In einer bahnbrechenden Studie haben Wissenschaftler erfolgreich eine „Kilometeruhr“ im Gehirn lokalisiert, indem sie die neuronale Aktivität von laufenden Ratten akribisch aufgezeichnet haben.
Forscher überwachten eine Region, die entscheidend für Navigation und Gedächtnis ist, während die Ratten eine begrenzte Arena erkundeten.
Das Team beobachtete, dass bestimmte Zellen ein Feuermuster aufwiesen, das einem Kilometerzähler ähnelte, wobei die Aktivität mit jedem aufeinanderfolgenden Schritt des Tieres registriert wurde.
Nachfolgende Forschungen mit menschlichen Teilnehmern, die eine vergrößerte Version des Rattennavigationstests durchliefen, deuteten auf einen ähnlichen Mechanismus im menschlichen Gehirn hin.
Die Studie, die im angesehenen Journal Current Biology veröffentlicht wurde, liefert überzeugende Beweise dafür, dass die rhythmische Aktivität von „Gitterzellen“ direkt mit der Fähigkeit korreliert, die zurückgelegte Strecke genau einzuschätzen.
„Stellen Sie sich vor, Sie navigieren zwischen Ihrer Küche und Ihrem Wohnzimmer“, erklärt der leitende Forscher Professor James Ainge von der University of St Andrews. „[Diese Zellen] befinden sich in dem Teil des Gehirns, der für diese interne Karte verantwortlich ist – die Fähigkeit, sich mental in die Umgebung zu platzieren.“
Diese Forschung wirft ein Licht auf die inneren Abläufe der internen Karte unseres Gehirns und die potenziellen Auswirkungen, wenn dieses System Fehlfunktionen aufweist. Die Störung der rhythmischen Aktivität der Kilometeruhr durch Umweltmanipulationen führt zu Fehlern bei der Entfernungsschätzung sowohl bei Ratten als auch bei Menschen.
Dieses Phänomen manifestiert sich in realen Szenarien, wie z. B. der Navigation in Dunkelheit oder dichtem Nebel, wo das Fehlen visueller Hinweise unsere Fähigkeit beeinträchtigt, Entfernungen zuverlässig einzuschätzen.
Um dies empirisch zu untersuchen, trainierten Forscher Ratten, eine vorgegebene Strecke in einer rechteckigen Arena zu laufen, und belohnten den erfolgreichen Abschluss mit einem Stück Schokoladenmüsli.
Wenn die Ratten die Zieldistanz genau zurücklegten, zeigten die Kilometerzählerzellen regelmäßige Feuermuster, die ungefähr alle 30 cm auftraten.
„Je konsistenter das Feuermuster war, desto geschickter wurden die Tiere darin, die für die Belohnung erforderliche Entfernung einzuschätzen“, erläuterte Professor Ainge.
Die Forscher konnten die Kilometeruhr des Gehirns dokumentieren, wie sie die von der Ratte zurückgelegte Strecke präzise verfolgte.
Wichtig ist, dass Veränderungen der Form der Arena die regelmäßigen Feuermuster störten, was dazu führte, dass die Ratten Schwierigkeiten hatten, die Entfernung zurück zum Ausgangspunkt für ihre Belohnung genau zu bestimmen.
„Es ist schon bemerkenswert“, sagte Professor Ainge. „Sie scheinen eine konsequente Unterschätzung zu zeigen. Die Unregelmäßigkeit des Signals scheint sie zu veranlassen, vorzeitig anzuhalten.“
Die Wissenschaftler zogen eine Parallele zum plötzlichen Verschwinden visueller Landmarken bei nebligen Bedingungen.
„Obwohl allgemein bekannt ist, dass Nebel die Navigation erschwert, wird vielleicht weniger geschätzt, dass er auch unsere Fähigkeit, Entfernungen genau einzuschätzen, erheblich beeinträchtigt.“
Um diese Ergebnisse beim Menschen zu validieren, replizierten die Forscher ihr Rattenexperiment in größerem Maßstab und bauten eine 12 m x 6 m große Arena im Studentenwohnheim der Universität. Freiwillige wurden mit der gleichen Aufgabe wie die Ratten betraut – eine bestimmte Strecke zu gehen und zum Ursprung zurückzukehren.
Die menschlichen Teilnehmer spiegelten die Leistung der Ratte wider und schätzten die Entfernung innerhalb eines symmetrischen, rechteckigen Gehäuses konsistent und genau ein. Als die Forscher jedoch die Form der Arena manipulierten, indem sie die Wände neu positionierten, begannen die Teilnehmer, Fehler zu machen.
Professor Ainge bemerkte: „Ratten und Menschen zeigen ein schnelles Lernen bei der Entfernungsschätzungsaufgabe. Wenn die Umgebung jedoch so verändert wird, dass das Signal bei Ratten bekanntermaßen verzerrt wird, beobachten wir ein identisches Verhaltensmuster bei Menschen.“
Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass ihre Erkenntnisse nicht nur wertvolle Einblicke in die menschliche Navigation liefern, sondern auch zur Früherkennung der Alzheimer-Krankheit beitragen könnten.
„Die spezifischen Gehirnzellen, die überwacht werden, befinden sich in einer der Hauptregionen, die von Alzheimer betroffen sind“, erklärte Professor Ainge.
„Diagnostische Werkzeuge, wie z. B. mobile Spiele zur Beurteilung der Navigation, sind bereits verfügbar. Wir sind sehr daran interessiert, ähnliche Ansätze zu untersuchen, wobei wir uns insbesondere auf die Bewertung der Fähigkeit zur Entfernungsschätzung konzentrieren.“
Um tiefer in dieses Thema einzutauchen, hören Sie sich Victoria Gills Bericht auf BBC’s Inside Science an.
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