Dynamics of memory transformation : Updating our knowledge of systems consolidation

Abstract

Memories are essential to everything in our lives and we constantly rely on them in all our actions and decisions. How memories are represented in our brain is therefore decisive to an overall better understanding of our brain functions, behaviour and cognition. However, a fundamental aspect of memory, i.e. the process of systems consolidation is still under vigorous debate. Different opinions exist on how memory representations change over time and how these changes are related to the transformation of memory quality. Especially the role of the hippocampus in representing detailed remote memories is still controversially discussed. This thesis contributes to this ongoing debate by examining different aspects of systems consolidation and relating them to the concept of memory dynamics. A review of different systems consolidation studies revealed, that varying time intervals have been used to test this process. For a more precise comparison of systems consolidation studies, I therefore propose a division into an early systems consolidation phase, comprising changes at brain systems level during the decisive first night of sleep, and a prolonged phase, examining consolidation during the following weeks. While investigating prolonged systems consolidation of declarative memories, we additionally illustrated the importance of dividing the hippocampus along its long axis. The transformation from detailed to gist-like memories across time was accompanied by changes along this axis, with anterior hippocampus involved in retrieving detailed memories and posterior hippocampus representing gist-like memories. We also investigated the prolonged systems consolidation process of nondeclarative motor memories, highlighting the involvement of the lateral prefrontal cortex in representing remote motor sequence memories. Finally, we demonstrated that memories which have already undergone an early systems consolidation phase can be dynamically updated by new information through a neural process orchestrated by the dorsolateral prefrontal cortex. Conclusively, this thesis adds valuable information to the present systems consolidation theories by focussing on more precise research questions regarding both brain structures and time intervals.

Unser Gedächtnis ist für uns von wesentlicher Bedeutung und wir verlassen uns bei all unseren Handlungen und Entscheidungen ständig auf unsere Erinnerungen. Kenntnisse darüber, wie Erinnerungen in unserem Gehirn repräsentiert sind, sind daher entscheidend für ein allgemein besseres Verständnis unserer Gehirnfunktionen. Ein grundlegender Aspekt des Gedächtnisses, der Prozess der systemischen Gedächtniskonsolidierung, wird jedoch noch ausgiebig diskutiert. Es gibt unterschiedliche Meinungen darüber, wie sich neuronalen Gedächtnisrepräsentationen im Laufe der Zeit verändern und wie sich diese Veränderungen auf die Qualität der Gedächtnisinhalte auswirken. Insbesondere die Rolle des Hippocampus bei der Repräsentation detaillierter weit zurückliegender Erinnerungen wird immer noch kontrovers diskutiert. Derzeit werden unterschiedliche Zeitintervalle zum Testen der systemische Gedächtniskonsolidierung verwendet. Für einen genaueren Vergleich verschiedener Studien wird in dieser Arbeit eine Einteilung in eine frühe systemische Gedächtniskonsolidierungsphase und eine weiterführende systemische Gedächtniskonsolidierungsphase vorgeschlagen. Bei der Untersuchung der weiterführende systemische Gedächtniskonsolidierungsphase deklarativer Erinnerungen haben wir zusätzlich die Bedeutung der Aufteilung des Hippocampus entlang seiner Längsachse verdeutlicht. Wir untersuchten auch die weiterführende systemische Gedächtniskonsolidierungsphase nicht-deklarativer motorischer Gedächtnisspuren, wobei wir die Beteiligung des lateralen präfrontalen Kortex an der Repräsentation mehrerer Wochen alter motorischer Erinnerungen hervorhoben. Schließlich haben wir gezeigt, dass Erinnerungen, die bereits eine frühe systemische Gedächtniskonsolidierungsphase durchlaufen haben, durch einen neuronalen Prozess, der vom dorsolateralen präfrontalen Cortex gesteuert wird, dynamisch durch neue Informationen aktualisiert werden können.