Räumliche Kognition und Navigation

Räumliche Kognition befasst sich damit, wie das Gehirn den Raum repräsentiert und die Navigation unterstützt, also die Fähigkeit zu wissen, wo man sich befindet, und seinen Weg zu Zielen zu finden. Die Hippocampusformation und der entorhinale Kortex enthalten spezialisierte Neuronen, darunter Ortszellen, die an bestimmten Orten feuern, und Gitterzellen, die die Umgebung mit einem dreieckigen Muster überziehen, die zusammen eine interne Metrik und Karte des Raumes bereitstellen.

Definition

Räumliche Kognition und Navigation ist die Untersuchung, wie das Gehirn den Ort und die Anordnung der Umgebung kodiert und diese Repräsentationen, prominent im hippocampo-entorhinalen System, zur Unterstützung der Orientierung und zielgerichteter Bewegung im Raum nutzt.

Scope

Dieses Thema behandelt die neuronalen Grundlagen der räumlichen Kognition und Navigation als Referenzmaterial in der kognitiven Neurowissenschaft. Es führt die Idee der kognitiven Karte, Orts- und Gitterzellen sowie verwandte räumliche Neuronen, die Beiträge des hippocampo-entorhinalen Systems und die Relevanz dieser Mechanismen für das Gedächtnis und für Störungen, die die Navigation beeinträchtigen, ein. Es erklärt Mechanismen und Evidenz und ist keine klinische Leitlinie.

Core questions

• Wie repräsentiert das Gehirn den Ort und die räumliche Anordnung der Umgebung?
• Welche Rolle spielen Ortszellen, Gitterzellen und verwandte Neuronen beim Aufbau einer Raumkarte?
• Wie hängen die räumlichen Funktionen der Hippocampusformation mit ihrer Rolle im episodischen Gedächtnis zusammen?

Key concepts

• Kognitive Karte
• Ortszellen
• Gitterzellen
• Kopfrichtungszellen
• Rand- und Grenz-Zellen
• Allozentrische versus egozentrische Bezugsrahmen
• Pfadintegration
• Hippocampo-entorhinales System

Key theories

Theorie der kognitiven Karte des Hippocampus

Der Hippocampus konstruiert eine allozen-trische, kartenähnliche Repräsentation der Umgebung, die eine flexible Navigation unterstützt; Ortszellen liefern den neuronalen Beweis, dass der Hippocampus den Ort eines Tieres innerhalb einer solchen Karte kodiert.

Entorhinale gitterbasierte Metrik für den Raum

Gitterzellen im medialen entorhinalen Kortex feuern an mehreren Orten, die in einem regelmäßigen dreieckigen Gitter angeordnet sind, und bilden ein periodisches, distanzbasiertes Koordinatensystem, das die Pfadintegration unterstützen und räumliche Informationen an den Hippocampus liefern kann.

Mechanisms

Die räumliche Repräsentation im Gehirn entsteht aus mehreren spezialisierten Zelltypen. Hippocampale Ortszellen feuern selektiv, wenn ein Tier einen bestimmten Ort einnimmt, und repräsentieren kollektiv die Position innerhalb einer Umgebung (O'Keefe & Dostrovsky, 1971). Im medialen entorhinalen Kortex feuern Gitterzellen an mehreren Positionen, die ein regelmäßiges dreieckiges Gitter bilden, und liefern eine Metrik für den Raum, die die Pfadintegration unterstützt, d.h. die Aktualisierung der Position aus Eigenbewegungshinweisen (Hafting et al., 2005). Diese werden ergänzt durch Kopfrichtungszellen, die die Blickrichtung signalisieren, und durch Randzellen, die auf Umweltgrenzen reagieren. Zusammen soll dieser hippocampo-entorhinale Schaltkreis eine kognitive Karte aufbauen und nutzen, die die räumliche Kodierung mit der breiteren Rolle des Systems im episodischen Gedächtnis integriert (Moser et al., 2008).

Clinical relevance

Da das hippocampo-entorhinale System sowohl die räumliche Navigation als auch das Gedächtnis unterstützt, sind Desorientierung und Navigationsschwierigkeiten informative Merkmale, anhand derer Kliniker und Forscher Zustände wie die Alzheimer-Krankheit verstehen, die frühzeitig entorhinale und hippocampale Regionen betrifft. Dieser Eintrag ist eine pädagogische Referenz zu den neuronalen Grundlagen der räumlichen Kognition und keine Grundlage für die Diagnose oder Behandlung einer Einzelperson.

Evidence & guidelines

Der Rahmen basiert auf jahrzehntelangen Einzelzellableitungen bei frei beweglichen Tieren, ergänzt durch humanes Neuroimaging und Läsionsstudien (O'Keefe & Dostrovsky, 1971; Hafting et al., 2005), zusammengefasst in maßgeblichen Übersichtsartikeln (Moser et al., 2008). Die Entdeckung der Orts- und Gitterzellen wurde 2014 mit dem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin an O'Keefe sowie May-Britt und Edvard Moser gewürdigt.

History

Die Idee, dass Tiere interne Karten bilden, wurde 1948 von Edward Tolman auf verhaltenswissenschaftlicher Grundlage vorgeschlagen. 1971 entdeckten O'Keefe und Dostrovsky hippocampale Ortszellen, was der kognitiven Karte eine neuronale Grundlage gab, die in O'Keefe und Nadels Buch von 1978 ausgearbeitet wurde. Im Jahr 2005 berichtete das Moser-Labor über Gitterzellen im entorhinalen Kortex, die eine periodische Metrik für den Raum offenbarten. Diese Entdeckungen, die mit dem Nobelpreis 2014 gewürdigt wurden, etablierten das hippocampo-entorhinale System als das interne Positionierungssystem des Gehirns.

Debates

Ist der Hippocampus dem Raum oder dem Gedächtnis im weiteren Sinne gewidmet?

Die Theorie der kognitiven Karte betont die räumliche Repräsentation, während gedächtnisbasierte Ansätze davon ausgehen, dass die räumliche Kodierung ein Beispiel für eine allgemeinere Rolle im relationalen und episodischen Gedächtnis ist; die Versöhnung der räumlichen und mnemonischen Funktionen des Hippocampus bleibt eine aktive Frage.

Key figures

• John O'Keefe
• Edvard Moser
• May-Britt Moser
• Lynn Nadel
• Edward Tolman

Seminal works

• okeefe-dostrovsky-1971
• hafting-2005
• moser-2008

Frequently asked questions

Was sind Ortszellen und Gitterzellen?

Ortszellen sind Hippocampus-Neuronen, die feuern, wenn sich ein Tier an einem bestimmten Ort befindet, und gemeinsam repräsentieren, wo es sich befindet. Gitterzellen sind entorhinale Neuronen, die an vielen Orten feuern, die in einem regelmäßigen dreieckigen Gitter angeordnet sind, und eine Metrik für Distanz und Richtung liefern. Zusammen unterstützen sie eine interne Karte, die zur Navigation verwendet wird.

Warum ist dieselbe Hirnregion sowohl an der Navigation als auch am Gedächtnis beteiligt?

Das hippocampo-entorhinale System unterstützt sowohl die räumliche Repräsentation als auch das episodische Gedächtnis. Eine einflussreiche Ansicht ist, dass die Repräsentation, wo und wann Ereignisse stattfinden, einen natürlichen Rahmen für die Organisation von Erinnerungen bildet, sodass räumliche Kodierung und Gedächtnis zwei Facetten desselben relationalen Systems sein könnten, obwohl die Beziehung noch diskutiert wird.