De neurowetenschap beschrijft geheugenvorming als de langdurige versterking van synaptische verbindingen. Dit is wanneer de elektrische en chemische signalen tussen zenuwcellen sterker worden en de synaptische verbinding langer behouden blijft. Na⁺- en Ca²⁺-ionen spelen een belangrijke rol in dit proces, waarbij vroege potentiëring leidt tot kortetermijnherinneringen en late potentiëring leidt tot langetermijnherinneringen. Herhaaldelijk leren en emotionele toestanden hebben ook invloed op de geheugenvorming.
Veel onderzoeken in de neurowetenschappen beschrijven de vorming van herinneringen als ‘potentiëring op lange termijn’. Volgens deze theorie maken zenuwcellen in de hersenen synaptische verbindingen die informatie delen door elektrische en chemische signalen over synapsen, de gaten tussen cellen, te verzenden. Wanneer deze signalen sterk genoeg zijn om de synaptische verbinding lange tijd open te houden, wordt dit langetermijnpotentiatie genoemd, en dit is hoe herinneringen worden gevormd.
Om beter te begrijpen hoe herinneringen worden gevormd, moeten we kijken naar de basisstructuur en functie van neuronen. Neuronen bestaan over het algemeen uit drie hoofdonderdelen: het cellichaam, het axon en de dendrieten. Het cellichaam bevat de kern en de meeste celorganellen, terwijl het axon verantwoordelijk is voor het verzenden van elektrische signalen over lange afstanden. Dendrieten zijn verantwoordelijk voor het ontvangen van signalen van andere zenuwcellen. Deze structuren werken samen om de overdracht en verwerking van informatie mogelijk te maken.
Synaptische verbindingen zijn gebaseerd op de activiteit van ionen in zenuwcellen. Ionen bewegen zich in en uit het neuronale membraan door te diffunderen van hogere naar lagere concentraties en door te migreren. Deze beweging van ionen verandert de toestand van het neuron. Allereerst zijn er bij afwezigheid van externe prikkels vooral meer kationen buiten het celmembraan en meer anionen binnenin, wat resulteert in polarisatie, die de binnen- en buitenkant van het celmembraan verdeelt in respectievelijk positieve en negatieve ladingen. Tijdens dit proces bevindt het neuron zich in een stabiele toestand. Wanneer er echter een externe stimulus is, zoals nieuwe informatie, diffunderen de positief geladen Na⁺ (natriumionen) van buiten naar binnen, waardoor depolarisatie ontstaat, waardoor een positieve lading in de cel wordt opgebouwd. Depolarisatie zorgt ervoor dat de zenuwcel opgewonden raakt en een actiepotentiaal vormt, wat een elektrisch signaal is. Wanneer een zenuwcel opgewonden raakt, diffunderen Ca²⁺ (calciumionen) van buiten de cel naar binnen. Deze Ca²⁺ geeft vervolgens verschillende neurotransmitters vrij, waaronder glutamaat, die chemische signalen uitzenden. Deze signalen binden zich met andere zenuwcellen en vormen synaptische verbindingen. De cel die het chemische signaal uitscheidt, wordt de presynaptische cel genoemd, en de cel die het chemische signaal ontvangt, wordt de postsynaptische cel genoemd.
De langdurige versterking van deze synaptische verbindingen is te danken aan de rol van glutaminezuur en Ca²⁺. Glutamaat dat vrijkomt door een opgewonden presynaptische cel stimuleert ampa-receptoren en NMDA-receptoren op de postsynaptische cel. Ten eerste gaan de kanalen van de ampa-receptoren open wanneer ze worden gestimuleerd door grote hoeveelheden glutamaat. De diffusie van Na+ in deze kanalen zorgt ervoor dat de postsynaptische cel depolariseert en opgewonden raakt. Dit zorgt ervoor dat Mg²⁺ (magnesiumionen) worden verwijderd uit de route van de NMDA-receptor die wordt gestimuleerd door glutamaat, waardoor de route wordt geopend. Na⁺ en Ca⁺ komen vervolgens door diffusie het open NMDA-receptorkanaal binnen. De instroom van Ca²⁺ activeert eiwitten in de cel en de geactiveerde eiwitten creëren nieuwe ampa-receptoren. Als gevolg hiervan ontvangt de postsynaptische cel meer Na⁺, wat de depolarisatie versterkt, en gaat de instroom van Ca²⁺ door, waardoor deze langer opgewonden kan blijven.
Opgewonden postsynaptische cellen sturen ook signalen terug naar presynaptische cellen om de hoeveelheid glutamaat die ze vrijgeven te vergroten, waardoor de synaptische verbinding verder wordt versterkt. Hierdoor kan de synaptische verbinding maximaal drie uur duren, wat vroege langetermijnpotentiatie wordt genoemd. Synaptische verbindingen kunnen daarentegen langer dan 24 uur aanhouden, wat late potentiëring wordt genoemd. Wat late potentiëring anders maakt dan vroege potentiëring is dat het de synthese van nieuwe eiwitten met zich meebrengt. Omdat ampa-receptoren een korte levensduur hebben, moeten er nieuwe ampa-receptoren worden gemaakt om synaptische verbindingen in stand te houden, en dit kan niet worden gedaan door alleen de eiwitten in de cel te gebruiken, zoals bij vroege potentiëring. Daarom moeten nieuwe eiwitten worden gesynthetiseerd om door te gaan met het maken van ampa-receptoren. Neurowetenschappers geloven dat het kortetermijngeheugen wordt gevormd door vroege langetermijnpotentiatie en dat het langetermijngeheugen wordt gevormd door late langetermijnpotentiatie.
Interessant genoeg is dit proces niet alleen biologisch, maar ook diep verbonden met de psychologische aspecten van leren en geheugen. Herhaaldelijk leren en ervaringen versterken bijvoorbeeld de synaptische verbindingen, waardoor bepaalde informatie of vaardigheden persistenter worden en gemakkelijker te onthouden zijn. Dit verklaart waarom herhaling en oefening belangrijk zijn als we nieuwe informatie leren. Stress en emotionele toestanden kunnen ook de synaptische versterking beïnvloeden, wat een rol speelt bij de vorming en het oproepen van herinneringen. Deze integratieve benadering laat zien dat neurowetenschappen meer is dan alleen een biologische studie en verbonden is met vele andere vakgebieden, zoals psychologie en onderwijs.
