Ludwig-Maximilians-Universität München - 28.04.2015
Räumliche Orientierung - Warum Gitterzellen im Sechseck springen
Zur Orientierung im Raum erzeugt das Gehirn von Säugetieren virtuelle hexagonale Gitter, die die Umgebung des Tieres gleichsam überspannen. Forscher von LMU und Harvard University liefern nun den mathematischen Beweis für die Honigwabenstruktur.
Neuronale Gitterzellen sind entscheidend für die räumliche Orientierung
von Säugetieren. Bei Bewegungen des Tieres werden verschiedene Zellen
nacheinander aktiviert, wobei jede einzelne Gitterzelle an mehreren Orten
aktiv ist, die zusammengenommen eine virtuelle sechseckige Struktur
bilden. So entsteht eine Art Landkarte im Gehirn, durch die sich die
genaue Position im Raum bestimmen lässt. Für die Entdeckung dieses
faszinierenden biologischen Positionssystems wurde im Jahr 2014 der
Nobelpreis vergeben.
Andreas Herz, Professor für Computational Neuroscience an der LMU, und Dr. Martin Stemmler aus seiner Arbeitsgruppe liefern nun gemeinsam mit Dr. Alexander Mathis von der Harvard University den mathematischen Beweis für die hexagonale Symmetrie dieser neuronalen Aktivitätsmuster. Darüber berichten sie aktuell in der Fachzeitschrift eLife.
Die Neurobiologen haben die Mathematik hinter den gitterartigen Raum-Kodierungen untersucht. Mit ihrer Analyse zeigen sie, dass die von Honigwaben bekannte hexagonale Symmetrie der neuronalen Aktivtätsmuster die höchste räumliche Auflösung ermöglicht. Zudem gibt ihre Arbeit darüber Aufschluss, welche Struktur für Gitterzellen von Fledermäusen oder Meeressäugern zu erwarten ist, die sich frei in drei Dimensionen bewegen können.
Herz und seine Kollegen haben berechnet, welche Gittertypen die räumlichen Informationen am besten repräsentieren - sowohl für den zwei- als auch für den dreidimensionalen Raum. "Für die Orientierung im zweidimensionalen Raum ist das beste Aktivitätsmuster hexagonal, wie es auch bei Gitterzellen bereits beobachtet wurde", sagt Herz. "Im dreidimensionalen Raum ist die Analyse komplexer. Die optimale Struktur ähnelt aufgestapelten Orangen", sagt Martin Stemmler. Erste experimentelle Ergebnisse bestätigen dieses theoretische Ergebnis: Studien mit Fledermäusen, die von Forschern um Professor Nachum Ulanovsky vom Weizmann Institut in Israel vor kurzem erzielt wurden, deuten auf die Existenz solcher Muster hin.
"Unsere Ergebnisse legen nahe, dass das Gehirn verschiedenste
Informationen mithilfe gitterartiger Kodierungsschemata mit hoher
Effizienz repräsentieren könnte. Gerade für die Kodierung von komplexen
Objekten, zu deren Charakterisierung viele Variablen benötigt werden,
wären Gitter-Codes von enormen Vorteil", sagt Alexander Mathis. Die
Forscher vermuten nun, dass Gitterzellen, die bereits unser Verständnis
der Raumkodierung revolutioniert haben, auch in anderen Bereichen der
Neurowissenschaften eine wichtige Rolle spielen.
(eLife, doi: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.05979)
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Quelle:
Informationsdienst Wissenschaft e. V. - idw - Pressemitteilung
Ludwig-Maximilians-Universität München, Luise Dirscherl, 28.04.2015
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veröffentlicht im Schattenblick zum 30. April 2015
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