Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Lernen nach einem Durchlauf

09.11.2009
Wie die Reihenfolge von Ereignissen gelernt werden kann

Wenn wir von der Küche durch den Flur ins Wohnzimmer gehen, dauert das ein paar Sekunden. Dass wir uns anschließend daran erinnern, den Weg zurückgelegt zu haben, ist gar nicht so selbstverständlich - denn um sich Ereignisse einzuprägen, müssen sie im Gehirn innerhalb von Millisekunden wieder abgespult werden.

Bisherige Untersuchungen aus verschiedenen Laboratorien haben gezeigt, dass das Gehirn hierzu einen Mechanismus namens "Phasenverschiebung" (phase precession) nutzen könnte. Diese Phasenverschiebung haben nun eine Gruppe von Forschern um den Neurowissenschaftler Richard Kempter, Humboldt-Universität zu Berlin und Bernstein Zentrum für Computational Neuroscience Berlin, in Zusammenarbeit mit dem Labor von György Buzsáki an der Rutgers University in Newark, New Jersey, USA, näher untersucht.

Dazu haben sie Hirnaktivität von Ratten analysiert, die einen bestimmten Weg zwischen zwei Futterstellen zurücklegten - also quasi von der Küche durch den Flur in eine andere Küche. Im Gegensatz zu früheren Untersuchungen, in denen Daten aus verschiedenen Durchläufen zusammengefasst wurden, haben die Wissenschaftler nun jeden Durchlauf separat betrachtet.

"Das Gehirn muss in der Lage sein, Informationen auch während eines einzigen Durchlaufs zu verarbeiten und zu speichern. Mit unserem Ansatz konnten wir zeigen, dass die Phasenverschiebung schon bei einzelnen Durchläufen die Komprimierung und Speicherung von Abläufen im Gehirn erklären kann und wesentlich präziser arbeitet, als bisher angenommen", erklärt Kempter.

Zur Orientierung dienen bei Mensch und Tier so genannte "Ortszellen" im Gehirn. Sie sind immer dann aktiv, wenn man sich in einem bestimmten Bereich des Raums aufhält. Bereiche verschiedener Ortszellen können sich dabei durchaus überlappen. Durchquert eine Ratte im Versuch die Ortsfelder A und B, sind beispielsweise erst die Ortszelle A, dann die Ortszellen A und B und schließlich die Ortszelle B aktiv.

Diese Abfolge spielt sich in einem Zeitrahmen von Sekunden ab. Für Nervenzellen sind ein paar Sekunden jedoch nahezu eine Ewigkeit, da viele zelluläre Prozesse auf viel schnelleren Zeitskalen ablaufen. Um Verbindungen zwischen Zellen zu verstärken, müssen beide Zellen innerhalb von Millisekunden aktiv sein. Wenn eine Zelle A wenige Millisekunden vor einer Zelle B einen Impuls aussendet - man sagt, sie "feuert" - kann sich das Gehirn die Reihenfolge "AB" einprägen.

Eine solche Komprimierung der Ereignisse von Sekunden auf Millisekunden wird im Gehirn durch eine Phasenverschiebung codiert. Ortszellen folgen einem bestimmten Rhythmus im Gehirn und feuern im Takt. Aber nicht genau - während die Ratte den Bereich von Ortszelle A durchquert, verschiebt sich die Phase der Ortszelle A gegenüber dem allgemeinen Rhythmus nach vorne. Wenn die Ratte von A über AB nach B läuft, feuern die A-Zellen innerhalb eines Zyklus kurz vor den B-Zellen. So kann das Ereignis "AB" gelernt werden.

In der Arbeitsgruppe von Richard Kempter hat Robert Schmidt nun die Phasenverschiebung genauer untersucht und dabei Versuchsdurchläufe einzeln betrachtet. Wie die Wissenschaftler zeigten, ist der Zusammenhang zwischen Phasenverschiebung und zurückgelegter Strecke in einzelnen Durchläufen sehr präzise: die Phasenverschiebung gibt sehr genau an, wo sich die Ratte im Ortsfeld befindet. Der Zusammenhang zwischen Phasenverschiebung und Strecke ändert sich jedoch beträchtlich von Durchlauf zu Durchlauf. Wenn man also mehrere Versuchsdurchläufe gemeinsam betrachtet, ist die Phasenverschiebung weniger genau. "Auch wenn der Weg für die Ratte immer der gleiche ist, ist die Aktivität der Nervenzellen bei jedem Durchlauf unterschiedlich", sagt Schmidt. Durch ihren Ansatz, die Daten aus einzelnen Durchläufen getrennt zu analysieren, konnten die Wissenschaftler also zeigen, dass der Phasenverschiebungs-Code noch besser funktioniert, als bisher angenommen. Darüber hinaus stellten die Forscher fest, dass eine Phasenverschiebung oft nur einen halben Zyklus beträgt. Diese Beobachtung erklärt, warum die Reihenfolge der Ereignisse beim komprimierten Abspulen im Gehirn erhalten bleibt und die A-Zelle immer kurz vor der B-Zelle feuert. Bei einer größeren Phasenverschiebung würden die Ereignisse aus zwei aufeinander folgenden Zyklen durcheinander geraten.

Originalpublikation:
Robert Schmidt, Kamran Diba, Christian Leibold, Dietmar Schmitz, György Buzsáki,
and Richard Kempter (2009). Single-Trial Phase Precession in the Hippocampus. Journal of Neuroscience, 29:13232-13241. doi:10.1523/JNEUROSCI.2270-09.2009
Kontaktinformation:
Richard Kempter und Robert Schmidt
Institut für Biologie - Theoretische Biologie
Humboldt-Universität zu Berlin
Tel: 030-2093-8925/6
Email: r.kempter(at)biologie.hu-berlin.de und
r.schmidt(at)biologie.hu-berlin.de

Dr. Katrin Weigmann | idw
Weitere Informationen:
http://www.nncn.de/
http://www.bccn-berlin.de/
http://itb.biologie.hu-berlin.de/Research/faculty/kempter_group/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht „Molekularer Schraubstock“ ermöglicht neue chemische Reaktionen
23.02.2018 | Justus-Liebig-Universität Gießen

nachricht Neu entwickeltes Molekül bindet Stickstoff
23.02.2018 | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Good vibrations feel the force

Eine Gruppe von Forschern um Andrea Cavalleri am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg hat eine Methode demonstriert, die es erlaubt die interatomaren Kräfte eines Festkörpers detailliert auszumessen. Ihr Artikel Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, nun online in Nature veröffentlich, erläutert, wie Terahertz-Laserpulse die Atome eines Festkörpers zu extrem hohen Auslenkungen treiben können.

Die zeitaufgelöste Messung der sehr unkonventionellen atomaren Bewegungen, die einer Anregung mit extrem starken Lichtpulsen folgen, ermöglichte es der...

Im Focus: Good vibrations feel the force

A group of researchers led by Andrea Cavalleri at the Max Planck Institute for Structure and Dynamics of Matter (MPSD) in Hamburg has demonstrated a new method enabling precise measurements of the interatomic forces that hold crystalline solids together. The paper Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, published online in Nature, explains how a terahertz-frequency laser pulse can drive very large deformations of the crystal.

By measuring the highly unusual atomic trajectories under extreme electromagnetic transients, the MPSD group could reconstruct how rigid the atomic bonds are...

Im Focus: Verlässliche Quantencomputer entwickeln

Internationalem Forschungsteam gelingt wichtiger Schritt auf dem Weg zur Lösung von Zertifizierungsproblemen

Quantencomputer sollen künftig algorithmische Probleme lösen, die selbst die größten klassischen Superrechner überfordern. Doch wie lässt sich prüfen, dass der...

Im Focus: Developing reliable quantum computers

International research team makes important step on the path to solving certification problems

Quantum computers may one day solve algorithmic problems which even the biggest supercomputers today can’t manage. But how do you test a quantum computer to...

Im Focus: Innovation im Leichtbaubereich: Belastbares Sandwich aus Aramid und Carbon

Die Entwicklung von Leichtbaustrukturen ist eines der zentralen Zukunftsthemen unserer Gesellschaft. Besonders in der Luftfahrtindustrie und in anderen Transportbereichen sind Leichtbaustrukturen gefragt. Sie ermöglichen Energieeinsparungen und reduzieren den Ressourcenverbrauch bei Treibstoffen und Material. Zum Einsatz kommen dabei Verbundmaterialien in der so genannten Sandwich-Bauweise. Diese bestehen aus zwei dünnen, steifen und hochfesten Deckschichten mit einer dazwischen liegenden dicken, vergleichsweise leichten und weichen Mittelschicht, dem Sandwich-Kern.

Aramidpapier ist ein etabliertes Material für solche Sandwichkerne. Sein mechanisches Strukturversagen ist jedoch noch unzureichend erforscht: Bislang fehlten...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Von festen Körpern und Philosophen

23.02.2018 | Veranstaltungen

Spannungsfeld Elektromobilität

23.02.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2018

21.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Von festen Körpern und Philosophen

23.02.2018 | Veranstaltungsnachrichten

Good vibrations feel the force

23.02.2018 | Physik Astronomie

Empa zeigt «Tankstelle der Zukunft»

23.02.2018 | Messenachrichten

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics