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Richtungsweiser im Gehirn Wie Navigationsneurone Entscheidungen lenken

| Autor/ Redakteur: Kathrin Pauser* / Christian Lüttmann

Links oder rechts abbiegen? Einfache Fragen erfordern im Gehirn komplexe Prozesse. Wie wir trotzdem schnell zu einer Entscheidung kommen, haben Forscher nun am Mausmodell untersucht. Dabei identifizierten sie eine Hirnregion, die hilft, in unerwarteten Situationen die Orientierung zu bewahren.

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Die Neurowissenschafter am IST Austria schickten Ratten durch ein kreuzförmiges, vierarmiges Labyrinth, um einen Zielort mit einer Belohnung aufzuspüren, der nach unterschiedlichen Regeln definiert war.
Die Neurowissenschafter am IST Austria schickten Ratten durch ein kreuzförmiges, vierarmiges Labyrinth, um einen Zielort mit einer Belohnung aufzuspüren, der nach unterschiedlichen Regeln definiert war.
(Bild: IST Austria – Csicsvari Gruppe)

Klosterneuburg/Österreich – Komplexe kognitive Aufgaben wie das Navigieren von A nach B erfordern das koordinierte Zusammenspiel mehrerer Gehirnregionen. Eine entscheidende Rolle bei der Navigation spielt der Hippocampus. Er enthält spezielle Neuronen, die als Ortszellen bezeichnet werden.

Ortszellen zeichnen eine mentale Karte der Umgebung, durch die wir navigieren, da jedes Neuron nur an einer bestimmten Stelle aktiv ist. Während wir schlafen, wiederholt der Hippocampus dieses Aktivitätsmuster zum Zweck der Gedächtnisbildung. Auch während wir wach sind, findet dieses Wiederabspielen neuronaler Aktivität statt, dann jedoch wahrscheinlich, um uns dabei zu helfen, vergangene und zukünftige Entscheidungen zu bewerten.

Im Gegensatz zum Hippocampus ist über die Gehirnregion des medialen präfrontalen Cortex (mPFC) noch weit weniger bekannt. Neurowissenschaftler vermuten jedoch, dass auch der mPFC an der Ausführung kognitiver Aufgaben beteiligt ist, und zwar immer dann, wenn diese mit einer plötzlichen Änderung der Bedingungen bzw. Regeln einhergehen. Für die Schlafphase hat man ein solches, von veränderten Bedingungen ausgelöstes, Wiederabspielen der neuronalen Aktivität im mPFC bereits nachgewiesen. Unklar blieb bislang, ob der präfrontale Cortex auch während der Wachphase ähnlich arbeitet.

Ratten am Scheideweg

Um mehr über die neuronalen Aktivitäten im mPFC herauszufinden, führten der Neurowissenschafter Jozsef Csicsvari und sein Team am Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) so genannte Rule-switching-Experimente durch.

Bei Ratten, die durch ein kreuzförmiges Labyrinth geschickt wurden, zeichneten Neurowissenschafter ein symmetrisches Aktivitätsmuster der Zellen des medialen präfrontalen Cortex (mPFC) auf. Dies gilt als Hinweis darauf, dass die Neuronenaktivität in dieser Gehirnregion für eine relative Positionierung in den beiden Start- (oben und unten; linkes Bild) bzw. den beiden Zielarmen (links und rechts; rechtes Bild) kodiert.
Bei Ratten, die durch ein kreuzförmiges Labyrinth geschickt wurden, zeichneten Neurowissenschafter ein symmetrisches Aktivitätsmuster der Zellen des medialen präfrontalen Cortex (mPFC) auf. Dies gilt als Hinweis darauf, dass die Neuronenaktivität in dieser Gehirnregion für eine relative Positionierung in den beiden Start- (oben und unten; linkes Bild) bzw. den beiden Zielarmen (links und rechts; rechtes Bild) kodiert.
(Bild: IST Austria – Csicsvari Gruppe)

Dazu wurden Ratten in ein kreuzförmiges Labyrinth gesetzt. Um zu einer Belohnung in Form von Futter in einem der zwei Zielarme des Labyrinths zu gelangen, mussten die Tiere ihr Verhalten – also ihre Navigationsstrategie – an zwei sich abwechselnde Regeln anpassen. Im ersten Fall (Regel A) befand sich die Belohnung stets im selben Arm, unabhängig davon, in welchem Arm die Ratten starteten. Im anderen Fall (Regel B) lotste ein Licht an einem der beiden Zielarme das Tier zur Belohnung.

Informationen auf allgemeinerer Ebene

Die Forscher analysierten die elektrischen Signale der Rattenhirne während der Navigation durchs Labyrinth. Dabei zeigte sich, dass sowohl der mPFC als auch der Hippocampus bei dieser Rule-switching-Aufgabe aktiv waren.

Ähnlich wie im Hippocampus, feuerten die Neuronen im mPFC in Übereinstimmung mit der Position der Ratte im Labyrinth. Während Neuronen im Hippocampus in Übereinstimmung mit einer spezifischen Position in einem spezifischen Arm feuerten, schienen die Neuronen im mPFC diese Information zu verallgemeinern, feuerten sie im mPFC jedoch in Übereinstimmung mit ähnlichen relativen Positionen verschiedener Start- und Zielarme. Anders gesagt: Der mediale präfrontale Cortex hob die spezifische, im Hippocampus abgebildete Information auf eine allgemeinere und relative Ebene.

Neuronenfeuer in Dauerschleife

In den Reaktionen des mPFC entdeckten die Forscher aber eine andere Ähnlichkeit zum Hippocampus, nämlich dass die Neuronen während kurzer Zeitspannen sequentielle Aktivitätsmuster wiederabspielten und so den Weg durchs Labyrinth nachzeichneten. Dies war etwa der Fall, wenn die Ratten am Kreuzungspunkt Halt machten, bevor sie in einen der Zielarme abbogen, oder wenn sie stoppten, um die Belohnung zu fressen. Auf diese Weise reaktivierten oder wiederholten die Neuronen die Erfahrung, die das Tier am Weg durchs Labyrinth gemacht hatte.

Während jedoch durch das Wiederabspielen der Aktivitätsmuster im Hippocampus spezifische Wege in bestimmten Armen nachgezeichnet wurden, bildete der präfrontale Cortex dieselben Wege als verallgemeinerte, relative Positionsinformationen ab.

Reflektieren, planen, entscheiden

Die beobachtete Frequenz dieser Reaktivierung im mPFC – jedoch nicht im Hippocampus – ließ Vorhersagen darüber zu, wie schnell das Tier seine Verhaltensstrategie an die Regeländerung anpasste. „Nach der allerersten Änderung von Regel A zu Regel B brauchten die Tiere mehrere Hundert Versuche, bis sie gelernt hatten, ihre Navigation an den unangekündigten Rule-switch anzupassen“, sagt die Erstautorin Karola Käfer. „Später allerdings gelang es den Ratten, viel schneller zwischen den Regeln zu unterscheiden und wir fanden Anzeichen dafür, dass die Reaktivierung von Neuronen im präfrontalen Cortex während kurzer Phasen des Innehaltens die Ratte dabei unterstützte, die Belohnung schneller aufzuspüren.“

Zusammengefasst vermuten die Forscher, dass das Wiederabspielen neuronaler Aktivitätsmuster im medialen präfrontalen Cortex während der Wachphase nicht unbedingt der Langzeitgedächtnisbildung dient. Stattdessen sei ein Zusammenhang mit Reflexion, Planung und spontaner Entscheidungsfindung naheliegend.

Originalpublikation: Karola Käfer, Michele Nardin, Karel Blahna & Jozsef Csicsvari: Replay of behavioral sequences in the medial prefrontal cortex during rule switching, Neuron 2020; DOI: 10.1016/j.neuron.2020.01.015

* K. Pauser, Institute of Science and Technology (IST), 3400 Klosterneuburg/Österreich

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