Wie erzeugt unser Gehirn eine mentale Karte unserer Umwelt? Und wie merken wir uns einen Weg? Für die Aufklärung dieser Fragen und damit des hirneigenen Navigationssystems hat das Nobelpreiskommitee dem US-Hirnforscher John O’Keefe und dem norwegischen Forscherpaar May-Britt und Edvard Moser den Medizin-Nobelpreis verliehen.
Jeder Mensch verfügt über einen Ortssinn: Wir merken uns, wo wir uns in Bezug auf Landmarken befinden, finden quasi im Schlaf den täglichen Weg zu unserer Arbeit oder wieder nach Hause und verfügen über eine mehr oder weniger umfangreiche mentale Karte unserer Umgebung, aber auch anderer Orte, die wir einmal besucht haben. Schon lange ist bekannt, dass auch Tiere ein Ortsgedächtnis haben und Ratten beispielsweise den Weg durch ein Labyrinth lernen. Wie und wo im Gehirn aber diese mentale Karte entsteht und gespeichert wird, war die große Frage.
O’Keefe: Das Geheimnis der Ortszellen
Der US-Forscher John O’Keefe arbeitete am University College London, als er Ende der 1960er Jahre beschloss, sich dieser Frage neurophysiologisch anzunähern. Dafür ließ er Ratten frei in einem Raum umherlaufen und leitet dabei Signale von individuellen Hirnzellen im Hippocampus ab. Dieser evolutionär alte Teil des Gehirns ist die zentrale Schaltstelle für die Verarbeitung von Eindrücken und für die Bildung von Erinnerungen.
Wie O’Keefe feststellte, wurden bei den Ratten immer dann ganz bestimmte Hirnzellen in diesem Areal aktiv, wenn sie sich in einer bestimmten Ecke des Raums befanden. An jeder Stelle des Raumes feuerten jeweils andere Hirnzellen. Durch weitere Untersuchungen erkannte der Forscher, dass diese „Ortszellen“ nicht nur einfach auf visuelle Reize – Landmarken – reagierten, sondern dass ihre Aktivität eine Art Gedächtnisabbild der Umgebung bildete.
Die Erinnerung an einen Ort wird demnach im Hippocampus als ein spezifisches Muster der Erregung dieser Zellen abgespeichert, so O’Keefes Schlussfolgerung. Diese Zellen sind damit auch dafür verantwortlich, dass wir einen Ort wiedererkennen. Für diese Erkenntnis und die Entdeckung der „Ortszellen“ erhält John O’Keefe nun den Medizin-Nobelpreis 2014.
Die Mosers: Ein Koordinatensystem im Gehirn
Ein weiterer Schritt in der Entschlüsselung unseres inneren GPS-Systems gelang dem norwegischen Forscherpaar May-Britt und Edvard Moser. Beide waren Schüler von O’Keefe und arbeiteten zeitweilig in seiner Arbeitsgruppe in London mit, bevor sie nach Norwegen zurückkehrten und dort an der Universität für Wissenschaft und Technologie in Trondheim lehrten.
Ebenfalls in Versuchen mit Ratten entdeckte das Forscherpaar, dass das Gehirn nicht nur mentale Karten von Landmarken und Orten speichert, sondern dafür sogar eine Art internes Koordinatensystem nutzt. Wie sie feststellten, wurde noch ein weiteres Hirnareal aktiv, wenn die Ratten ihre Umgebung erkundeten: Zellen des in der Nachbarschaft des Hippocampus liegenden entorhinalen Cortex, einem Gebiet im Schläfenlappen.
Ein GPS im Gehirn
Dort finden sich sogenannte „Grid Cells“ – „Rasterzellen“, deren Aktivierungsmuster die Position der Ratten unabhängig von Landmarken widerspiegelte. Ähnlich wie Längen- und Breitengrade die Position eines Objekts auf der Erdkugel angibt, speichern die Grid Cells unsere Position im Raum in einer Art hirneigenen Koordinatensystem – einer mental map. Zusammen mit dem Ortszellen im Hippocampus bilden diese Zellen damit ein komplettes inneres GPS und ermöglichen es uns, uns im Raum zurechtzufinden und mentale Karten unserer Umgebung anzulegen.
„Die Entdeckung dieses Navigationssystems unseres Gehirns repräsentiert einen Paradigmenwechsel in unserem Verständnis darüber, wie spezialisierte Zellen zusammenarbeiten, um höhere geistige Leistungen zu vollbringen“, heißt es in der Presseerklärung der Nobel Foundation. Die Erkenntnisse von John O’Keefe und May-Britt und Edvard Moser haben damit auch neue Wege eröffnet, um grundlegende kognitive Prozesse wie das Gedächtnis, Denken und Planen zu verstehen.
(Nobel Foundation, 06.10.2014 – NPO)
