Eine Erinnerung abschalten
Der Decoder sagte „Raum A“. Der HSE-Detektor gab es frei. Der Laser feuerte. Was geschah in den nächsten paar hundert Millisekunden tatsächlich im Hippocampus? Dieses Kapitel handelt von der Biologie auf der anderen Seite dieses TTL-Pulses — wie Licht ein Neuron stilllegt, warum das Stilllegen mancher Neuronen andere Neuronen stärker feuern lässt, und warum der Nettoeffekt auf das Gedächtnis Störung ist und nicht zufälliges Rauschen.
Das Werkzeug ist Archaerhodopsin-T, kurz ArchT. Es ist eine lichtempfindliche Protonenpumpe, ursprünglich in Bodenarchaeen gefunden und für die Neurowissenschaft umkonstruiert. Wird ein ArchT-exprimierendes Neuron mit gelbgrünem Licht von etwa 532 Nanometern beleuchtet, aktiviert sich die Pumpe und schiebt positive Ladung aus der Zelle. Das Membranpotenzial fällt. Das Feuern hört auf. Der Effekt beginnt binnen einer Millisekunde nach der Beleuchtung und kehrt sich binnen weniger Millisekunden nach dem Abschalten des Lichts wieder um. Für ein Closed-Loop-System, das auf der Zeitskala eines einzelnen Sharp-Wave-Ripples arbeitet, ist genau diese Reaktionsgeschwindigkeit das, was das Experiment braucht.
ArchT in die Zielzellen zu bringen, erfordert einen viralen Vektor. Ein adeno-assoziierter Virus, der das ArchT-Gen unter dem CaMKIIα-Promotor trägt, wird in CA1 beider Hippocampi injiziert; der Promotor ist nur in erregenden Zellen aktiv, sodass die Expression pyramidenzellspezifisch bleibt. Ein grün fluoreszierender Proteinanhang (das „T“ in ArchT-T) lagert sich mit dem Opsin zusammen und liefert eine fluoreszierende Auslesung, welche Zellen den Virus exprimiert haben — die histologische Kontrolle, die jedes solche Experiment verlangt, bevor Daten interpretiert werden dürfen. Vier bis sechs Wochen nach der Injektion ist die Expression stabil, und das Tier kann implantiert werden.
Der Schaltkreis: Warum Stilllegen Erregung erzeugt
Hier ist der Teil, über den viele stolpern. Eine Population von Pyramidenzellen stillzulegen entfernt nicht einfach Aktivität aus dem Hippocampus. Es erhöht zugleich vorübergehend die Aktivität in anderen Pyramidenzellen.
Der Grund ist der lokale Interneuronschaltkreis. CA1-Pyramidenzellen treiben rückgekoppelte Hemmung über eine Gruppe schnell feuernder Interneurone — vor allem parvalbuminpositive Korbzellen —, die ihrerseits die breitere Pyramidenzellpopulation unterdrücken. Diese Rückkopplung hält das Netz davon ab, in jedem Moment in synchrone Salven zu kaskadieren. Wird eine Teilpopulation von Pyramidenzellen (die ArchT-exprimierenden) stillgelegt, sinkt ihr erregender Antrieb auf jene Interneurone. Die Interneurone erhalten weniger Eingang, feuern weniger und liefern daher weniger Hemmung an die übrigen Pyramidenzellen. Diese verbleibenden Zellen — jene, die kein ArchT exprimieren — verlieren kurzzeitig ihre tonische Unterdrückung und feuern stärker.
Das ist Disinhibition, und sie ist kein Fehler, der nur diesem Experiment eigen wäre; sie ist ein generisches Merkmal jedes Schaltkreises, in dem erregende Zellen ihre eigenen Hemmer antreiben. Die Animation unten zeigt die Abfolge. Achten Sie auf die Reihenfolge: Zuerst verdunkeln sich die ArchT-Zellen, dann verstummen die Interneurone, dann leuchten die Nicht-ArchT-Pyramidenzellen auf. Die gesamte Kaskade entfaltet sich im selben Hundert-Millisekunden-Fenster wie das gestörte SWR.
Die Disinhibition wirft einen berechtigten Einwand auf: Wenn Nicht-ArchT-Pyramidenzellen während des Laserpulses stärker feuern, verstärkt der Eingriff dann Teile des Replay-Musters, statt es bloß zu stören? Die Publikation ist dem direkt nachgegangen. Die Ortszellenidentität der gestörten und der ungestörten Populationen wurde über Sitzungen hinweg verfolgt, und der Gedächtniseffekt — der Leistungsabfall im Test speziell für den Zielraum — hielt über Tiere hinweg, unabhängig davon, wie viel der Population zufällig ArchT exprimierte. Der dominierende Effekt ist eine Störung auf Ensembleebene, keine selektive Verstärkung des nicht exprimierenden Anteils.
Warum inhaltsspezifische Störung etwas anderes ist
Frühere Closed-Loop-Experimente zur Schlafstörung (Girardeau et al. 2009, Ego-Stengel und Wilson 2010) haben gezeigt, dass das Abschalten von SWRs im Schlaf nach der Aufgabe das räumliche Gedächtnis beeinträchtigt. Diese Experimente verwendeten elektrische Stimulation, die jeden Ripple unterbrach, unabhängig vom Inhalt. Das Design ist wirkmächtig, aber grob: Aus einem Gedächtnisdefizit lässt sich nicht schließen, ob das Replay die Konsolidierung antrieb oder nur mit ihr korrelierte, weil man alles Replay unterschiedslos gestört hat. Jede Kontrollerinnerung, die das Tier haben mag, ist gleichermaßen gestört.
Inhaltsspezifische Störung verändert die logische Struktur des Experiments. Wenn eine auf zwei Arenen trainierte Ratte nach selektiver Störung der Raum-A-Replays ein Defizit im Raum-A-Gedächtnis zeigt, das Raum-B-Gedächtnis aber intakt bleibt — beides gemessen im selben Tier, von denselben Neuronen, über dieselbe Schlafsitzung —, dann ist das Ergebnis auf eine Weise intern kontrolliert, die eine pauschale Störung nicht erreichen kann. Das Raum-B-Gedächtnis ist das Kontrafaktische: das, was das Gehirn des Tieres mit Raum A getan hätte, wäre der Laser aus geblieben.
Die Disinhibition verleiht dieser Aussage zusätzliche Textur. Die Nicht-ArchT-Pyramidenzellen erfahren während jedes anvisierten SWR eine kurze Erregung. Wenn überhaupt, erzeugt das eine milde Tendenz zur Stärkung von Raum-B-Zellen (sofern sie zufällig mit dem Nicht-ArchT-Anteil in Raum A gemeinsam feuern), was dem Auffinden eines Defizits entgegenwirken würde. Dass die Testleistung für Raum A trotz dieses Gegendrucks abfällt, macht das Ergebnis eher zu einer konservativen Schätzung des tatsächlichen Ausmaßes der Störung.
Die Biologie und die Technik sind nun vollständig zusammengesetzt. Kapitel 8 ist die Auszahlung: Hat die Ratte vergessen?