Einführung
Der Hippocampus, eine Hirnregion, die tief im Temporallappen liegt, spielt eine entscheidende Rolle für das Gedächtnis, insbesondere für das räumliche Gedächtnis und die Navigation. Innerhalb des Hippocampus befinden sich spezialisierte Nervenzellen, die sogenannten Platzzellen. Diese Zellen sind von zentraler Bedeutung für die Erstellung und den Abruf räumlicher Karten im Gehirn. Die Entdeckung der Platzzellen und verwandter Zelltypen hat unser Verständnis davon, wie das Gehirn räumliche Informationen verarbeitet und speichert, revolutioniert.
Die Entdeckung der Platzzellen
Die bahnbrechende Entdeckung der Platzzellen geht auf den britischen Hirnforscher John O’Keefe zurück, der in den 1970er Jahren Experimente mit Ratten durchführte. O’Keefe implantierte Mikroelektroden in den Hippocampus von Ratten und beobachtete die Aktivität einzelner Neuronen, während sich die Tiere in einem Käfig bewegten. Dabei stellte er fest, dass bestimmte Neuronen immer dann aktiv wurden, wenn sich die Ratte an einem bestimmten Ort im Käfig aufhielt. Diese Neuronen nannte er Platzzellen ("place cells").
Jede Platzzelle repräsentiert also einen spezifischen Ort in der Umgebung. Wenn sich die Ratte an diesem Ort befindet, feuert die entsprechende Platzzelle. Ändert die Ratte ihren Standort, werden andere Platzzellen aktiv. O’Keefe schloss daraus, dass der Hippocampus eine Art "kognitive Karte" der Umgebung erstellt, die es dem Tier ermöglicht, sich zu orientieren und sich an Orte zu erinnern.
Gitterzellen und andere räumliche Zellen
Einige Jahrzehnte später entdeckten May-Britt Moser und Edvard Moser im entorhinalen Cortex, einer Region in der Nähe des Hippocampus, eine weitere Art von räumlichen Zellen, die sogenannten Gitterzellen ("grid cells"). Im Gegensatz zu Platzzellen, die jeweils einen einzelnen Ort repräsentieren, feuern Gitterzellen an mehreren Stellen im Raum, wobei die Orte, an denen eine einzelne Zelle aktiv ist, ein regelmäßiges, hexagonales Gitter bilden. Dieses Gittermuster ermöglicht es den Tieren, ihre Position im Raum präzise zu bestimmen und Entfernungen und Richtungen zu berechnen.
Neben Platzzellen und Gitterzellen gibt es im Hippocampus und im entorhinalen Cortex noch weitere Arten von räumlichen Zellen, die beispielsweise die Richtung, in die sich das Tier bewegt (Kopfrichtungszellen), oder die Grenzen der Umgebung (Grenzzellen) kodieren. Alle diese Zelltypen arbeiten zusammen, um eine umfassende räumliche Repräsentation der Umgebung zu erstellen.
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Die Rolle der Platzzellen im Gedächtnis
Platzzellen sind nicht nur für die räumliche Orientierung wichtig, sondern spielen auch eine entscheidende Rolle bei der Bildung und dem Abruf von Erinnerungen, insbesondere von episodischen Gedächtnisinhalten. Das episodische Gedächtnis speichert persönliche Erfahrungen und Ereignisse, die in einem bestimmten räumlichen und zeitlichen Kontext stattgefunden haben.
Wenn eine neue Erfahrung gemacht wird, werden die beteiligten Platzzellen aktiviert und bilden ein spezifisches Aktivitätsmuster, das mit dem Ort der Erfahrung verknüpft ist. Dieses Muster wird im Hippocampus gespeichert und kann später wieder abgerufen werden, um sich an die Erfahrung zu erinnern. Studien haben gezeigt, dass die Störung der Platzzellaktivität die Fähigkeit beeinträchtigt, sich an Orte und Ereignisse zu erinnern.
Platzzellen und Schlaf
Interessanterweise werden die Aktivitätsmuster der Platzzellen nicht nur im Wachzustand, sondern auch während des Schlafs wiederholt. Während des Schlafs "spielen" die Platzzellen die Erfahrungen des Tages noch einmal ab, wodurch die Gedächtnisspuren im Hippocampus gefestigt und in andere Hirnregionen übertragen werden. Diese "Replay"-Aktivität ist entscheidend für die langfristige Speicherung von Erinnerungen.
Eine aktuelle Studie hat gezeigt, dass der Hippocampus auch dann während des Schlafs Signalfeuer wiederholt, wenn sich die Ratten frei anstatt in bestimmten Routen bewegt hatten. Diese Wiederholung erfolgt dann allerdings zufällig und ähnelt der Brownschen Bewegung, die man von der ungeordneten Bewegung von Teilchen kennt.
Platzzellen und Navigation in neuen Umgebungen
Wenn ein Tier eine neue Umgebung betritt, werden die Platzzellen im Hippocampus schnell aktiv und bilden eine neue räumliche Karte. Dieser Prozess ermöglicht es dem Tier, sich in der neuen Umgebung zu orientieren und sich an wichtige Orte zu erinnern. Studien haben gezeigt, dass die Aktivität der Platzzellen in einer neuen Umgebung von verschiedenen Faktoren beeinflusst wird, darunter die sensorischen Informationen, die das Tier erhält, und die Erfahrungen, die es in der Vergangenheit gemacht hat.
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Die Rolle der Körnerzellen
Körnerzellen, ein Typ von Neuron, der am Eingang des Hippocampusschaltkreises liegt, spielen eine wichtige Rolle bei der Verarbeitung räumlicher Informationen. Sie scheinen räumliche Informationen zu filtern und zu schärfen. Eine Mehrheit der Neuronen erhält räumliche Informationen, aber nur eine Minderheit von Neuronen gibt diese räumlichen Informationen an den Rest des Hippocampus weiter. Somit scheinen die Körnerzellen tatsächlich als Türsteher zu fungieren.
Das Team stellte fest, dass der Input der Körnerzellen breit gefächert ist, der Output jedoch sehr viel selektiver. Vorgelagerte kortikale Neurone sind oft Gitterzellen, die an mehreren Stellen der Umgebung Aktivität erzeugen. Im Gegensatz dazu, sind Neurone in den nachgeschalteten Bereichen des Hippocampus typischerweise Platzzellen, die nur an einer einzigen Stelle in der Umgebung feuern. Die neue Studie deutet darauf hin, dass Körnerzellen an dieser Umwandlung beteiligt sind.
Platzzellen beim Menschen
Obwohl die meisten Studien zu Platzzellen an Tieren durchgeführt wurden, gibt es auch Hinweise darauf, dass diese Zellen auch beim Menschen existieren und eine ähnliche Funktion erfüllen. Mithilfe von bildgebenden Verfahren wie der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) konnten Forscher zeigen, dass der menschliche Hippocampus während der Navigation in virtuellen Umgebungen aktiv ist und dass diese Aktivität mit der Aktivität von Platzzellen bei Tieren vergleichbar ist.
Klinische Bedeutung
Die Erforschung der Platzzellen hat nicht nur unser Verständnis des räumlichen Gedächtnisses erweitert, sondern auch wichtige Einblicke in die Entstehung von neurologischen Erkrankungen wie der Alzheimer-Krankheit geliefert. Der entorhinale Cortex, in dem sich die Gitterzellen befinden, ist eine der ersten Hirnregionen, die bei der Alzheimer-Krankheit geschädigt werden. Dies könnte die Desorientierung erklären, die bei diesen Patienten häufig beobachtet wird.
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