Ortszellen und Gitterzellen in menschlichen Gehirn

Sich räumlich orientieren zu können ist eine fundamentale Fähigkeit des Gehirns, wobei die Aktivität einzelner Nervenzellen im Gehirn als auch die großer Zellverbünde eine entscheidende Rolle spielen. Zahlreiche Tierstudien haben gezeigt, dass es besondere Nervenzellen im Gehirn gibt, die für die Navigation wichtig sind, wobei die Aktivität der Ortszellen codiert, wo sich im Raum ein Individuum befindet. Zusammen mit anderen spezialisierten Zellen wie den Gitterzellen bilden sie mentale Landkarten der Umgebung, wobei ein wichtiger Baustein dieser mentalen Karten die Gitterzellen im menschlichen Gehirn darstellen, die an verschiedenen Orten einer Umgebung aktiv werden, sodass ein charakteristisches Aktivitätsmuster im Gehirn entsteht. Dieses Muster besteht aus gleichseitigen Dreiecken, die sich zu einer symmetrischen Gitterstruktur zusammenfügen, wobei diese Gitterstruktur als eine Art Koordinatensystem für diese mentalen Landkarten funktioniert, d. h., mithilfe dieser Gittermuster kann sich ein Mensch merken, wo ein bestimmter Ort liegt und wie weit dieser von einem anderen Ort entfernt liegt.

Gitterzellen, Rasterzellen bzw. Grid cells sind jene 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. 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.

Ein mögliches Bindeglied zwischen der Einzelzell- und der Netzwerkebene liegt im entorhinalen Cortex, in dem die Rasterzellen lokalisiert sind, die in Tierstudien umfangreich charakterisiert wurden und für die eine 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 größere Anzahl unterschiedlicher Zellen aktiviert wird als beim Navigieren in andere Richtungen, was wiederum zu verstärkten Oszillationen führen könnte. Diese EEG-Oszillationen könnten also die Verbindung zwischen Einzelzellen und den üblicherweise bei Menschen untersuchten Netzwerken darstellen. Eine weitere Hypothese 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.


Menschen denken in kognitiven Räumen

Neuere Studien weisen übrigens darauf hin, dass Menschen mit Hilfe des­selben Systems von Orts- und Rasterzellen ihre Gedanken und Erinnerungen ordnen, und zwar in kognitiven Räumen. Diese räumliche Ordnung erlaubt es Menschen, Lerninhalte aus vergangenen Erlebnissen auf neue Situationen zu übertragen, und trägt damit entscheidend zur geistigen Flexibilität bei. Schließlich ist auch die Sprache geprägt von räumlichen Metaphern, 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 eine 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.

Gitterlinien auf Landkarten fördern die Erinnerungsleistung

Dickmann et al. (2016) haben übrigens gezeigt, dass Gitterlinien auf Karten gut für das Gedächtnis sind, denn Grafikelemente wie Gitterlinien auf einer Landkarte, die auf eine verstärkte Referenzierung des sie umgebenden Raums abzielen, beeinflussen die Gedächtnisleistung positiv. Durch durch die visuelle Anwesenheit von Gittern steigt die Zahl der Objekte, die räumlich erinnert werden, aber auch die räumliche Präzision, mit der die Position von Objekten erinnert wird. Dabei ist es unerheblich, ob die Gitterlinien durchgezogen, gestrichelt oder nur die Gitterkreuze präsentiert werden, hingegen beeinflusst die Farbe der Gitterlinien jedoch die Gedächtnisleistung, wobei sich ein Vorteil für blaue Gitterlinien etwa im Vergleich zu schwarzen oder dunkelbraunen zeigt. Mittels Eye-Tracking konnte man Einblicke in die kognitiven Vorgänge gewinnen, die durch raumreferenzierende Kartenelemente hervorgerufen werden. So lässt sich etwa ein Zusammenhang zwischen der Dauer einer einzelnen Betrachtung eines Objektes auf der Karte und dem späteren Erinnern an dieses Objekt nachweisen, wobei auch das mehrfache Betrachten eines Objekts die Erinnerungsleistung verbessert. Die Wissenschaftler konnten dadurch zeigen, wie die regelmäßigen Gitterstrukturen in kartografischen Darstellungen den Wahrnehmungsprozess während des Kartenlesens beeinflussen, wobei überraschend war, dass Gitterstrukturen einen solchen Einfluss ausüben, ohne dabei aber selbst besondere Aufmerksamkeit des Betrachters hervorzurufen, da Heatmaps deutliche Auslenkungseffekte auf die Blickrichtung entlang der Gitterlinien dokumentierten. Offensichtlich werden geometrisch regelmäßige Gitterstrukturen bei der Kartennutzung nicht derselben visuellen Inhaltsebene zugeordnet, in der sich die topografischen Informationen zu Siedlungen, Waldflächen oder Wegen befinden. Die kognitive Verarbeitung und Speicherung scheint also separat zu erfolgen, was bedeutet, dass schon eine sehr kurze Erfassung der Gitterstruktur ausreicht, um diese als eigenes Objekt verarbeiten und für die weitere visuelle Inspektion der kartografischen Informationen effektiv nutzen zu können.

Literatur

Dickmann, Frank, Edler, Dennis, Bestgen, Anne-Kathrin & Kuchinke, Lars (2016). Exploiting Illusory Grid Lines for Object-Location Memory Performance in Urban Topographic. The Cartographic Journal, 54, doi:10.1080/00087041.2016.1236509.
Frank Dickmann, Julian Keil, Julia Kuner, Dennis Edler (2019). Quadratische Gitterzellen in Topographischen Karten erhöhen die Genauigkeit von Distanzschätzungen. Journal of Cartography and Geographic Information, doi:10.1007/s42489-019-00014-2.
Dennis Edler, Julian Keil, Lars Kuchinke, Frank Dickmann (2019). Correcting distortions errors in memory of object locations: The example of grid line spacing in topographic maps. International Journal of Cartography, doi:10.1080/23729333.2018.1532651.
Lars Kuchinke, Frank Dickmann, Dennis Edler, Martin Bordewieck, Anne-Kathrin Bestgen (2016). The processing and integration of map elements during a recognition memory task is mirrored in eye-movement patterns. Journal of Environmental Psychology, doi:10.1016/j.jenvp.2016.07.002.
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.
https://www.spektrum.de/magazin/kognitive-raeume-wie-das-gehirn-gedanken-sortiert/1671440 (19-10-02)


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