Neuer neuronaler Code im Hippocampus zur Messung zurückgelegter Distanz entschlüsselt

Wissenschaftlern ist es gelungen, einen bislang unbekannten Mechanismus im Gehirn zu identifizieren, den es zur Verfolgung der zurückgelegten Strecke nutzt. Dieser Prozess basiert auf einer graduellen Veränderung der elektrischen Aktivität spezifischer Neuronen und wird als Pfadintegration bezeichnet. Die Relevanz dieses Mechanismus ist immens, da dessen Beeinträchtigung häufig schon in frühen Stadien von Erkrankungen wie Alzheimer auftritt und bei Betroffenen zu erheblicher Desorientierung führt.

Eine Forschungsgruppe des Max-Planck-Instituts für Neurowissenschaften (MPFI) in Jupiter, Florida, führte detaillierte Experimente mit Mäusen durch. Die Tiere wurden in einer virtuellen Umgebung trainiert, in der keinerlei externe Orientierungshilfen zur Verfügung standen. Dies zwang die Versuchstiere dazu, sich ausschließlich auf ihre internen Bewegungssignale zu verlassen, um die gelaufene Distanz präzise einschätzen zu können. Im Rahmen dieser Untersuchung, an der der Doktorand Rafael Heldmann und der leitende Forscher und Gruppenleiter Xue-Lian Wang beteiligt waren, wurden die elektrischen Signale tausender Neuronen im Hippocampus aufgezeichnet – jener Hirnregion, die für ihre sogenannten „Ortszellen“ bekannt ist.

Die anschließende Analyse der Daten offenbarte ein faszinierendes Muster: Die Mehrheit der Neuronen kodierte weder einen spezifischen Ort noch einen bestimmten Zeitpunkt, sondern zeigte eines von zwei gegenläufigen Mustern ansteigender Aktivität, die direkt proportional zur zurückgelegten Distanz waren. Eine Population von Neuronen begann mit einer hohen Feuerrate, die sich kontinuierlich verringerte, je weiter sich die Maus bewegte. Im Gegensatz dazu zeigte eine zweite Zellgruppe eine umgekehrte Dynamik, deren Aktivität mit zunehmender Wegstrecke stetig zunahm. Diese beiden Formen der Aktivitätsrampen bilden zusammen einen zweiphasigen Code: Eine schnelle initiale Veränderung signalisiert den Bewegungsbeginn, gefolgt von einer langsameren Steigung, die zur eigentlichen Distanzmessung dient.

Die essenzielle Funktion dieses neu entdeckten Navigationssystems wurde untermauert, als die Wissenschaftler mittels Optogenetik gezielt in diese neuronalen Schaltkreise eingriffen. Eine Störung dieser Zellen führte unmittelbar dazu, dass die Mäuse die zurückgelegte Strecke nicht mehr akkurat beurteilen konnten. Eine Ende 2025 veröffentlichte Publikation lieferte zudem nähere Details zu den zellulären Akteuren: Interneuronen, die Somatostatin (SST) exprimieren, beeinflussen die erste Gruppe der ansteigenden Neuronen, während Parvalbumin (PV) exprimierende Interneuronen die Modulation der zweiten Gruppe übernehmen.

Ein tiefgreifendes Verständnis der Mechanismen, die der räumlichen Navigation zugrunde liegen, ist von fundamentaler Bedeutung. Dies liegt daran, dass die Abschwächung der Pfadintegrationsfunktion oft zu den frühesten Anzeichen für die Alzheimer-Krankheit zählt. Das Max-Planck-Institut in Florida, welches als einzige Einrichtung der Max-Planck-Gesellschaft in Nordamerika fungiert, setzt seine Forschungstätigkeit zur Erforschung der Struktur und Funktion neuronaler Netzwerke entschlossen fort. Die zukünftigen Bemühungen des Teams konzentrieren sich darauf, die Entstehung dieser ansteigenden Aktivitätsmuster im Detail zu ergründen. Dies könnte letztlich zu einem umfassenderen Verständnis darüber führen, wie flüchtige momentane Erfahrungen in stabile, abrufbare Erinnerungen umgewandelt werden.