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Geht die Ratte im Kopf eine bestimmte Route durch (von A nach D) werden nacheinander einzigartige Kombinationen von Nervenzellen aktiv, die jeweils einen bestimmten Ort repräsentieren (helles Leuchten). Bild: David Foster, courtesy of Nature
Ratten besitzen eine Art eingebautes GPS-System, haben US-Forscher jetzt entdeckt: Befinden sie sich in einer vertrauten Umgebung, entwerfen sie in ihrem Gehirn die optimale Route von A nach B und lassen sie vor ihrem geistigen Auge ablaufen – und zwar bevor sie sich tatsächlich auf den Weg machen. Beheimatet ist dieses Navigationssystem im Hippocampus, dem Hirnbereich, der eine Schlüsselfunktion fürs Lernen und Erinnern innehat. Beim Menschen könnte es ein ähnliches System geben, glauben die Wissenschaftler – nicht nur für die räumliche Orientierung, sondern auch für andere kognitive Leistungen.

Ratten haben eine Landkarte ihrer direkten Umgebung im Kopf – das wissen Forscher bereits seit einigen Jahren. Angelegt ist sie in sogenannten Ortszellen, einer Gruppe von spezialisierten Nervenzellen des Hippocampus: Befindet sich das Tier an einer bestimmten Position, feuern ganz bestimmte Kombinationen dieser Zellen – und zwar jedes Mal, wenn die Ratte diese Position erreicht. Jeder Ort ist also durch ein einzigartiges Feuerungsmuster kodiert und charakterisiert.

Was kann die Landkarte im Kopf?

Nicht ganz klar war bisher jedoch, wie die Nager diese kognitiven Karten eigentlich nutzen. Teilweise hilft sie wohl beim Lernen, stellte sich vor einiger Zeit heraus: Wenn die Tiere einen neuen Weg kennenlernen, läuft anschließend noch einmal die gleiche Sequenz an Nervenaktivität ab, die auch während des Erkundens zu messen war – allerdings in genau umgekehrter Reihenfolge. Auch im Schlaf scheinen die Tiere die Erfahrungen des Tages noch einmal in ihrem Gehirn ablaufen zu lassen, diesmal dann in der richtigen Reihenfolge. Werden diese Prozesse gestört, haben die Ratten später Probleme, sich an die erkundeten Wege zu erinnern.

Doch das System scheint noch weit mehr leisten zu können, legen nun die neuen Ergebnisse von Brad Pfeiffer und seinem Betreuer David Foster von der Johns Hopkins University nahe. Die Wissenschaftler hatten vier Ratten jeweils 40 winzige Drähtchen in den Hippocampus eingepflanzt und waren damit erstmals in der Lage, pro Ratte die Aktivität von bis zu 250 Ortszellen gleichzeitig zu erfassen. Sie ließen die Tiere zwei Wochen lang ein zwei mal zwei Meter großes Gelände erkunden, auf dem gitterartig kleine Näpfchen verteilt waren. Es gab zwei Arten von Aufgaben für die Nager: Bei der einen sollten sie im gesamten Gebiet nach einem Napf suchen, in dem als Belohnung ein Tropfen flüssige Schokolade zu finden war. Bei der anderen sollte sie von einer beliebigen Position im Gelände aus zu einem genau definierten „Heimattöpfchen“ zurückkehren, in dem ebenfalls ein Tröpfchen Schokolade wartete. Während der ganzen Zeit zeichneten die Wissenschaftler die Aktivitäten der Ortszellen in ihren Gehirnen auf.

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Ein individuelles Muster für jeden Ort

Zunächst konnten die Forscher so bestätigen, dass tatsächlich jede Position im Testgebiet durch ein individuelles Muster an Nervenzellaktivität gekennzeichnet war. Bei einer ausreichenden Anzahl an Messwerten gelang es ihnen dann sogar, nur mit Hilfe des Feuerungsmusters zu bestimmen, wo sich die Ratte gerade befand. Zusätzlich registrierten sie jedoch auch noch eigenartige Aktivitätsausbrüche, wenn sich die Tiere irgendwo auf dem Gebiet befanden, sie sich gerade aber gar nicht bewegten. Als die Wissenschaftler diese Muster dekodierten, erlebten sie eine Überraschung: Die Sequenz der Aktivitätsmuster zeichnete ziemlich exakt und im Zeitraffer den Weg zurück zum Heimattöpfchen vor, den die Ratten anschließend auch tatsächlich wählten.

Das Ortszellsystem scheint also die zuvor abgespeicherte räumliche Information ähnlich zu nutzen wie ein Navigationssystem seine Karten, schlussfolgern die Forscher: Anhand der Informationen berechnet es den günstigsten Weg zwischen A und B, ohne dass die Ratte exakt diesen Weg schon einmal genommen haben muss. Die Tiere planen demnach ihre Routen und lassen sie vor ihrem geistigen Auge ablaufen.

Am Ende der Vorstellungskraft

Überträgt man das auf den Menschen, bei dem es ebenfalls Hinweise auf ein solches Ortszellen-System gibt, könnten die Ergebnisse erklären, warum Schäden am Hippocampus so problematisch sind, erläutern die Forscher: Ist das Navigationssystem defekt, kann man sich beispielsweise den Weg nach Hause nicht mehr richtig vorstellen und bleibt desorientiert zurück. Und auch für andere Prozesse ist es wichtig, dass man sich eine kommende Situation ausmalt, etwa bevor man eine Entscheidung trifft. Es sei durchaus denkbar, dass ein Hippocampus-Schaden auch solche Fähigkeiten beeinträchtigt. Derartige Schäden treten beim normalen Alterungsprozess auf, sind aber besonders häufig bei Menschen mit Demenzerkrankungen. Alzheimer zum Beispiel befällt bereits ziemlich zu Beginn den Hippocampus – und geht mit einer wachsenden Unsicherheit und Desorientierung einher.

Brad Pfeiffer, David Foster (Johns Hopkins University, Baltimore): Nature, doi: 10.1038/nature12112 © wissenschaft.de – Ilka Lehnen-Beyel
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