Gesucht und gefunden: Orientierungszellen

1971 schlug John O’Keefe einmal einen etwas anderen Weg ein. Und mit ihm seine Versuchstiere. Für gewöhnlich unterwarfen Forscher in jener Zeit ihre tierischen Probanden einem strengen Versuchsprotokoll. Sie präsentierten den Tieren zum Beispiel Reize und registrierten, wie das Gehirn der Nager darauf reagierte. Nicht so O’Keefe. Er ließ seine Ratten frei in einem Laborgehege herumspazieren. Nicht zum Spaß, sondern um herausfinden, wie das Gehirn der Tiere zur Orientierung beiträgt. Möglich machte das eine damals noch relativ junge Technik: ins Gehirn implantierte Mikroelektroden. Damit hat der Neurowissenschaftler die Aktivität von einzelnen Nervenzellen erfasst, während die Ratten die Gegend erkundeten.

Die Ergebnisse waren auch für John O’Keefe überraschend: Einzelne Nervenzellen im Hippocampus waren äußerst wählerisch, wann sie feuerten. Sie regten sich immer dann verstärkt, wenn sich die kleinen Nager an einem bestimmten Punkt im Käfig befanden. Hielten sie sich an einem anderen Platz im Gehege auf, feuerte eine andere Zelle. Auch als O’Keefe das Licht im Labor ausknipste, waren die Neurone weiterhin so charakteristisch aktiv. Die Nervenzellen registrierten also nicht einfach nur visuellen Input. Offensichtlich dienten besondere Neurone als eine Art Wegmarke: Sie signalisieren, wo – in Relation zu bestimmten Merkmalen im Raum – sich die Ratten gerade befanden. Die Aktivität der einzelnen Nervenzellen repräsentierte jeweils verschiedene kontext-​abhängige Punkte einer Umgebung. Und die Kombination ihrer einzelnen Aktivität ergab eine Art erfahrungsabhängige mentale Karte dieser Gegend. Das vermutete zumindest O’Keefe. Daraufhin bezeichnete er die besonderen Nervenzellen als Ortszellen und formulierte die bis heute einflussreiche Theorie von kognitiven Karten im Gehirn (zum Video über das räumliche Gedächtnis). Weitere Experimente des Neurowissenschaftlers legten nahe, dass die einzelnen Ortszellen auch die zelluläre Grundlage von räumlichen Erinnerungen darstellen. Die Erinnerung an eine bestimmte Umgebung wird dabei als eine bestimmte Kombination von Ortszellen-​Aktivität im Hippocampus gespeichert.

John O’Keefe kam am 18. November 1939 in New York City als Kind irischer Einwanderer zur Welt. Nach seinem Studium am City College of New York promovierte er 1967 in physiologischer Psychologie an der kanadischen McGill University. Anschließend ging er nach England ans University College London, wo er seine bahnbrechenden Untersuchungen in Angriff nahm. Er war fasziniert von dem Problem, wie das Gehirn Verhalten steuert. Er zeigte sich aber auch gegenüber den philosophischen Aspekten neurowissenschaftlicher Ergebnisse nicht abgeneigt. In Anlehnung an eine Theorie des deutschen Philosophen Immanuel Kant (1724−1804) sagte der Forscher einmal: „Ich glaube, dass unser Sinn eines objektiven dreidimensionalen Raums vom Gehirn und nicht von der physikalischen Welt stammt.“

John O’Keefe arbeitete in seinem Forscherleben mit vielen Kollegen zusammen. Eine besonders folgenreiche Begegnung sollte aber die mit dem Forscher-​Ehepaar May-​Britt (geboren am 4. Januar 1963) und Edvard Moser (geboren am 27. April 1962) darstellen. Die beiden Norweger hatten sich Anfang der 1980er Jahre an der Universität von Oslo kennengelernt. Vielseitig interessiert, wie sie waren, studierten sie unter anderem Mathematik, Psychologie und Statistik. Ihre besondere wissenschaftliche Leidenschaft galt dem räumlichen Gedächtnis und der räumlichen Orientierung. Fortan arbeiteten und lebten die beiden zusammen. Nachdem beide ihren Doktor in der Tasche hatten, verbrachten sie einige Monate bei John O’Keefe im Labor am University College London. Er brachte ihnen bei, wie man die Aktivität von Ortszellen im Hippocampus registriert. Das sei möglicherweise die intensivste Lernerfahrung ihres Lebens gewesen, erinnerte sich das Paar später.

Ihr neu erworbenes Wissen konnten die Mosers kurze Zeit darauf in ihrem eigenen Labor anwenden. Dieses bauten sie in einem Keller der Norwegian University of Science and Technology in Trondheim praktisch aus dem Nichts auf. Am Anfang mussten sie vieles selbst tun, und waren sich auch nicht zu schade, eigenhändig die Käfige der Versuchsratten zu reinigen.

In ihrem eigenen Labor wollten May-​Britt und Edvard Moser herausfinden, ob die Signale von O’Keefes Ortszellen tatsächlich aus dem Hippocampus kamen oder anderswoher aus dem Gehirn stammten. Einen Ort im Gehirn hatten sie im Verdacht, den entorhinalen Cortex, der über dem Hippocampus liegt. Also ließen sie ihre Versuchstiere in einem größeren Gehege als gewöhnlich frei herumlaufen und nahmen dabei auf, wie sich die Nervenzellen in der Region des entorhinalen Cortex verhielten. Dabei stießen sie auf ein seltsames Aktivitätsmuster der Nervenzellen. Lange Zeit wussten die Mosers nicht, was sie vor sich hatten: Das Feuerwerk der Zellen im entorhinalen Cortex erinnerte an die Signale der Ortszellen im Hippocampus, mit einem wesentlichen Unterschied: Diesmal wurden die besonderen Neuronen nicht nur dann aktiv, wenn sich das Tier an einem ganz bestimmten Platz aufhielt. Ein und dieselbe Nervenzelle regte sich bei mehreren, aber ebenso bestimmten Aufenthaltsorten. Verbanden die Mosers diese Orte im Gehege ergab sich ein sechseckiges Muster, ähnlich einer Honigwabe.

May-​Britt und Edvard Moser vermuteten, dass diese „Feuerorte“ der Zellen im entorhinalen Cortex die Umgebung der Tiere in eine Art mentales Koordinatensystem aus Sechsecken unterteilen. Kommt ein Tier an einen Knotenpunkt dieses Gitternetzes, feuert die entsprechende Zelle. Das dient möglicherweise als Maß für den Abstand in den mentalen Landkarten. Diese Zellen nannte das Forscherehepaar Grid Cells, zu Deutsch Gitterzellen oder Rasterzellen. Während die Ortszellen gewissermaßen signalisieren, an welchem Ort man sich befindet, sorgen die Gitterzellen offensichtlich für ein Gefühl der Entfernung.

Dabei decken Gitterzellen an unterschiedlichen Stellen des entorhinalen Cortex unterschiedliche Entfernungen ab. Manchmal liegen die „Feuerorte“ des Gitternetzes nur wenige Zentimeter auseinander, manchmal ganze Meter. Auf diesem Weg können offensichtlich unterschiedlich große Umgebungen „vermessen“ werden (Landvermesser im Gehirn).

Ebenfalls eine Erkenntnis der Mosers: Die Gitterzellen werden durch andere Zellen im entorhinalen Cortex unterstützt. So dienen etwa „Kopfrichtungszellen“ als eine Art Kompass. Sie bewirken, dass sich die mentalen Landkarten gewissermaßen mitdrehen, wenn sich der Kopf in eine bestimmte Himmelsrichtung bewegt.

Und nicht zuletzt fanden die Mosers auch eine mögliche Antwort auf die Frage, die sie ursprünglich bei ihrer Suche angetrieben hatte: Woher stammen eigentlich die Signale der Ortszellen? Da die Gitterzellen im entorhinalen Cortex Informationen zu den Ortszellen im Hippocampus weiterleiten, ist die Antwort für die Mosers klar: Das eigentliche Orientierungszentrum ist der entorhinale Cortex und der versorgt den Hippocampus mit den Ortssignalen.

Das GPS-​System im Gehirn: So werden die Ortszellen und Gitterzellen auch bezeichnet – und dafür gibt es den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin. Am 6. Oktober 2014 verkündete das Nobelpreis-​Komitee: John O’Keefe bekommt eine Hälfte und May-​Britt und Edvard Moser bekommen jeweils ein Viertel des Preises – und zwar „für ihre Entdeckung von Zellen, die ein Positionsbestimmungssystem bilden“. Die Mitglieder des Nobelpreis-​Komitees sprachen von einem Paradigmenwechsel in unserem Verständnis davon, wie Ensembles von spezialisierten Zellen zusammenarbeiten, um höhere kognitive Funktionen auszuführen.

Noch ist eine ganze Reihe von Fragen bezüglich der Orientierungszellen im Gehirn offen. „Man weiß bis heute nicht genau, wofür die Tiere ihre Gitterzellen benutzen“, sagt der Neurowissenschaftler Michael Brecht vom Bernstein Center for Computational Neuroscience in Berlin zu das​Ge​hirn​.info. Auch wenn er ebenfalls vermutet, dass sie bei der Vermessung des Raums helfen. „Ebenso weiß man nicht genau, wie Tiere das Gittermuster überhaupt erzeugen.“

Unklar ist außerdem noch, inwieweit die Ergebnisse aus den Tierstudien auch auf den Menschen zutreffen. Zumindest fanden Studien in den vergangenen Jahren auch bei Menschen im Hippocampus und entorhinalen Cortex Neurone, die den Ortszellen und Gitterzellen wohl ähneln.

Vielleicht tragen auch die frisch gebackenen Nobelpreisträger noch einige Puzzlestückchen zur Lösung dieses Rätsel bei: Schließlich ist John O’Keefe Mitte 70 und arbeitet noch weiter im Labor. Er gilt als leidenschaftlicher Forscher. Und auch das Ehepaar Moser, beide Anfang 50, denkt noch lange nicht ans Aufhören.

zum Weiterlesen:

• Offizielle Homepage zum Medizin-​Nobelpreis 2014 mit Stimmen der Preisträger [Stand: 29.10.2013]: zur Webseite.
• O’Keefe J, Dostrovsky J.: The hippocampus as a spatial map. Preliminary evidence from unit activity in the freely-​moving rat. Brain res. 1971 Nov; 34(1): 171 – 175 (zum Abstract).
• Hafting T et al: Microstructure of a spatial map in the entorhinal cortex. Nature. 2005 Aug 11; 436(7052): 801 – 806 (zum Abstract).
• Jacobs J et al.: Direct recordings of grid-​like neuronal activity in human spatial navigation. Nat Neurosci. 2013 Sep; 16(9): 1188 – 1190 (zum Abstract).