Die unerwartete Relativität des im Gehirn eingebauten GPS

Wie neue Daten unser Verständnis von Standortneuronen verändern

Die ersten Details des "eingebauten GPS-Gehirns" tauchten in den 1970er Jahren auf. In den Labors des University College London haben John O'Keefe und sein Student Jonathan Dostrovsky die elektrische Aktivität von Neuronen im Hippocampus frei beweglicher Ratten aufgezeichnet. Sie fanden eine Gruppe von Neuronen, die nur aktiviert wurden, wenn die Ratte an einem bestimmten Ort erschien [ 1 ]. Sie nannten diese Zellen " Neuronen platzieren ".

Basierend auf diesen frühen Entdeckungen schlugen O'Keefe und seine Kollegin Lynn Nadel vor, dass der Hippocampus eine unveränderliche Darstellung des Raums enthält, die unabhängig von Stimmung oder Wünschen ist. Sie nannten es eine „ kognitive Karte “ [ 2 ]. Aus ihrer Sicht repräsentieren alle Neuronen des Ortes im Gehirn die gesamte Umgebung des Tieres, und die Aktivierung einer bestimmten Zelle zeigt ihren aktuellen Standort an. Mit anderen Worten, der Hippocampus funktioniert wie ein GPS. Er sagt Ihnen, wo Sie sich auf der Karte befinden, und diese Karte ändert sich nicht. Es spielt keine Rolle, ob Sie hungrig sind und nach Nahrung suchen oder schlafen und nach einem Bett suchen möchten. O'Keefe und Nadel schlugen vor, dass der absolute Ort, dessen Idee in den Neuronen des Ortes gespeichert ist, eine mentale Plattform bietet, auf der das Tier in jeder Situation navigieren kann - um nach Nahrung oder Ruheplätzen zu suchen.



In den nächsten 40 Jahren unterstützten andere Forscher - darunter Edward und May-Britt Moser, das Paar - die Idee, dass die Hippocampus-Schaltkreise als eingebautes GPS fungieren [ 3 ]. Für ihre Pionierarbeit wurden O'Keefe und Mosers mit dem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin 2014 ausgezeichnet. Es konnte entschieden werden, dass die Rolle des Hippocampus bei der Orientierung von Tieren im Weltraum enträtselt wurde.

Aber das Studium des Gehirns ist noch nie so einfach. Der Nobelpreis 2014 löste wie ein Streichholz, das einen Docht in Brand setzte, eine Explosion von Experimenten und Ideen aus, von denen einige gegen O'Keefe und Nadels frühe Interpretation protestierten. Eine neue Arbeit schlug vor, dass bei der räumlichen Navigation die Hippocampus-Kontur keine absoluten Standortinformationen darstellt, sondern unter dem Einfluss von Erfahrungen relativ und veränderbar ist. Die Erforschung des Hippocampus scheint auf eine alte philosophische Debatte gestoßen zu sein.

Seit Jahrhunderten kämpfen Physiker mit der Frage, ob der Raum absolut oder relativ ist, bevor sie sich auf die Seite der Relativitätstheorie stützen. Aber erst in den letzten Jahren, als sie das Gehirn untersuchten, begannen sie, ähnliche Fragen zu stellen. Seit vielen Jahren ist der absolute Raum für die Neurobiologie zuständig. Beispielsweise wurde lange angenommen, dass das visuelle System zwei Kanäle für den Informationsfluss hat. [ 4 ] Der erste ist der "Was" -Kanal, der Informationen über die Identität des vom Tier beobachteten Objekts überträgt. Der zweite ist der "Wo" -Kanal, der Informationen über den absoluten Standort des Objekts enthält. Es wurde angenommen, dass der Kanal "Was" keine Positionsinformationen enthält. Eine kürzlich durchgeführte Arbeit hat jedoch gezeigt, dass dieser Kanal zwar keine Informationen über den absoluten Standort des Objekts enthält, jedoch Informationen über den relativen Standort. [ 5, 6 ] Diese Informationen über den relativen Standort sind wahrscheinlich sehr wichtig für die Objekterkennung.

Solche Entdeckungen dienen als Dreh- und Angelpunkt für die Vorstellung, dass relative Informationen für das Gehirn wichtig sind. Diese Sichtweise wird durch die kürzlich begonnene Synthese der Neurobiologie mit Informatik und KI verstärkt. Die Arbeit an der Schnittstelle dieser Disziplinen zeigte, dass das Gehirn, das ein absolutes, unveränderliches Weltmodell für das Leben in einer sich ständig ändernden Umgebung verwendet, mehr Rechenressourcen benötigt als das Gehirn, das relative Informationen verwendet. Verstehen, wo und wann das Gehirn absolute Informationen verwendet und wo relative Informationen Aufschluss über die Arbeit, die Flexibilität und Geschwindigkeit seiner Subsysteme und unser Verhalten geben können. Insbesondere der Hippocampus könnte einer der ersten Meilensteine ​​dieser Untersuchung sein.

Ein wesentlicher Einwand gegen die Interpretation der absoluten Repräsentation des Ortes von O'Keefe und Nadel war eine Arbeit, die im vergangenen Jahr von Kimberly Stachenfeld, Matthew Botvinnik und Samuel Gershman gesponsert wurde. [ 7 ] Diese Forscher, die mit Google DeepMind, der Princeton University, dem University College London und der Harvard University in Verbindung stehen, schlugen vor, dass der Hippocampus nicht der absolute Standort des Tieres ist, sondern der Ort, an den das Tier in naher Zukunft am wahrscheinlichsten gehen wird. Diese Ansicht berücksichtigt bevorzugte Bewegungen und erlernte Gewohnheiten. Unter diesem Gesichtspunkt ist der Hippocampus eine prädiktive, keine absolute Karte.

Frühere Studien haben gezeigt, dass die Aktivität der Neuronen eines Ortes ständig abnimmt, wenn sich ein Tier vom Zentrum eines für ihn interessanten Ortes entfernt. O'Keefe und Nadel entschieden, dass dies ein Zeichen dafür ist, dass die Neuronen der Stelle den aktuellen Standort des Tieres darstellen. Im Rahmen der von Stachenfeld und ihren Kollegen vorgeschlagenen Plattform wird jedoch vorgeschlagen, den Grad der neuronalen Aktivität als Darstellung der Wahrscheinlichkeit zu betrachten, mit der sich das Tier im nächsten Moment im Zentrum des interessierenden Ortes befindet. Wenn es sich bereits in der Mitte befindet, ist die Wahrscheinlichkeit, dass es im nächsten Moment dort sein wird, ziemlich hoch, so dass auch die Aktivität der Zellen hoch ist. Wenn es so weit vom Zentrum entfernt ist, dass es im nächsten Moment nicht dorthin zurückkehren kann, sind die Neuronen des Ortes inaktiv.

Die Theorien von O'Keefe und Stachenfeld scheinen ähnlich zu sein, und beide scheinen die grundlegenden Eigenschaften der Aktivität der Neuronen eines Ortes zu erklären. Sie gehen jedoch von unterschiedlichen Annahmen über die Art der räumlichen Karte im Hippocampus aus, und nur ausgeklügelte Experimente und Tests an Rechenmodellen helfen dabei, sich voneinander zu trennen. Stachenfeld, Botvinnik und Gershman erreichten dies, indem sie Daten aus zuvor veröffentlichten Werken erneut analysierten und feststellten, dass einige von ihnen ihr Hippocampus-Arbeitsmodell erklären können, jedoch keine traditionellen Modelle. Das auffälligste dieser Beispiele sind Daten aus einer Studie von Ellis Alverne und ihren Kollegen aus Marseille, Frankreich. [ 8 ] Diese Forscher verwendeten das „Tolman Branches Maze“, bei dem die Ratte von Anfang bis Ende auf dem einzigen Weg laufen musste. In einigen Situationen wurde der Weg gesperrt, wodurch das Tier gezwungen wurde, das Hindernis entlang eines der beiden C-förmigen Korridore zu umgehen.

Gemäß der Interpretation der Neuronenaktivität gemäß O'Keefe mit seiner kognitiven Karte sollte ein Neuron, das aktiv war, als sich die Ratte an der Gabelung zwischen dem direkten Pfad und dem Bypass befand, gleichermaßen aktiviert werden, unabhängig davon, ob dieser Pfad blockiert ist oder nicht. Im Experiment wurde jedoch ein anderes Bild beobachtet. Diese Zelle verhielt sich je nach Vorhandensein eines blockierten Pfades unterschiedlich. Der Aktivitätsgrad eines Neurons wurde durch frühere Rattenerfahrungen beeinflusst. Eine absolute Karte sollte so nicht funktionieren. Darüber hinaus führten Stachenfeld und Kollegen Computersimulationen durch, um zu zeigen, dass die Aktivität der Ortsneuronen, die Alvernet und Kollegen in ihrer Erfahrung mit ihrer prädiktiven Kartenhypothese beobachteten, viel besser ist als die kognitive Kartenhypothese von O'Keeffe.

Stachenfelds Argument gegen O'Keefe-Nadels Interpretation war, dass Ortsneuronen keine absolute Position codieren, sondern nur einen Ort relativ zur Geschichte von Bewegungen, Erfahrungen und Verhaltenspräferenzen. Nur wenige Monate später zeigten weitere Studien, dass die Position anderer Tiere derselben Art auch die Aktivität der Neuronen des Ortes beeinflusst. [ 9, 10, 11 ] In den in diesem Jahr veröffentlichten Arbeiten trainierten Necam Ulanowski vom Weismann-Institut in Israel und Shigeioshi Fujisawa vom RIKEN-Gehirnforschungsinstitut in Japan Tiere, sich in einem bestimmten Gebiet zu bewegen, indem sie ihnen Läufe zeigten, in denen andere Personen ihrer Art durchgeführt wurden . Zur gleichen Zeit benutzte Ulanovsky Fledermäuse und Fujisawa Ratten. Wenn die Tiere dem vorgeschriebenen Weg folgten, wurden ihre Ortsneuronen erwartungsgemäß aktiviert. Es war jedoch eine Überraschung, dass eine Untergruppe dieser Neuronen der Stelle auch aktiviert wurde, wenn Tiere die Rassen anderer Individuen beobachteten. Forscher haben diese Neuronen "soziale Ortsneuronen" genannt.

Die Ergebnisse weichen wiederum von der anfänglichen Interpretation der Aktivierung der Neuronen des Ortes ab und verbinden sie mit dem absoluten Ort im Raum. Die Darstellung eines Ortes im Hippocampus unterscheidet sich nicht nur vom Absoluten - es scheint, dass die Beobachtung anderer ihn beeinflussen kann.

Die Aktivität von Ortsneuronen war viel komplexer als bisher angenommen. Die klassische Ansicht der Rolle der Hippocampus-Konturen in der räumlichen Navigation, die mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde, war keine vollständige Beschreibung des Geschehens, und der Hippocampus erfüllt viel mehr Funktionen als eine einfache invariante Darstellung der Position des Subjekts im Raum.

Die Idee der Vorhersagbarkeit von Ortsneuronen und der Auswirkungen des Lernens und des Verhaltens anderer Tiere auf sie kann die Konstruktion eines Konzepts erleichtern, das sowohl die Rolle des Hippocampus bei der räumlichen Orientierung als auch die allgemein akzeptierte Rolle beim Lernen und bei der Gedächtnisbildung beschreiben kann. Seit der Entdeckung, dass die Entfernung des Hippocampus zur Unfähigkeit führen kann, neue Erinnerungen zu bilden, wurde er als eine der wichtigsten Regionen des Gehirns untersucht, die für das Gedächtnis verantwortlich sind. [ 12 ] Und obwohl aus den ersten Experimenten von O'Keefe und Dostrovsky bekannt war, dass der Hippocampus eine wichtige Rolle bei der räumlichen Navigation spielt, ist bisher wenig bekannt, wie und warum dieses winzige Stück Gehirn räumliche Karten und komplexe Erinnerungen speichern kann . Das sich abzeichnende Verständnis der Relativität unserer räumlichen Karten und der Auswirkungen von Gedächtnis und Verhalten auf sie erleichtert das Verständnis der Doppelfunktion des Hippocampus. Fünfzig Jahre nach den ersten Beobachtungen von O'Keefe und Dostrovsky beginnen wir klarer zu verstehen, wie dieser Schlüsselbereich des Gehirns unsere Persönlichkeit bildet.