Wie findet unser Gehirn den Weg, speichert Erinnerungen und ordnet Gedanken? Die Antwort liegt in einem ausgeklügelten System, das ursprünglich für die räumliche Orientierung entwickelt wurde. Neurowissenschaftler haben entdeckt, dass das Gehirn diese Mechanismen nutzt, um nicht nur durch physische Räume zu navigieren, sondern auch abstrakte Konzepte zu verstehen und zu organisieren.
Das Navigationssystem im Gehirn
Im Schläfenlappen des Gehirns befindet sich die Hippocampusformation, ein Areal, das für Gedächtnis und räumliche Orientierung von entscheidender Bedeutung ist. Innerhalb dieser Formation spielen verschiedene Zelltypen eine Schlüsselrolle bei der Navigation:
- Ortszellen: Diese Zellen, die 1971 von John O'Keefe entdeckt wurden, signalisieren die eigene Position im Raum. Jede Ortszelle ist für einen bestimmten Ort zuständig. So feuert beispielsweise eine Zelle am Schreibtisch, eine andere am Fenster und wieder eine andere an der Tür. Es gibt Zehntausende dieser Neuronen, die zusammen den gesamten Raum abbilden.
- Gitterzellen: Diese Zellen, die 2005 von May-Britt und Edvard Moser entdeckt wurden, codieren die Struktur der Umgebung. Eine einzelne Gitterzelle feuert an vielen verschiedenen Orten, die aber zusammen ein hexagonales Gittermuster ergeben. Dieses Gittermuster ermöglicht es dem Gehirn, Distanzen zu messen und die eigene Orientierung im Raum festzustellen.
- Kompasszellen: Diese Zellen zeigen die Richtung an, in die der Kopf gedreht ist - und damit die Laufrichtung.
- Geschwindigkeitszellen: Diese Zellen codieren die Laufgeschwindigkeit.
- Grenzzellen: Diese Zellen codieren die Distanz zu einer Wand.
- Objektvektorzellen: Diese Zellen geben an, in welcher räumlichen Position wir uns relativ zu Objekten in unserer Umgebung befinden.
Alle diese Zelltypen zusammen bilden das Navigationssystem des Gehirns, das eine interne kognitive Karte erzeugt. Die Entdeckung der Orts- und Gitterzellen wurde 2014 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.
Die Rolle von Theta-Oszillationen
Frühere Studien hatten bereits ergeben, dass die Oszillationen in der neuronalen Aktivität beim Navigieren ein charakteristisches Muster aufweisen. Die Theta-Oszillationen, bei denen sich die Hirnaktivität mit einer Frequenz von ungefähr vier Hertz ändert, scheinen eine zentrale Rolle zu spielen. Während die Probanden im Gedächtnis nach dem passenden Ort suchten und in der virtuellen Umgebung zu diesem Ort navigierten, reaktivierte das Gehirn die ortscharakteristischen Aktivitätsmuster. Diese Reaktivierung der Hirnaktivität erfolgte für verschiedene Objekt-Ort-Paare zu verschiedenen Zeitpunkten im Verlauf der Theta-Oszillationen. „Die Theta-Oszillationen könnten also die Reaktivierung verschiedener Erinnerungen koordinieren und außerdem helfen, konkurrierende Erinnerungen auseinanderzuhalten“,
Navigationsstrategien: Egozentrisch vs. Allozentrisch
Es gibt verschiedene Strategien und Systeme im Gehirn, die unterschiedliche Arten von Navigation ermöglichen.
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- Egozentrische Navigation: Bei dieser Strategie ist die eigene Person der Ausgangspunkt. Man navigiert mit Hilfe von Links-Rechts-Kommandos. Zum Beispiel: "Gehe jetzt eine Straße geradeaus und biege links ab. Dann weiter und dann rechts abbiegen."
- Allozentrische Navigation: Diese Strategie bezieht die Lage von Orten nicht mehr auf die eigene Person, sondern auf die relative Position zueinander. Man orientiert sich an prominenten Landmarken und hat einen persönlichen Stadtplan im Kopf. Wenn dann irgendwo eine Straße gesperrt ist, macht uns das nicht so viel aus, weil wir wissen, wo wir uns befinden.
Die Anwendung auf abstrakte Konzepte: Kognitive Räume
Die Forschung hat gezeigt, dass das Navigationssystem im Gehirn nicht nur für die räumliche Orientierung zuständig ist, sondern auch für höhere kognitive Funktionen wie das Konzeptlernen. Das Gehirn nutzt eine räumliche Codierung, um Dinge anhand gemeinsamer Eigenschaften gedanklich in Klassen oder Konzepte zusammenzufassen. Diese werden auch als "kognitive Räume" bezeichnet.
Jede Eigenschaft stellt eine Dimension dar, entlang derer sich ein kognitiver Raum aufspannt. Objekte von ähnlicher Beschaffenheit liegen in dieser mentalen Karte nah beieinander und solche, die sich stark unterscheiden, weit voneinander entfernt.
Beispiel: Autos
Unser Wissen über Autos ist multidimensional. Man kann Fahrzeuge entlang verschiedener Dimensionen anordnen: Gewicht, Motorstärke, Anzahl an Sitzen, Preis usw. Im kognitiven Raum ist jede Merkmalskombination an einem bestimmten Ort positioniert. Ein günstiges Auto mit wenigen Sitzen ist in diesem Raum weit entfernt von einem teuren Van.
Soziale Beziehungen
Studien haben gezeigt, dass das Gehirn sogar soziale Beziehungen räumlich codiert. Genau wie Fahrzeuge kann man auch seine Mitmenschen je nach Eigenschaft und sozialem Verhältnis entlang von Dimensionen anordnen. Bei Kollegen sind es beispielsweise die hierarchische Position im Unternehmen und die Nähe zum eigenen Tätigkeitsbereich. Bei Freunden achten wir vielleicht mehr darauf, wie eng das Verhältnis ist und wie sehr sich die Interessen ähneln.
Der Vorteil des räumlichen Organisationsprinzips
Das Orts- und Gitterzellsystem hat den entscheidenden Vorteil, dass es komplexe, multidimensionale Informationen in Räumen mit wenigen Dimensionen repräsentiert. So kann das Gehirn sehr viele Elemente und deren Verhältnis zueinander abspeichern. Zugleich ist das System sehr dynamisch und anpassungsfähig.
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Diese Anpassungsfähigkeit ist auch nützlich für höhere kognitive Aufgaben, die mit räumlicher Navigation nichts zu tun haben, etwa das Konzeptlernen. Außerdem ermöglicht es dieses Organisationsprinzip, Gelerntes zu generalisieren, also auf neue Situationen zu übertragen, was ebenfalls entscheidend fürs Überleben ist.
Räumliche Anordnung von Lerninhalten
Die Forschung legt nahe, dass eine räumliche Anordnung von Lerninhalten für dieses interne Kartensystem besonders gut geeignet ist. Wir arrangieren Vokabeln räumlich nach ihrer Bedeutung oder zeichnen komplexe Zusammenhänge grafisch auf, um Beziehungen zu erkennen.
Individuelle Unterschiede und parallele Verarbeitungswege
Manche Menschen können sich besser im Raum orientieren als andere. Es stellt sich die Frage, ob Personen mit gutem Orientierungssinn entsprechend leichter neue Konzepte lernen oder soziale Gefüge durchschauen. Die Studienlage dazu ist noch nicht so klar, aber es ist anzunehmen, dass ein effizientes Gitterzellsystem die Fähigkeit verbessert, strukturelle Informationen zu repräsentieren und Wissen zu übertragen.
Es ist wichtig zu beachten, dass das Gehirn meist mehrere parallele Verarbeitungswege bietet, um das Gleiche zu erreichen. Im Fall der Navigation gibt es zum Beispiel noch weitere neuronale Strukturen jenseits des Hippocampus, die uns von A nach B kommen lassen. Man kann sich einerseits eine kognitive Karte der Stadt aufbauen, um den Weg zum Museum zu finden. Man kann sich aber auch einfach merken: zweimal rechts, dreimal links, dann bin ich am Ziel.
Anwendung in der künstlichen Intelligenz
Die Erkenntnisse über die räumliche Codierung von Informationen im Gehirn können auch in der Entwicklung künstlicher Intelligenz helfen. Insbesondere das Gitterzellsystem könnte als Vorbild dienen, wenn es darum geht, Gelerntes zu generalisieren und auf neue Situationen zu übertragen.
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Spezialisierte Nervenzellen und ihre Funktionen
Spezialisierte Nervenzellen im Gehirn, die für die räumliche Orientierung zuständig sind (sog. Rasterzellen) helfen uns nicht nur, unsere eigenen Wege in einer komplexen Umwelt zu bahnen, sondern unterstützen uns auch bei der Analyse der Bewegungen anderer Personen. Egal ob man sich seinen Weg durch eine volle Fußgängerzone bahnt oder ob man beim Fußball im Team Richtung Tor strebt, in beiden Situationen kommt es darauf an, nicht nur die eigenen Bewegungen, sondern auch die der anderen mitzudenken. Diese Navigations- und Orientierungsprozesse werden von Gehirnzellen getragen, die unsere aktuelle Position - woher wir kommen, wohin wir uns bewegen und in welche Richtung wir schauen - registrieren. Durch ihre gemeinsame Aktivität erschaffen sie eine ‚Karte‘ unserer Umgebung. Ein besonderer Typ dieser Zellen sind die sogenannten Rasterzellen (engl.: grid cells) im entorhinalen Kortex, einer kleinen Hirnregion im mittleren Schläfenlappen. Ob diese Rasterzellen auch daran beteiligt sind, die Bewegungen anderer Individuen auf dieser Karte abzubilden, war die Frage, der sich die Wissenschafter:innen um Isabella Wagner und Claus Lamm von der Fakultät für Psychologie der Universität Wien widmeten. Sie fanden heraus, dass die Gehirnaktivität, die während des Beobachtens anderer aufgezeichnet wurde, mit der bereits bekannten Aktivität von Rasterzellen vergleichbar war. Außerdem konnte das Team zeigen, dass diese Aktivität in ein Netzwerk weiterer Hirnregionen eingebunden war, die auch mit Navigationsprozessen in Zusammenhang gebracht werden kann.
Die Rolle des Presubiculums
Die Kopfrichtungszellen sitzen im sogenannten Presubiculum, einem speziellen Bereich des Kortex, wie die Hirnrinde auch genannt wird. „Wir waren sehr überrascht, dass das Presubiculum der Maus nicht homogen erscheint, sondern ganz klar in Module aufgeteilt ist“, sagt CIN-Forscher Giuseppe Balsamo.
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