Forscher am Massachusetts Institute of Technology haben Einblicke in die Art und Weise gewonnen, wie das menschliche Gehirn durch den Raum navigiert, indem es sich auf spezialisierte Neuronen stützt, die als 'Ortszellen' im Hippocampus bekannt sind. Ihre Ergebnisse, die in Cell Reports veröffentlicht wurden, stammen aus Experimenten mit Mäusen.
Laut Yi Gu, Professor am Department of Brain and Cognitive Sciences des MIT, hat das Gehirn anfangs Schwierigkeiten, einen neuen Ort zu erkennen. 'Am ersten Tag hat das Gehirn kein starkes Gefühl für die neue Umgebung, da die Neuronen nur bestimmte Orte erinnern. Bis zum fünften Tag sind sie jedoch bereit, eine kognitive Karte zu bilden', erklärte er. 'Damit die Kartierung erfolgen kann, müssen diese Neuronen zusammen in einer koordinierten Weise arbeiten.'
Die Forscher setzten Mäuse in Labyrinthe, ohne sie mit Belohnungen zu motivieren, und überwachten die Aktivität von Neuronen im CA1-Bereich des Hippocampus durch Calciumionenblitze. Diese Blitze wurden während der Erkundung und während des Schlafs aufgezeichnet, als die Mäuse ihre Erfahrungen wieder aktivierten.
Sie beobachteten einen sofortigen und anhaltenden Anstieg der neuronalen Aktivität in den folgenden Tagen. Diese Aktivität allein erklärt jedoch nicht die komplexen Prozesse, die an der Kartierung beteiligt sind.
Mit Hilfe von Algorithmen zur Daten-Dimensionalität untersuchten die Wissenschaftler die Interaktionen zwischen einzelnen Neuronen und identifizierten 'schwach ortsgekoppelte' Zellen, deren Aktivität nicht mit spezifischen Erinnerungen verbunden war, sondern mit Aktivitätsmustern im Netzwerk.
Gu bemerkte: 'In den ersten Tagen nach dem Besuch eines neuen Ortes wird eine kognitive Karte im Hippocampus gebildet, die eine konzeptionelle Karte und kein schematisches Bild ist.' Matthew Wilson, der Laborleiter, der die Experimente durchführte, fügte hinzu: 'Diese Karte wird mit Erinnerungen angereichert, die mit dem Standort verbunden sind. Diese charakteristischen Merkmale könnten als Referenzmarker dienen, obwohl unklar bleibt, welche Informationen genau auf der mentalen Karte verbleiben, da die Mäuse in merkmalslosen Labyrinthen erkundeten.'
Die Studie bestätigte, dass kognitive Kartierung Schlaf erfordert. Um weiter zu untersuchen, wie das Gehirn während des Schlafs räumliche Karten erstellt, fanden die Forscher heraus, dass die Mäuse in ihren Träumen 'üben', ihre letzten Erkundungen zu verbessern und ihre Erinnerungen daran zu stärken.
In späteren Experimenten modifizierten die Forscher die Bedingungen leicht. Die Mäuse erkundeten einen neuen Labyrinth zweimal täglich mit einer dreistündigen Pause zwischen den Versuchen. Einige durften schlafen, während andere davon abgehalten wurden. Die erste Gruppe entwickelte ein tieferes Verständnis für die neue Umgebung, während die zweite Gruppe keine signifikanten Verbesserungen zeigte.
Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Schlaf den Neuronen des Gehirns hilft, sich besser 'einzustellen', um über neue Räume zu lernen. Neurowissenschaftler planen, weitere Forschungen mit komplexeren Labyrinthen durchzuführen.