Forscher des norwegischen Instituts für Systemische Neurowissenschaften. Das Kavli-Institut (Kavli-Institut für Systemneurowissenschaften) entdeckte ein Netzwerk von Gehirnzellen, die unser Zeitgefühl in Erfahrungen und Erinnerungen bestimmen."Dieses Netzwerk bietet Zeitstempel für Ereignisse und verfolgt Ereignisse in früheren Erfahrungen", sagte Professor Edvard Moser, Nobelpreisträger und Direktor des Kavli-Instituts an der norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie , NTNU). Der Bereich des Gehirns, der die Zeit erfasst, befindet sich in unmittelbarer Nähe des Bereichs, der für die Wahrnehmung des Raums verantwortlich ist.
Zeitausdruck
Eine Uhr ist ein Gerät, das von der Menschheit geschaffen wurde, um die Zeit zu messen. Indem wir einem stillschweigenden Gesellschaftsvertrag zustimmen, koordinieren wir unsere eigenen Aktivitäten mit der Stundenzeit. Unser Gehirn nimmt jedoch die Dauer von Zeiträumen in Standardeinheiten - Minuten und Stunden - nicht wahr, wie bei Ihrer Armbanduhr. Temporäre Signaturen in unseren Erfahrungen und Erinnerungen haben völlig unterschiedliche zeitliche Eigenschaften.
Während der Evolution haben lebende Organismen, einschließlich Menschen, mehrere biologische Uhren entwickelt, die uns helfen, die Zeit im Auge zu behalten. Die Unterschiede zwischen verschiedenen Chronometern im Gehirn liegen nicht nur in den von ihnen gemessenen Zeitskalen, sondern auch in den Phänomenen, auf die die neuronale Uhr abgestimmt ist. Einige Chronometer werden durch externe Prozesse gesteuert: Beispielsweise werden zirkadiane Rhythmen für Sonnenaufgang und Sonnenuntergang eingestellt. Diese Uhr hilft dem Körper, sich an den täglichen Rhythmus anzupassen.
Andere Chronometer werden durch interne Phänomene wie Hippocampuszellen eingestellt, die ein Kettensignal erzeugen, wie der Dominoeffekt, der Zeiträume von bis zu 10 Sekunden ziemlich genau misst. Heute kennen wir die meisten Gehirnmechanismen, mit denen die Zeit im kleinen Maßstab gemessen wird (z. B. in Sekunden). Im Gegensatz dazu ist wenig über die Zeitachse bekannt, die das Gehirn verwendet, um unsere Erfahrungen und Erinnerungen aufzuzeichnen, die einige Sekunden bis Minuten und Stunden dauern können.
Neuronale Uhr für erfahrene Zeit
Laut Albert Tsao und seinen Kollegen vom Cavley Institute of Systemic Neuroscience der NTNU wurde genau die neuronale Uhr entdeckt, die die Zeit erfasst, während Sie sie erleben.
Durch die Aufzeichnung der Aktivität einer Population von Gehirnzellen haben Forscher ein stabiles Signal identifiziert, das die Zeit tief im Gehirn codiert.
„Unsere Studie zeigt, wie das Gehirn der Zeit einen Sinn gibt, wenn ein Ereignis erlebt wird“, sagt Cao. „Dieses Netzwerk codiert die Zeit nicht explizit. Was wir messen, ist eher ein subjektives Zeitgefühl, das durch den Verlauf erfahrener Ereignisse erzeugt wird. “
Neuronale Uhren verwalten die Organisation des Verlaufs unserer Erfahrung in einer geordneten Abfolge von Ereignissen. Diese Aktivität erzeugt Stunden im Gehirn für die subjektive Zeit. Erfahrung und die Abfolge der Ereignisse darin sind also die Substanz, aus der die subjektive Zeit vom Gehirn erzeugt und gemessen wird.
Temporärer Raum und Gedächtnis im Gehirn
„Heute haben wir ein ziemlich gutes Verständnis dafür, wie unser Gehirn den Raum wahrnimmt, während unser Wissen über die Zeit nicht so vollständig ist“, sagt Professor Moser.
„Der Raum im Gehirn ist relativ einfach zu erkunden. Es besteht aus spezialisierten Zelltypen, die für bestimmte Funktionen isoliert sind. Zusammen bilden sie die Basis des Systems “, fügte er hinzu.
Im Jahr 2005 entdeckten May-Britt und Edward Moser neuronale Gitter, die unsere Umgebung in verschiedenen Maßstäben auf einer Karte aus sechseckigen Blöcken darstellen. 2014 teilte Moser mit seinen Kollegen und Mentor John O'Keefe vom University College London den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin für die Entdeckung der Zellen, aus denen das Positionierungssystem im Gehirn besteht.
Inspiriert von Mosers Entdeckung neuronaler Arrays, die den Raum codieren, stellte sich Albert Cao (damals Doktorand am Cavley Institute) 2007 die Aufgabe, die Phänomene im mysteriösen lateralen entorhinalen Kortex (LEC) zu enträtseln. Dieser Bereich des Gehirns befindet sich in der Nähe des medialen entorhinalen Kortex (MEC), wo die Leiter - Moser und andere - neuronale Gitter entdeckten.
„Ich hatte gehofft, ähnliche aktive Schlüsselzellen zu finden, die die Funktionsmerkmale dieses neuronalen Netzwerks aufzeigen“, sagt Cao. Diese Aufgabe führte zu einem langen Projekt.
„Es schien kein Muster in der Aktivität dieser Zellen zu geben. Das Signal hat sich ständig geändert “, sagt Professor Moser.
Und erst in den letzten Jahren haben Forscher darauf hingewiesen, dass sich das Signal tatsächlich im Laufe der Zeit ändert. Plötzlich machten die zuvor aufgezeichneten Daten Sinn.
Diese Abbildung zeigt die episodische Zeit eines 4-stündigen Skierlebnisses von einem steilen Berg aus, einschließlich Ereignissen, die die Zeitwahrnehmung des Skifahrers beeinflussten. Die Idee ist, dass die erlebte Zeit von den Ereignissen abhängt und schneller oder langsamer als die Zeit auf der Uhr wahrgenommen werden kann.Eine kürzlich entdeckte Aufzeichnung der erlebten Zeit befindet sich im lateralen entorhinalen Kortex (LEC), der grün markiert ist. In der Nähe des LEC befindet sich der MEC, die Region des Gehirns, die für die räumliche Wahrnehmung verantwortlich ist (in der Abbildung nicht markiert). Neben dem MEC befindet sich der Hippocampus, eine Struktur, in der Informationen aus den Netzwerken von Zeit und Raum zu episodischen Erinnerungen kombiniert werden.Die Bildrechte von NeuroscienceNews.com liegen bei Kolbjørn Skarpnes & Rita Elmkvist Nilsen / Kommunikationsabteilung NTNU & Kavli Institute for Systems Neuroscience.„Zeit ist ein unausgeglichener Prozess. Es ist immer einzigartig und variabel “, sagt Professor Moser.„ Wenn dieses Netzwerk wirklich die Zeit codiert, muss sich das Signal im Laufe der Zeit ändern, damit die Erfahrung als einzigartiges Gedächtnis aufgezeichnet wird. “
Technologische Fortschritte
Es genügte Moser und seiner Firma, das Signal von nur einem neuronalen Gitter zu entschlüsseln, um herauszufinden, wie der Raum im medialen entorhinalen Kortex codiert ist. Die Entschlüsselungszeit im lateralen entorhinalen Kortex hat sich als viel schwieriger erwiesen. Cao und seine Kollegen sahen sich die Aktivität in Hunderten von Zellen an und konnten feststellen, dass das Signal die Zeit codiert.
„Die Aktivität in diesen neuronalen Netzen ist so verteilt, dass der Mechanismus selbst wahrscheinlich in der Struktur der Verbindungen innerhalb dieser Netze liegt. Die Tatsache, dass es die Form verschiedener einzigartiger Muster annehmen kann, impliziert ein hohes Maß an Plastizität “, sagt Professor Moser.„ Ich glaube, dass verteilte Netzwerke und Kombinationen von Aktivitätsstrukturen in Zukunft besondere Aufmerksamkeit verdienen. In dieser Arbeit haben wir ein Gebiet gefunden, das so eng mit der Zeit von Ereignissen oder Experimenten verbunden ist, dass es ein ganz neues Forschungsfeld hervorbringen könnte. “
Zeitform
Die Struktur der Zeit ist seit langem ein Thema der Debatte unter Philosophen und Physikern. Was kann uns der kürzlich entdeckte Gehirnmechanismus für die episodische Zeit darüber sagen, wie wir die Zeit wahrnehmen? Ist unsere Wahrnehmung der Zeit linear wie ein Fluss oder zyklisch wie ein Rad oder eine Spirale? Forschungsdaten von Cavli besagen, dass beide zutreffen und dass ein Signal in einem zeitcodierenden Netzwerk je nach Erfahrung viele verschiedene Formen annehmen kann.
Im Jahr 2016 schloss sich Doktorand Jørgen Sugar dem Cavley-Projekt an, um eine Reihe neuer Experimente durchzuführen, mit denen die Hypothese überprüft werden soll, dass das LEC-Netzwerk die episodische Zeit codiert. In einem Experiment präsentierte eine Ratte eine breite Palette von Experimenten und Aktionsoptionen. Sie konnte frei laufen, Schokoladenstücke erforschen und jagen und eine Reihe offener Umgebungen besuchen.
„Die Einzigartigkeit des Zeitsignals während dieses Experiments legt nahe, dass die Ratte die Zeit und den zeitlichen Ablauf der Ereignisse während des zweistündigen Experiments sehr gut aufzeichnete“, sagt Sugar. „Wir konnten das Signal aus dem Zeitcodierungsnetzwerk verwenden, um genau zu verfolgen, wann oder ein weiteres Ereignis während des Experiments. "
Im zweiten Experiment war die Aufgabe strukturierter, mit einem engeren Spektrum an Experimenten und Handlungsoptionen. Die Ratte wurde darauf trainiert, Schokoladenstücke zu jagen, indem sie sich in einem 8-förmigen Labyrinth nach links oder rechts drehte.
„In dieser Aktivität haben wir gesehen, dass sich die Signalcodierungszeit von eindeutigen zeitlichen Sequenzen zu einem sich wiederholenden und teilweise überlappenden Muster geändert hat“, sagt Cao. „Andererseits ist das Zeitsignal bei wiederholten Aufgaben genauer und vorhersehbarer geworden. Die Daten deuten darauf hin, dass die Ratte in jeder Runde ein verfeinertes Zeitgefühl hatte, aber von Runde zu Runde und vom Beginn bis zum Ende des Experiments ein schlechtes Zeitgefühl. “
Professor Moser argumentiert, dass die Studie zeigt, dass wenn Sie die Aktivität ändern, an der Sie beteiligt sind, wenn Sie den Inhalt Ihrer Erfahrung ändern, Sie tatsächlich die Zeitsignale in der LEC und damit die Art und Weise ändern, wie Sie Zeit wahrnehmen.