Sie sind auf dem Weg zur Arbeit, wenn Sie sich auf den Vortrag konzentrieren, den Sie am Nachmittag halten sollen. Sie proben Ihr Gespräch mit sich selbst, während Sie ins Büro fahren, und bereiten sich auf die Fragen vor, die Ihre Kollegen möglicherweise stellen. Später, wenn Sie Ihren E-Mail-Posteingang aussortieren, überlegen Sie sich Ihre Optionen für das Mittagessen, während Sie endlos scrollen.

Dies sind nur einige Beispiele dafür, wie jede Aktion, die wir in der realen Welt ausführen, auch die verborgene, alternative Aktion mit sich bringt, die wir uns nur vorgestellt haben. Es wurden erhebliche Forschungsanstrengungen unternommen, um das Wie und Warum unserer aktiven Entscheidungsfindung zu verstehen. Neue Erkenntnisse zeigen jedoch, dass die Zeit, die wir in alternativen Realitäten verbringen, auch einem wichtigen neurologischen Zweck dient.

Viele Teile des Gehirns arbeiten zusammen, um unsere mentalen Karten zu erstellen, aber die Hauptakteure in der räumlichen Navigation sind die Hippocampus, der Sitz des Gedächtnisses im Gehirn und der entorhinale Kortex, der neben dem liegt Hippocampus und leitet die dort erzeugten Informationen an höhere Verarbeitungsbereiche weiter.

Bereits 1948 wurde vorgeschlagen, dass Nagetiere sich auf verschiedene Umwelteinflüsse stützen, um Karten für Belohnungen bei Labyrinth-Lernaufgaben zu erstellen. Die Art dieser Karte und die Zellen, die sie erzeugten, blieben jedoch ein Rätsel. Dreißig Jahre später beobachteten die Forscher, dass bestimmte Hippocampuszellen bei Ratten häufiger feuern, wenn sie bestimmte Orte betreten. Bemerkenswerterweise sind die Zündmuster dieser Zellennetzwerke über die Zeit stabil, selbst wenn keine Hinweise vorhanden sind, die bei ihrer anfänglichen Aktivierung vorhanden waren. Die Entdeckung dieser beschreibend benannten „Ortszellen“ ebnete den Weg für eine genauere Abfrage der neurobiologischen Grundlagen der Wegfindung.

Als Ortszellen entdeckt wurden, bestand ihre vorgeschlagene Funktion darin, eine topografische Eins-zu-Eins-Karte eines bestimmten Raums zu erstellen. Auf dem Weg von der physischen Welt zum Gehirn zeigen die meisten unserer sensorischen Darstellungen das, was als bekannt ist topografische Organisation. Stellen Sie sich vor, Sie steigen in Ihr Auto und suchen nach unbekannten Teilen. Sie können sich auf Satellitennavigation, GPS oder eine Papierkarte verlassen, um zu Ihrem Ziel zu gelangen. So wie jeder Punkt auf Ihrer Karte einem bestimmten Orientierungspunkt auf Ihrer Reise entspricht, verankern sich Zellen an bestimmten Orientierungspunkten in der Umgebung, um Sie im Raum zu orientieren.

Unsere interne räumliche Topographie ist komplexer. Hippocampuszellen codieren Darstellungen bestimmter Reize, Hinweise oder Belohnungen im Zusammenhang mit dem Verhalten des Tieres in diesen Räumen. Stellen Sie sich zum Beispiel vor, Sie kommen in einem unbekannten Land am Flughafen an. Möglicherweise verfügen Sie über allgemeine Kenntnisse über das Konzept eines Flughafens sowie über bekannte visuelle Sehenswürdigkeiten, die Sie in diesem neuen Raum verankern. Einige dieser Informationen sind biografisch und basieren auf Ihren einzigartigen Erinnerungen an andere Flughäfen.

Abhängig davon, ob diese Erfahrungen positiv oder negativ waren, trägt die emotionale Bedeutung dieser Räume auch zu Ihrer persönlichen Karte bei. All diese Faktoren ergeben zusammen die Erfahrung des Raums, die viel reicher ist als eine einfache Zusammenstellung von Orientierungspunkten.

"Platzieren Sie Zellen an bestimmten Orientierungspunkten in der Umgebung, um Sie im Raum zu orientieren."

Neuere Studien an Primaten zeigten, dass Hippocampuszellen in Primatengehirnen etwas anders funktionieren als in Nagetiergehirnen und als Reaktion auf eine Reihe verschiedener Stimuli feuern, die nicht streng ortsgebunden sind. Laufende Arbeiten an Mäusen, Primaten und Menschen haben auch gezeigt, dass der Hippocampus kein Einzelspieler ist. Betreten Sie den entorhinalen Kortex, der sensorische Informationen an den Hippocampus weiterleitet und als Brücke zum Neokortex fungiert, wo viele unserer komplexeren kognitiven und motorischen Befehle ausgegeben werden.

Forscher haben kürzlich a Netzwerk von Zellen im entorhinalen Kortex, genannt "Gitterzellen", die Ihre eigene Bewegung relativ zu Ihrer Umgebung codieren und dem Puzzle der Ortszellen ein kritisches Element hinzufügen, wenn es um umfassendere Navigationsstrategien geht. Gitternetzwerke können Richtung und Entfernungen zwischen Objekten in einem Raum genauer darstellen, basierend auf internen Bewegungshinweisen und nicht auf sensorischen Eingaben aus dem Raum selbst. Diese Systeme arbeiten zusammen, um Räume dynamisch auf eine Weise darzustellen, die durch Erfahrung verändert werden kann, indem neue Informationen flexibel einbezogen werden, aber auch ermöglicht wird, dass diese Räume im Laufe der Zeit vertraut werden.

Aber wie entscheiden wir, wie wir mit einem Raum interagieren sollen, wenn wir eine Darstellung eines Raums im Sinn haben? Dies erfordert eine aktive Entscheidungsfindung, und der Treibstoff für die Entscheidung ist die Belohnung. Hier werden die nicht-räumlichen Eigenschaften der Neuronen, aus denen unsere Navigationssysteme bestehen, besonders wichtig. Forscher fanden in Nagetierstudien heraus, dass der wahrgenommene Belohnungswert oder die Bedeutung bestimmter Objekte in einer Umgebung die Feuermuster von Zellen stärker in ihre Richtung verschieben kann. Ein höherer vorhergesagter Belohnungswert, der mit einer bestimmten Runde oder Position in einem Labyrinth verbunden ist, würde daher Bewegung in diese Richtung vorhersagen. Was ist also mit den nicht gewählten Pfaden?

Vor kurzem ein Team von Forscher an der UCSF gemessenes Brennen von Hippocampus-Ortszellen bei Ratten, wenn diese räumliche Navigationsaufgaben erledigten. Die Ratten wurden in ein Labyrinth gebracht und ihre neuronale Aktivität wurde in Echtzeit abgebildet, während sie zwischen Pfaden wählten, die an einem Auswahlpunkt auseinander gingen. Auf diese Weise konnten die Forscher eindeutige Muster für das Brennen von Ortszellen zuordnen, die jedem Arm des Labyrinths entsprachen, nachdem die Ratte eine Wahl getroffen hatte und sich daran entlang bewegte.

Bemerkenswerterweise feuerte jeder der Sätze von Ortszellen, die einen der Arme des Labyrinths darstellten, schnell abwechselnd, als sich die Ratte dem Auswahlpunkt näherte, und würfelte in jeder möglichen Zukunft, bevor die Auswahl getroffen wurde. Dies bedeutet, dass nicht nur der Weg, den das Tier letztendlich in Echtzeit zurücklegt, sondern auch der mögliche alternative Weg im neuronalen Raum gleichermaßen dargestellt werden, was eine mechanistische Erklärung für mentale Repräsentationen der Zukunft liefert.

"Die möglichen alternativen Wege werden im neuronalen Raum gleichermaßen dargestellt und liefern eine mechanistische Erklärung für mentale Repräsentationen der Zukunft."

Bei Nagetieren finden Navigationsstudien in einfachen Tischbaugruppen statt, die die Komplexität einer realen Umgebung nicht erfassen können. Virtuelle Realität ist als persönliche Unterhaltung immer beliebter geworden, bietet Forschern aber auch ein beispielloses Maß an Vielfalt und Kontrolle in der räumlichen Navigationsforschung. Eine Gruppe in Großbritannien hat ein Handyspiel namens Sea Hero Quest verwendet, um einen der größten Datensätze zum räumlichen Denken über Altersgruppen hinweg zu erfassen.

Spieldaten deutet darauf hin, dass das räumliche Denken ab einem Alter von 19 Jahren abnehmen kann und die Routenauswahl der Spieler unterschiedlich war, je nachdem, ob sie die e4-Variante des APOE-Gens trugen, das seit langem als klinischer diagnostischer Marker für die Alzheimer-Krankheit verwendet wird. Neuartige Strategien wie diese, die einfache mobile Spiele in Tools zur Erfassung klinischer Daten verwandeln, könnten unser Verständnis des Fortschritts neurodegenerativer Erkrankungen erheblich erweitern und die Entwicklung einer hochgradig personalisierten Früherkennung beschleunigen.

Ein Großteil unseres Verständnisses, wie wir über die Zukunft denken, ist aus der Untersuchung von Patienten hervorgegangen, die sich nicht mehr an die Vergangenheit erinnern können. Seit den Anfängen der Neurowissenschaften, als Läsionsstudien oft die informativsten Werkzeuge waren, um die Funktion verschiedener Teile des Gehirns kennenzulernen, haben wir verstanden, dass die Hippocampus wird für den Speicherabruf benötigt.

Hippocampusschäden sind mit Amnesie sowie einer Beeinträchtigung des räumlichen Denkens verbunden. Mehrere wegweisende Studien haben jedoch gezeigt, dass eine Verletzung des Hippocampus auch die Fähigkeit beeinträchtigt, sich hypothetische Ereignisse vorzustellen. Patienten mit Amnesie haben nicht nur Schwierigkeiten, sich an aktuelle biografische Informationen zu erinnern, sondern können auf Aufforderung nur allgemeine Aussagen über bevorstehende Ereignisse in ihrem Leben machen.

Gedächtnisverlust ist häufig, wenn wir älter werden, aber wie viele Studien zeigen, Mit zunehmendem Alter nimmt auch unsere Fähigkeit ab, im Weltraum zu navigieren. Diese Defizite treten in einem früheren Alter auf als andere allgemeine Maßstäbe für kognitive Beeinträchtigungen, was darauf hindeutet, dass einige der Funktionen des Navigationssystems einzigartig sind und unabhängig von anderen Arten der Speicher- und Informationsverarbeitung im Hippocampus funktionieren.

Die am stärksten gefährdeten Strukturen im alternden Gehirn sind diejenigen, die Bewegungen codieren, wie z. B. der entorhinale Kortex. Das Brennen von Hippocampus-Ortszellen wird auch bei älteren Ratten unregelmäßig. Bezeichnenderweise sind die Strukturen, die für die Orientierung im Weltraum verantwortlich sind, auch am anfälligsten für die Pathologie der Alzheimer-Krankheit, was auf eine Beeinträchtigung der Navigation als potenzielles frühes diagnostisches Kriterium für diese und andere neurodegenerative Erkrankungen wie die Parkinson-Krankheit hinweist.

Unser tägliches Leben ist voller bewusster und unbewusster Entscheidungen. Aber wie eine wachsende Zahl von Beweisen zeigt, ist unser Gehirn in der Lage, auf den von uns gewählten Wegen genauso viel zu wandern wie auf denen, auf die wir verzichten.

Wenn wir weiter über die komplizierten Beziehungen zwischen räumlicher Navigation, Gedächtnis und Neurodegeneration lernen, stellen wir möglicherweise fest, dass die Zeit, die wir damit verbringen, über das nachzudenken, was gewesen sein könnte, genauso wichtig ist wie die Zeit, die wir mit aktiver Planung verbringen. Während die Abnahme der kognitiven Funktion als normaler Bestandteil des Älterwerdens akzeptiert wird, kann die Aufrechterhaltung dieser Funktionen mit einfachen mentalen Übungen wie Rätseln, Wortspielen oder Lesen dazu beitragen, diese neuronalen Bahnen zu erhalten. Auf die gleiche Weise können wir unsere Navigationssysteme trainieren, indem wir Kurse entlang der Wege zeichnen, die wir noch nicht eingeschlagen haben. Wenn Sie also das nächste Mal Schwierigkeiten haben, Ihre Gedanken wieder auf die anstehende Aufgabe zu bringen, experimentieren Sie damit, sie ein wenig weiter wandern zu lassen.

Dieser Artikel erschien ursprünglich auf Neuronen kennen

References:

Buckner, RL (2010). Die Rolle des Hippocampus in Vorhersage und Vorstellungskraft. Jahresrückblick Psychologie 61, 27-48.

G. Coughlan, A. Coutrot, M. Khondoker, A. Minihane, H. Spires & M. Hornberger (2019). Auf dem Weg zur personalisierten kognitiven Diagnostik der Alzheimer-Krankheit mit genetischem Risiko. PNAS116(19), 9285-9292.

N. Diersch & T. Wolbers (2019). Das Potenzial der virtuellen Realität für die räumliche Navigationsforschung über die gesamte Lebensspanne von Erwachsenen. Journal of Experimental Biology 222, jeb187252 doi: 10.1242 / jeb.187252

H. Eichenbaum, P. Dudchenko, E. Wood, M. Shapiro & H. Tanila (1999). Hippocampus, Gedächtnis und Ortszellen. NeuronDie funktionelle Einheit des Nervensystems, eine Nervenzelle, die ..., 23(2), 209-226.

Giocomo, LM (2015). Raumdarstellung: Karten des fragmentierten Raums. Aktuelle Biologie, 25(9), R362-R363.

Kay, K., Chung, JE, Sosa, M., Schor, JS, Karlsson, MP, Larkin, MC, Liu, DF & Frank, LM (2020). Ständiges Subsekunden-Radfahren zwischen Darstellungen möglicher Zukünfte im Hippocampus. Cell, 180(3), 552-567.

AW Lester, SD Moffat, JM Wiener, CA Barnes & T. Wolbers (2017). Das alternde Navigationssystem. Neuron 95(5), 1019-1035.

books_science