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Wie das Rasterzellen-System des Gehirns gedankliche Räume kartiert

12.10.2018

Wie genau und insbesondere mit welcher zeitlichen Dynamik das sogenannte Rasterzellen-System im menschlichen Gehirn funktioniert, wurde bisher nur vermutet. Ein viel diskutierter Ansatz ist, dass die Signale dieser Zellen Karten von sogenannten kognitiven Räumen erstellen, in denen wir Menschen mental die komplexe Realität anordnen und abspeichern. Ein europäisch-amerikanisches Wissenschaftlerteam konnte nun durch elektrophysiologische Verfahren Evidenz für die Existenz des Rasterzellen-Systems im menschlichen Gehirn nachweisen.

Schon länger ist bekannt, dass sogenannte Ortszellen im menschlichen Hippocampus dafür zuständig sind, bestimmte Positionen im Raum zu kodieren. Eine verwandte Art von Hirnzellen, die sogenannten grid cells oder auf Deutsch Raster- oder Gitterzellen kodieren wiederum eine Vielzahl von Positionen, die gleichmäßig über den Raum verteilt sind – daraus ergibt sich eine Art Bienenwabenmuster, das den Raum lückenlos abdeckt.


Die sogenannten grid cells oder auf Deutsch Raster- oder Gitterzellen kodieren eine Vielzahl von Positionen, die gleichmäßig über den Raum verteilt sind.

© iStock.com/matejmo


Prof. Christian Doeller, neuer Direktor am MPI CBS

© TiTT Melhuus/ Kavli Institute for Systems Neuroscience

Wie genau und insbesondere mit welcher zeitlichen Dynamik das Rasterzellen-System im menschlichen Gehirn funktioniert, konnte bisher nur vermutet werden. Ein viel diskutierter Ansatz ist, dass die Signale dieser Zellen Karten von sogenannten kognitiven Räumen erstellen, in denen wir Menschen mental die komplexe Realität anordnen und abspeichern.

Ein europäisch-amerikanisches Wissenschaftlerteam konnte nun durch elektrophysiologische Verfahren Evidenz für die Existenz des Rasterzellen-Systems im menschlichen Gehirn nachweisen. Unter der Leitung von Prof. Christian Doeller vom Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften (MPI CBS) in Leipzig und Dr. Tobias Staudigl vom Donders Institute for Brain, Cognition and Behaviour der Radboud Universität in den Niederlanden, machten die Forscher mithilfe verschiedener Messverfahren Signale sichtbar, die die Aktivität von Rasterzellen indizieren, während die Probanden Bilder von Alltagsszenen erkunden.

„Wir gehen davon aus, dass diese räumlichen Kodierprinzipien im Gehirn die Grundlagen für höhere Kognitionsleistungen bilden – hier in der Studie im Bereich Wahrnehmung aber möglicherweise auch bei der Entscheidungsfindung oder sogar bei sozialer Interaktion.“, sagt Prof. Christian Doeller, der seine Forschung auf diesem Gebiet nun als neuer Direktor am MPI CBS in Leipzig weiterführt.

Um die Dynamik der Hirnaktivität nachzuweisen, haben die Wissenschaftler voneinander unabhängige Messungen mit zwei verschiedenen Verfahren durchgeführt: einmal der sogenannten Magnetoenzephalographie (MEG) an 36 gesunden Menschen und außerdem mit einer Elektroenzephalographie (EEG)-Messung an einem Epilepsie-Patienten.

Bei der MEG-Messung sitzen die Probanden unter einer Art Haube, die mithilfe von Spulen magnetische Felder messen kann, welche durch die elektrischen Ströme aktiver Nervenzellen verursacht werden. „So konnten wir Daten aufzeichnen, die ohne zeitliche Verzögerung Ausdruck der momentanen Gesamtaktivität des Gehirns sind.“, erklärt Dr. Tobias Staudigl, der als Erstautor der Studie momentan am Cedars-Sinai Medical Center in Los Angeles (USA) forscht.

Den Versuchsteilnehmern wurden 200 Bilder gezeigt, die Szenen innerhalb und außerhalb von Räumen enthielten. „Neben den MEG-Messungen haben wir dabei auch ihre Augenbewegungen mithilfe des sogenannten Eye-trackings aufgezeichnet, um zu bestimmen, wie sie die Szenen der gezeigten Bilder explorieren.“

Bei dem Epilepsiepatienten machten sich die Forscher zunutze, dass ihm vor einer Gehirn-OP Elektroden aufgrund klinischer Indikation implantiert worden waren, mit denen sich die elektrische Aktivität direkt im Gehirn aufzeichnen lässt. Er schaute sich ähnliche Bilder mit Szenen innerhalb und außerhalb von Räumen an, außerdem mit Tieren und Gesichtern. Währenddessen wurden auch seine Augenbewegungen gemessen, womit die Wissenschaftler einen zusätzlichen Datensatz gewinnen konnten, um die Aktivierungsmuster der Zellen aufzuzeichnen.

„Wir haben uns angeschaut, ob das Aktivitätsmuster des gesamten Rasterzellen-Systems eine spezifische Struktur aufweist, wie seit ein paar Jahren vermutet wird.“, berichtet Prof. Christian Doeller. „Indem wir den Probanden Bilder von visuellen Szenen gezeigt haben, konnten wir nun genau das nachweisen. Das ist das erste Mal, dass dieser Effekt anhand von MEG und EEG gemessen wurde und es eröffnet uns viele spannende Möglichkeiten für weitere Forschungen. Zum Beispiel, um zukünftig neue Biomarker für Krankheiten wie Alzheimer zu entwickeln. Denn bei jungen Erwachsenen mit einem erhöhten Risiko für die Alzheimer-Erkrankung konnten wir bereits sehen, dass die Aktivität des Rasterzellen-Systems reduziert ist.“

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Christian Doeller
Direktor am MPI CBS
Telefon: +49 341 9940-2275
Fax: +49 341 9940-2204
E-Mail: doeller@cbs.mpg.de

Dr. Tobias Staudigl
Cedars-Sinai Medical Center, USA
E-Mail: tobias.stdgl@gmail.com

Originalpublikation:

Tobias Staudigl, Marcin Leszczynski, Joshua Jacobs, Sameer A. Sheth, Charles E. Schroeder, Ole Jensen, Christian F. Doeller (2018)
"Hexadirectional modulation of high-frequency electrophysiological activity in the human anterior medial temporal lobe maps visual space"
https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(18)31260-0

Weitere Informationen:

http://www.cbs.mpg.de/rasterzellensystem-gehirn-kartiert-raueme

Bettina Hennebach | Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften

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