20.07.2017
LMU-Neurobiologen berechnen theoretisch, wie sich bei Säugetieren für die Raumorientierung verwendete Gitterzellen entwickeln. Dabei nutzen sie den Rhythmus, in dem Ortszellen elektrische Signale aussenden.
Für die räumliche Orientierung von Säugetieren spielen Orts- und Gitterzellen im Gehirn eine wichtige Rolle. Bei Bewegung werden mehrere Gitterzellen nacheinander aktiviert, wodurch eine virtuelle sechseckige Struktur entsteht, die die Entfernung zwischen verschiedenen Orten darstellt. Wie auf einer Art Landkarte wird so im Gehirn virtuell die eigene Position im Raum abgebildet. Für diese Entdeckung, die auch als GPS im Gehirn bezeichnet wird, wurde im Jahr 2015 der Nobelpreis vergeben. Noch ungeklärt ist bislang jedoch, wie Gitterzellen und das hexagonale Muster, das sie bilden, entstehen. Die beiden LMU-Neurobiologen Professor Christian Leibold und sein Mitarbeiter Mauro Miguel Monsalve Mercado zeigen nun ein theoretisches Modell auf, das erstmals die Entstehung von Gitterzellen aus Ortszellen über bekannte biologische Mechanismen plausibel erklärt. Über ihre Ergebnisse berichten sie aktuell in der Fachzeitschrift Physical Review Letters.
Die LMU-Neurobiologen nutzen für ihre Berechnung die zeitliche Korrelation der Ortszellen. Diese sind jeweils an bestimmten Punkten im Raum aktiv und senden zeitlich genau aufeinander abgestimmte elektrische Signale aus. Die elektrischen Impulse folgen dabei einem bestimmten Rhythmus und kodieren dadurch sehr präzise die räumliche Distanz. Leibold und Monsalve Mercado haben nun eine neuronale Lernregel, die sogenannte Hebbsche Lernregel, die Veränderungen bei der synaptischen Übertragung erfasst, auf diese zeitliche Korrelation angewandt. Dadurch ist es ihnen gelungen, das hexagonale Muster der Gitterzellen zu erklären, das bei der räumlichen Orientierung von Säugetieren beobachtet wird.
„Bislang konnten Theorien, die Gitterzellen über Ortszellen erklären, die damit verbundenen biologische Mechanismen nur vermuten. Uns ist es zum ersten Mal gelungen, die Entstehung von Gitterzellen in einem kohärenten Modell auf bekannte Mechanismen zurückzuführen“, sagt Christian Leibold. Demnach sind Gitterzellen eine Folge neuronalen Lernens, das auf der zeitlichen Abstimmung der Ortszellen untereinander und synaptischer Plastizität beruht. Das Modell sagt damit vorher, dass sich Gitterzellen zuerst in den tiefen Schichten des enthorinalen Kortex bilden. (Physical Review Letters 2017)
Mehr zur Forschung von Christian Leibold : Graduiertenkolleg: Wahrnehmen verstehen (vom 24.6.2016) Neuronale Koordination: Aus der Zeit gefallen (vom 7.7.2015) Horch her! (vom 10.4.2014)