Wie sich das Gehirn merkt, wo man hinmöchte

Das Gehirn scheint eine Art GPS-System für die räumliche Orientierung zu besitzen; doch wie genau es funktioniert, ist bislang nicht verstanden. Forscher aus Freiburg, Bochum und Peking haben nun eine mögliche Rolle von rhythmischen Fluktuationen in der Hirnaktivität, den Theta-Oszillationen, beschrieben.

Frühere Studien hatten bereits ergeben, dass die Oszillationen in der neuronalen Aktivität beim Navigieren ein charakteristisches Muster aufweisen. Die Theta-Oszillationen, bei denen sich die Hirnaktivität mit einer Frequenz von ungefähr vier Hertz ändert, scheinen eine zentrale Rolle zu spielen. Wie genau sie zur räumlichen Orientierung beitragen, war aber nicht klar.

Für die aktuelle Studie arbeiteten die Forscher mit Epilepsie-Patienten, denen zur Operationsplanung Elektroden in das Gehirn implantiert worden waren. Über die Elektroden zeichneten die Wissenschaftler die neuronale Aktivität während einer Navigationsaufgabe in der virtuellen Realität auf.

Im Versuch lernten die teilnehmenden Epilepsie-Patienten, bestimmte Objekte in einer virtuellen Umgebung mit bestimmten Orten zu assoziieren. Für jede dieser erlernten Assoziationen identifizierten die Wissenschaftler das charakteristische Hirnaktivitätsmuster.

Später mussten die Probandinnen und Probanden sich erinnern, welches Objekt mit welchem Ort assoziiert gewesen war. Während sie im Gedächtnis nach dem passenden Ort suchten und in der virtuellen Umgebung zu diesem Ort navigierten, reaktivierte das Gehirn die ortscharakteristischen Aktivitätsmuster. Diese Reaktivierung der Hirnaktivität erfolgte für verschiedene Objekt-Ort-Paare zu verschiedenen Zeitpunkten im Verlauf der Theta-Oszillationen. „Die Theta-Oszillationen könnten also die Reaktivierung verschiedener Erinnerungen koordinieren und außerdem helfen, konkurrierende Erinnerungen auseinanderzuhalten“, sagt Dr. Lukas Kunz vom Universitätsklinikum Freiburg.

Auf der Suche nach einem Biomarker für Alzheimer

„Viele Krankheiten gehen mit Desorientierung und Gedächtnisverlust einher, daher ist es wichtig, die zugrunde liegenden neuronalen Mechanismen zu verstehen“, erklärt Prof. Nikolai Axmacher, Leiter der Abteilung Neuropsychologie an der Ruhr-Universität Bochum. Der Bochumer Forscher und seine Kollegen hoffen, dass ihre Studien eines Tages helfen können, Biomarker für solche neurologischen Krankheiten zu finden.

Originalpublikation:
Kunz L. et al.: Hippocampal theta phases organize the reactivation of large-scale electrophysiological representations during goal-directed navigation. Science Advances, 03 Jul 2019;5(7):eaav8192.