Grenzüberwachung im Gehirn

Das Wissen, wo sich ein Wesen im Raum befindet, ist im Gehirn auf überraschend komplizierte Weise organisiert - ein einfaches x-y-z-Koordinatensystem reicht dafür nicht

Dass die Informationen, die das Gehirn über das Hier (abgesehen vom Jetzt) speichert, so detailliert vorliegen, überrascht evolutionsbiologisch nicht. Ein Säugetier muss nicht nur wissen, wo es sich gerade aufhält, es muss auch die Bewegungen seiner Feinde und Opfer einschätzen und die Beschaffenheit seiner Umgebung abschätzen. All diese Daten stets neu zu erheben oder aus aktuellem Input zu berechnen, würde im Ernstfall zu viel Zeit kosten. Das Gehirn führt deshalb dauernd eine interne Karte unserer Umgebung, ein fortlaufend aktualisiertes Modell, das schnelle Entscheidungen erlaubt.

Drei Zelltypen, dachte man bisher, tragen zu diesem Modell bei. Zum einen wären da die Ortszellen, die "place cells". Dabei handelt es sich um Pyramidenzellen im Hippocampus, einer der evolutionär ältesten Strukturen im Gehirn. Die Ortszellen bilden eine Art Ortsgedächtnis: Sie feuern, wenn sich das Tier an einem spezifischen, von der einzelnen Zelle symbolisierten Ort befindet. Das kann man sich wie ein Koordinatensystem vorstellen, bei dem die aktuelle Ortskarte hell aufleuchtet.

Bei einer neuen Umgebung dauert es ein paar Minuten, bis sich die interne Karte neu aufgebaut hat. Die Bewegungsrichtung spielt hingegen hier keine große Rolle - es sei denn, das Tier ist auf eine lineare Bewegung (etwa in einem Gang) beschränkt. Die Ortsfelder bauen sich auch auf, wenn der Gesichtssinn ausfällt, was auf den notwendigen Einfluss anderer Sinne schließen lässt.

Der entorhinale Kortex des Rattengehirns enthält Nervenzellen, die die Nähe zu geometrischen Grenzen der Umgebung signalisieren. Diese Zellen könnten zur Generierung der internen Karte beitragen, die die Tiere von ihrem Lebensraum haben. (Foto: Raymond Skjerpeng, Kavli Institute for Systems Neuroscience)

Zelltyp Nummer 2 sind die so genannten Kopfrichtungs-Zellen, die "Head-Direction Cells" (HD-Zellen). Sie sind vor allem dann aktiv, wenn das Tier in eine ganz bestimmte Richtung blickt - wendet sich der Kopf in eine nicht bevorzugte Richtung, verringert sich ihre Aktivität. Die fast im ganzen Gehirn verbreiteten HD-Zellen gleichen damit die weitgehende Richtungs-Invariabilität der Ortszellen aus. Zwei interessante Fakten am Rande: Zum einen zeigen die HD-Zellen die Position des Kopfes etwa 95 Millisekunden in der Zukunft an. Zum anderen ist ihre Funktion nicht von bestimmten Sensor-Inputs abhängig. Sie sind aber auch für das Erdmagnetfeld unempfindlich, es handelt sich also nicht um Magnetkompasse.

Ein dritter, für die Positionsbestimmung wichtiger Zelltyp sitzt im entorhinalen Kortex, der dem Hippocampus direkt benachbart ist und unter anderem Sensorimpulse für den Hippocampus vorfiltert. Die "grid cells" bilden eine in einem hexagonalen Muster arrangierte Karte, die an besonderen Merkmalen der Umgebung verankert ist. Sie bleiben auch in der Dunkelheit bestehen. Man vermutet deshalb, dass sie die Position des Ich im Verhältnis zur Umwelt festhalten. Zudem wäre es möglich, dass im entorhinalen Kortex eine Art Ortscode berechnet wird, der den im Hippocampus verarbeiteten Erinnerungen hinzugefügt wird.

Aus Computer-Simulation war allerdings bereits bekannt, dass es noch einen vierten Zelltyp geben könnte, der ebenfalls für Ortsinformationen zuständig ist. Genau den hat nun ein norwegisches Forscherteam gefunden, die Details finden sich in einem Artikel im Wissenschaftsmagazin Science. Die neu entdeckten Zellen definieren die Grenzen einer Umgebung und bilden somit zugleich den Rahmen für die Einordnung all dessen, was innerhalb dieser Grenzen passiert. Sie sind wie die Grid-Zellen im entorhinalen Kortex und teilweise auch im angrenzenden Parasubikulum angesiedelt.

Dort bilden sie maximal zehn Prozent der Zellpopulation. Sie feuern dann, wenn sich das Tier - die Forscher haben hier Ratten beobachtet - in der Nähe einer geometrischen Grenze befindet. Ihre Funktion liegt vermutlich zum einen in der Wegfindung, zum anderen darin, die von den drei anderen Zelltypen gelieferten Informationen in der Realität zu verankern.

http://www.heise.de/tp/artikel/29/29402/1.html