine Methode, wie das alles funktioniert.

Bitte kommen Sie mit gebildeten Fragen zurück, ich kenne mich mit dem Gehirn bestens aus und würde sie gerne mit Ihnen besprechen, sobald Sie aufgeholt sind 🙂

Tom und Josh haben bei der Beantwortung Ihrer Frage gute Arbeit geleistet, aber ich denke, hier gibt es ein tieferes Problem: Sie scheinen nicht genau zu verstehen, wie Wissenschaft funktioniert. Mach dir keine Sorgen, du bist nicht allein.

Kein Forscher wird sagen, dass die derzeitige Theorie die perfekte ist, um zu erklären, wie Lernen und Gedächtnis funktionieren. In der Tat, wenn dies der Fall wäre, wären all diese Wissenschaftler arbeitslos. Wir fangen gerade an, das Gehirn zu verstehen, wie es funktioniert, warum es das tut, was es tut. Ich denke, wir lernen gerade, wie man gute Fragen über das Gehirn stellt. Die Wissenschaft, insbesondere die Neurowissenschaften, wandelt sich rasant und die Theorien werden ständig überarbeitet.

Ihre Aussage, dass „Synapsen die Speicher- und Speicherbereiche im Gehirn sind“, ist bestenfalls eine klobige Annäherung an das aktuelle Verständnis. Die Breite dessen, was wir derzeit wissen, ist viel subtiler und komplexer. Ich würde Joshs Vorschlag, online nach Büchern oder Vorlesungen über das, was wir über Lernen und Gedächtnis wissen, zu suchen, folgen. Der Grund, warum Wissenschaftler an dem synaptischen Verständnis festhalten, ist, dass viele, viele gut entwickelte und völlig unabhängige Experimente diese Hypothesen stark unterstützt haben. Wir ziehen dieses Zeug nicht einfach aus der Luft.

Auch dies bedeutet nicht, dass die synaptische Theorie perfekt ist. Wenn eine andere Theorie hinzukommt, die die neuronalen Mechanismen des Lernens eleganter und robuster beschreibt und mehr Beweise dafür hat, wird die synaptische Theorie mit Sicherheit sehr schnell revidiert und aufgenommen.

Wie Josh sagt, sind Sie schnell dabei, die synaptische Theorie zu verwerfen, scheinen aber wenig Verständnis dafür zu haben und bieten keine bessere alternative Erklärung. Solange Sie nicht in der Lage sind, eine Theorie anzubieten, die die oben genannten Kriterien erfüllt (mehr Beweise, einfacher, eleganter, robuster), sollten Sie so viel wie möglich lernen.

Letztendlich sind es nur diejenigen, die eine Theorie wirklich verstehen, die sie widerlegen können.

Es gibt Computersimulationen, die als “künstliche neuronale Netze” (ANN) bezeichnet werden und deren Informationen in den Gewichten der Verbindungen zwischen Neuronen im Netz gespeichert sind. Diese haben ähnliche Fähigkeiten wie biologische neuronale Netze, was darauf hindeutet, dass dies tatsächlich die Methode sein kann, mit der das Gehirn Informationen speichert.

Künstliche neuronale Netz

Sehen Sie diesen (2012) Rückblick auf das, was wir über das biologische Gedächtnis wissen

Wir verstehen jetzt in beträchtlichen molekularen Einzelheiten die Mechanismen, die der langfristigen synaptischen Plastizität zugrunde liegen, und die Bedeutung, die solche plastischen Veränderungen für die Speicherung des Gedächtnisses in einer Vielzahl von Arten und Formen des Gedächtnisses spielen. Eine überraschende Erkenntnis ist der bemerkenswerte Grad der Erhaltung von Gedächtnismechanismen in verschiedenen Hirnregionen innerhalb einer Art und zwischen Arten, die durch die Evolution weit voneinander getrennt sind. Obwohl jetzt klar ist, dass die synaptische Langzeitplastizität ein entscheidender Schritt bei der Speicherung des Gedächtnisses ist, ist zu beachten, dass eine einfache Verbesserung der Wirksamkeit einer Synapse nicht ausreicht, um ein komplexes Gedächtnis zu speichern. Vielmehr müssen Änderungen der synaptischen Funktion im Kontext eines Ensembles von Neuronen auftreten, um eine spezifische Änderung des Informationsflusses durch einen neuronalen Schaltkreis hervorzurufen.

Synapsen und Speicher

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