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Schlaf ist entscheidend für die Anpassung an neue Urlaubsorte
Schlaf hilft Mäusen dabei, kohärente mentale Karten von Orten zu entwickeln und schwach räumliche Neuronen mit Ortszellen zu verbinden, um die Navigation zu verbessern.
Am ersten Tag Ihres Urlaubs in einer neuen Stadt führen Sie Ihre Ausflüge zu mehreren einzigartigen Orten. Während die Erinnerungen an diese Orte (wie ein wunderschöner Garten in einer ruhigen Seitenstraße) sofort einprägsam sind, kann es Tage dauern, bevor Sie genug Intuition über die Stadt haben, um einen neuen Besucher an einen ähnlichen Ort zu schicken, und dann vielleicht an das Café, das Sie in der Nähe entdeckt haben. Eine neue Forschung von Mäusen durch Neurologen des MIT am Picower Institute for Learning and Memory liefert frische Beweise dafür, wie das Gehirn kohärente kognitive Karten ganzer Gebiete erstellt, wobei die wichtige Rolle des Schlafs im Prozess betont wird.
Seit Jahrzehnten ist bekannt, dass das Gehirn Neuronen in einer Region namens Hippocampus verwendet, um spezifische Orte zu erinnern. Wenn sich ein Tier in dem Bereich befindet, den ein Neuron speichern soll, werden sogenannte “Ortszellen” konsistent aktiviert. Wichtiger als Marker für einzelne Orte ist jedoch die Bildung einer mentalen Vorstellung davon, wie sie alle zusammenpassen in einer kontinuierlichen gesamten Geografie. Obwohl solche “kognitiven Karten” erstmals 1948 postuliert wurden, sind Neurologen immer noch nicht darüber informiert, wie das Gehirn sie erstellt. Laut einer im Dezember veröffentlichten neuen Studie in Cell Reports könnte die Fähigkeit von subtilen, aber bedeutungsvollen Veränderungen in der Aktivität von Zellen abhängen, die nur schwach auf individuelle Orte eingestellt sind, aber die Robustheit und Verfeinerung der Kodierung des gesamten Raums im Hippocampus im Laufe der Zeit verbessern. Die Studie zeigt, dass diese “schwach räumlichen” Zellen während des Schlafs die Aktivität des neuronalen Netzwerks im Hippocampus verstärken und verschiedene Orte zu einer kognitiven Karte verknüpfen.
„Am ersten Tag stellt das Gehirn den Raum nicht besonders gut dar“, erklärt der Hauptautor Wei Guo, ein Forschungswissenschaftler im Labor des leitenden Autors Matthew Wilson, dem Sherman Fairchild Professor am Picower Institute und in den Abteilungen für Biologie und Gehirn- und Kognitionswissenschaften des MIT. „Neuronen repräsentieren einzelne Orte, aber sie erstellen keine Karte. Aber am fünften Tag erstellen sie eine Karte. Um eine Karte zu erstellen, müssen all diese Neuronen zusammen in einem koordinierten Ensemble funktionieren.“
Mäuse kartieren Labyrinthe. Um die Studie durchzuführen, haben Guo und Wilson, zusammen mit ihren Laborkollegen Jie “Jack” Zhang und Jonathan Newman, Mäuse verschiedenen Designs von Grundlabyrinthen ausgesetzt und ihnen erlaubt, sie frei für etwa 30 Minuten pro Tag über viele Tage zu erkunden. Es wurden den Mäusen keine besonderen Belohnungen angeboten, um sie dazu zu bringen, etwas zu lernen. Sie sind einfach herumgeirrt. Frühere Forschungen haben gezeigt, dass Mäuse nach mehreren Tagen solcher nicht belohnten Erfahrungen natürlicherweise „latentens Lernen“ von Bereichen zeigten.
Um besser zu verstehen, wie das latente Lernen erfolgt, beobachteten Guo und seine Kollegen visuell Hunderte von Neuronen im CA1-Bereich des Hippocampus, indem sie Zellen so programmierten, dass sie aufleuchteten, wenn sich Calciumionen ansammelten und sie elektrisch aktiv wurden. Sie zeichneten die Blitzlichter der Neuronen sowohl auf, während die Mäuse aktiv erforschten, als auch, als sie schliefen. Das Labor von Wilson entdeckte, dass Tiere ihre vorherigen Abenteuer im Schlaf „wiederholen“, um ihre Erinnerungen zu stärken.
Die Analyse der Aufnahmen ergab, dass die Aktivität der Ortszellen sofort begann und während mehrerer Tage der Untersuchung robust und konsistent blieb. Diese Aktivität allein kann jedoch nicht erklären, wie sich das latente Lernen oder eine kognitive Karte über mehrere Tage entwickelt. Anders als viele andere Untersuchungen, die sich hauptsächlich auf die starke und offensichtliche Aktivität von Ortszellen konzentrieren, bezog Guos Studie die subtilere und rätselhafte Aktivität von Zellen mit ein, die nicht so fest räumlich orientiert waren.
Mithilfe eines neuen Ansatzes namens “Manifold Learning” entdeckte er, dass viele der „schwach räumlichen“ Zellen ihre Aktivität allmählich mit den Aktivitätsmustern anderer Neuronen im Netzwerk verbanden, anstatt mit Standorten. Guos Ergebnisse zeigten, dass das Netzwerk eine kognitive Karte des Labyrinths aufzeichnete, die dem tatsächlichen, physischen Ort immer ähnlicher wurde.
„Obwohl sie nicht auf bestimmte Standorte wie stark räumliche Zellen reagieren, spezialisieren sich schwach räumliche Zellen darauf, auf “mentale Standorte” zu reagieren, d.h. auf spezifische Ensemble-Feuermuster anderer Zellen“, sagten die Autoren der Studie. „Wenn das geistige Feld einer schwach räumlichen Zelle zwei Subsetze starker räumlicher Zellen umfasst, die unterschiedliche Standorte codieren, kann diese schwach räumliche Zelle als Brücke zwischen diesen Standorten dienen.“
Mit anderen Worten scheint die Aktivität der schwach räumlichen Zellen am wahrscheinlichsten die verschiedenen Orte, die von den Ortzellen repräsentiert werden, zu verbinden, um eine mentale Karte zu bilden.
Das Verlangen nach Schlaf
Wilson’s Gruppe und viele andere haben festgestellt, dass die Gehirnaktivität während des Schlafs und der Ruhe, wie die Wiederholung, Erinnerungen konsolidiert, verfeinert und verarbeitet. Guo und Wilsons Team zielten daher darauf ab, festzustellen, ob Schlaf notwendig ist, damit schwach räumliche Zellen zum latenten Lernen von kognitiven Karten beitragen können.
Um dies zu erreichen, ließen Wissenschaftler einige Mäuse zweimal an einem Tag ein neuartiges Labyrinth erkunden, wobei zwischen den Durchgängen eine dreistündige Pause eingelegt wurde. Einigen Mäusen war es erlaubt zu schlafen, während andere dies nicht durften. Diejenigen, die schliefen, zeigten eine deutliche Verfeinerung ihrer mentalen Karte, während diejenigen, die nicht schlafen durften, wenig Verbesserung zeigten. Nicht nur verbesserte sich die Codierung des Netzwerks der Karte, sondern Messungen der individuellen Zellabstimmung zeigten, dass der Schlaf den Zellen half, empfindsamer für Standorte und Muster von Netzwerkaktivitäten zu werden, die oft als “mentale Orte” oder “Felder” bezeichnet werden.
Bedeutung der mentalen Karte
Laut Guo waren die „kognitiven Karten“, die die Mäuse über mehrere Tage hinweg speicherten, keine wörtlichen, genauen Baupläne der Labyrinthe. Stattdessen sahen sie eher wie Schemata aus. Ihre Bedeutung liegt darin, dass sie dem Gehirn eine Topologie bieten, die kognitiv untersucht werden kann, anstatt im tatsächlichen Raum. Wenn Sie beispielsweise eine mentale Karte der Nachbarschaft um Ihr Hotel erstellt haben, können Sie den Ausflug für den nächsten Morgen planen.
Tatsächlich vermutete Wilson, dass die Aktivität schwach räumlicher Zellen bedeutende nicht-räumliche Informationen überlagern könnte, um den Karten Sinn zu verleihen. Die Studie enthielt jedoch keine Wahrzeichen in den Labyrinthen und untersuchte nicht das einzigartige Verhalten der Mäuse. Da die Studie jedoch festgestellt hat, dass diese schwach räumlichen Zellen eine wichtige Rolle bei der Kartierung spielen, sagt Wilson, dass zukünftige Forschungen untersuchen könnten, welche Art von Informationen sie in das Verständnis der Umgebung der Tiere aufnehmen. Es scheint, als würden wir die Orte, an denen wir leben, natürlicherweise als mehr als nur Ansammlungen von verschiedenen Orten betrachten.
„In dieser Studie haben wir uns auf Tiere konzentriert, die sich natürlich verhalten, und gezeigt, dass während frei erkundendem Verhalten und anschließendem Schlaf, ohne Verstärkung, in erheblicher neuraler Plastizität auf Ensemble-Ebene stattfinden“, sagten die Autoren des Papiers. „Diese Form des impliziten und unüberwachten Lernens stellt ein wesentliches Element menschlichen Lernens und menschlicher Intelligenz dar und rechtfertigt weitere eingehende Untersuchungen.“
