Der Hippocampus, oft als das "GPS des Gehirns" bezeichnet, spielt eine entscheidende Rolle für das räumliche Gedächtnis und die Navigation. Innerhalb des Hippocampus befinden sich spezielle Neuronen, die sogenannten Platzzellen, die eine Schlüsselrolle bei der Kodierung und dem Abrufen von räumlichen Informationen spielen. Dieser Artikel beleuchtet die Funktion der Platzzellen, ihre Interaktion mit anderen Hirnregionen und ihre Bedeutung für das Verständnis von Gedächtnisprozessen.
Einführung in Platzzellen und ihre Entdeckung
Platzzellen sind Neuronen im Hippocampus, die aktiv werden, wenn sich ein Tier oder Mensch an einem bestimmten Ort in seiner Umgebung befindet. Diese Zellen wurden erstmals 1971 von John O'Keefe bei Ratten entdeckt. O'Keefe implantierte Mikroelektroden in den Hippocampus von Ratten und stellte fest, dass bestimmte Neuronen immer dann aktiv wurden, wenn sich die Tiere in einem bestimmten Teil des Käfigs aufhielten. Änderten die Tiere ihren Standort, wurden andere Platzzellen aktiv. Daraus schloss O'Keefe, dass die Tiere eine Art "Landkarte" im Gehirn haben, die ihnen die Orientierung im Raum erleichtert.
Die Rolle der Platzzellen bei der räumlichen Orientierung
Platzzellen kodieren die Position eines Individuums im Raum und ermöglichen es, sich in einer Umgebung zu orientieren und zu navigieren. Jede Platzzelle feuert maximal, wenn sich das Individuum an einem bestimmten Ort befindet, dem sogenannten "Platzfeld" der Zelle. Die Gesamtheit der Platzfelder aller Platzzellen im Hippocampus bildet eine Art kognitive Karte der Umgebung.
Interaktion mit anderen Hirnregionen
Der Hippocampus empfängt Informationen aus verschiedenen Hirnregionen, insbesondere aus dem entorhinalen Kortex. Der entorhinale Kortex enthält Gitterzellen, die ein regelmäßiges Rastermuster über die Umgebung legen und so eine Art Koordinatensystem bilden. Die Informationen der Gitterzellen werden an den Hippocampus weitergeleitet und tragen zur Bildung der Platzfelder der Platzzellen bei.
Die Körnerzellen, ein Neuronentyp am Eingang des Hippocampus-Schaltkreises, spielen eine wichtige Rolle bei der Verarbeitung räumlicher Informationen. Sie filtern und selektieren die eingehenden Signale, bevor sie an die Platzzellen weitergeleitet werden. Körnerzellen empfangen breit gefächerte Informationen, geben aber nur selektive räumliche Informationen an den Rest des Hippocampus weiter.
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Platzzellen und Gedächtnisbildung
Platzzellen sind nicht nur für die räumliche Orientierung wichtig, sondern auch für die Gedächtnisbildung. Sie spielen eine Rolle bei der Bildung deklarativer Gedächtnisse, insbesondere des räumlichen Gedächtnisses. Während des Schlafs werden die Aktivitätsmuster der Platzzellen, die während des Erkundens einer Umgebung entstanden sind, wiederholt. Dieses "Replay" der neuronalen Aktivität trägt zur Festigung der Gedächtnisinhalte bei.
Eine Studie von Forschern des Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) untersuchte, was passiert, wenn das Replay von Erinnerungen gestört wird. Die Forscher trainierten Ratten, die Positionen von Belohnungen in einem Labyrinth zu finden. Während des Schlafs störten sie den Replay von Erinnerungen an bestimmte Belohnungspositionen. Es zeigte sich, dass die Ratten Schwierigkeiten hatten, die zuvor gelernten Belohnungspositionen wiederzufinden, wenn der Replay gestört wurde. Dies deutet darauf hin, dass der Replay im Hippocampus eine wichtige Rolle für das Abrufen von Erinnerungen spielt.
Zufällige neuronale Wiederholung
In einer weiteren Studie untersuchten Forscher des IST Austria, was passiert, wenn sich Ratten in einer offenen Umgebung bewegen, anstatt in einem Labyrinth. Sie zeichneten die Aktivität von Platzzellen im Hippocampus der Ratten auf, während diese sich in der Umgebung bewegten und Belohnungen fanden. Während des Schlafs wiederholten die Neuronen die Orte, die die Ratte besucht hatte, aber die Reihenfolge der Plätze folgte zufälligen Routen, die der Brownschen Bewegung ähnelten. Diese zufällige neuronale Wiederholung gibt Einblicke in die Dynamik der Schaltung im Hippocampus und könnte für kognitive Zwecke genutzt werden, etwa um neues Verhalten in derselben Umgebung zu planen.
Klinische Bedeutung
Die Erforschung der Platzzellen und ihrer Funktion hat auch klinische Bedeutung. So gehört der entorhinale Kortex, der eng mit dem Hippocampus interagiert, zu den ersten Hirnarealen, die bei Morbus Alzheimer geschädigt werden. Dies könnte die Desorientierung erklären, die bei diesen Patienten beobachtet wird.
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