Die Zelle, die weiß, wo Sie sind
Irgendwo hinter Ihrem Ohr behalten ein paar tausend Neuronen den Raum im Blick, in dem Sie gerade sitzen. Rücken Sie Ihren Stuhl einen Meter nach links, und eine andere Gruppe von Zellen beginnt zu feuern. Gehen Sie in die Küche, und das Muster ändert sich erneut. Das ist keine Metapher. Das Gehirn ordnet bestimmten Neuronen physische Orte zu.
Diese Neuronen heißen Ortszellen, und sie sitzen in einer eingerollten Struktur tief im Schläfenlappen, dem Hippocampus. Entdeckt hat sie John O’Keefe 1971, als er Elektroden in Rattengehirne einführte und bemerkte, dass manche Zellen nur dann feuerten, wenn sich das Tier in einer bestimmten Ecke seines Käfigs befand. Dreiundvierzig Jahre später erhielt die Entdeckung den Nobelpreis.
Das Außergewöhnliche an Ortszellen ist nicht, dass das Gehirn Raum repräsentiert — das tun viele Hirnregionen. Es ist, dass die Repräsentation diskret und stabil ist. Eine Ortszelle, die am Montag in der Nordwestecke eines Labyrinths feuert, feuert am Freitag in ungefähr derselben Nordwestecke, wenn die Ratte zurückkehrt. Die Zelle hat gewissermaßen eine Meinung darüber, wo „dort“ ist.
Wie sieht eine Ortszelle eigentlich aus?
Stellen Sie sich vor, Sie lassen eine Ratte zehn Minuten lang über einen runden Tisch laufen, während Sie von einem einzelnen Neuron ableiten. Die meiste Zeit schweigt die Zelle. Gelegentlich feuert sie eine kurze Salve — zehn, zwanzig Aktionspotenziale in wenigen hundert Millisekunden — und verstummt wieder. Markieren Sie jedes Feuern auf einer Karte des Tisches, streuen die Markierungen nicht gleichmäßig. Sie ballen sich. Sie bilden einen Fleck, wenige Zentimeter breit, irgendwo auf dem Tisch. Dieser Fleck ist das Ortsfeld der Zelle.
Jede Ortszelle hat ihr eigenes Feld an ihrem eigenen Ort. Zusammen kacheln einige hundert von ihnen die gesamte Umgebung, und die Aktivität der Population codiert in jedem Moment — mit überraschender Präzision —, wo sich das Tier befindet. Man kann die Position aus diesen Zellen decodieren, so wie man Pixel aus einem Sensor ausliest.
Move the red dot across the board. Each colored circle is the place field of a single neuron. When you enter a field, that cell fires — you’ll see a pulse and the spike count tick up. Linger in one place and a heat map of where you’ve been will build up below.
Beachten Sie, wie jede Zelle ihr eigenes kleines Revier hat. Die Zellen stimmen sich nicht ab; sie wissen nichts voneinander. Sie feuern schlicht, wenn die Ratte — und über sie auch Sie — ihren bevorzugten Fleck betritt. Mit genügend Zellen über die Fläche verteilt lässt sich die Bewegungsbahn allein aus den Spikes rekonstruieren.
Diese letzte Tatsache ist die gesamte Prämisse der nächsten acht Kapitel. Wenn wir die Position aus einer Population von Ortszellen in echten Ableitungen auslesen können, dann können wir es auch aus Ableitungen eines Gehirns, das seine eigene Vergangenheit abspielt — und genau dort wird es seltsam.
Wo diese Seite rohe Elektrophysiologie zeigt — Spike-Folgen, Ratenkarten, Sharp-Wave-Ripples —, stammen einige Beispiele aus den offen publizierten Ableitungen des Frank Lab, damit die Visualisierungen wahrheitsgetreu zeigen, wie hippocampale Daten wirklich aussehen. Die ab Kapitel 2 beschriebenen Methoden, Decoder und Analysen sind meine eigene Arbeit; die zugrunde liegende Publikation ist Gridchyn et al., Neuron 2020.