Der Hippocampus, eine Gehirnregion, die für die räumliche Orientierung unerlässlich ist, beherbergt spezialisierte Neuronen wie Ortszellen und Gitterzellen. Diese Zellen ermöglichen es dem Gehirn, eine Karte der Außenwelt zu erstellen, in der wir uns bewegen. Insbesondere Gitterzellen faszinieren Neurowissenschaftler aufgrund ihres regelmäßigen Aktivitätsmusters, das als eine Art "Gehirn-GPS" fungiert.
Gitterzellen: Mehr als nur räumliche Koordinaten
Traditionell wurden Gitterzellen als reine Informationslieferanten für räumliche Koordinaten betrachtet. Neuere Forschungsergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass ihre Funktion umfassender ist und auch Zielinformationen beinhaltet. Eine Studie des Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) zeigt, dass Gitterzellen in der Lage sind, ihr Aktivitätsfeld zu verformen, um eine Art "Schatzkarte" zu erstellen, die es beispielsweise Ratten ermöglicht, versteckte Belohnungen aufzuspüren.
Das hexagonale Muster der Gitterzellen
Im Gegensatz zu Ortszellen, die nur an einer bestimmten Stelle aktiv sind, weisen Gitterzellen ein auffallend regelmäßiges, hexagonales Muster neuronaler Signale auf. Dieses Muster zeichnet die gesamte Umgebung mosaikartig nach. Dieses Muster liefert die metrischen Koordinaten, um die eigene Position zu „triangulieren“. "Stell dir eine Karte von Wien vor. Die meisten Touristen sind auf Koordinaten angewiesen, um dieses wunderbare vietnamesische Restaurant nahe dem Karlsplatz in B5 zu finden. Gitterzellen geben unserem Gehirn diese Koordinaten: Jedes Mal, wenn wir einen der Knotenpunkte des Gitters überqueren, wird die Gitterzelle aktiviert. Zumindest dachten wir bislang, dass es so funktioniert.", erklärt Erstautorin Charlotte Boccara.
Gitterzellen als "Schatzkarten"
Die Forscher untersuchten, ob sich das Aktivitätsmuster von Gitterzellen verändert, sobald Ratten die Lage versteckter Belohnungen erlernen. Bei diesem Test zielorientierten Verhaltens erlernten die Ratten zuerst, wo drei Futterpellets versteckt waren. Danach versuchten sie, die Belohnungen wiederzufinden. Indem die ForscherInnen gleichzeitig die Aktivität der Gitterzellen aufzeichneten, konnten sie beobachten, ob und wie sich das Aktivitätsmuster während des Lernens von Zielen verändert. Die Ergebnisse zeigten, dass sich das Aktivitätsmuster der Gitterzellen verformt, sobald die Ratten die Lage der Belohnungen erlernten. Interessanterweise verschoben sich die Gitterzell-Felder, die dem Ziel am nächsten sind, am meisten, während sich weiter weg gelegene Felder kaum verschoben. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass Gitterzellen neben Raum- auch Zielinformationen vermitteln können.
Das Zusammenspiel von Gitterzellen und Ortszellen
Die Forscher zeichneten außerdem die Aktivität von Ortszellen im Hippocampus auf. So konnten sie beobachten, dass sich das Aktivitätsmuster der Ortszellen ebenfalls in Richtung der Verstecke verschob. Während aber das verformte Muster der Gitterzellen über Nacht erhalten blieb, war das Muster der Ortszellen wieder in die Ausgangslage zurückversetzt. Das sei überraschend, sagt Jozsef Csicsvari: „Es ist paradox: Die Gitterzellen erinnern sich daran, wo die Belohnungen waren, aber die Ortszellen nicht. Das legt nahe, dass die Gitterzellen das Verhalten mitbestimmen.“
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Ortszellen: "Du bist hier" - Pfeile im Hippocampus
Der Hippocampus enthält Neuronen, die als Ortszellen bezeichnet werden. Ortszellen zeichnen eine mentale Karte der Umgebung, durch die wir navigieren, da jedes Neuron nur an einer bestimmten Stelle aktiv ist. Das Wissen darüber, welches Neuron gerade aktiv ist, deutet unserem Gehirn wie ein „Du befindest dich hier“-Pfeil, wo wir uns befinden.
Die Entdeckung des "inneren Navigationssystems" und der Nobelpreis
Die bahnbrechenden Entdeckungen von May-Britt und Edvard Moser sowie John O'Keefe, die 2014 mit dem Nobelpreis für Medizin ausgezeichnet wurden, haben unser Verständnis der neuronalen Grundlagen der räumlichen Orientierung revolutioniert. Sie entdeckten im Gehirn von Ratten ein ausgeklügeltes Navigationssystem, das aus Ortszellen und Gitterzellen besteht. Ihre Forschung hat gezeigt, dass diese Zellen eine entscheidende Rolle bei der Erstellung und Speicherung von räumlichen Karten spielen.
Weitere spezialisierte Neuronen für die räumliche Orientierung
Neben Ortszellen und Gitterzellen gibt es weitere spezialisierte Neuronen, die zur räumlichen Orientierung beitragen:
- Kopfrichtungszellen (Head Direction Cells): Diese Zellen dienen als eine Art "innerer Kompass" und messen die Ausrichtung des Kopfes in einem Koordinatensystem. Dreht das Tier seinen Kopf in eine bestimmte Richtung, feuern sie; je weiter die Ratte ihren Kopf von dieser Position abwendet, desto weniger stark feuern auch die Kopfrichtungszellen.
- Grenzzellen (Border Cells): Diese Zellen werden aktiv, wenn sich die Ratte vor einem Hindernis befindet und signalisieren, dass es an dieser Stelle nicht weitergeht.
Netzwerk-Oszillationen und Gedächtnisbildung
Die moderne Neurowissenschaft hat gezeigt, dass das Gehirn fast immer in Rhythmen arbeitet, die ganz bestimmten Funktionen - und damit mentalen Leistungen - zugeordnet werden können. Zellen scheinen ihre Aktivität präzise in einen gemeinsamen Takt einzubinden. Diese "Netzwerk-Oszillationen" erlauben es, Informationen zu speichern. Damit beginnt sich ein Verständnis der Gedächtnisbildung abzuzeichnen, das die Gehirnleistung "Erinnern" schrittweise bis auf die Aktivität einzelner Nervenzellen zurückführt.
Phasenkodierung von räumlichen Informationen
Neuronale Netzwerke können Information auch auf andere Weise im Gehirn kodieren, und zwar durch komplexe räumlich-zeitliche Muster der elektrischen Aktivität. Das scharf begrenzte, sozusagen digitale Signal des Aktionspotenzials kann auf diese Weise eine weitere Information transportieren, und zwar dadurch, dass es in einer bestimmten Phase der Grundschwingung des Netzwerkes auftritt: auf einem Wellenberg, einem Wellental oder dazwischen. Diese Form der Informationsübertragung nennt man Phasenkodierung und sie scheint eine bedeutende Rolle beim Speichern und Weiterleiten von Informationen zu spielen.
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"Ripples" und langfristige Gedächtnisspuren
Wenn die Ratte nach einer Erkundungsphase schläft, "spielt" sie im Gehirn exakt dieselbe Sequenz von Aktionspotenzialen ab - sie wiederholt also im Schlaf das Muster der Raumerkundung, das im wachen Zustand entstanden ist. Die Wiederholung erfolgt aber viel schneller, sozusagen als komprimierte Speicherform, denn jetzt sind die neuronalen Aktivierungsmuster durch einen Rhythmus von 200 Wellen pro Sekunde (200 Herz) synchronisiert. Man nimmt an, dass diese so genannten "ripples" (engl. kleine Wellen) gewissermaßen die Erinnerungsspuren auslesen, die anschließend in der Hirnrinde gespeichert werden. "Ripples" sind demnach das neuronale Korrelat der dauerhaften Festigung von Gedächtnisinhalten.
Intrinsische Aktivitätsmuster und Lernen
Untersuchungen an Ratten haben gezeigt, dass bestimmte Aktivitätsmuster von Nervenzellen im Hippocampus sowohl bei aktiven als auch bei ruhenden Tieren auftreten. Viele der Aktivitätsmuster, die die Ratte während des ersten Erkundens zeigen, waren tatsächlich schon vorhanden, bevor die Ratte die Umgebung je gesehen hat. Durch ihr Verhalten werden diese Muster hochgeregelt und in der Ruhephase weiter verstärkt“, sagt Leibold. Aus ihren Ergebnissen schließen die Wissenschaftler, dass im Gehirn beim Lernen und der Gedächtnisbildung neue Inhalte in bereits vorhandene Aktivitätsmuster gespeichert werden.
Träume von noch nie besuchten Orten
Eine Studie von Hirnforschern um Hugo Spiers vom University College London hat gezeigt, dass Ratten von einem Ort träumen können, obwohl sie ihn noch nie besucht, sondern nur gesehen haben. Gewissermaßen scheinen die Nager also davon geträumt zu haben, den gewünschten Ort zu erreichen - zumindest hat ihr Gehirn die komplette Route zum Leckerbissen aktiviert und "durchgespielt", ähnlich wie dies im Schlaf für tatsächlich absolvierte Laufwege geschieht.
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