Das Replay

Eine Ratte schläft in einer Ecke des Ableitungsraums. Der Verstärker läuft weiter, das LFP rollt langsam dahin, die Zellen sind still geworden. Dann steigt ohne Vorwarnung eine fünfzig Millisekunden lange Salve hochfrequenter Oszillation aus dem Rauschen auf, und in diesen fünfzig Millisekunden feuern die Ortszellen, die vor zehn Minuten das Labyrinth durchlaufen haben, erneut — in derselben Reihenfolge wie beim Lauf, nur zwanzigmal schneller. Das Tier bewegt sich nicht. Das Gehirn hat gerade das Erlebnis des Vormittags geprobt.

Das ist Replay, und es ist das zentrale Phänomen des restlichen Teils dieser Seite. Fragmente jüngster Wachaktivität werden innerhalb kurzer, stereotyper LFP-Ereignisse in ruhigen Zuständen reproduziert — im Schlaf, in schläfriger Reglosigkeit, in den Momenten zwischen Durchgängen. Erstmals berichtet wurde Replay von Wilson und McNaughton 1994, acht Jahre später von Lee und Wilson geschärft, und es hat sich über Hunderte von Folgestudien gehalten. Die Ereignisse komprimieren reale Wachsequenzen auf einen Bruchteil ihrer ursprünglichen Dauer, bewahren die Reihenfolge und wiederholen sich tausendfach pro Nacht.

Die Verpackung zählt so viel wie der Inhalt. Replay reitet auf einer bestimmten LFP-Signatur namens Sharp-Wave-Ripple — kurz SWR —, die entsteht, wenn Zehntausende CA1-Neuronen sich für eine kurze, strukturierte Salve synchronisieren. Führen Sie im Tiefschlaf einen Draht ins Stratum pyramidale, und Sie hören neben dem langsamen Brummen des Kortex etwa einmal pro Sekunde eine Folge diskreter elektrischer Knackser. Jeder Knackser ist ein SWR. Und jeder ist nach derzeit bester Evidenz das Gehirn, das etwas probt.

Das Zwei-Stufen-Modell des Gedächtnisses

Replay verdient ein eigenes Kapitel wegen des Rahmens darum herum. Der Hippocampus ist bekanntlich gut im schnellen Lernen — episodisches Gedächtnis ist eine Ein-Schuss-Angelegenheit —, aber er ist ebenso bekanntlich klein, und die Erlebnisse, die er halten kann, beschränken sich auf die jüngste Vergangenheit. Der Kortex dagegen lernt langsam, fasst enorme Mengen und widersteht dem Vergessen. Das Zwei-Stufen-Modell des Gedächtnisses, ursprünglich von Marr 1971 und in den 1990er Jahren von Buzsáki, McClelland, McNaughton und O’Reilly ausgearbeitet, schlägt vor, dass diese Arbeitsteilung durch Replay gelöst wird: Der Hippocampus lernt im Wachzustand einmal, probt die Spur dann still in ruhigen Zuständen und erlaubt dem Kortex, die neue Information über viele Expositionen mit niedriger Rate zu integrieren. Ohne Replay lässt sich im Modell ein hippocampaler Ein-Schuss nicht sicher in ein kortikales Langzeitgedächtnis überführen.

Das Modell sagt außerdem vorher, dass die Störung von SWRs im Schlaf nach der Aufgabe das Gedächtnis am nächsten Tag beeinträchtigen sollte. Diese Vorhersage wurde geprüft und hat gehalten. Girardeau et al. (2009), Ego-Stengel und Wilson im selben Jahr sowie mehrere Folgearbeiten zeigten alle, dass eine Closed-Loop-Abschaltung von SWRs im Schlaf — elektrisch oder optogenetisch — das anschließende räumliche Verhalten verschlechtert. Replay ist nicht bloß eine verdächtige Korrelation; es ist kausal an der Konsolidierung jüngster Erlebnisse beteiligt.

Wie Kompression aussieht

Zwei Zustände, dieselben acht Neuronen, dieselbe Verhaltenssequenz. Sehen Sie zu, wie die Zellen über vier Sekunden Lauf der Reihe nach feuern, und dann, wie das gesamte Muster innerhalb eines einzigen Sharp-Wave-Ripples von unter einer fünftel Sekunde wieder auftaucht. Drücken Sie Abspielen, um die Zeitachse abzufahren.

Zweierlei ist bemerkenswert. Erstens bleibt die Reihenfolge erhalten — die Zelle, die im Lauf zuerst feuerte, feuert auch im Replay zuerst. Das Replay ist nicht bloß eine Aktivitätssalve; es ist eine Sequenz. Zweitens ist die Zeitkompression real und drastisch. Eine Durchquerung, die im Wachzustand mehrere Sekunden dauerte, wird in rund hundertfünfzig Millisekunden geprobt. Der Faktor liegt in der Literatur meist bei etwa zwanzig, wobei die genaue Kompression von der Zelle, der Laufgeschwindigkeit und davon abhängt, ob das Replay vorwärts oder rückwärts läuft. Ja — Foster und Wilson (2006) zeigten, dass manche Replays rückwärts laufen, der Lauf gleichsam zurückgespult, was eine ganz eigene reizvolle Komplikation ist und uns vermutlich etwas über belohnungsgetriebene Bewertung verrät.

Zwei Tatsachen, die die ganze Arbeit leisten

Zwei Eigenschaften des Replays tragen die übrigen Experimente auf dieser Seite, und ihre Kombination macht das Design überhaupt möglich:

(a) Verschiedene Erinnerungen erzeugen verschiedene Replay-Muster. Eine Ratte, die zwei Arenen gelernt hat, spielt in einem einzigen Schlaf beide ab. Ein Decoder, der auf den wachen Ortskarten beider Räume aufbaut, kann in der Regel sagen, welche Arena ein gegebenes Ereignis gerade probt. Das Remapping (Kapitel 3) ist es, was die Muster überhaupt unterscheidbar macht.

(b) Die Störung des Replays beeinträchtigt das Gedächtnis. Ein Laserblitz durch ArchT-exprimierende Pyramidenzellen während eines detektierten SWR legt dieses SWR binnen Millisekunden still, und die Auswirkung auf das räumliche Verhalten am Folgetag ist in der Literatur robust.

Legen Sie (a) und (b) übereinander, und Sie haben das Experiment, um das herum Igors Promotion gebaut war. Trainieren Sie eine Ratte auf zwei Arenen. Beobachten Sie den Schlaf nach der Aufgabe. Entscheiden Sie für jedes detektierte Replay-Ereignis in Echtzeit, welche Arena es repräsentiert. Stören Sie nur die Ereignisse, die nach Raum A aussehen; lassen Sie Raum-B-Replays unangetastet passieren. Wenn alles funktioniert, sollte sich das Tier später normal an Raum B erinnern und in Raum A schlecht suchen — dieselben Neuronen, dasselbe Tier, dieselbe Nacht, dieselbe Hirnchemie, zwei verschiedene Erinnerungen mit zwei verschiedenen Schicksalen. Die Kontrolle ist der eigene Kopf der Ratte.

Die Mathematik, die Operation, der Decoder, die erhaltene Sequenz, die SWRs, das Zwei-Raum-Paradigma — alles hat auf diesen einen experimentellen Zug hingedeutet. Von hier an handeln die Kapitel davon, ihn zum Laufen zu bringen.

Die erste Komplikation betrifft das Timing. In dem Moment, in dem das LFP Ihnen zeigt, was wir oben als sauberen Sharp-Wave-Ripple gerendert haben, sind bereits mehrere Dutzend Millisekunden Replay verstrichen; die Salve, auf die Sie reagieren, ist größtenteils schon vorbei. Wer ein Replay unterbrechen will, während es geschieht, kommt mit der SWR-Signatur selbst zu spät. Igor verwendete ein völlig anderes Signal — und darum geht es im nächsten Kapitel.