Neue Erkenntnisse zur räumlichen Kartierung des Gehirns

JERUSALEM / MÜNCHEN (IT BOLTWISE) – Eine neue Studie der Hebräischen Universität Jerusalem hat ein vereinheitlichtes mathematisches Modell entwickelt, das erklärt, wie sogenannte ‘Ortszellen’ im Hippocampus räumliche Informationen kodieren.

Die jüngsten Forschungen unter der Leitung von Prof. Yoram Burak haben ein bemerkenswert einfaches, aber kraftvolles mathematisches Modell hervorgebracht, das die unregelmäßigen Aktivitätsmuster von Ortszellen in großen Umgebungen erklärt. Diese Zellen, die sich im Hippocampus befinden, helfen Tieren bei der Navigation, indem sie spezifische Feuermuster erzeugen, die Positionen in ihrer Umgebung kodieren. Traditionell wurde angenommen, dass diese Zellen in einzelnen, kompakten Raumregionen mit einer stereotypen symmetrischen Form feuern.

Jedoch hat sich gezeigt, dass in größeren Umgebungen diese Zellen viel komplexere und unregelmäßige Aktivitätsmuster aufweisen, indem sie an mehreren Orten mit unterschiedlichen Formen und Größen feuern. Das von Buraks Team entwickelte Modell basiert auf dem Konzept der ‘Gaussian Processes’, einer Klasse zufälliger Funktionen, die in verschiedenen natürlichen Phänomenen eine wichtige Rolle spielen, von der Kosmologie bis zur Ozeanographie.

In diesem Modell entstehen die Feuerregionen der Ortszellen, indem Raumregionen markiert werden, in denen ein zufälliger Gaussian-Prozess eine bestimmte Schwelle überschreitet. Mit diesem einfachen Modell konnten die Forscher zeigen, dass die Aktivität von Ortszellen bei Fledermäusen und Nagetieren in 1D-, 2D- und 3D-Räumen universellen Prinzipien folgt.

Diese Erkenntnisse legen nahe, dass diese Muster weitgehend aus zufälligen Eingaben in den Hippocampus entstehen, was die Vorstellung in Frage stellt, dass das Gehirn für seine räumliche Karte auf eine präzise Organisation angewiesen ist. Nischal Mainali, ein Student an der Hebräischen Universität und einer der Autoren der Studie, erklärt: ‘Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Zufälligkeit, anstatt spezifischem Design, die synaptische Organisation der Eingaben zu CA1-Neuronen im Hippocampus bestimmt.’

Diese Perspektive stellt lang gehegte Annahmen über die Struktur neuronaler Schaltkreise in Frage und eröffnet neue Wege zum Verständnis der räumlichen Kognition. Das Modell macht auch präzise testbare Vorhersagen über die Anordnungen der Feuerfelder von Ortszellen und deren Geometrie, die durch die erneute Untersuchung von Aufzeichnungen der Ortszellaktivität, die in früheren Experimenten von Fledermäusen, Mäusen und Ratten gesammelt wurden, verifiziert wurden.

Diese Einblicke beleuchten nicht nur die neuronalen Mechanismen der räumlichen Navigation, sondern bieten auch eine Grundlage für die Erforschung, wie das Gehirn Informationen kodiert. Prof. Burak erklärt: ‘Die scheinbar zufälligen Feuermuster von Ortszellen in großen Umgebungen bilden ‘Codewörter’, die einzigartig verschiedenen Positionen im Raum zugewiesen sind. Wir glauben, dass das Gehirn die Statistik dieser zufälligen Codewörter anpasst, um eine sehr effiziente Darstellung von Positionen in großen Umgebungen zu schaffen.’

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