Mentale Räume als grundlegendes Muster der Informationsspeicherung

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Es ist schon länger bekannt, dass das menschliche Gehirn Informationen über die Umgebung in sogenannten kognitiven Räumen speichert, jedoch geht es nach Untersuchungen von Bellmund, Gärdenfors, Moser & Doeller (2018) nicht nur um geografische Daten, sondern auch um Beziehungen zwischen Objekten und Erfahrung. Menschen denken offenbar über ihre Familie und Freunde in ähnlicher Weise, etwa indem sie Menschen etwa in den Kategorien ihres Humors oder Einkommens, als groß oder klein, humorvoll oder humorlos oder mehr oder weniger reich kodieren. Abhängig von den Dimensionen des Interesses können Individuen geistig näher zusammen oder weiter weg im Gehirn gelagert werden. Die regelmäßigen Aktivierungsmuster von Gitterzellen lassen sich beim Menschen nicht nur bei der Navigation durch natürliche Räume beobachten, sondern Gitterzellen sind auch beim Erlernen neuer Inhalte aktiv. Es macht offenbar für das menschliche Gehirn keinen Unterschied, einen realen Raum oder den Raum zwischen den Dimensionen der Gedanken zu nutzen, sodass ein Gedankengang im wahrsten Sinne des Wortes als Weg durch die Räume der Gedanken betrachtet werden kann, also entlang verschiedener mentaler Dimensionen. Dadurch ist es den Menschen möglich, rasch Rückschlüsse auf neue Objekte oder Situationen zu ziehen, auch wenn sie diese noch nie erlebt haben. Durch die Verwendung vorhandener mentaler Karten kognitiver Räume kann der Mensch antizipieren, wie ähnlich etwas Neues zu etwas Bekanntem ist, indem er es in Beziehung zu bestehenden Dimensionen setzt. Dies ist ein Phänomen etwa bei das Gesichtserkennung fundamental.

Menschen denken offenbar auch in kognitiven Räumen, denn Studien weisen darauf hin, dass Menschen mit Hilfe des Systems von Orts- und Rasterzellen ihre Gedanken und Erinnerungen ordnen, und zwar in kognitiven Räumen. Diese räumliche Ordnung erlaubt es Menschen, Inhalte aus vergangenen Erlebnissen auf neue Situationen zu übertragen, und trägt damit entscheidend zur geistigen Flexibilität bei. Schließlich ist auch die Sprache geprägt von räumlichen Bildern, die das Erleben beschreiben, sie sind anschaulich und jeder kann sich sofort vorstellen, was damit gemeint ist, etwa ein entfernter Verwandter oder eine raumfüllende Persönlichkeit. Menschen haben enge Freunde und entfernte Bekannte, finden manche Ideen naheliegend, andere weit hergeholt, Hinweise deuten in die eine oder in die andere Richtung. Menschen erleben emotionale Höhenflüge, und von einem Tiefpunkt aus kann es nur wieder aufwärtsgehen. Läuft etwas einmal nicht wie gedacht, versucht man Abstand zu gewinnen. Offenbar scheinen Menschen Erfahrungen und Erinnerungen im Gehirn mit Hilfe desselben neuronalen Schaltkreises zu sortieren, der ihnen die räumliche Vorstellungskraft verleiht, wobei er unter anderem Bereiche des Hippocampus sowie den entorhinalen Cortex umfasst, also jene Areale, die auch als körpereigenes Navigationssystem bezeichnet werden.

Wahrnehmung und Motorik arbeiten beim Erstellen von Raumkarten zusammen

Im menschlichen Gehirn wird der Ort von Objekten durch räumliche Karten vermittelt, wobei diese Karten, ähnlich wie auf einem Foto, die Umwelt ab bilden, wobei zur Bestimmung der genauen Position eines Objektes und die reale Distanz zu ihm zu erkennen, ein Maßstab erforderlich ust. Eine mögliche Erklärung, wie das Gehirn den Maßstab festlegt, beruht auf der Bewegung relativ zum Objekt, was etwa durch die Änderung der Blickrichtung geschehen kann. Je weiter sich ein Objekt in der Peripherie befindet, desto größer ist die durch die Blickbewegung erfasste Winkeländerung. Wenn der Betrachter durch die Karte im Gehirn angeleitet, den Blick auf ein Objekt richtet, es aber nicht genau trifft, weiß er, dass der Maßstab ungenau war, wobei der Fehlerwinkel, um den der Blick das Objekt nicht erfasst, dem Gehirn angibt, um welchen Betrag der Maßstab in den Raumkarten zu korrigieren ist. Cont & Zimmermann (in press, 2020) setzten eine virtuelle Umgebung ein und maßen mittels eines Eyetrackers, wie sich die Blickrichtung von Probanden verändert. Dabei wurde der Wahrnehmungsprozess bewusst gestört, denn während der Blickbewegung verschob man das virtuelle Objekt, ein Prozess, den ein Betrachter nicht bewusst wahrnehmen kann. Nach der Blickrichtungsänderung merkte aber dann das Gehirn doch, dass das Objekt nicht mehr dort war, wo es laut seiner ersten Karte zu erwarten war. Als Konsequenz aus diesem Widerspruch zur eigenen Vorhersage korrigiert das Gehirn den internen Maßstab. Dadurch würde wieder einmal bestätigt, dass motorische Prozesse für die räumliche Wahrnehmung eine große Rolle spielen. Dieser Befund stellt offenbar die Intuition auf den Kopf, nach der man erst etwas wahrnimmt, um daraufhin zu handeln, sondern die Wahrnehmung benötigt schon die Motorik bzw. umgekehrt.

Zum neuronalen Verhältnis von Ortszellen und Gitterzellen

Ohne räumliche Navigation und räumliches Gedächtnis könnten sich Menschen kaum in ihrer Umgebung zurechtfinden und würden sich auch nur schwer an vergangene Ereignisse erinnern. In der Tierforschung hat man untersucht, ob Nervenzellen, die im Gehirn von Nagetieren während räumlicher Navigation aktiv sind, auch im menschlichen Gehirn existieren und wie sie das menschliche Gedächtnis unterstützen, wobei auch Erkrankungen des menschlichen Gehirns solche Mechanismen beeinträchtigen können. Man hat jüngst Nervenzellen des menschlichen Gehirns entdeckt, die Bewegungsrichtungen repräsentieren, die man bereits vor dreißig Jahren in Nagetieren entdeckt hatte, indem man die Aktivität einzelner Nervenzellen im Gehirn von Epilepsiepatienten aufzeichnete, während diese Navigationsaufgaben in Virtual Reality lösen mussten. Mittels Computeranalysen konnte man auf diese Weise Richtungszellen auch beim Menschen nachweisen, wobei diese Zellen nicht nur in Abhängigkeit von globalen Richtungen wie Norden, Süden, Osten und Westen feuerten, sondern auch in Abhängigkeit von lokalen Richtungen wie vorwärts, rückwärts, rechts und links.

Gitterzellen, Rasterzellen bzw. Grid cells sind Nervenzellen im Gehirn, die der Orientierung dienen, und dabei wie Landkarten mit metrischen Koordinaten arbeiten, wobei sie neben räumlichen Informationen auch Zielinformationen liefern. Die Gitterzellen im entorhinalen Cortex sind dadurch Teil des Orientierungssinns des Menschen und können bestimmte Orte und Wege mithilfe eines hexagonalen Netzes präzise bestimmen, wobei sie ihre Informationen aus dem Hippocampus bzw. vonden dort lokalisierten Ortszellen bzw. Platzzellen erhalten. Ein Bindeglied zwischen der Einzelzell- und der Netzwerkebene liegt im entorhinalen Cortex, in dem die Rasterzellen lokalisiert sind, deren Rolle bei der räumlichen Orientierung auf Einzelzellebene belegt ist. Eine Theorie besagt, dass benachbarte Zellen ähnliche Orte codieren, wobei dieses räumliche Muster dann auch in den Oszillationen sichtbar sein müssten. Ein anderer Ansatz beschreibt, dass beim Navigieren in bestimmte Richtungen eine höhere Anzahl unterschiedlicher Zellen aktiviert wird als beim Navigieren in andere Richtungen, was wiederum zu verstärkten EEG-Oszillationen führen könnte. Diese Oszillationen könnten also die Verbindung zwischen Einzelzellen und den üblicherweise bei Menschen untersuchten Netzwerken darstellen. Eine weitere Theorie besagt, dass die Phänomene auf Einzelzell- und auf Netzwerkebene unabhängig voneinander sind, d. h., die beiden Ebenen könnten parallel voneinander zum Verhalten beitragen, ohne kausal miteinander verknüpft zu sein.

Im Gegensatz zu den Ortszellen, die nur an einer Stelle aktiv sind, sind Gitterzellen vielerorts aktiv, wobei deren Aktivität einem auffallend regelmäßigen, hexagonalen Muster neuronaler Signale folgen, das die gesamte Umgebung eines Menschen in Form eines Mosaiks nachzeichnet, wobei auch Zielinformationen durch eine Verformung des Aktivitätsfelds der Gitterzellen geliefert werden, sodass eine Art Stadtplan entsteht. Die Ortszellen, die einem Ziel am nächsten liegen, verschieben sich dabei stärker als jene, die weiter von diesem entfernt liegen. Allerdings bleibt die Verformung der Gitterzellen während einer Ortssuchleistung über einen längeren Zeitraum erhalten, während das bei Ortszellen nicht der Fall ist, denn diese nehmen bald wieder ihre ursprüngliche Form an. Gitterzellen haben also eine Form der Erinnerung, die Ortszellen nicht besitzen, sodass die Gitterzellen das Verhalten eines Lebewesens damit mitbestimmen. Die Gitterzellen informieren also vermutlich die Ortszellen über relevante Regionen, während Ortszellen diese Regionen dann präzise kartieren.

Gitterzellen dienen auch bei der Beobachtung anderer als Navigatoren

Wagner et al. (2023) untersuchten sechzig menschliche Probanden, die sich einer funktionellen Magnetresonanztomographie unterzogen, während sie verschiedene Pfade eines Demonstrators beobachteten und nachverfolgten, der sich in einer Virtual-Reality-Umgebung bewegte. Im Anschluss sollten die Probanden selbst diese Figur steuern und dabei dem zuvor beobachteten Weg folgen, und auch hier kam die funktionelle Magnetresonanztomographie zum Einsatz. Die Ergebnisse zeigten, dass gitterartige Codes im entorhinalen Cortex die andere Person bei der Navigation durch den Raum verfolgten. Die Aktivität der gitterartigen Codes war zeitlich an eine erhöhte Koaktivierung und entorhinal-cortikale Konnektivität gekoppelt, die auch das Striatum, den Hippocampus, den parahippocampalen und den rechten posterioren parietalen Cortex einschloss. Überraschenderweise waren die mit dem Raster verbundenen Effekte während der Beobachtung umso stärker, je schlechter die Teilnehmer abschnitten, wenn sie anschließend die Pfade des Vorführers zurückverfolgten. Die Forscher und Forscherinnen interpretieren das als größere Effizienz der Rasterzellen, die es weniger notwendig machen, auf diese Hirnareale zurückzugreifen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Netzwerkdynamik, die zeitlich an die Aktivität der entorhinalen Gitterzellen gekoppelt ist, auch dazu dienen könnte, Informationen über den Standort anderer Menschen im gesamten Gehirn zu verbreiten (Stangl, 2023).

Die von Fledermäusen bekannte Echoortung macht sich der Mensch inzwischen für zahlreiche technische Anwendungen zunutze, vom Radargerät bis hin zum Hightech-Blindenstock mit Ultraschallsensoren (Klicksonar). Blinde Menschen, die sich via Echoortung in ihrer Umgebung orientieren, verarbeiten Geräusche ähnlich wie Sehende Licht, wobei eigentlich auf visuelle Reize spezialisierte Gehirnbereiche die Echos räumlich zuordnen, indem sie eine Art neuronale Karte des reflektierten Schalls erstellen, sodass echoortende Blinde ziemlich genau bestimmen können, aus welcher Richtung ein Geräusch kommt. Norman & Thaler (2019) haben in einer Studie den primären visuellen Cortex untersucht, der bei sehenden Menschen in die Retina einfallende Lichtreize verarbeitet. Die Neuronen in diesem Bereich stellen dabei eine Art räumliche Karte unserer Umgebung dar, wobei einfallendes Licht von Punkten, die im Raum nebeneinander liegen, auch nebeneinanderliegende Punkte im Gehirn aktivieren. In dem Experiment spielte man Probanden (Sehende, echoortende und nicht im Klicksonar geschulte Blinde) Klicklaute vor, die von einem Gegenstand an jeweils unterschiedlichen Positionen im Raum reflektiert wurden. Die Teilnehmergruppe setzte sich dabei aus sehenden Menschen sowie echoortenden und nicht im Klicksonar geschulten Blinden zusammen. Dabei lösten die Echos bei echoortenden Blinden im Gehirn dieselben Aktivierungsmuster aus, wie sie bei sehenden Menschen durch visuelle Reize ausgelöst werden, sodass ihr visueller Cortex Geräusche ähnlich räumlich zu kartieren scheint wie er es Sehende mit Licht tun. Bei den sehenden und auch bei den nicht zum Klicksonar sich orientierenden blinden Probanden zeigte sich dieser Zusammenhang hingegen nicht, sodass Blindsein allein keineswegs ausreicht, damit sich der visuelle Cortex auf die Verarbeitung anderer Reize spezialisiert. Je stärker die Aktivierungsmuster im Gehirn der echoortenden Blinden der von Sehenden bekannten „neuronalen Karte“ glichen, desto besser konnten sie die Position des Gegenstands im Raum erkennen. Offenbar kann der visuelle Cortex räumliche Informationen nach ausreichendem Training auch dann nutzen, wenn sie nicht durch die Augen kommen.

Kurioses: Dieses Forschungsergebnis führte übrigens zu folgender journalistischen Simplifizierung: „Wir denken mit Navi „.

Literatur

Bellmund, J. L. S., Gärdenfors, P., Moser, E. I., & Doeller, C. F. (2018). Navigating cognition: Spatial codes for human thinking. Science, doi:10.1126/science.aat6766.
Cont, S. & Zimmermann, E. (in press, 2020). The Motor Representation of Sensory Experience. Current Biology, doi:10.1016/j.cub.2020.11.032.
Kunz, L., Maidenbaum, S., Chen, D., Wang, L., Jacobs, J. & Axmacher, N. (2019). Mesoscopic neural representations in spatial navigation. Trends in Cognitive Sciences, doi:10.1016/j.tics.2019.04.011.
Norman, Liam J. & Thaler, Lore (2019). Retinotopic-like maps of spatial sound in primary ‘visual’ cortex of blind human echolocators. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 286, doi: 10.1098/rspb.2019.1910.
Stangl, W. (2019). Ortszellen und Gitterzellen in menschlichen Gehirn. Werner Stangls Arbeitsblätter-News.
WWW: https://arbeitsblaetter-news.stangl-taller.at/ortszellen-und-gitterzellen-in-menschlichen-gehirn/ (2019-03-31).
Stangl, W. (2023, 5. Februar). Gitterzellen dienen sowohl bei der Eigenbewegung als auch bei der Beobachtung anderer als Navigatoren. Psychologie-News.
https:// psychologie-news.stangl.eu/4410/gitterzellen-dienen-sowohl-bei-der-eigenbewegung-als-auch-bei-der-beobachtung-anderer-als-navigatoren.
Wagner, Isabella C., Graichen, Luise P., Todorova, Boryana, Lüttig, Andre, Omer, David B., Stangl, Matthias & Lamm, Claus (2023). Entorhinal grid-like codes and time-locked network dynamics track others navigating through space. Nature Communications, 14, doi:10.1038/s41467-023-35819-3.
https://www.spektrum.de/magazin/kognitive-raeume-wie-das-gehirn-gedanken-sortiert/1671440 (19-10-02)
https://www.wissenschaft.de/gesundheit-medizin/wie-echoortung-das-gehirn-veraendert/ (19-10-05)