Die Fähigkeit des Gehirns, den Raum wahrzunehmen, erweitert sich wie das Universum

Die Fähigkeit des Gehirns, den Raum wahrzunehmen, erweitert sich wie das Universum

Salk-Forscher stellen fest, dass sich neuronale Netze, die für die räumliche Wahrnehmung verantwortlich sind, auf nichtlineare Weise verändern und möglicherweise Auswirkungen auf neurodegenerative Erkrankungen wie die Alzheimer-Krankheit haben

LA JOLLA – Kleine Kinder glauben manchmal, dass der Mond ihnen folgt oder dass sie ihn berühren können. Es scheint viel näher zu sein, als es proportional zu seiner wahren Entfernung ist. Wenn wir uns in unserem täglichen Leben bewegen, neigen wir dazu zu glauben, dass wir uns linear im Raum bewegen. Aber Salk-Wissenschaftler haben herausgefunden, dass die Zeit, die man mit der Erkundung einer Umgebung verbringt, dazu führt, dass neuronale Repräsentationen auf überraschende Weise wachsen.

Die Ergebnisse, veröffentlicht in Nature Neuroscience am 29. Dezember 2022 zeigen, dass Neuronen im Hippocampus, die für die räumliche Navigation, das Gedächtnis und die Planung unerlässlich sind, den Raum auf eine Weise darstellen, die einer nichtlinearen hyperbolischen Geometrie entspricht – einer dreidimensionalen Fläche, die exponentiell nach außen wächst. (Mit anderen Worten, es hat die Form des Inneren einer sich ausdehnenden Sanduhr.) Die Forscher fanden außerdem heraus, dass die Größe dieses Raums mit der an einem Ort verbrachten Zeit zunimmt. Und die Größe nimmt logarithmisch zu, entsprechend der maximal möglichen Zunahme der vom Gehirn verarbeiteten Informationen.

Diese Entdeckung liefert wertvolle Methoden zur Analyse von Daten zu neurokognitiven Störungen, die Lernen und Gedächtnis betreffen, wie beispielsweise die Alzheimer-Krankheit.

„Unsere Studie zeigt, dass das Gehirn nicht immer linear agiert. Stattdessen funktionieren neuronale Netze entlang einer expandierenden Kurve, die mithilfe hyperbolischer Geometrie und Informationstheorie analysiert und verstanden werden kann“, sagt Salk-Professor Tatyana Sharpee, Inhaber des Edwin K. Hunter Chair, der die Studie leitete. „Es ist spannend zu sehen, dass neuronale Reaktionen in diesem Bereich des Gehirns eine Karte bildeten, die sich mit der Erfahrung erweiterte, basierend auf der an einem bestimmten Ort verbrachten Zeit. Der Effekt hielt sogar bei winzigen zeitlichen Abweichungen an, wenn das Tier langsamer oder schneller durch die Umgebung lief.“

Sharpees Labor nutzt fortschrittliche Computeransätze, um die Funktionsweise des Gehirns besser zu verstehen. Sie waren vor Kurzem Vorreiter bei der Nutzung der hyperbolischen Geometrie, um biologische Signale wie Geruchsmoleküle sowie die Geruchswahrnehmung besser zu verstehen.

In der aktuellen Studie fanden die Wissenschaftler heraus, dass die hyperbolische Geometrie auch neuronale Reaktionen steuert. Hyperbolische Karten von Sinnesmolekülen und Ereignissen werden mit hyperbolischen neuronalen Karten wahrgenommen. Die Raumdarstellungen vergrößerten sich dynamisch in Abhängigkeit von der Zeit, die die Ratte damit verbrachte, die jeweilige Umgebung zu erkunden. Und wenn sich eine Ratte langsamer durch eine Umgebung bewegte, gewann sie mehr Informationen über den Raum, was dazu führte, dass die neuronalen Darstellungen noch stärker wuchsen.

„Die Ergebnisse bieten eine neue Perspektive darauf, wie neuronale Darstellungen durch Erfahrung verändert werden können“, sagt Huanqiu Zhang, ein Doktorand in Sharpees Labor. „Die in unserer Studie identifizierten geometrischen Prinzipien können auch zukünftige Bemühungen zum Verständnis der neuronalen Aktivität in verschiedenen Gehirnsystemen leiten.“

„Man könnte meinen, dass hyperbolische Geometrie nur im kosmischen Maßstab gilt, aber das stimmt nicht“, sagt Sharpee. „Unsere Gehirne arbeiten viel langsamer als die Lichtgeschwindigkeit, was ein Grund dafür sein könnte, dass hyperbolische Effekte statt astronomischer auf greifbaren Räumen beobachtet werden.“ Als nächstes möchten wir mehr darüber erfahren, wie diese dynamischen hyperbolischen Darstellungen im Gehirn wachsen, interagieren und miteinander kommunizieren.“

Weitere Autoren sind P. Dylan Rich von der Princeton University und Albert K. Lee vom Janelia Research Campus am Howard Hughes Medical Institute.

Die Forschung wurde durch einen Preis der AHA-Allen Initiative in Brain Health and Cognitive Impairment unterstützt, der gemeinsam von der American Heart Association und der Paul G. Allen Frontiers Group (19PABH134610000), der Dorsett Brown Foundation, der Mary K. Chapman Foundation und Aginsky vergeben wurde Fellowship, der National Science Foundation (IIS-1724421), dem National Science Foundation Next Generation Networks for Neuroscience Program (Auszeichnung 2014217), den National Institutes of Health (U19NS112959 und P30AG068635) und dem Howard Hughes Medical Institute.

DOI: 10.1038/s41593-022-01212-4