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Gitterzellen und Ortszellen sind spezialisierte Neuronen. Sie erlauben es dem Gehirn, eine Karte der Außenwelt zu zeichnen, in der wir uns bewegen. Dieses Gehirn-GPS basiert auf dem auffallend regelmäßigen Aktivitätsmuster der Gitterzellen. Dieses Muster liefert die metrischen Koordinaten, um die eigene Position zu „triangulieren“. Ortszellen wiederum dekodieren diese Information und liefern das zugehörige „Du befindest dich hier“-Signal.
Ein Team von ForscherInnen am Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) konnte nun zeigen, dass Gitterzellen mehr als nur Information über einfache räumliche Koordinaten liefern, nämlich auch Zielinformationen. Durch Verformung des Aktivitätsfelds der Gitterzellen entsteht eine Art „Schatzkarte“, mit deren Hilfe etwa Ratten versteckte Belohnungen aufspüren können. Das ist das Ergebnis einer neuen Studie der Gruppe um Jozsef Csicsvari, Professor am Institute of Science and Technology Austria, mit den beiden Ko-ErstautorInnen Charlotte Boccara, nun an der Universität von Oslo, und PhD-Student Michele Nardin. Die Studie erscheint heute im Fachmagazin Science.
Der Hippocampus ist eine Gehirnregion, die für die Orientierung unerlässlich ist. Er enthält Neuronen, die als Ortszellen bezeichnet werden. Ortszellen zeichnen eine mentale Karte der Umgebung, durch die wir navigieren, da jedes Neuron nur an einer bestimmten Stelle aktiv ist. Das Wissen darüber, welches Neuron gerade aktiv ist, deutet unserem Gehirn wie ein „Du befindest dich hier“-Pfeil, wo wir uns befinden. Gitterzellen wiederum, ein weiterer Typ von Neuronen, sind für die Navigation wichtig. Diese Zellen befinden sich in einer anderen Gehirnregion, dem sogenannten entorhinalen Cortex. Seit ihrer Entdeckung faszinieren Gitterzellen MathematikerInnen wie NeurowissenschafterInnen gleichermaßen. Im Gegensatz zu Ortszellen, die nur an einer Stelle aktiv sind, sind Gitterzellen vielerorts aktiv. Doch diese Stellen sind keineswegs zufällig, im Gegenteil, ihre Aktivität folgt einem auffallend regelmäßigen, hexagonalen Muster neuronaler Signale, das die gesamte Umgebung mosaikartig nachzeichnet. „Stell dir eine Karte von Wien vor. Die meisten Touristen sind auf Koordinaten angewiesen, um dieses wunderbare vietnamesische Restaurant nahe dem Karlsplatz in B5 zu finden. Gitterzellen geben unserem Gehirn diese Koordinaten: Jedes Mal, wenn wir einen der Knotenpunkte des Gitters überqueren, wird die Gitterzelle aktiviert. Zumindest dachten wir bislang, dass es so funktioniert.", erklärt Erstautorin Charlotte Boccara. Die Frage, ob dies die einzige Funktion der Gitterzellen ist, wird seit fünf Jahren diskutiert, sagt Boccara: „ForscherInnen haben beobachtet, dass das Aktivitätsmuster von Gitterzellen manchmal deformiert ist. So fragte man sich, ob Gitterzellen nicht eine umfassendere organisatorische Rolle für jede Art von Information spielen können, nicht nur in Bezug auf den Raum. Aber welche unterschiedlichen Rollen Gitterzellen wirklich spielen, blieb ein Rätsel."
Aktivitätsmuster von Gitterzellen verschiebt sich, wenn Ratten lernen, wo Belohnungen versteckt sind
In der aktuellen Studie untersuchten die ForscherInnen, ob sich das Aktivitätsmuster von Gitterzellen verändert, sobald Ratten die Lage versteckter Belohnungen erlernen. Bei diesem Test zielorientierten Verhaltens erlernten die Ratten zuerst, wo drei Futterpellets versteckt waren. Danach versuchten sie, die Belohnungen wiederzufinden. Indem die ForscherInnen gleichzeitig die Aktivität der Gitterzellen aufzeichneten, konnten sie beobachten, ob und wie sich das Aktivitätsmuster während des Lernens von Zielen verändert. „Wir konnten beobachten, dass die meisten Gitterzellen auf das Erlernen von Zielen reagieren. Ihr Aktivitätsmuster wird durch das Einführen eines Ziels verformt“, erklärt Boccara. Interessanterweise verschoben sich die Gitterzell-Felder, die dem Ziel am nächsten sind, am meisten, während sich weiter weg gelegene Felder kaum verschoben. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass Gitterzellen neben Raum- auch Zielinformationen vermitteln können. Sie haben mehr organisatorische Funktion als bisher angenommen.”
Um Erkenntnisse über den Lernprozess bei der Zielfindung zu gewinnen, führten die ForscherInnen Versuche mit unterschiedlichen, zufällig verteilten Verstecken an mehreren aufeinanderfolgenden Tagen durch. Boccara: „Während die Ratten neue Orte erlernten, konnten wir beobachten, dass das Aktivitätsmuster der Gitterzellen zwischen dem Muster des Vortages und dem neuen Muster schwankt. Nach dem Lernen war das neue Muster präsenter.“
Persistierende Verformung der Gitterzellen gibt Hinweise über die neuronale Dynamik
Die ForscherInnen zeichneten außerdem die Aktivität von Ortszellen im Hippocampus auf. So konnten sie beobachten, dass sich das Aktivitätsmuster der Ortszellen ebenfalls in Richtung der Verstecke verschob. Während aber das verformte Muster der Gitterzellen über Nacht erhalten blieb, war das Muster der Ortszellen wieder in die Ausgangslage zurückversetzt. Das sei überraschend, sagt Jozsef Csicsvari: „Es ist paradox: Die Gitterzellen erinnern sich daran, wo die Belohnungen waren, aber die Ortszellen nicht. Das legt nahe, dass die Gitterzellen das Verhalten mitbestimmen.“ Boccara fügt hinzu: „Unsere Ergebnisse helfen uns zu verstehen, wie neuronale Netze funktionieren und welche Gehirnregion den Ton angibt. Diktiert der entorhinale Cortex dem Hippocampus, wie er das Aktivitätsmuster verändern soll? Unsere Ergebnisse würden nahelegen, dass Gitterzellen möglicherweise den Ortszellen sagen, welche Gegenden relevant sind, und die Ortszellen können diese Gegenden dann genauer kartieren.“
Charlotte Boccara, ehemals Postdoc im Labor von Jozsef Ciscsvari, ist nun am Institute of Basic Medical Sciences der Universität Oslo tätig, wo sie ihre eigene Gruppe aufbaut. Ko-Erstautor Michele Nardin ist PhD-Student im zweiten Studienjahr in der Csicsvari-Gruppe.
Gitterzell-Felder verschieben sich in Richtung versteckter Belohnungen. Für die Experimente wurde ke ...
Michele Nardin
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