Landvermesser im Gehirn

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Uns im Raum zu orientieren, ist eine lebenswichtige Fähigkeit, die wir der Leistung mehrerer Hirnareale verdanken. Im Tierversuch fanden Forscher sogar spezialisierte Nervenzellen, die allein dafür da sind, Informationen im Raum zu verarbeiten.

Wissenschaftliche Betreuung: Winfried Neuhuber

Veröffentlicht: 21.07.2011

Das Wichtigste in Kürze
  • Wenn wir uns im Raum orientieren, sind vor allem der retrospleniale Cortex und der Hippocampus aktiv.
  • Im Gehirn von Mäusen hat man spezialisierte Neurone entdeckt, die bei der Bewegung in bestimmte Richtungen aktiv werden. Im Zusammenspiel erstellen sie vermutlich eine Art Landkarte der räumlichen Umgebung.

Cortex

Großhirnrinde/Cortex cerebri/cerebral cortex

Der Cortex cerebri, kurz Cortex genannt, bezeichnet die äußerste Schicht des Großhirns. Sie ist 2,5 mm bis 5 mm dick und reich an Nervenzellen. Die Großhirnrinde ist stark gefaltet, vergleichbar einem Taschentuch in einem Becher. So entstehen zahlreiche Windungen (Gyri), Spalten (Fissurae) und Furchen (Sulci). Ausgefaltet beträgt die Oberfläche des Cortex ca 1.800 cm2.

Hippocampus

Hippocampus/Hippocampus/hippocampual formatio

Der Hippocampus ist der größte Teil des Archicortex und ein Areal im Temporallappen. Er ist zudem ein wichtiger Teil des limbischen Systems. Funktional ist er an Gedächtnisprozessen, aber auch an räumlicher Orientierung beteiligt. Er umfasst das Subiculum, den Gyrus dentatus und das Ammonshorn mit seinen vier Feldern CA1-​CA4.

Veränderungen in der Struktur des Hippocampus durch Stress werden mit Schmerzchronifizierung in Zusammenhang gebracht. Der Hippocampus spielt auch eine wichtige Rolle bei der Verstärkung von Schmerz durch Angst.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Im eigenen Wohnviertel finden wir uns gut zurecht. Den Weg zum Supermarkt um die Ecke oder in die nächstgelegene Apotheke laufen wir, ohne lange darüber nachzudenken. Dabei ist die Orientierung im Raum eine wichtige Fähigkeit, die ohne Gedächtnisleistung nicht denkbar wäre.

Wie unser Gehirn diese Orientierung meistert, haben 2007 Wissenschaftler des Universitätsklinikums Hamburg-​Eppendorf getestet. Über einen Monitor wurden 16 Freiwilligen Bilder einer fiktiven Stadt präsentiert. Via Joystick mussten sie in der fremden Umgebung Orientierungsaufgaben lösen. Währenddessen nahm ein Kernspintomograph Schnittbilder ihres Gehirns auf. Die Wissenschaftler um den Psychologen Thomas Wolbers wollten herausfinden, welche Gehirnregionen arbeiten, wenn wir versuchen, uns in einer neuen Umgebung zurechtzufinden, sich unser Gehirn also ein räumliches Gedächtnis neu zusammenbaut.

Gedächtnis

Gedächtnis/-/memory

Gedächtnis ist ein Oberbegriff für alle Arten von Informationsspeicherung im Organismus. Dazu gehören neben dem reinen Behalten auch die Aufnahme der Information, deren Ordnung und der Abruf.

Hirnareale zur Orientierung

Die Ergebnisse waren eindeutig: Vor allem zwei Gehirnregionen sind aktiv: der retrospleniale Cortex und der Hippocampus. Der retrospleniale Cortex ist ein Teil der Großhirnrinde. Er verknüpft verschiedene Arten von Informationen miteinander, die wir für die räumliche Orientierung benötigen, beispielsweise die Information, wie man vom Supermarkt zur Bushaltestelle gelangt. Vom retrosplenialen Cortex aus werden die Daten an den Hippocampus weitergeleitet, der sie in eine Art Landkarte einbaut.

Wie genau eine solche Landkarte entsteht, ist noch nicht klar. Tierversuche zeigen jedoch, dass es spezialisierte Gehirnzellen gibt, die beispielsweise ausschließlich die Position im Raum oder das Vorhandensein von räumlichen Begrenzungen verarbeiten.

Diese bislang vor allem bei Ratten erforschten Neuronen befinden sich im Hippocampus und den angrenzenden Gehirnregionen – und werden zum Beispiel aktiv, wenn eine Ratte sich in einem Labyrinth zurecht finden muss, in dem eine Futterbelohnung lockt.

Cortex

Großhirnrinde/Cortex cerebri/cerebral cortex

Der Cortex cerebri, kurz Cortex genannt, bezeichnet die äußerste Schicht des Großhirns. Sie ist 2,5 mm bis 5 mm dick und reich an Nervenzellen. Die Großhirnrinde ist stark gefaltet, vergleichbar einem Taschentuch in einem Becher. So entstehen zahlreiche Windungen (Gyri), Spalten (Fissurae) und Furchen (Sulci). Ausgefaltet beträgt die Oberfläche des Cortex ca 1.800 cm2.

Hippocampus

Hippocampus/Hippocampus/hippocampual formatio

Der Hippocampus ist der größte Teil des Archicortex und ein Areal im Temporallappen. Er ist zudem ein wichtiger Teil des limbischen Systems. Funktional ist er an Gedächtnisprozessen, aber auch an räumlicher Orientierung beteiligt. Er umfasst das Subiculum, den Gyrus dentatus und das Ammonshorn mit seinen vier Feldern CA1-​CA4.

Veränderungen in der Struktur des Hippocampus durch Stress werden mit Schmerzchronifizierung in Zusammenhang gebracht. Der Hippocampus spielt auch eine wichtige Rolle bei der Verstärkung von Schmerz durch Angst.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Spezialisierte Neuronen erstellen Landkarte

Läuft die Ratte durch die Gänge und bewegt dabei suchend ihren Kopf, werden zum Beispiel die Head-​Direction Cells aktiv, die man mit dem Begriff Kopfrichtungszellen übersetzen könnte. Dreht das Tier seinen Kopf in eine bestimmte Richtung, feuern sie; je weiter die Ratte ihren Kopf von dieser Position abwendet, desto weniger stark feuern auch die Kopfrichtungszellen. Ähnlich einem inneren Kompass bemessen sie so die Ausrichtung des Kopfes in einer Art Koordinatensystem und ermöglichen dadurch Orientierung.

Von zentraler Bedeutung sind auch die so genannten Place Cells, die in direkter Übersetzung auch als Ortszellen bezeichnet werden. Hält sich die Ratte zum wiederholten Mal an einem bestimmten Punkt im Labyrinth auf, beispielsweise an einer charakteristischen Kreuzung, so feuern sie und signalisieren dem Tier: Du bist wieder an diesem einen bestimmten Punkt.

Ihnen gegenüber stehen Grid Cells, übersetzt Rasterzellen. Sie sind im Gegensatz zu den Place Cells nicht nur dann aktiv, wenn sich die Ratte an einem speziellen Punkt des Labyrinths befindet, sondern reagieren auf mehrere Orte. Dadurch unterteilen sie den erkundeten Raum in eine Art Gitter. Welche genaue Aufgabe diese Zellen im Baukasten der Orientierungsfindung spielen, bleibt bislang offen. Eine Kombination mehrerer Orientierungsmuster gelingt dank den so genannten Place-​by-​Direction Cells: Sie arbeiten, wenn sich die Ratte an einem bestimmten Ort befindet und zugleich in eine bestimmte Richtung schaut.

Einige Wege eines Labyrinths enden bekanntlich in einer Sackgasse. Auch hier werden bestimmte Zellen tätig: Findet sich die Ratte vor einem Hindernis wieder, werden in ihrem Gehirn die so genannten Border Cells aktiv. Der Begriff bedeutet so viel wie Grenzzellen. Diese Zellen liegen zwischen Hippocampus und Neocortex und wurden erst 2008 von Wissenschaftlern um Edvard Moser entdeckt, der an der Norwegian University of Science and Technology in Trondheim forscht. Aktive Border Cells bedeuten: An dieser Stelle geht es nicht weiter. Such dir einen anderen Weg.

Ortszellen

Ortszellen/-/place cells

Pyramidenzellen des Hippocampus, die eine bestimmte Stelle in einer bestimmten Umgebung – zum Beispiel einen Abschnitts eines Labyrinths – codieren. Befindet sich ein Versuchstier im Zentrum dieses Bereichs, feuert die Zelle am stärksten. Ortszellen wurden 1971 von John O´Keefe und Jonathon Dostrovsky entdeckt.

Hippocampus

Hippocampus/Hippocampus/hippocampual formatio

Der Hippocampus ist der größte Teil des Archicortex und ein Areal im Temporallappen. Er ist zudem ein wichtiger Teil des limbischen Systems. Funktional ist er an Gedächtnisprozessen, aber auch an räumlicher Orientierung beteiligt. Er umfasst das Subiculum, den Gyrus dentatus und das Ammonshorn mit seinen vier Feldern CA1-​CA4.

Veränderungen in der Struktur des Hippocampus durch Stress werden mit Schmerzchronifizierung in Zusammenhang gebracht. Der Hippocampus spielt auch eine wichtige Rolle bei der Verstärkung von Schmerz durch Angst.

Neocortex

Neocortex/-/neocortex

Der Neocortex ist der stammesgeschichtlich jüngste Teil der Großhirnrinde. Da er relativ gleichförmig in sechs Schichten aufgebaut ist, spricht man auch vom Isocortex.

Rückschlüsse auf den Menschen

Ähnlich wie Seefahrer in vergangenen Jahrhunderten fremde Welten kartierten, so muss also auch die Ratte die Informationsflut einer neuen Umgebung erst einmal sortieren. Um eine solche innere Landkarte erstellen zu können, liefern ihr die spezialisierten Gehirnzellen die Grundpfeiler. Mit ihrer Hilfe speichert die Ratte eine Vielzahl von Informationen im räumlichen Gedächtnis ab – und erstellt in ihrem Gehirn eine Art „Labyrinth-​Lageplan“.

Wissenschaftler vermuten, dass auch in unserem Gehirn Place Cells und andere Spezialisten vorkommen. Sicher ist, dass wir zu unserer komplexen räumlichen Gedächtnisleistung nicht fähig wären, hätte sich evolutionsbiologisch nicht eine ebenso komplexe Orientierungsfähigkeit entwickelt.

Gedächtnis

Gedächtnis/-/memory

Gedächtnis ist ein Oberbegriff für alle Arten von Informationsspeicherung im Organismus. Dazu gehören neben dem reinen Behalten auch die Aufnahme der Information, deren Ordnung und der Abruf.

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One comment

Richard Kinseher 20.01.2017
Das Erstellen von ´Landkarten´ lässt sich experimentuell belegen:

DOI: 10.1080/17470218/2011/571267 Walking through doorways causes forgetting

Wenn Menschen einen anderen Raum betreten, wird das Erinnerungsvermögen für Ereignisse aus dem ersten Raum beeinträchtigt. Anscheinend sind Ereignisse mit räumlichen Informationen verknüpft. Wenn in einem neuen Raum ein neues Raumgitter aktiviert wird, vergisst man alte Infos.

DOI: 10.1038/nn.3687 Attentive scanning behavior drives one-trial potentiation of hippocampal place fields : Bei Ratten mit Messelektroden im Hippocampus wurde beobachtet, dass sie ca. alle 7 Sekunden kurz anhalten und umherschauen. Dabei werden messbar neue Neuronen aktiv: vermutlich reaktivieren sie dabei vorhandenes Wissen um ein Orts-update zu erstellen.

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