Ihr Gehirn arbeitet härter als Sie denken, um Ihnen die Reihenfolge der Zeit mitzuteilen

In unserer Wahrnehmung ist Zeit ein unsichtbares und nicht greifbares Attribut. Es gibt jedoch noch eine weitere Eigenschaft, die der Zeit ähnlich ist, sich jedoch stärker auf uns bezieht: den Raum. Wir können uns also zunächst ansehen, wie das Gehirn Raum kodiert.

Wir können jetzt gleich ein Experiment durchführen: Schließen Sie die Augen und versuchen Sie, sich vorzustellen, wie Ihre Umgebung aussieht. Wir können diese Fähigkeit als „kognitive Karte“ in Ihrem Gehirn bezeichnen.

In den 1970er Jahren entdeckte John O'Keefe, dass diese kognitive Karte wahrscheinlich in unserem Hippocampus verborgen ist. Hier müssen wir den Hippocampus kurz vorstellen. Der Hippocampus liegt verborgen unter der Großhirnrinde und ist in vier verschiedene Bereiche unterteilt, nämlich den Gyrus dentatus sowie CA1, CA2 und CA3. (Markieren Sie die wichtigsten Punkte)

O'Keefe entdeckte, dass viele Neuronen stetig feuerten, wenn sich die Ratte in einer bestimmten Position befand oder in eine bestimmte Richtung blickte, in anderen Situationen jedoch fast gar nicht feuerten. Er dachte, dass eine solche Gruppe von Neuronen in der Lage sein sollte, alle Standorte in einer einzigen Umgebung zu kodieren, was eine der wichtigen Voraussetzungen für die Erstellung kognitiver Karten sei. Im Jahr 1976 gab O'Keefe diesen Neuronen den offiziellen Namen „Ortszellen“. Aber wie verknüpfen wir diese unterschiedlichen Positionen?

Die Mosers entdeckten Gitterzellen im entorhinalen Kortex neben dem Hippocampus. Sie werden Gitterzellen genannt, weil diese Zellen bei ihrer Arbeit ein magisches sechseckiges Muster bilden, das sehr ordentlich ist und wie ein Gitter aussieht. Sie fanden heraus, dass es bei dieser Gitterzelle eher darum geht, ein Koordinatensystem für unser Gehirn aufzubauen, um die Entfernung zwischen zwei Objekten widerzuspiegeln. Manchmal, wenn Sie nachts aufwachen, ist das Zimmer dunkel und Sie können nichts sehen, aber Sie können ungefähr wissen, wie lange Sie vom Bett bis zur Tür brauchen. Dabei kommt den Gitterzellen eine besondere Bedeutung zu. Für diese Entdeckung erhielten sie 2014 auch den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin.

Zeitzellen

Früher glaubten Wissenschaftler, dass das Hippocampus-System in erster Linie der räumlichen Navigation dient und dass das Gehirn möglicherweise über weitere spezifische Bereiche zur Zeitwahrnehmung verfügt.

Einige Studien haben jedoch gezeigt, dass eine Schädigung des menschlichen Hippocampus zu einer Beeinträchtigung einiger zeitbezogener Funktionen führt. Beispielsweise kann es sein, dass wir uns nach dem Lernen einer Reihe von Wörtern nicht mehr an die Reihenfolge dieser Wörter erinnern können. Wissenschaftler haben außerdem herausgefunden, dass der Hippocampus aktiviert wird, wenn wir uns an die Abfolge von Ereignissen erinnern. Es ist wahrscheinlich, dass der Hippocampus auch bei der menschlichen Zeitwahrnehmung eine Schlüsselrolle spielt.

Im Jahr 2007 gab es den ersten experimentellen Beweis dafür, dass hippocampale Neuronen Zeit kodieren können: Wissenschaftler baten Ratten, sich den Geruch von fünf verschiedenen Gerüchen nacheinander zu merken, und testeten dann, ob sich die Ratten an die Reihenfolge erinnern konnten, in der diese Gerüche auftraten. Das heißt, welcher Geruch kommt zuerst und welcher Geruch kommt später. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass beim Einprägen einer Geruchssequenz bei Ratten bestimmte Aktivitätsmuster in den Neuronen des Hippocampus auftreten.

Andere Forscher haben die Rolle des Hippocampus bei der Kodierung der Zeit aus anderen Blickwinkeln untersucht. Wie bereits erwähnt, beziehen sich Ortszellen auf unseren spezifischen Standort und werden in einem bestimmten geografischen Raum aktiviert. Die von ihnen aufgeworfene Frage lautet: Wenn wir in derselben Position bleiben, wie zeichnet unser Gehirn dann alles auf, was wir erleben?

Die Wissenschaftler entwarfen ein Labyrinth in Form einer 8, in dem Ratten abwechselnd im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn kreisen konnten. Gleichzeitig platzierten sie ein rollendes Rad in der Mitte des Labyrinths und die Ratten mussten zwischen den beiden Richtungen des Kreises eine festgelegte Zeitspanne lang auf dem rollenden Rad laufen. In diesem Versuchsaufbau stellt das Laufen der Ratte im Labyrinth ein räumlich ortsbezogenes Ereignis dar, während das Laufen auf dem Rotarod nicht räumlich ortsbezogen, sondern nur zeitbezogen ist.

Die experimentellen Ergebnisse sind sehr interessant. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass, solange die Ratten auf dem Laufrad laufen, einige Neuronen im Hippocampus zu bestimmten Zeiten nacheinander entladen werden. Beispielsweise können sich einige in der 1. Sekunde entladen, andere in der 3. Sekunde, genau wie ein Timer. Darüber hinaus ist die aktive Entladezeit umso länger, je später mit der Entladung der Zellen begonnen wird. (Ähnlich wie 1-2—3---4——) Wichtiger noch: Als die Ratten im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn kreisten und dann auf die Walze traten, um loszurennen, wurden in den beiden Situationen unterschiedliche Neuronen entladen. Doch jedes Mal, wenn das Tier nach einer Drehung gegen den Uhrzeigersinn auf dem Rad weiterlief, waren die Neuronen, die feuerten, dieselben, ebenso wie bei der Drehung im Uhrzeigersinn. Das heißt, die Aktivierung dieser Neuronen korrelierte nicht nur mit dem Zeitablauf, sondern auch mit dem Inhalt des Versuchs.

Auf diese Weise entdeckten Wissenschaftler diese Funktionsweise von Neuronen, die sich nacheinander entladen und den gesamten Zeitraum ausfüllen. Zellen mit dieser Arbeitsweise nannten sie „Zeitzellen“. Später entdeckten Wissenschaftler ähnliche Zellen im Gehirn verschiedener Arten, darunter auch des Menschen.

// Rampenzelle und Zeitcodierungsmodus

Wir haben eine Entsprechung zwischen Zeitzellen und Ortszellen im Hippocampus festgestellt. Gibt es also Zellen im entorhinalen Kortex, die den Gitterzellen entsprechen?

Die Wissenschaftler begannen, sich auf die Aktivitäten des angrenzenden Gehirnbereichs, des lateralen entorhinalen Kortex, zu konzentrieren. Albert Tsao, heute Postdoktorand in Stanford, führte die Studie 2007 durch. Seine Überlegungen sind tatsächlich mit der Psychologie verwandt:

Wenn wir uns in unserer psychologischen Wahrnehmung erinnern, werden wir spüren, dass diese Zeiten auch durch eine Reihe von Ereignissen repräsentiert werden. Der Wissenschaftler wollte erforschen, wie unser Gehirn diese zeitliche Abfolge oder die Reihenfolge, in der Ereignisse auftreten, wahrnimmt.

Er, die Mosers und ihre Kollegen führten weitere Experimente durch, bei denen sie beispielsweise Ratten nacheinander in Kisten unterschiedlicher Farbe setzten: Als die Ratte die Kiste betrat, stieg die Feuerungsrate dieser Neuronen schnell an. Im Laufe der Zeit nimmt die Aktivität der Neuronen unterschiedlich schnell ab, bei manchen im Sekundenbereich, bei anderen im Minutenbereich. Beim nächsten Versuch, als die Ratte die Box erneut betrat, nahm die neuronale Aktivität erneut zu. Darüber hinaus nahm die Aktivität einiger dieser Zellen nicht nur innerhalb jedes Versuchs ab, sondern zeigte auch über das gesamte Experiment hinweg einen Abwärtstrend. während die Aktivität einer anderen Zellgruppe eine zunehmende Tendenz zeigte. Dabei zeigte sich ein Trend: Hunderte von Neuronen schienen zusammenzuarbeiten, jedes mit einem anderen Aktivitätsmuster im Laufe der Zeit. Auf Grundlage der Kombination der Aktivitätsmuster konnten die Forscher - und sie spekulierten, dass die Ratten dazu in der Lage waren - die verschiedenen Versuche voneinander trennen (wie Zeitstempel, indem sie die Signale auf einen bestimmten Zeitraum in der Box zurückverfolgen) und sie in die richtige Reihenfolge bringen. Diese Neuronen wurden „Rampenzellen“ genannt

Dieses Ergebnis deckt sich mit der Forschung der kognitiven Neurowissenschaftler Marc Howard und Karthik Shankar an der Boston University. In ihrer Forschung verwenden sie hauptsächlich mathematische Modelle, um zu charakterisieren, wie diese Zeit kodiert und dekodiert wird (neuronales Netzwerkmodell der wahrgenommenen Zeit), und stellen dann fest, dass ihr Modell sehr gut mit einer solchen beobachteten neuronalen Struktur übereinstimmt.

Wenn wir diese Zeiten kodieren, sind sie wie Wellen in einem Teich. Wenn ein Stein hineingeworfen wird (was ein Ereignis darstellt), breiten sich Wellen aus. Wenn wir zu einem bestimmten Zeitpunkt eine Momentaufnahme der Wellen machen, kodiert die Position der Wellen in dieser Momentaufnahme tatsächlich die Zeit.

Im Modell stellen derartige Wellen die Aktivität von Neuronen dar und die Veränderungen der Wellen stellen die Rate der neuronalen Aktivität dar. Wenn etwas passiert, nimmt die Aktivitätsrate dieser Neuronengruppe exponentiell ab, allerdings mit unterschiedlicher Geschwindigkeit.

Das ist etwas abstrakt, aber wir können uns jedes Neuron als einen Hang mit unterschiedlichen Steigungen vorstellen, aber oben auf jedem Hang befindet sich eine kleine Kugel. Wenn ein Ereignis eintritt, werden die Bälle gleichzeitig von der Spitze der Rampe freigegeben. Es ist also denkbar, dass wir, wenn wir zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Zukunft eine Momentaufnahme dieser Bälle machen, anhand der Positionen dieser Bälle die Uhrzeit zu diesem Zeitpunkt berechnen können. In Howards Modell arbeiten zwei Gruppen von Neuronen zusammen, um diesen Prozess abzuschließen. Die erste Gruppe ist für das Loslassen des Balls verantwortlich, während die zweite Gruppe für die Berechnung der Zeit anhand der Position des Balls zuständig ist. Howards Team verwendete eine mathematische Transformation, um den Prozess nachzubilden.

Wenn Howards Modell stimmt, können wir verstehen, wie das Gehirn eine Zeitleiste vergangener Erinnerungen erstellt und aufrechterhält. Howard verglich diese Zeitlinie mit dem „Schweif eines Kometen“: Sie erstreckt sich im Laufe unseres Lebens rückwärts und wird mit der Zeit immer unschärfer und einfacher. Da der Zerfall von Neuronen exponentiell erfolgt, besteht die Eigenschaft der Exponentialfunktion darin, dass ihre Änderungen auf unterschiedlichen Skalen gleich bleiben. Dieselbe Situation spiegelt sich auch in unserem Gedächtnis wider. So haben wir das Gefühl, dass die Erinnerung an die Zeit vor 10 Minuten klarer ist als die an die Zeit vor 20 Minuten, und ebenso ist die Erinnerung an die Zeit vor 10 Tagen klarer als die an die Zeit vor 20 Tagen.

„Zeitzellen“ und „Rampenzellen“ sind nur zwei der von Wissenschaftlern entdeckten Möglichkeiten, mit denen das Gehirn eine Verbindung zur Zeit herstellt. Tatsächlich haben Wissenschaftler viele andere Aktivierungsmuster von Neuronen entdeckt. Aber insgesamt weisen diese Modelle alle in die gleiche allgemeine Richtung: Das Gehirn zeichnet die Zeit auf verteilte Weise auf. Dies weicht von der bisherigen Annahme ab, dass es im Gehirn eine „Uhr“ gebe, die speziell dazu dient, die Zeit aufzuzeichnen. Nicht nur wird dieselbe Zeitinformation von mehreren Zellen kodiert, sondern verschiedene Gehirnregionen kodieren auch unterschiedliche Zeitskalen, manche im Millisekundenbereich, manche im Sekunden-, Minuten- oder sogar längerbereich. Auch Zeitinformationen können sich bei der Übertragung über Gehirnregionen verändern und schrittweise entschlüsselt werden.

Darüber hinaus sind die Kodierung von Zeit und Raum im Gehirn keine zwei völlig unabhängigen Aspekte, sondern untrennbar miteinander verbunden.

Erstens ist die Art und Weise, wie das Gehirn Zeit und Raum kodiert, sehr ähnlich. Wir extrahieren zeitliche Informationen aus Zeitzellen auf die gleiche Weise, wie wir räumliche Informationen aus Ortszellen extrahieren. Wenn wir versuchen, uns an etwas zu erinnern, das passiert ist, werden die Neuronen, die das Zeitsignal aufgezeichnet haben, erneut im gleichen Aktivierungsmuster aktiviert.

Hinzu kommt, dass es sich bei den sogenannten „Zeitzellen“ im Gehirn nicht um einen bestimmten Zelltyp handelt. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass es zwar tatsächlich einige Neuronen gibt, deren Aktivierungsmuster nur mit Raum oder Zeit in Zusammenhang stehen, dass aber tatsächlich mehr Neuronen die Fähigkeit besitzen, gleichzeitig auf räumliche und zeitliche Signale zu reagieren. Viele Studien haben beispielsweise gezeigt, dass, wenn Ratten nach dem Durchlaufen eines Labyrinths mit der Ruhe beginnen, die Ortszellen, die während des Durchlaufens des Labyrinths kontinuierlich Positionsinformationen aufgezeichnet haben, die neuronale Aktivität zu diesem Zeitpunkt „wiedergeben“. Das heißt, die räumlichen Signale, die im Gehirn der Ratte kodiert wurden, als sie sich bewegte, wurden als zeitlicher Code reproduziert, als sie stillstand. So werden beispielsweise die sogenannten „Zeitzellen“, die aktiviert werden, wenn Ratten in einem Laufrad laufen, auch entladen, wenn die Ratten eine bestimmte Position in einem Labyrinth erreichen. Diese weisen darauf hin, dass Positionszellen zugleich die Funktion von Zeitzellen haben.

Kurz gesagt: Das Gehirn ist wirklich ein großes Mysterium. Wenn das mysteriöse Gehirn auf die mysteriöse Zeit trifft, wird es noch faszinierender. Es gibt noch viele ungeklärte Fragen darüber, wie das Gehirn Zeit kodiert. Beispielsweise: Wie können wir aus den vom Gehirn aufgezeichneten relativen „Zeitstempeln“ die genaue Zeit ablesen, warum können Neuronen ihre Aktivierungsmuster mit der Zeit ändern usw. Als normale Menschen können wir nichts anderes tun, als die Wunder der Natur zu bestaunen und darauf zu warten, dass die Wissenschaftler den Nebel für uns lichten.

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Team-/Autorenname: Global Science

Rezension: Tao Ning

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.