Neil Burgess: Wie Ihr Gehirn Ihnen sagt, wo Sie sind

Wenn wir auf einen großen Parkplatz parken, wie erinnern wir uns, wo wir unser Auto geparkt haben? Hier wird Homer mit diesem Problem konfrontiert. Und wir werden versuchen zu verstehen, was in seinem Gehirn vorgeht.

Wir beginnen mit dem Hippocampus, hier in gelb dargestellt, er ist das Gedächtnisorgan. Falls er beschädigt ist, was bei Alzheimer der Fall ist, können Sie sich nicht länger erinnern, z.B. daran, wo Ihr Auto steht. Es ist nach dem lateinischen Wort für "Seepferdchen", dem es ähnelt, benannt. Und wie der Rest des Gehirns besteht er aus Nervenzellen.

Das menschliche Gehirn enthält ungefähr hundert Milliarden Nervenzellen. Und die Nervenzellen kommunizieren miteinander, indem sie einander kleine elektrische Impulse über ihre Verbindungsstellen senden. Der Hippocampus besteht aus zwei Zellblättern, welche sehr dicht miteinander verbunden sind. Und Wissenschaftler haben angefangen zu verstehen, wie das räumliche Gedächtnis funktioniert, indem sie die Daten von einzelnen Nervenzellen von Ratten oder Mäusen, während sie eine Umgebung erforschen oder nach Nahrung stöbern, aufzeichneten.

Wir werden uns vorstellen, dass wir die Daten einer einzelnen Nervenzelle im Hippocampus dieser Ratte hier aufzeichnen. Und wenn sie einen kleinen elektrischen Impuls abfeuert, wird es einen roten Punkt und einen Klick geben. Wir sehen also, dass diese Nervenzelle weiß, wann sich die Ratte an einen bestimmten Ort in ihrer Umgebung begeben hat. Und sie meldet es dem restlichen Gehirn, indem sie einen kleinen elektrischen Impuls sendet. Wir konnten also nachweisen, dass die Feuerrate dieser Nervenzelle dem Tier zum Orten dient. Zeichnen wir Daten von vielen verschiedenen Nervenzellen auf, sehen wir, dass unterschiedliche Zellen feuern, wenn sich das Tier in andere Teile seiner Umgebung begibt, wie man in dieser quadratischen Schachtel sieht. Zusammen bilden sie also eine Karte für das restliche Gehirn, welche dem Gehirn fortwährend ankündigt, "Wo befinde ich mich nun in meiner Umgebung?"

Man zeichnet ebenfalls die Daten von menschlichen Platzzellen auf. Epileptiker brauchen manchmal die elektrische Aktivität bei ihrer Gehirnüberwachung. Und einige dieser Patienten spielten ein Videospiel, in dem sie in einer kleinen Stadt herumfahren. Und Platzzellen in ihren Hippocampi feuerten, wurden aktiv und begannen elektrische Impulse zu senden, immer wenn sie an einer bestimmten Stelle im Städtchen vorbeifuhren.

Wie kann eine Platzzelle wissen, wo innerhalb ihrer Umgebung sich die Ratte oder die Person befindet? Nun, diese zwei Zellen hier zeigen uns, dass die Grenzen der Umgebung besonders wichtig sind. Die obere feuert gern genau zwischen den Wänden der Schachtel, in der sich die Ratte befindet. Und wenn man die Schachtel vergrößert, vergrößert sich der Schussradius. Die untere feuert gerne jedes Mal, wenn sich eine Wand nahe im Süden befindet. Und falls Sie eine andere Wand in die Schachtel stellen, feuert die Zelle an beiden Stellen, immer wenn sich im Süden eine Wand befindet, während das Tier die Schachtel erforscht. Dies legt nahe, dass es ziemlich wichtig ist für den Hippocampus, die Abstände und Richtungen der Grenzen rundherum, verbreitete Gebäude und so weiter, abzutasten. An den Eingängen des Hippocampus findet man tatsächlich Zellen, die in den Hippocampus hineinprojizieren, die genau reagieren beim Wahrnehmen von Grenzen oder Kanten in einem bestimmten Abstand und Richtung zur Ratte oder zur Maus, wenn sie die Umgebung erforscht.

Deshalb können Sie bei der Zelle links sehen, dass sie jedes Mal feuert, wenn sich das Tier einer Wand oder einer Abgrenzung Richtung Osten nähert, sei es die Ecke oder die Wand einer quadratischen Schachtel, sei es eine kreisförmige Wand einer runden Schachtel, oder sogar der Rand einer Tischkante, auf dem die Tiere herumlaufen. Und die Zelle hier rechts feuert jedes Mal, wenn eine Abgrenzung Richtung Süden kommt, sei es der Rand einer Tischkante oder eine Wand, oder sogar der Abstand zwischen zwei Tischen, die auseinandergezogen wurden. Das ist also eine Theorie, wie Platzzellen die Position des Tieres feststellen, während es erforscht.

Wir können auch überprüfen, wo wir ein Objekt in einfachen Umgebungen vermuten, etwa diese Zielfahne – oder natürlich die Position Ihres Autos. Daher können wir Leute eine Umgebung erforschen und den Ort sehen lassen, an den sie sich erinnern müssen. Und dann, wenn wir sie wieder in die Umgebung bringen, sind sie generell ziemlich gut, wenn es darum geht festzustellen, die Position der Flagge oder des Autos zu orten. Aber in einigen Versuchen könnten wir die Form und Größe der Umgebung verändern, so wie wir es mit der Platzzelle gemacht haben.

In diesem Fall können wir sehen, wie sich die vermutete Position der Fahne in Abhängigkeit einer veränderten Form und Größe der Umgebung verändert. Hier sehen Sie zum Beispiel, wenn sich die Flagge an der Position des Kreuzes in einer kleinen Umgebung befand, und dann fragen Sie Leute nach ihrer Position, haben aber die Umgebung vergrößert, dann dehnt sich ihre Vermutung über die Position der Flagge im selben Maße aus wie sich die feuernde Platzzelle ausgedehnt hat. Es ist, als ob Sie sich an die ursprüngliche Position der Fahne erinnern, indem Sie das Feuermuster von allen Platzzellen an diesem Ort gespeichert haben, und dann können Sie an den Ort zurückkehren, indem Sie sich so lange umherbewegen, bis das aktuelle Feuermuster Ihrer Platzzellen dem gespeicherten so gut wie möglich entspricht. Dies leitet Sie zurück an die Stelle, an die Sie sich erinnern wollen.

Aber wir können auch anhand unserer Bewegung unsere Position bestimmen. Wenn wir also den Ort verlassen – vielleicht stellen wir das Auto ab und laufen ein Stück – dann wissen wir dank unseren eigenen Bewegungen, mit denen wir diesen Pfad gliedern können, ungefähr, welche Richtung wir für den Rückweg nehmen müssen. Und die Platzzellen erhalten diese Art Weggliederung auch von einer Art von Zelle, die man Gitterzelle nennt.

Nun, Gitterzellen findet man an den Eingängen des Hippocampus, und sie ähneln den Platzzellen ein wenig. Aber wenn nun die Ratte herumforscht, feuert jede individuelle Zelle in einem ganzen Bereich verschiedener Stellen, die sich in der Umgebung befinden, in einen verblüffend regelmäßigen, dreieckigen Gitter. Und falls Sie die Daten von mehreren Gitterzellen, hier in verschiedenen Farben dargestellt, aufzeichnen, hat jede ein gitterartiges Feuermuster für die ganze Umgebung, und das Muster jeder Zelle weist minimale Änderungen zu denen der anderen Zellen auf. So feuern die roten in diesem Gitter und die grünen in diesen und die blauen in diesem.

Zusammen ist es so, als ob eine Ratte ein virtuelles Gitter von Feuerpunkten in ihrer Umgebung aufstellen kann, so wie die Breiten- und Längengrade, die man auf einer Karte finden kann, aber eben mit Dreiecken. Und wenn die Ratte sich umherbewegt, kann die elektrische Tätigkeit von einer dieser Zellen zur nächsten Zelle gelangen und den Überblick über den Aufenthaltsort behalten, so dass sie ihre eigene Bewegungen benutzen kann, um sich in ihrer Umgebung zu verorten.

Besitzen Menschen Gitterzellen? Nun, da alle diese gitterartigen Feuermuster die gleichen Symmetrieachsen, die gleiche Gitterorientierung, hier in orange dargestellt, haben, bedeutet dies, dass die reine Aktivität all dieser Gitterzellen sich in einer bestimmten Stelle des Gehirns ändern sollte, je nachdem, ob wir eine dieser sechs Richtungen nehmen, oder eine der sechs Richtungen dazwischen. Folglich können wir von Menschen ein MRT machen, während sie ein kleines Videospiel spielen, wie das, das ich Ihnen gezeigt habe, und warten auf das Signal. Und tatsächlich, man sieht es in ihrer entorhinalen Hirnrinde, die dem Teil des Gehirns entspricht, wo sich bei den Ratten die Gitterzellen befinden.

Nun zurück zu Homer. Er ist vermutlich dabei, sich zu erinnern, wo sein Auto steht, in Bezug auf die Abstände und Richtungen zu Gebäuden und Grenzen, die sich rund um die Stelle, wo er geparkt hat, befinden. Und dies würde dargestellt werden durch das Feuern der Grenzortungszellen. Er erinnert sich auch an den Weg, auf dem er den Parkplatz verließ, was man durch das Feuern der Gitterzellen darstellen würde. Nun, diese beide Arten von Zellen können die Platzzellen zum Feuern bringen. Und er kann zur Stelle zurückkehren, wo er geparkt hat, indem er sich so bewegt, dass das aktuelle Feuermuster der Platzzellen in seinem Gehirn mit dem gespeicherten Muster, das beim Parken des Autos entstand, übereinstimmt. Und dies führt ihn zurück zu dieser Stelle, ungeachtet von visuellen Hinweisen, wie ob das Auto wirklich dort ist. Vielleicht wurde es abgeschleppt. Aber er weiß, wo es war, und so weiß er, wie er es wiedererlangen kann.

Jenseits des räumlichen Gedächtnisses also können wir nach gitterartigen Feuermustern im ganzen Gehirn suchen. Wir können sie in einer Reihe von Orten sehen, die beim Verrichten autobiografischer Gedächtnisaufgaben aller Art ständig aktiv sind, wie etwa sich daran zu erinnern, wann man zuletzt auf einer Hochzeit war. Also könnte es sein, dass die Neuromechanismen, die den uns umgebenden Raum darstellen, ebenfalls zum Erzeugen einer Visualisierung verwendet werden, damit wir zumindest die räumliche Komponente unserer Erlebnisse wiederherstellen können, wenn wir uns sie vorstellen.

Wenn das geschähe, könnten sich Platzzellen gegenseitig aktivieren durch diese dichten Vernetzungen, und dann würden sie die Grenzzellen reaktivieren, um die Flächenstrukturen des Erlebnisses rund um Ihren Standpunkt zu formen. Und die Gitterzellen könnten den Standpunkt durch den Raum bewegen. Eine andere Art von Zelle, die Kopfbewegungszelle, die ich noch nicht erwähnt hatte, feuert wie ein Kompass, je nachdem, in welche Richtung man schaut. Die Zellen könnten die Blickrichtung bestimmen, von der aus Sie ein Bild zur Visualisierung erzeugen wollen, so dass Sie sich z. B. vorstellen können, was damals auf der Hochzeit passierte.

Das ist aber nur ein Beispiel von einer neuen Ära in der kognitiven Neurowissenschaft, wo wir langsam anfangen, die psychologischen Vorgänge zu verstehen: wie man sich erinnert, sich etwas vorstellt, oder einfach denkt, und welche Funktionen dabei die Milliarden einzelner Nervenzellen, aus denen unser Gehirn besteht, erfüllen.

Vielen Dank.

(Applaus)