Klosterneuburg – Wenn Ratten schlafen, wiederholen sie im Geiste nicht nur Wege, auf denen sie zuvor beispielsweise in einem Labyrinth zu Futter gelangten. Wie Wissenschafter des Institute of Science and Technology (IST) Austria nun nachweisen konnten, wandern die Nager im Traum auch auch auf zufälligen Pfaden durch den Raum. Zur Überraschung der Forscher ähneln diese Erregungsmuster von Nervenzellen der Brownschen Bewegung.
Im Gehirn von Säugetieren wie Menschen und Ratten gibt es "Platzzellen". Ihre Aktivität im Hippocampus verrät, wo sich ein Individuum gerade befindet. Mit diesem neuronalen Fundament zur Orientierung im Raum und der Erinnerung beschäftigen sich Forscher um Jozsef Csicsvari und Federico Stella am IST Austria in Klosterneuburg (NÖ).
Rasant Wiederholung
In früheren Untersuchungen haben sie bereits gezeigt, wie in den Gehirnen von Ratten genau nachvollzogen werden kann, welche Platzzellen zu welchen Orten gehören. Die Muster, in dem viele Zellen hintereinander feuern, lassen auf die zurückgelegten Wege der Tiere durch ein Labyrinth rückschließen, wo auf manchen Wegen Belohnungen warteten. Als die Ratten schliefen, wiederholten sich die Erregungsmuster der Nervenzellen. Allerdings lief das deutlich schneller ab: In der sogenannten neuronalen Wiederholung läuft eine Sekunde in nur etwa zehn Millisekunden ab.
In ihrer nun im Fachjournal "Neuron" präsentierten Studie ließen die Wissenschafter nun ihre Versuchstiere nicht zwischen vorgegebenen Wegen wählen. Die Tiere konnten sich in einer offenen Umgebung bewegen, in der Belohnungen zufällig verteilt wurden. Dabei zeichnete das Forschungsteam die Aktivität von bis zu 400 Platzzellen auf.
Kein zufälliges Herumlaufen
Danach beobachteten sie, was sich im Hippocampus während des Schlafs tat. Tatsächlich feuerten die Nervenzellen "an Orten, die die Ratte besucht hat, aber die Reihenfolge der Plätze, die in der Wiederholung gezeigt wird, folgt zufälligen Routen", so Csicsvari: "Wir haben die Statistik ausgewertet und festgestellt, dass das Muster der Wiederholung der Brownschen Bewegung folgt. Nur stimmt dies nicht mit der tatsächlichen Bewegung des Tieres überein – das Tier ist nicht zufällig herumgelaufen. Stattdessen erzeugt die komplexe Schaltung des Hippocampus ein Muster, das einer einfachen physikalischen Situation ähnelt."
Diese zeigt sich bekanntlich, wenn kleinste Partikel in Flüssigkeiten oder Gasen unter einem Mikroskop beobachtet werden. Es sieht dann so aus, als ob sie sich wie von Geisterhand bewegen. Ausgelöst wird dieser nach dem schottischen Botaniker Robert Brown benannte Effekt von der ungeordneten Wärmebewegung umgebender Moleküle, welche die Teilchen sozusagen ständig anrempeln.
Selbst erzeugte Routen
Dass ein solches Muster überraschenderweise auch im nunmehrigen Experiment beobachtet wurde, liefere Einblicke in die Verschaltung der Nervenzellen im Hippocampus. Da die Tiere hier keine Wege erlernten, "erzeugt der Hippocampus selbst Routen, die er feuert. Unsere Arbeit zeigt, dass dieser Schaltkreis im Gehirn eine komplexe Dynamik besitzt, die beeinflusst, wie Neuronen feuern. Erfahrung ist wahrscheinlich eine Begrenzung dessen, was wiederholt werden kann", so Csicsvari. (APA, red, 27.2.2019)