Die diesjährige Vergabe des Nobelpreises für Medizin würdigt die bahnbrechenden Entdeckungen von John O'Keefe sowie May-Britt und Edvard I. Moser. Die drei Hirnforscher werden für ihre Forschungsarbeiten über Zellen ausgezeichnet, die ein Positionierungssystem - eine Art Navigationsgerät - im Gehirn bilden. Ihre Erkenntnisse haben dazu beigetragen, zu erklären, wie das Gehirn "eine Karte des Raums um uns herum" kreiert und wie der Mensch seinen Weg durch eine komplexe Umgebung finden kann.
Die Entdeckung der Ortszellen durch John O'Keefe
Den ersten Bestandteil dieses neuronalen Orientierungssystems hatte John O'Keefe bereits 1971 entdeckt. Er fand heraus, dass Ratten unter Einbezug der sogenannten Ortszellen Karten im Gehirn erzeugen. Ein bestimmter Typ von Nervenzellen im Hippocampus wurde aktiviert, je nachdem, an welchem Ort im Raum sich das Tier befand. Andere Neuronen wurden aktiv, wenn sich die Tiere an anderen Stellen befanden. Jede dieser Zellen repräsentiert offenbar eine einzige Position des Tiers im Labyrinth: Sie feuern immer nur dann, wenn eine Ratte einen bestimmten Ort erreicht hat. Aus vielen Ortszellen entsteht so eine Karte der Umgebung. Eine einzelne Zelle verleiht dem Tier damit ein Gefühl für seinen derzeitigen Aufenthaltsort. Zugleich scheint die spezifische Aktivität von mehreren Zellen in der Kombination klarzumachen, in welchem Lebensraum, also auf welcher Karte, sich die Ratte gerade bewegt - ob sie sich zum Beispiel im Käfigumfeld oder dem Experiment-Irrgarten befindet.
Die Entdeckung der Gitterzellen durch May-Britt und Edvard Moser
Mehr als 30 Jahre später entdeckte das Ehepaar Moser eine weitere Komponente des «inneren GPS», wie es in der Pressemitteilung des Karolinska-Instituts heißt. Sie identifizierten einen Neuronentyp, den sie Koordinatenzellen (grid cells) nannten. Diese im entorhinalen Cortex liegenden Zellen bilden ein Koordinatensystem, das eine genaue Positionierung und das Navigieren im Raum erlaubt. Dazu ließen sie Ratten frei in einem Raum herumlaufen und registrierten dabei ein erstaunliches Aktivitätsmuster im entorhinalen Kortex. Anders als die Ortszellen des Hippocampus feuern diese neu entdeckten Zellen an verschiedenen Stellen des Raums. Die Raumpunkte, auf die eine einzelne Zelle reagiert, formen dabei ein regelmäßiges Gitternetz mit konstanten Abständen - eben ein Gitter oder Raster ("grid"). Dieses bleibt an dem Versuchstier vertrauten Orten auf Dauer stabil, kann sich aber beim Kennenlernen einer neuen Umgebung auch rasch neu bilden. Und je größer ein Areal, in dem das Tier sich bewegt, desto größere, aus immer mehr Hexagonalwaben bestehende Gitter projiziert der entorhinale Kortex auf eine abstrakte innere Hirnkarte.
Zusammenspiel von Orts- und Gitterzellen
Forschungen in den folgenden Jahren zeigten, wie Orts- und Gitterzellen bei der Orientierung zusammenarbeiten. Erst das hexagonale Gitterkoordinatensystem der Rasterzellen gibt den Rahmen für die spezifische Ortsinformation der Ortszellen - und macht so eine Navigation möglich oder das langfristige Abpeichern von Bewegungsinformationen durch das Raster, also etwa von (situationsabhängig womöglich unterschiedlichen) Routen. Am Feuern der Rasterzellen pro Zeiteinheit könnte ein Organismus nun ablesen, wie schnell er sich entlang des Rasters, also durch den Raum, bewegt. Vor allem aber schaffen die Rasterzellenwaben, so vermuten Forscher heute, ein zusammenhängendes Koordinatensystem: Das System verknüpft verschiedene Waben miteinander; und noch dazu in verschiedenem Maßstab, denn unterschiedliche Zellen eines Rasters können zugleich auch zu einem kleineren oder größeren zweiten, dritten oder vierten Raster gehören. Gleich bleibt dabei immer eine hexagonale Anordnung - die mathematisch-geometrisch effizienteste Anordnung eines Gitternetzes. Wichtig für die Funktion des neuronalen Navigationssystems ist der Austausch neuronaler Informationen der verschiedenen Hirnareale: Ständig senden Ortszellen aus Hippocampus ("Wo bin ich?") und entorhinalem Kortex ("Wie hängt 'hier' mit der Umgebung zusammen?") sowie Labyrinth-, Wand- und andere Zelltypen sich gegenseitig Informationen, aus denen dann der Positionssinn resultiert.
Bedeutung der Entdeckung für das Verständnis von Krankheiten
Die Forschungsleistung der drei Nobelpreisträger ist auch für das Verständnis von vielen neurodegenerativen Krankheiten wie Alzheimer von großer Bedeutung. „Bei der Demenz vom Alzheimer-Typ, sind die beschriebenen Hirnregionen schon früh im Krankheitsprozess gestört“, erklärt ein Neurowissenschaftler. Bei Alzheimer-Patienten sind diese Regionen mitunter schon in frühen Stadien betroffen - einer der Gründe dafür, dass sie sich verlaufen. "Das Wissen über das Positionierungssystem des Gehirns könnte deshalb helfen, den Verlust des räumlichen Gedächtnisses zu verstehen", schreibt die Nobelpreis-Jury.
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Das Navigationssystem - typisch für unser Gehirn?
Das Nobelkomitee findet die Entdeckung von O'Keefe, Moser und Moser bahnbrechend, weil sie als Modell für die interagierend vernetzte Funktionsweise anderer Hirnprozesse herhalten kann. Zum Beispiel unser Gedächtnis: Zeit- statt ortkodierende "Ortszellen"-Analoga könnten etwa beim Hervorholen episodischer Erinnerungen aktiv sein. Seit den 1990er Jahren vermuten Schlaf- und Gedächtnisforscher zudem, dass sich mit Hilfe von Ortszellen die Konsolidierung von Gedächtnisinhalten während des Schlafs erforschen lässt: Experimente hatten nahegelegt, dass Ratten im Schlaf eine bestimmte Reihenfolge von Ortszellenaktivitäten abspulen, die eine zuvor erlernte Route durch ein Labyrinth wiederholte. Gedächtnisbildung, Zeitwahrnehmung oder Navigation - gut möglich, das diese auf den ersten Blick sehr verschiedenen Prozesse auf ganz ähnlich schematisierbaren neuronalen Prozessen beruhen. Ein solches Schema aufzuzeigen, verdient sicher die höchste wissenschaftliche Auszeichnung.
Die Preisträger
- John O'Keefe: Geboren 1939 in New York City, ist ein britisch-amerikanischer Neurowissenschaftler und Professor am University College London. Er entdeckte 1971 die Ortszellen im Hippocampus von Ratten.
- May-Britt Moser: Geboren 1963 in Fosnavåg, Norwegen, ist eine norwegische Neurowissenschaftlerin und Professorin an der Technisch-Naturwissenschaftlichen Universität Norwegens in Trondheim.
- Edvard I. Moser: Geboren 1962 in Ålesund, Norwegen, ist ein norwegischer Neurowissenschaftler und Professor an der Technisch-Naturwissenschaftlichen Universität Norwegens in Trondheim.
Die Mosers entdeckten 2005 die Rasterzellen im entorhinalen Kortex.
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