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Wie das Gehirn Karten der Außenwelt erstellt
Seit einem Jahrzehnt sind Wissenschaftler verwirrt darüber, wie die "internen Karten" des menschlichen Gehirns in der Außenwelt verankert sind. Eine neue Studie in der Zeitschrift veröffentlicht Natur versucht, dieses Rätsel zu lösen.
Die orangefarbenen Linien in dieser Abbildung zeigen Kräfte, die auf die interne Karte wirken, um eine endgültige Gittergeometrie zu erzeugen, die asymmetrisch zur Umgebung ist.
Bildnachweis: Tor Stensola / Kavli Institut für Systemische Neurowissenschaften
Die Wissenschaftler hinter der neuen Studie - von der norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie in Trondheim, Norwegen - verglichen die interne Karte des Gehirns mit der Verwendung einer Karte und eines Kompasses, um beim Wandern Längengradlinien mit dem Gelände um uns herum zu verbinden.
Die Nobelpreisträger Edvard Moser und May-Britt Moser hatten zuvor "Gitterzellen" im Gehirn entdeckt, die die Hauptreferenz im räumlichen Navigationssystem unseres Gehirns darstellen. Diese Zellen erlauben es, interne Rasterkarten "hochzuziehen", um uns in die richtige Richtung zu führen. Die neue Studie hilft zu erklären, wie diese Karten in unserer Umgebung verankert sind.
Das norwegische Team zeichnete die Aktivität von Gitterzellen bei Ratten auf, als die Tiere um Keksbrösel herum um ein 1,5 m herum jagten2 Box.
"Wir haben die Aktivität von Hunderten von Gitterzellen aufgezeichnet", sagt Tor Stensola, Forscher am Kavli-Institut für Systemneurowissenschaften in Norwegen.
"Bei der Betrachtung der Informationen von mehr als 800 Gitterzellen haben wir festgestellt, dass Gittermuster typischerweise in den gleichen Richtungen orientiert sind", erklärt Stensola. "Dies galt für alle untersuchten Tiere, was darauf hinwies, dass sich die Gitterkarte systematisch an ihre Umgebung anpasste. Gitterzellen schienen alle an einer der lokalen Wände verankert zu sein, aber immer mit einem spezifischen Versatz von einigen Grad Wir haben uns entschieden, das zu untersuchen. "
Um dies zu visualisieren, erklären die Forscher, dass, wenn eine Karte, die durch die Aktivität von Gitterzellen dargestellt wird, die Box darstellen würde, sie jedes Mal, wenn sich die Ratte in der Box befindet, aussehen und ausgerichtet werden müsste.
Analysiert man die Daten aus den Aufzeichnungen der Aktivität der Gitterzellen in den Gehirnen der Ratten, stellte das Team fest, dass diese aufgezeichneten Karten konsistent waren und dass jedes Gittermuster mit einer der Wände der Box verbunden war. Die Achsen der Gitter waren jedoch nicht perfekt ausgerichtet - sie waren schief. Der Winkel betrug immer ungefähr 7,5 Grad.
Stensola machte einige Berechnungen und erkannte, dass es einen guten Grund für diesen speziellen Winkel geben könnte:
"Bei Winkeln von 0 und 15 Grad wäre die Karte symmetrisch. Mit anderen Worten, wenn sie perfekt mit der Wand ausgerichtet wäre, würde dies bedeuten, dass sie entweder die Kardinalachse oder die Diagonale der quadratischen Box spiegeln würde, um sie zu erzeugen wahrscheinlich, dass die Orte verwechselt werden würden. Der Drehwinkel von 7,5 Grad ist derjenige, der die Symmetrie mit den Achsen in der Umgebung minimiert, wodurch diese möglichen Fehler minimiert werden. "
Wie Asymmetrie die Genauigkeit von internen Karten verbessert
Mehr Asymmetrie wurde in den Gittern gefunden. Wenn die Karte symmetrisch wäre, wäre das Muster perfekt hexagonal - stattdessen fanden die Forscher, dass die Punkte eine Ellipse bildeten. Diese Verzerrung der Punkte entsprach "fast perfekt" der Richtung, in die die Ellipse zeigte, und der Richtung, in der das Gitter verankert war.
Auch hier liefern die Forscher eine visuelle Metapher, um diese Schieflage zu erklären und Teile eines Objekts je nach Ort anders zu verschieben. Denken Sie daran, ein Kartenspiel an einen Tisch zu schieben, sagen sie. Die unterste Karte bleibt am selben Ort und die oberste Karte wird am meisten bewegt, während die mittleren Karten eine Strecke zurücklegen, die ihre Position im Kartenstapel widerspiegelt.
Vor diesem Hintergrund stellten die Forscher die Hypothese auf, dass, wenn ein Tier auf eine neue Umgebung trifft, sein Gehirn eine Karte der Umgebung bildet, in der eine der Achsen perfekt mit einer nahe gelegenen Wand ausgerichtet ist. Allmählich verzerrt die Bewegung im Raum die Karte und verdreht die Karte 7,5 Grad von der Ankerwand entfernt, was "eine stabile und robuste Karte mit geringer Fehlerwahrscheinlichkeit" erzeugt.
In größeren Kisten, die 2,2 m waren2Die Forscher fanden heraus, dass die Karten der Ratten die gleichen Asymmetrien aufwiesen, aber jetzt zerbrachen sie in zwei Teile und wurden separate lokale Karten für dieselbe Box, die an gegenüberliegenden Wänden verankert waren.
"Es ist immer ein großartiges Gefühl, wenn wir die Lösung für ein Rätsel finden, das uns seit einem Jahrzehnt verwirrt", sagt Prof. Edvard Moser, Direktor des Kavli-Instituts für Systemneurologie. Er glaubt, dass die Ergebnisse wichtig sind und verschiedene Bereiche der Wissenschaft verbinden können:
"Die Ergebnisse geben uns weitere Hinweise darauf, wie unsere internen Karten mit der Umgebung interagieren. Jetzt müssen wir im Detail herausfinden, wie die Informationen über die Ausrichtung von Wänden und Grenzen in der Umgebung die Rasterkarten erreichen und wie diese Informationen aussehen wird verarbeitet. Vielleicht werden Grenzzellen die Antwort darauf halten, das wissen wir noch nicht sicher. "
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