Räumliche Orientierung – Warum Gitterzellen im Sechseck springen

Neuronale Gitterzellen sind entscheidend für die räumliche Orientierung von Säugetieren. Bei Bewegungen des Tieres werden verschiedene Zellen nacheinander aktiviert, wobei jede einzelne Gitterzelle an mehreren Orten aktiv ist, die zusammengenommen eine virtuelle sechseckige Struktur bilden. So entsteht eine Art Landkarte im Gehirn, durch die sich die genaue Position im Raum bestimmen lässt. Für die Entdeckung dieses faszinierenden biologischen Positionssystems wurde im Jahr 2014 der Nobelpreis vergeben.

Andreas Herz, Professor für Computational Neuroscience an der LMU, und Dr. Martin Stemmler aus seiner Arbeitsgruppe liefern nun gemeinsam mit Dr. Alexander Mathis von der Harvard University den mathematischen Beweis für die hexagonale Symmetrie dieser neuronalen Aktivitätsmuster. Darüber berichten sie aktuell in der Fachzeitschrift eLife.

Der Vorteil von hexagonalen Gitter-Codes

Die Neurobiologen haben die Mathematik hinter den gitterartigen Raum-Kodierungen untersucht. Mit ihrer Analyse zeigen sie, dass die von Honigwaben bekannte hexagonale Symmetrie der neuronalen Aktivtätsmuster die höchste räumliche Auflösung ermöglicht. Zudem gibt ihre Arbeit darüber Aufschluss, welche Struktur für Gitterzellen von Fledermäusen oder Meeressäugern zu erwarten ist, die sich frei in drei Dimensionen bewegen können.

Herz und seine Kollegen haben berechnet, welche Gittertypen die räumlichen Informationen am besten repräsentieren – sowohl für den zwei- als auch für den dreidimensionalen Raum. „Für die Orientierung im zweidimensionalen Raum ist das beste Aktivitätsmuster hexagonal, wie es auch bei Gitterzellen bereits beobachtet wurde“, sagt Herz. „Im dreidimensionalen Raum ist die Analyse komplexer. Die optimale Struktur ähnelt aufgestapelten Orangen“, sagt Martin Stemmler. Erste experimentelle Ergebnisse bestätigen dieses theoretische Ergebnis: Studien mit Fledermäusen, die von Forschern um Professor Nachum Ulanovsky vom Weizmann Institut in Israel vor kurzem erzielt wurden, deuten auf die Existenz solcher Muster hin.

„Unsere Ergebnisse legen nahe, dass das Gehirn verschiedenste Informationen mithilfe gitterartiger Kodierungsschemata mit hoher Effizienz repräsentieren könnte. Gerade für die Kodierung von komplexen Objekten, zu deren Charakterisierung viele Variablen benötigt werden, wären Gitter-Codes von enormen Vorteil“, sagt Alexander Mathis. Die Forscher vermuten nun, dass Gitterzellen, die bereits unser Verständnis der Raumkodierung revolutioniert haben, auch in anderen Bereichen der Neurowissenschaften eine wichtige Rolle spielen.
(eLife, doi: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.05979)