Kognitionsforschung: Forscher schauen dem Gehirn dabei zu, wie es sich Räume merkt

Das Gehirn konstruiert mentale Karten der Umwelt aus den Erfahrungen der Sinne – so ist es möglich, sich zu orientieren, zu erinnern, wo etwas passiert ist, und zu planen, wohin man gehen will. Forscher des Max-Planck-Institutes für Kognitions- und Neurowissenschaften in Leipzig und des Kavli Institute for Systems Neuroscience in Trondheim haben ein neues Computermodell entwickelt, dasdem Gehirn direkt dabei zuschauen kann, wie es sich orientiert und sich etwas merkt.

Dier Wissenschaftler zeigen in ihrer jüngsten Veröffentlichung in “Nature Communications“, dass neu gebildete Erinnerungen einen direkten Einfluss darauf haben, wie das Gehirn die Umwelt abbildet. Je besser man seine Umgebung kennen, desto weniger Informationen müssen neu integriert werden. Dies wirkt sich direkt auf die Hirnaktivität aus und ist nun messbar.

Die bemerkenswerte Fähigkeit des Gehirns, Karten der Umwelt zu bilden und sie bei Bedarf abzurufen, erfordert mehrere komplexe neuronale Berechnungen. Viele von ihnen laufen entlang eines neuronalen Pfades ab, der von der Sehrinde bis zu den übergeordneten Gedächtniszentren im Gehirn reicht. Um zu verstehen, wie die einzelnen Hirnareale entlang dieses Pfades zusammenarbeiten, die das menschliche Verhalten steuern, haben Matthias Nau und Christian Doeller vom MPI CBS gemeinsam mit ihren Kollegen aus Norwegen einen Algorithmus entwickelt. Dieses sogenannte Kodierungsmodell ermöglicht es ihnen, die Hirnaktivität von Versuchsteilnehmern direkt mit ihrem Verhalten und ihrer fortlaufenden Gedächtnisbildung in Verbindung zu bringen. Insbesondere wollte das Team wissen, wie das menschliche Gehirn die Umwelt während eines natürlichen und sehr komplexen Verhaltens abbildet – nämlich der räumlichen Navigation.

Natürliches Verhalten in virtueller Umgebung beobachtet
Um eine breite Perspektive auf das menschliche Gehirn zu erhalten, verwendeten die Wissenschaftler funktionelle Magnetresonanztomographie – ein bildgebendes Verfahren, das die Aktivität des ganzen Gehirns über den Blutfluss messen kann. Die Studienteilnehmer lagen in einem 7-Tesla-MRT-Scanner und navigierten in einer virtuellen Arena mithilfe einer Tastatur: Sie merkten sich die Position von versteckten Objekten.
„Um zu verstehen, wie sich unsere Teilnehmer bei dieser Aufgabe orientierten, haben wir analysiert, wie ihre Hirnaktivität zu jedem Zeitpunkt widerspiegelte, in welche Richtung sie sich bewegten.“, erklärt Nau. Ohne eine funktionierende Richtungswahrnehmung wäre diese Aufgabe nicht lösbar gewesen. „Wir bauten ein Kodierungsmodell ihrer Blickrichtung auf, um den Einfluss der Richtung auf die neuronale Aktivität in jedem Teil des Gehirns abzuschätzen. Mithilfe dieses Modells konnten wir nun vorhersagen, wie sich die Aktivität in neuen Daten desselben Teilnehmers entfalten wird.“ Hierfür simulierte der Algorithmus nicht nur eine, sondern viele mögliche Versionen davon, wie genau jedes einzelne Hirnareal die Richtung repräsentieren könnte. Die Forscher erkannten, welche Version des Modells neue Daten am besten vorhersagte, und konnten so bisher unbekannte Details des Richtungscodes im gesamten Gehirn abbilden.

Hirnaktivität spiegelt vom Gedächtnis gesteuertes Verhalten wider
Die neuartige Analysemethode ermöglichte es, die menschliche Richtungswahrnehmung in noch nie dagewesener Detailgenauigkeit zu vermessen. So beobachteten die Wissenschaftler nicht nur einen Anstieg der Hirnaktivität in Regionen, die räumliche Informationen aus den visuellen Reizen herausfiltern, sondern konnten besonders in den höheren Gedächtnisregionen Hinweise darauf finden, wie gut sich die Teilnehmer an die Orte der gesuchten Objekte erinnerten.
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Prozess der Kodierung der Welt und der Objekte in ihr, sprich der neuronalen Kartenbildung, Einfluss darauf hat, wie das gesamte Netzwerk an Regionen im Gehirn Informationen verarbeitet, die gerade aus der Umwelt abgeleitet werden. Das Zusammenspiel verschiedener visueller und gedächtnisbildender Hirnareale hängt also viel direkter mit gedächtnisgesteuertem Verhalten zusammen, als bisher bekannt.
“Normalerweise”, so die Forscher, “betrachten wir unser Gedächtnis als eine Art Speicher für Erfahrungen aus unserer Vergangenheit, die wir uns so wieder in Erinnerung rufen können. Aber warum haben wir überhaupt ein Gedächtnis? Wir haben es, damit wir von unseren Erfahrungen der Vergangenheit lernen und unser Verhalten in Zukunft entsprechend anpassen können.”

Die Wissenschaftler dieser Studie zeigten, dass Erinnerungen einen direkten Einfluss darauf haben, wie die Umgebung wahrgenommen wird und dass diese Interaktion zwischen Wahrnehmung und Gedächtnis das tägliche Verhalten steuert.

Die neu entwickelte Methode, so teilt das Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften abschließend mit, stellen die Wissenschaftler der Fachwelt als Analysewerkzeug in Open Access zur Verfügung, um sie auch auf andere Daten – wie zum Beispiel EEG-Daten – oder auch in Tiermodellen anzuwenden. So könnten die neuronalen Prozesse bei der Gedächtnisbildung und Raumnavigation noch umfassender untersucht werden.

Originalpublikation:
Matthias Nau, Tobias Navarro Schröder, Markus Frey, Christian F. Doeller. Behavior-dependent directional tuning in the human visual-navigation network. Nature Communications 2020. https://www.nature.com/articles/s41467-020-17000-2

Weitere Informationen: https://www.mpg.de/149614/kognition_neuro