Erinnerungen an Bewegung werden im Schlaf zufällig wiedergegeben

Während des Schlafs ist das Gehirn alles andere als inaktiv: Wenn Ratten (oder Menschen) schlafen, feuern Neuronen im Hippocampus salvenartig Signale. Ist eine Ratte mehrmals von einem Ort zu einem anderen gelaufen währenddessen bestimmte Neuronen Signale feuerten, dann wiederholen dieselben Neuronen diese Signale später im Schlaf. Sie feuern dabei im selben Muster, allerdings viel schneller. Bisher wurde angenommen, dass diese wiederholten Muster nur zu Routen gehören, die die Ratten im Wachzustand mehrfach zurückgelegt hatten. In einer Studie, die heute im Fachjournal Neuron erscheint, zeigen Postdoc Federico Stella und Professor Jozsef Csicsvari vom Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) allerdings, dass der Hippocampus auch dann während des Schlafs dieses Signalfeuer wiederholt, wenn sich die Ratten frei anstatt in bestimmten Routen bewegt hatten. Diese Wiederholung erfolgt dann allerdings zufällig und ähnelt der berühmten Brownschen Bewegung, die man von der ungeordneten Bewegung von Teilchen kennt.

Platzzellen sind Zellen im Hippocampus, die Signale senden, wenn sich Ratten (oder Menschen) an bestimmten Orten befinden. Um eine Erinnerung zu abzuspeichern, diese später abzurufen und Entscheidungen zu treffen, müssen die Neuronen das Muster während des Schlafs wiederholen. Diese neuronale Wiederholung ist in den Daten der Forscher leicht zu sehen und geschieht mit hoher Geschwindigkeit, wie Csicsvari erklärt: „Wenn die Ratte schläft, ist ihr Hippocampus ruhig. Doch dann feuern plötzlich sehr viele Platzzellen. Danach kommt der Hippocampus wieder zur Ruhe. Allerdings ist das Feuern der neuronalen Signale hier zeitlich sehr komprimiert. Eine Sekunde Feuern im Wachzustand entspricht etwa 10 Millisekunden Feuern im Schlaf.“

Offene Umgebung statt Labyrinth

Bisherige Studien zur neuronalen Wiederholung ließen die Ratten Orte in einem Labyrinth in einer bestimmten Reihenfolge besuchen. So zeigte sich, dass die Reihenfolge, in der Platzzellen feuern, mit der Bewegung der Ratte durch das Labyrinth übereinstimmt und dass dieses Muster auch während des Schlafs wiederholt wird. In ihrer neuen Studie untersuchten Csicsvari und Stella nun, was passiert, wenn eine Ratte sich in einer offenen Umgebung (wie z.B. einer Schachtel) statt in einem Labyrinth bewegt. Dabei verteilten die Forscher Belohnungen in zufälliger Anordnung und zeichneten im Hippocampus der Ratten das Feuern von gleichzeitig bis zu 400 Platzzellen auf. Danach untersuchten sie, wie dieselben Platzzellen feuerten, während die Ratten schliefen.

Sie fanden Unerwartetes, sagt Csiscsvari: „Neuronen feuern an Orten, die die Ratte besucht hat, aber die Reihenfolge der Plätze, die in der Wiederholung gezeigt wird, folgt zufälligen Routen. Überraschenderweise ähneln diese zufälligen Routen der Brownschen Bewegung, also der ungeordneten Bewegung, die beobachtet wird, wenn sich bewegende Teilchen kollidieren und ihre Richtung ändern.“ Mit Hilfe von Statistik lässt sich definieren, ob ein zufälliger Vorgang der Brownschen Bewegung folgt oder nicht. „Wir haben die Statistik ausgewertet und festgestellt, dass das Muster der Wiederholung der Brownschen Bewegung folgt. Nur stimmt dies nicht mit der tatsächlichen Bewegung des Tieres überein – das Tier ist nicht zufällig herumgelaufen. Stattdessen erzeugt die komplexe Schaltung des Hippocampus ein Muster, das einer einfachen physikalischen Situation ähnelt.“

Fortschritte in der Messtechnik

Diese neue Erkenntnis war nur aufgrund der schnellen Weiterentwicklung der Aufzeichnungstechniken möglich, sagt Stella. „Vor fünf Jahren dachte man, dass, wenn eine Ratte zufällig herumläuft, nur einzelne Orte wiederholt werden. Jetzt, da wir von mehreren hundert Platzzellen gleichzeitig aufzeichnen können, können wir das Feuern von sehr nahe bei einander liegenden Zellen unterscheiden – was früher mit dem Feuern derselben Gegend verwechselt wurde.“

Wiederholung ist eine Abstraktion der Erfahrung

Die zufällige neuronale Wiederholung gibt den Wissenschaftlern einen Einblick in die Dynamik der Schaltung im Hippocampus, erklärt Csicsvari. „In einer experimentellen Umgebung wie der unseren, in der die Tiere nichts über ihre Umgebung lernen, wie sie es sonst etwa durch versteckte Belohnungen tun würden, erzeugt der Hippocampus selbst Routen, die er feuert. Unsere Arbeit zeigt, dass dieser Schaltkreis im Gehirn eine komplexe Dynamik besitzt, die beeinflusst, wie Neuronen feuern. Erfahrung ist wahrscheinlich eine Begrenzung dessen, was wiederholt werden kann.“

Stella betrachtet die zufällige Wiederholung als eine Abstraktion der Erfahrung, die eine Ratte gemacht hat. „Diese Abstraktion könnte für kognitive Zwecke genutzt werden, etwa um neues Verhalten in derselben Umgebung zu planen, oder um über mehrere Erfahrungen hinweg zu generalisieren.“ In Zukunft möchte Stella die Rolle von Wiederholung in der Nachbearbeitung von Erinnerungen untersuchen und verstehen, wie Ratten die Wiederholung nutzen können, um Verhalten zu planen. „Wie wird die Zufälligkeit davon beeinflusst, dass eine Ratte einer Absicht folgt? Das möchte ich jetzt gerne wissen.“

Publikation:

Federico Stella, Peter Baracskay, Joseph O’Neill & Jozsef Csicsvari. 2019. Hippocampal Reactivation of Random Trajectories Resembling Brownian Diffusion, Neuron. DOI: 10.1016/j.neuron.2019.01.052