Wie das Gehirn Erinnerungen ohne Bewegung abbildet

Zusammenfassung: Mentale Karten werden im Gehirn aktiviert, wenn über Abfolgen von Erlebnissen nachgedacht wird, auch ohne körperliche Bewegung. In einer Tierstudie fanden sie heraus, dass der entorhinale Kortex eine kognitive Karte von Erfahrungen enthält, die während der mentalen Simulation aktiviert wird.

Dies ist die erste Studie, die die zelluläre Grundlage der mentalen Simulation in einem nichträumlichen Bereich zeigt. Die Ergebnisse könnten unser Verständnis der Gehirnfunktion und Gedächtnisbildung verbessern.

Wichtige Fakten:

1. Mentale Karten werden erstellt und aktiviert, ohne dass körperliche Bewegung erforderlich ist.
2. Der entorhinale Kortex enthält kognitive Karten von Erfahrungen.
3. Diese Studie bietet Einblicke in die zellulären Grundlagen der mentalen Simulation.

Quelle: Massachusetts Institute of Technology

Während Sie Ihren üblichen Weg zur Arbeit oder zum Lebensmittelgeschäft zurücklegen, interagiert Ihr Gehirn mit kognitiven Karten, die im Hippocampus und im entorhinalen Kortex gespeichert sind. Diese Karten speichern Informationen über die Routen, die Sie genommen haben, und Orte, die Sie zuvor besucht haben, sodass Sie dort navigieren können, wenn Sie dorthin gehen.

Neue Forschungen des MIT haben herausgefunden, dass solche mentalen Karten auch dann erstellt und aktiviert werden, wenn man nur an Abfolgen von Erfahrungen denkt, ohne dass es zu körperlicher Bewegung oder sensorischen Eingaben kommt.

In einer Tierstudie fanden Forscher heraus, dass der entorhinale Kortex eine kognitive Karte dessen enthält, was Tiere erleben, wenn sie mit einem Joystick durch eine Reihe von Bildern scrollen. Diese kognitiven Karten werden dann aktiviert, wenn über diese Sequenzen nachgedacht wird, auch wenn die Bilder nicht sichtbar sind.

Dies ist die erste Studie, die die zelluläre Grundlage mentaler Simulation und Vorstellungskraft in einem nicht-räumlichen Bereich durch Aktivierung kognitiver Karten im entorhinalen Kortex demonstriert.

„Diese kognitiven Karten werden zur mentalen Navigation eingesetzt, ohne jeglichen sensorischen Input oder motorischen Output. Wir sind in der Lage, die Signatur dieser Karte zu erkennen“, sagt Mehrdad Jazayeri, außerordentlicher Professor für Gehirn- und Kognitionswissenschaften, Mitglied des McGovern Institute for MIT Gehirnforschung und Hauptautor Es manifestiert sich, wenn das Tier diese Erfahrungen geistig durchläuft.

Sujaya Neupane, Forschungswissenschaftlerin am McGovern Institute, ist Hauptautorin des Artikels, der in erscheinen wird Natur. Ella Vitti, Professorin für Gehirn- und Kognitionswissenschaft am MIT, Mitglied des McGovern Institute for Brain Research des MIT und Direktorin des K. Lisa Yang von Integrative Computational Neuroscience ist ebenfalls Autorin des Artikels.

Gedächniskarten

Umfangreiche Arbeiten an Tier- und Menschenmodellen haben gezeigt, dass Darstellungen physischer Orte im Hippocampus, einer kleinen seepferdchenförmigen Struktur, und im nahegelegenen entorhinalen Kortex gespeichert sind. Diese Darstellungen werden aktiviert, wenn sich das Tier durch einen Raum bewegt, in dem es sich zuvor aufgehalten hat, unmittelbar bevor es diesen durchquert hat oder wenn es schläft.

„Die meisten früheren Studien haben sich darauf konzentriert, wie diese Regionen die Strukturen und Details der Umgebung widerspiegeln, während sich das Tier physisch durch den Weltraum bewegt“, sagt Jazayeri.

„Wenn sich ein Tier durch einen Raum bewegt, werden seine Sinneserfahrungen durch die Aktivität von Neuronen im Hippocampus und im entorhinalen Kortex gut kodiert.“

In der neuen Studie wollten Jazayeri und seine Kollegen untersuchen, ob diese kognitiven Karten auch bei rein mentalen Prozessen oder bei der Vorstellung von Bewegung über nicht-räumliche Bereiche hinweg erstellt und dann verwendet werden.

Um diese Möglichkeit zu erkunden, trainierten die Forscher die Tiere, mit einem Joystick einen Weg durch eine Reihe von Bildern („Landmarken“) in regelmäßigen Abständen zu verfolgen. Während des Trainings wurde den Tieren nur eine Teilmenge der Bildpaare, aber nicht alle Paare gezeigt. Nachdem die Tiere gelernt hatten, durch die Trainingspaare zu navigieren, testeten die Forscher, ob die Tiere in der Lage waren, mit neuen Paaren umzugehen, die sie noch nie zuvor gesehen hatten.

Eine Möglichkeit besteht darin, dass die Tiere nicht die kognitive Karte der Sequenz lernen, sondern die Aufgabe stattdessen mithilfe einer Memorisierungsstrategie lösen. Wenn dies der Fall ist, werden sie voraussichtlich Schwierigkeiten mit neuen Paaren haben. Wenn Tiere stattdessen auf eine kognitive Karte angewiesen sind, sollten sie in der Lage sein, ihr Wissen auf neuartige Paare zu übertragen.

„Die Ergebnisse waren klar und eindeutig“, sagt Jazayeri. „Die Tiere waren vom ersten Versuch an in der Lage, mental zwischen neuartigen Bildpaaren zu navigieren. Dieser Befund lieferte einen starken Verhaltensbeweis für die Existenz einer kognitiven Karte. Aber wie erstellt das Gehirn eine solche Karte?“

Um diese Frage zu beantworten, zeichneten die Forscher einzelne Neuronen im entorhinalen Kortex auf, während die Tiere diese Aufgabe ausführten.

Die neuronalen Reaktionen hatten ein bemerkenswertes Merkmal: Wenn die Tiere einen Joystick benutzten, um zwischen zwei Orientierungspunkten zu wechseln, zeigten die Neuronen deutliche Aktivitätsspitzen, die mit der mentalen Repräsentation der überlappenden Orientierungspunkte verbunden waren.

„Das Gehirn erlebt diese Aktivitätsstöße zum erwarteten Zeitpunkt, wenn die überlappenden Bilder vor den Augen des Tieres vorbeiziehen, was nie passiert“, sagt Jazayeri.

„Und der Zeitpunkt zwischen diesen Stößen entsprach genau dem Zeitpunkt, den das Tier erwartet hatte, in diesem Fall 0,65 Sekunden.“

Die Forscher zeigten auch, dass die Geschwindigkeit der mentalen Simulation mit der Leistung der Tiere bei der Aufgabe zusammenhängt: Wenn sie die Aufgabe etwas zu spät oder zu früh erledigten, zeigte ihre Gehirnaktivität eine ähnliche Veränderung im Timing.

Die Forscher fanden auch Hinweise darauf, dass mentale Repräsentationen im entorhinalen Kortex keine spezifischen visuellen Merkmale von Bildern kodieren, sondern vielmehr die ordinale Anordnung von Merkmalen.

Modell zum Lernen

Um die Funktionsweise dieser kognitiven Karten weiter zu untersuchen, erstellten die Forscher ein Rechenmodell, um die gefundene Gehirnaktivität nachzuahmen und zu zeigen, wie sie erzeugt wurde.

Sie verwendeten ein Modell namens „Persistent Attraction Model“, das ursprünglich entwickelt wurde, um zu modellieren, wie der entorhinale Kortex die Position eines Tieres während seiner Bewegung auf der Grundlage sensorischer Eingaben verfolgt.

Die Forscher passten das Modell an, indem sie eine Komponente hinzufügten, die in der Lage ist, durch sensorische Eingaben erzeugte Aktivitätsmuster zu lernen. Dieses Modell konnte dann lernen, diese Muster zu verwenden, um diese Erfahrungen später zu rekonstruieren, als es keinen sensorischen Input gab.

„Das Schlüsselelement, das wir hinzufügen mussten, ist, dass dieses System durch die Kommunikation mit sensorischen Eingaben bidirektional lernen kann. Durch das assoziative Lernen, das das Modell durchläuft, wird es diese sensorischen Erfahrungen tatsächlich nachbilden“, sagt Jazayeri.

Die Forscher wollen nun untersuchen, was im Gehirn passiert, wenn Orientierungspunkte nicht gleichmäßig verteilt oder ringförmig angeordnet sind. Sie hoffen auch, die Gehirnaktivität im Hippocampus und im entorhinalen Kortex aufzuzeichnen, wenn die Tiere zum ersten Mal lernen, eine Navigationsaufgabe auszuführen.

„Zu sehen, wie sich die Erinnerung an eine Struktur im Geist kristallisiert und wie dies zu der entstehenden neuronalen Aktivität führt, ist eine wirklich wertvolle Möglichkeit zu fragen, wie Lernen geschieht“, sagt Jazayeri.

Finanzierung: Die Forschung wurde vom Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, den Quebec Research Funds, den National Institutes of Health und dem Paul and Lily Newton Brain Science Award finanziert.

Über diese Neuigkeiten aus der Gedächtnisforschung

Autor: Abby Appazorius
Quelle: Massachusetts Institute of Technology
Kommunikation: Abby Apazourius – Massachusetts Institute of Technology
Bild: Bildquelle: Neuroscience News

Ursprüngliche Suche: Geschlossener Zugang.
„Vektorproduktion über mentale Navigation im entorhinalen Kortex„Von Mehrdad Jazayeri und anderen. Natur

eine Zusammenfassung

Vektorproduktion über mentale Navigation im entorhinalen Kortex

Eine kognitive Karte ist eine entsprechend organisierte Darstellung, die es ermöglicht, neue Berechnungen auf der Grundlage früherer Erfahrungen durchzuführen; Zum Beispiel die Planung einer neuen Route an einem bekannten Ort. Arbeiten an Säugetieren haben direkte Beweise für solche Darstellungen bei Vorhandensein externer sensorischer Eingaben sowohl im räumlichen als auch im nichträumlichen Bereich gefunden.

Hier haben wir ein grundlegendes Postulat der ursprünglichen kognitiven Kartentheorie getestet: dass kognitive Karten interne Berechnungen ohne externe Eingaben unterstützen.

Wir haben Aufnahmen aus dem entorhinalen Kortex von Affen in einer mentalen Navigationsaufgabe gemacht, bei der Affen einen Joystick verwenden mussten, um eindimensionale Vektoren zwischen Paaren visueller Orientierungspunkte zu erzeugen, ohne die dazwischen liegenden Orientierungspunkte zu sehen.

Die Fähigkeit der Affen, die Aufgabe auszuführen und auf neuartige Paare zu verallgemeinern, legt nahe, dass sie sich auf eine organisierte Darstellung der Orientierungspunkte verließen. Aufgabenmodulierte Neuronen zeigten Periodizität und Steilheit, die mit der zeitlichen Struktur von Orientierungspunkten übereinstimmten, und zeigten Signaturen persistenter Attraktornetzwerke.

Das kontinuierliche Attraktor-Netzwerkmodell der Pfadintegration, ergänzt durch einen Hippie-ähnlichen Lernmechanismus, lieferte eine Erklärung dafür, wie das System intern Orientierungspunkte abruft.

Das Modell machte auch eine unerwartete Vorhersage, dass interne Orientierungspunkte die Pfadintegration vorübergehend verlangsamen, die Dynamik zurücksetzen und somit die Variabilität verringern. Diese Vorhersage wurde in einer erneuten Analyse der Variabilität und des Verhaltens der Feuerrate bestätigt.

Unsere Ergebnisse verbinden organisierte Aktivitätsmuster im entorhinalen Kortex mit der endogenen Rekrutierung der kognitiven Karte während der mentalen Navigation.