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Gitterzellen

Gitterzellen oder Rasterzellen – grid cells – sind Nervenzellen in der entorhinalen Hirnrinde, die in räumlichen Gittermustern aktiv sind, wenn sich Lebewesen im Raum orientieren oder fortbewegen, wobei man nach neuesten Untersuchungen annimmt, dass das Gehirn diese räumlichen Aktivitätsmuster ähnlich einsetzt, wie Menschen Gitterlinien auf Stadtplänen oder Landkarten nutzen, um Orte zu lokalisieren oder um Entfernungen zu messen. Unklar war bisher jedoch, wie sich anatomisch im Gehirn ein solches Muster von erregten Nervenzellen bildet. Raster- oder Gitterzellen kodieren eine Vielzahl von Positionen, die gleichmäßig über den Raum verteilt sind, woraus sich eine Art Bienenwabenmuster ergibt, das den Raum lückenlos abdeckt.

Bei Säugetieren sind zwei Gehirnareale am Aufbau von räumlichen Repräsentationen beteiligt, der Hippocampus und die entorhinale Hirnrinde. Diese Hirnstrukturen speichern Sinneseindrücke und repräsentieren sie in Form einer kognitiven Karte, einer mentalen Darstellung der räumlichen Struktur der Umwelt. In der entorhinalen Hirnrinde entdeckte man nun einen kleinen Zellverband, dessen Nervenzellfortsätze im Raum ein sechseckiges Muster bilden, das eine gewisse Ähnlichkeit mit Gittermustern aufwies, wobei die an dem Netzwerk beteiligten Neurone den gleichen charakteristischen Aktivitätsrhythmus wie Gitterzellen zeigen.

Entdeckt wurden diese Rasterzellen im Hippocampus bei Ratten, die Signale abgeben, wenn sich die Tiere einer in ihrer mentalen Karte verzeichneten Landmarke nähern und es konnte der Nachweis erbracht werden, dass der Hippocampus diese Ortsberechnungen nicht selber anstellt, sondern er bildet eine Art intelligentes Display für den eigentlichen Navigationscomputer, der sich im entorhinalen Cortex befindet. Dort fand man drei zusammenarbeitende Arten von Nervenzellen, wobei Rasterzellen den Raum in eine Art Koordinatensystem aus einer Vielzahl von Dreiecken aufteilen und immer dann feuern, wenn die Ratte einen der Knotenpunkte dieses Koordinatensystems erreicht. Grenzzellen senden schließlich Signale aus, sobald sich die Tiere einem Hindernissen nähern und Kopfrichtungszellen agieren als eine Art Kompass, der die mentalen Landkarten entsprechend der Blickrichtung der Tiere justiert. Dieses Navigationssystems wurde von John O’keefe, Maybritt Moser und Edvard Moser 2014 entdeckt, die dafür 2014 den Medizinnobelpreis erhielten.

Nun konnte  durch elektrophysiologische Verfahren eine Evidenz für die Existenz des Rasterzellen-Systems im menschlichen Gehirn nachgewiesen werden, wobei mithilfe verschiedener Messverfahren Signale sichtbar gemacht wurden, die die Aktivität von Rasterzellen indizieren, während die Probanden Bilder von Alltagsszenen erkunden. Um die Dynamik der Hirnaktivität nachzuweisen, hatte man voneinander unabhängige Messungen mit zwei verschiedenen Verfahren durchgeführt: einmal mittels Magnetoenzephalographie (MEG) an 36 gesunden Menschen und außerdem mit einer Elektroenzephalographie (EEG)-Messung an einem Epilepsie-Patienten. Bei einem Epilepsiepatienten waren vor einer Gehirn-Operation Elektroden aufgrund klinischer Indikation implantiert worden, 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.

Gitterzellen für Navigation im Raum verantwortlich

Man weiß, dass sich ältere Menschen oft schlechter orientieren können, denn bei der räumlichen Orientierung muss das menschliche Gehirn eine Flut an Informationen verarbeiten, wobei das Spektrum von visuellen Reizen bis hin zu Signalen der Muskulatur und der Gleichgewichtssinns reicht. Räumliches Orientierungsvermögen und die Navigation gehören insgesamt zu den komplexesten kognitiven Fähigkeiten, wobei diese im Alter nachlassen können, was die Selbstbestimmung und Lebensqualität der Betroffenen beeinträchtigen kann. Wenn man sich in unbekannten Umgebungen bewegt, ist es zwar völlig normal, dass man sich schwer tut, doch tendenziell geschieht dies häufiger bei älteren als bei jüngeren Menschen. An diesen neuronalen Mechanismen, die diesen Navigationsproblemen zugrunde liegen, sind nach neuesten Untersuchungen (Stangl et al., 2018) vor allem Gitterzellen beteiligt, denn ein Großteil der Informationsverarbeitung für die Navigation wird von diesen Zellen übernommen. In Experimenten kombinierte man Gehirnbildgebung und virtuelle Realität, indem die Teilnehmer durch eine computergenerierte Szenerie navigieren mussten. In einem zweiten Experiment wurde die Fähigkeit untersucht, sich entlang vordefinierter Wegstrecken auf einer Kurvenbahn zu bewegen, wobei unterwegs die Entfernung und die Orientierung relativ zu ihrem Ausgangspunkt, der für die Teilnehmer aber nicht mehr direkt erkennbar war, geschätzt werden musste. Dabei schnitten die jungen Teilnehmer bei der Navigation besser ab, wobei zwischen verminderter Navigationsleistung und Defiziten in der Aktivität der Gitterzellen ein deutlicher Zusammenhang bestand. Insbesondere waren die Aktivitätsmuster der Gitterzellen bei älteren Versuchsteilnehmern instabiler, was darauf hinweist, dass die Funktion dieser Gehirnbereiche im Alter beeinträchtigt ist. Gitterzellen spielen aber nicht nur für die Navigation sondern auch für andere geistige Funktionen eine zentrale Rolle, sodass den die geringere Aktivität von Gitterzellen generell kognitiven Defiziten im Alter zugrunde liegen könnte.

Künstliche Intelligenz funktioniert nach dem selben Muster

Forscher des University College London haben gemeinsam mit Wissenschaftlern von Google einen Algorithmus erzeugt, der die Aktivität spezieller Neuronen im Gehirn, die für die Orientierung im Raum zuständig sind, erfolgreich kopiert. Diese Neuronen wurden zum ersten Mal ohne eine Vorlage nachgebaut, d. h., das System wusste nicht von der Existenz der echten Grid-Zellen im menschlichen Gehirn geschweige denn, wie diese Zellen funktionieren. Man hat ein künstliches neuronales Netz einfach darauf trainiert, eine virtuelle Ratte durch einen Käfig zu lenken, und zur Überraschung zeigte das das künstliche Netz genau die gleichen, hexagonalförmigen Aktivitätsmuster wie jene der Grid-Zellen, die im echten Rattengehirn das Navigieren steuern. Mit dieser Programmierung konnte die künstliche Ratte plötzlich problemlos in einem Labyrinth durch Versuch und Irrtum Wege und Abkürzungen finden und war sogar besser an als menschliche Experten (Wolfangel, 2018).

Literatur

Bertel, Sven (2010). Spatial Structures and Visual Attention in Diagrammatic Reasoning. Pabst.
Stangl, M., Achtzehn, J., Huber, K., Dietrich, C., Tempelmann, C. & Wolbers, T. (2018). Compromised grid-cell-like representations in old age as a key mechanism to explain age-related navigational deficits. Current Biology, doe:10.1016/j.cub.2018.02.038.
Wolfangel, E. (2018). Human Brain Project. Milliarden für die Künstliche Dummheit. Süddeutsche Zeitung vom 13. Juli.
https://www.dzne.de/aktuelles/presse-und-oeffentlichkeitsarbeit/pressemitteilungen/presse/detail/orientierungsprobleme-warum-aeltere-menschen-sich-verirren-koennten/ (18-03-16)
http://www.cbs.mpg.de/rasterzellensystem-gehirn-kartiert-raueme (18-10-11)



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