Episode 29 | Das innere GPS des Gehirns


Episodenzusammenfassung

Genau jetzt weißt du, ohne hinzusehen, wo die Tür ist. Du könntest in völliger Dunkelheit durch deine Wohnung gehen und die Schritte bis zur Küche zählen. Denn in diesem Augenblick feuern tief in deinem Gehirn Zellen, die deinen Ort melden und eine lebendige Karte des Raumes um dich herum zeichnen. Und hier die Wendung, mit der diese Episode endet: Genau dieselben Zellen zeichnen vielleicht eine Karte deiner Ideen.

In dieser Episode folgen wir einer fünfzigjährigen Detektivgeschichte. Sie reicht von einem rebellischen Psychologen, der 1948 darauf bestand, dass Ratten eine innere "kognitive Karte" tragen, über die Entdeckung der Ortszellen 1971 und die wunderschönen sechseckigen Gitterzellen von 2005 bis zum Nobelpreis 2014, der das innere GPS des Gehirns krönte. Dann gehen wir an die Front, wo dieselbe Navigationsschaltung Klänge, abstrakte Konzepte und sogar die Menschen zu ordnen scheint, denen wir begegnen. Die Frage, die wir dir mitgeben, ist einfach und seltsam: Denken wir, indem wir navigieren?


Behandelte Kernthemen

  • Tolmans Idee der "kognitiven Karte" von 1948 und das latente Lernen: eine Ketzerei im Zeitalter des Behaviorismus
  • John O'Keefe und Jonathan Dostrovsky entdecken 1971 die Ortszellen im Hippocampus der Ratte, aus nur etwa acht Zellen
  • Der Schock, ein räumliches Signal ausgerechnet in der Gedächtnisstruktur des Gehirns zu finden
  • O'Keefe und Nadels Theorie der kognitiven Karte (1978): allozentrische Karten und Remapping
  • May-Britt und Edvard Moser entdecken 2005 die Gitterzellen im entorhinalen Cortex und ihr sechseckiges Gitter
  • Das Gitter entsteht im Inneren: der Boden ist leer, die Wabe lebt allein im Feuermuster
  • Gittermodule in verschiedenen Maßstäben für einen effizienten Positionscode
  • Der ganze "Zellenzoo": Zellen für Kopfrichtung, Grenzen, Geschwindigkeit, Kombinationen und Zeit
  • Der Nobelpreis 2014 und die Metapher vom inneren GPS
  • Warum es in Wahrheit Koppelnavigation ist, korrigiert durch Landmarken und nicht durch Satelliten
  • Menschliche Ortszellen und Gitterzellen, gefunden durch Videospielnavigation bei Epilepsiepatienten
  • Die sechsfache Signatur im fMRT: ein Stellvertreter für Gitterzellen, keine direkte Ableitung
  • Die Verbindung zu Alzheimer: die Krankheit greift zuerst das Zuhause der Karte an, den entorhinalen Cortex (mit Vorsicht dargestellt)
  • Jenseits des physischen Raums: Karten von Tonhöhe, abstrakten Konzepten und sozialen Beziehungen
  • Die Idee, dass wir durch Navigieren denken, und dass Gedächtnis umfunktionierte Navigation ist
  • Die ehrliche Einordnung: der "Gittercode für Konzepte" ist eine spannende, lebendige Hypothese, kein gesichertes Faktum

Erwähnte Forscherinnen und Forscher

  • John O'Keefe (geb. 1939, University College London) : entdeckte die Ortszellen (1971), verfasste mit Lynn Nadel die Theorie der kognitiven Karte (1978), Nobelpreisträger 2014
  • May-Britt Moser und Edvard I. Moser (Kavli Institute for Systems Neuroscience, NTNU Trondheim) : entdeckten die Gitterzellen (2005) und einen Großteil des unterstützenden Zellenzoos, Nobelpreisträger 2014
  • Edward Tolman (1886 bis 1959, UC Berkeley) : prägte den Begriff der "kognitiven Karte" (1948)
  • Lynn Nadel (University of Arizona) : verfasste mit O'Keefe The Hippocampus as a Cognitive Map (1978)
  • Howard Eichenbaum (1947 bis 2017, Boston University) : Theorie des relationalen Gedächtnisses des Hippocampus, Zeitzellen
  • Neil Burgess und Caswell Barry (UCL) : Belege für menschliche Gitterzellen und die Codierung von Grenzen und Vektoren
  • Timothy Behrens, Jill X. O'Reilly und James Whittington (Oxford) : Gittercodes für abstrakte Konzepte, die Tolman Eichenbaum Machine
  • Christian Doeller (Kavli/NTNU und MPI) : menschliche Gitterzellen im fMRT, kognitive Räume für das Denken
  • György Buzsáki (NYU) : das Argument der Exaptation, das Navigation, Gedächtnis und Denken verbindet

Wichtige Studien und Quellen

  • Tolman, E.C. (1948). "Cognitive maps in rats and men." Psychological Review, 55(4), 189 to 208.
  • Tolman, E.C. und Honzik, C.H. (1930). "Introduction and removal of reward, and maze performance in rats." University of California Publications in Psychology, 4, 257 to 275.
  • O'Keefe, J. und Dostrovsky, J. (1971). "The hippocampus as a spatial map. Preliminary evidence from unit activity in the freely moving rat." Brain Research, 34(1), 171 to 175.
  • O'Keefe, J. und Nadel, L. (1978). The Hippocampus as a Cognitive Map. Oxford University Press.
  • Fyhn, M., Molden, S., Witter, M.P., Moser, E.I., und Moser, M.-B. (2004). "Spatial representation in the entorhinal cortex." Science, 305(5688), 1258 to 1264.
  • Hafting, T., Fyhn, M., Molden, S., Moser, M.-B., und Moser, E.I. (2005). "Microstructure of a spatial map in the entorhinal cortex." Nature, 436(7052), 801 to 806.
  • Stensola, H. et al. (2012). "The entorhinal grid map is discretized." Nature, 492(7427), 72 to 78.
  • Ekstrom, A.D. et al. (2003). "Cellular networks underlying human spatial navigation." Nature, 425(6954), 184 to 188.
  • Doeller, C.F., Barry, C., und Burgess, N. (2010). "Evidence for grid cells in a human memory network." Nature, 463(7281), 657 to 661.
  • Jacobs, J. et al. (2013). "Direct recordings of gridlike neuronal activity in human spatial navigation." Nature Neuroscience, 16(9), 1188 to 1190.
  • Constantinescu, A.O., O'Reilly, J.X., und Behrens, T.E.J. (2016). "Organizing conceptual knowledge in humans with a gridlike code." Science, 352(6292), 1464 to 1468.
  • Behrens, T.E.J. et al. (2018). "What Is a Cognitive Map? Organizing Knowledge for Flexible Behavior." Neuron, 100(2), 490 to 509.
  • Buzsáki, G. und Moser, E.I. (2013). "Memory, navigation and theta rhythm in the hippocampal entorhinal system." Nature Neuroscience, 16(2), 130 to 138.
  • The Nobel Assembly at Karolinska Institutet (2014). Press Release: The 2014 Nobel Prize in Physiology or Medicine. nobelprize.org.

Wichtige Zahlen zum Merken

  • etwa 8 : Ortszellen in O'Keefes und Dostrovskys erstem Bericht von 1971, aus rund 76 abgeleiteten Einheiten
  • 1971, 2005, 2014 : Entdeckung der Ortszellen, Entdeckung der Gitterzellen, Verleihung des Nobelpreises
  • etwa 1,42 : durchschnittliches Größenverhältnis zwischen benachbarten Gittermodulen (Stensola et al. 2012), nahe der Quadratwurzel aus zwei
  • sechsfach : die hexagonale Symmetrie der Signatur von Gitterzellen im fMRT (Doeller, Barry und Burgess 2010)
  • 317 Neuronen, 7 Patienten : die Ableitungen, die menschliche Ortszellen zeigten (Ekstrom et al. 2003)
  • 893 Neuronen, 14 Patienten : die Ableitungen, die menschliche Gitterzellen direkt einfingen (Jacobs et al. 2013)
  • etwa 558.000 Spieler, 57 Länder : der Navigationsdatensatz von Sea Hero Quest (Coutrot et al. 2018), aus einem Spiel mit über 2,5 Millionen Downloads
  • 2 Dimensionen : der erfundene "Konzeptraum" morphender Vögel, variierend in Halslänge und Beinlänge (Constantinescu et al. 2016)
  • 23 Jahre : der Abstand zwischen Tolmans kognitiver Karte von 1948 und der Entdeckung der Ortszellen 1971

Einprägsame Zitate

"Für ihre Entdeckung von Zellen, die ein Positionierungssystem im Gehirn bilden."
Die offizielle Begründung des Nobelpreises 2014

"Dieser Schaltkreis bildet ein umfassendes Positionierungssystem, ein inneres GPS, im Gehirn."
Pressemitteilung der Nobelversammlung (2014)

"Das zentrale Nervensystem der Ratte ... lässt sich mit einer komplizierten Telefonzentrale vergleichen."
Edward Tolman (1948), über die Sichtweise von Reiz und Reaktion, die er ablehnte

"Seine Schlüsseleinheit ist die 'Gitterzelle', die immer dann aktiviert wird, wenn die Position des Tieres mit irgendeinem Eckpunkt eines regelmäßigen Gitters aus gleichseitigen Dreiecken zusammenfällt, das die Oberfläche der Umgebung überspannt."
Hafting et al. (2005), zur Definition der Gitterzellen

"Mechanismen des Gedächtnisses und der Planung haben sich aus Mechanismen der Navigation in der physischen Welt entwickelt ... die neuronalen Algorithmen der Navigation im realen und im mentalen Raum sind grundlegend dieselben."
Buzsáki und Moser (2013)

Die Kernidee

Das Gehirn baut Karten. Um die uralte Frage "Wo bin ich?" zu beantworten, hat es eigene Schaltkreise entwickelt: Ortszellen, die feuern, wenn du an einem bestimmten Ort stehst, Gitterzellen, die ein sechseckiges Koordinatengitter über einen Raum legen, und daneben ein ganzes Instrument aus Zellen für Richtung, Geschwindigkeit und Grenzen. Das ist das innere GPS, das der Nobelpreis 2014 würdigte, auch wenn es eher wie eine Koppelnavigation mit Korrektur durch Landmarken arbeitet als wie Satelliten am Himmel. Die tiefere Überraschung kam danach. Dieselbe Maschinerie wird aktiv, wenn Menschen durch reine Tonhöhe, abstrakte Konzepte und soziale Beziehungen navigieren. Das legt nahe, dass das Gehirn sein System zur Wegfindung wiederverwendet hat, um Wissen selbst zu ordnen. Für eine Serie darüber, wie wir unser Wissen strukturieren, ist die Schlussfolgerung bemerkenswert: Denken könnte eine Art Navigation sein, Gedächtnis könnte umfunktionierte Navigation sein, und Wissen mit sichtbarer Struktur auszulegen könnte mit der Faserung des Gehirns arbeiten statt gegen sie. Es bleibt eine lebendige Hypothese, kein gesichertes Faktum, aber es ist eine der spannendsten Ideen der Neurowissenschaft.


Vorschau auf die nächste Episode

Episode 30: Memory Palaces : Wenn das Gehirn Ideen wie Orte ablegt, gibt es einen uralten Trick. Schmuggle die Dinge, die du dir merken willst, in Orte, die du bereits kennst, und mach dein Elternhaus zu einem Aktenschrank für Fakten. Vor zweitausend Jahren machten Redner genau das, und die heutigen Gedächtnisweltmeister schwören noch immer darauf. Wir erkunden die Methode der Loci, den Gedächtnispalast und warum das Gehen durch gedachte Räume einem gewöhnlichen Menschen erlaubt, Unmögliches zu erinnern.