Kodierung menschlicher Erfahrung: Studie enthüllt, wie Gehirnzellen den Fluss der Zeit berechnen

von der University of California, Los Angeles

Eine von UCLA Health geleitete Studie hat begonnen, eines der grundlegenden Geheimnisse der Neurowissenschaften zu entschlüsseln – wie das menschliche Gehirn den Fluss der Zeit und Erfahrungen codiert und versteht.

Die Studie, die in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, zeichnete direkt die Aktivität einzelner Neuronen bei Menschen auf und fand heraus, dass bestimmte Arten von Gehirnzellen in einer Weise feuerten, die weitgehend die Reihenfolge und Struktur der Erfahrungen einer Person widerspiegelten. Der Artikel trägt den Titel „Menschliche hippocampale und entorhinale Neuronen codieren die zeitliche Struktur der Erfahrung“.

Sie fanden heraus, dass das Gehirn diese einzigartigen Feuermuster auch nach Abschluss der Erfahrung beibehält und sie im Ruhezustand schnell wiedergeben kann. Darüber hinaus ist das Gehirn in der Lage, diese erlernten Muster zu nutzen, um sich auf zukünftige Reize nach dieser Erfahrung vorzubereiten.

Diese Erkenntnisse liefern die ersten empirischen Beweise dafür, wie bestimmte Gehirnzellen „Was“- und „Wann“-Informationen integrieren, um Darstellungen von Erfahrungen über die Zeit hinweg zu extrahieren und zu speichern.

Der leitende Autor der Studie, Dr. Itzhak Fried, sagte, dass die Ergebnisse bei der Entwicklung von neuroprothetischen Geräten zur Verbesserung des Gedächtnisses und anderer kognitiver Funktionen dienen könnten und auch Auswirkungen auf das Verständnis der künstlichen Intelligenz für Kognition im menschlichen Gehirn haben könnten.

„Das Erkennen von Mustern aus Erfahrungen über die Zeit ist entscheidend für das menschliche Gehirn, um Erinnerungen zu bilden, mögliche zukünftige Ergebnisse vorherzusagen und Verhaltensweisen zu steuern“, sagte Fried, Direktor der Epilepsiechirurgie bei UCLA Health und Professor für Neurochirurgie, Psychiatrie und Verhaltenswissenschaften an der David Geffen School of Medicine der UCLA.

„Aber wie dieser Prozess auf zellulärer Ebene im Gehirn durchgeführt wird, war bis jetzt unbekannt geblieben.“

Frühere Forschungen, einschließlich derer von Dr. Fried, nutzten Hirnaufzeichnungen und Neuroimaging, um zu verstehen, wie das Gehirn räumliche Navigation verarbeitet, und zeigten in Tier- und Menschenmodellen, dass zwei Regionen des Gehirns – der Hippocampus und der entorhinale Cortex – Schlüsselrollen spielten.

Die beiden Hirnregionen, die beide wichtig für Gedächtnisfunktionen sind, arbeiten zusammen, um eine „kognitive Karte“ zu erstellen. Die hippocampalen Neuronen fungieren als „Ortszellen“, die anzeigen, wenn sich ein Tier an einem bestimmten Ort befindet, ähnlich einem „X“ auf einer Karte, während die entorhinalen Neuronen als „Gitterzellen“ fungieren, um ein Maß für räumliche Entfernung zu liefern. Diese zuerst bei Nagetieren gefundenen Zellen wurden später von Frieds Gruppe beim Menschen entdeckt.

Weitere Studien haben ähnliche neuronale Aktionen gefunden, die nicht-räumliche Erfahrungen wie Zeit, Tonfrequenz und Eigenschaften von Objekten darstellen. Eine bahnbrechende Entdeckung von Fried und seinen Kollegen waren die „Konzeptzellen“ im menschlichen Hippocampus und entorhinalen Cortex, die auf bestimmte Individuen, Orte oder bestimmte Objekte reagieren und für unsere Gedächtnisfähigkeit grundlegend zu sein scheinen.

Um die Verarbeitung von Ereignissen in der Zeit im Gehirn zu untersuchen, rekrutierte die UCLA-Studie 17 Teilnehmer mit therapieresistenter Epilepsie, denen zuvor für die klinische Behandlung Tiefenelektroden ins Gehirn implantiert worden waren.

Die Forscher zeichneten die neuronale Aktivität der Teilnehmer auf, während sie ein komplexes Verfahren durchliefen, das Verhaltensaufgaben, Mustererkennung und Bildsequenzierung beinhaltete.

Die Teilnehmer durchliefen zunächst einen anfänglichen Screening-Abschnitt, bei dem ihnen etwa 120 Bilder von Menschen, Tieren, Objekten und Wahrzeichen über etwa 40 Minuten wiederholt auf einem Computer gezeigt wurden. Die Teilnehmer wurden angewiesen, verschiedene Aufgaben auszuführen, wie zum Beispiel zu bestimmen, ob das Bild eine Person zeigte oder nicht. Die Bilder, die Dinge wie berühmte Schauspieler, Musiker und Orte zeigten, wurden teilweise basierend auf den Vorlieben jedes Teilnehmers ausgewählt.

Danach durchliefen die Teilnehmer ein dreiphasiges Experiment, bei dem sie Verhaltensaufgaben als Reaktion auf Bilder ausführen sollten, die willkürlich an verschiedenen Stellen eines pyramidenförmigen Diagramms angezeigt wurden. Für jeden Teilnehmer wurden sechs Bilder ausgewählt.

In der ersten Phase wurden die Bilder in einer pseudo-zufälligen Reihenfolge angezeigt. Die nächste Phase hatte die Reihenfolge der Bilder durch die Position auf dem Pyramidendiagramm bestimmt. Die letzte Phase war identisch mit der ersten Phase.

Während sie diese Bilder betrachteten, wurden die Teilnehmer gebeten, verschiedene Verhaltensaufgaben auszuführen, die nicht mit der Positionierung der Bilder auf dem Pyramidendiagramm zusammenhingen. Diese Aufgaben umfassten die Bestimmung, ob das Bild einen Mann oder eine Frau zeigte oder ob ein bestimmtes Bild im Vergleich zur vorherigen Phase gespiegelt war.

In ihren Analysen fanden Fried und seine Kollegen heraus, dass die hippocampal-entorhinalen Neuronen allmählich begannen, ihre Aktivität zu modifizieren und eng an die Sequenzierung der Bilder auf den Pyramidendiagrammen anzupassen. Diese Muster bildeten sich natürlich und ohne direkte Anweisung an die Teilnehmer, so Fried. Zusätzlich spiegelten die neuronalen Muster die Wahrscheinlichkeit zukünftiger Reize wider und behielten die codierten Muster auch nach Abschluss der Aufgabe bei.

„Diese Studie zeigt uns zum ersten Mal, wie das Gehirn analoge Mechanismen verwendet, um scheinbar sehr unterschiedliche Arten von Informationen darzustellen: Raum und Zeit“, sagte Fried.

„Wir haben auf neuronaler Ebene gezeigt, wie diese Darstellungen von Objekttrajektorien in der Zeit vom menschlichen hippocampal-entorhinalen System integriert werden.“

Hauptautor der Studie war Pawel Tacikowski mit den Co-Autoren Guldamla Kalendar und Davide Ciliberti.

More information: Pawel Tacikowski, Human hippocampal and entorhinal neurons encode the temporal structure of experience, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07973-1. www.nature.com/articles/s41586-024-07973-1
Journal information: Nature

Provided by University of California, Los Angeles