ArchivDeutsches Ärzteblatt41/2014Nobelpreis für Physiologie und Medizin: Inneres „GPS-System“ entschlüsselt

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Nobelpreis für Physiologie und Medizin: Inneres „GPS-System“ entschlüsselt

Dtsch Arztebl 2014; 111(41): A-1748 / B-1503 / C-1435

Siegmund-Schultze, Nicola; Zylka-Menhorn, Vera

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Die räumliche Orientierung und Erinnerung erfordert ein komplexes Zusammenspiel verschiedener Formen von Neuronen: Der Nobelpreis ehrt drei Neurobiologen.

Computergrafik des Kopfes. Der hell markierte Bereich zeigt den Hippocampus, eingebunden in das Lernen und die Bildung von Erinnerungen. Foto: SPL/Agentur Focus
Computergrafik des Kopfes. Der hell markierte Bereich zeigt den Hippocampus, eingebunden in das Lernen und die Bildung von Erinnerungen. Foto: SPL/Agentur Focus

Wie kommen wir von A nach B? Wie orientieren wir uns in einer komplexen räumlichen Umgebung – zum Beispiel in den zahlreichen Gängen und Etagen eines Krankenhauses? Und warum können wir bei einem erneuten Besuch zielgenau einen Untersuchungsraum oder ein Patientenzimmer ansteuern?

Mit diesen für den Alltag des Menschen fundamentalen Fragen haben sich drei Neurowissenschaftler zeit ihres Lebens befasst und im Gehirn spezielle Nervenzellen entdeckt, die für die räumliche Orientierung und ihre Zusammenarbeit zuständig sind. Dafür wurden sie mit dem Nobelpreis für Physiologie und Medizin ausgezeichnet.

Es sind Prof. John O’Keefe, der bis zu seiner Pensionierung am University College of London gearbeitet hat, und das norwegische Professoren-Ehepaar May-Britt und Edvard Moser, beide an der Universität Trondheim. „Die drei Preisträger ermöglichen uns eine Vorstellung davon, wie der Mensch seine aktuelle Position im Raum einordnet und sich zu einem anvisierten Ziel hin orientiert“, begründete das Nobelpreiskommitee seine Entscheidung am 6. Oktober. Die Auszeichnung ist insgesamt mit circa 870 000 Euro dotiert.

Elektrische Aktivitäten

O’Keefe hatte in den 70er Jahren bei Ratten den Hippocampus als wichtiges Zentrum der Informationsverarbeitung für räumliche Orientierung und Erinnerung identifiziert. Zu bestimmten Orten, an denen sich die Ratten befanden, gehörten die elektrischen Aktivitäten bestimmter Gruppen von Neuronen, die er Platz- oder Ortszellen nannte: andere Orte, andere Neurone. Die Neurone feuerten, während die Tiere frei herumliefen, jeweils nur an einer einzigen Stelle der experimentellen Arena, ihrem sogenannten Ortsfeld. Fügte man die Ortsfelder der einzelnen Zellen zusammen, bedeckten sie den gesamten Boden des Experimentierfeldes.

Im Hippocampus wird also zu jeder Zeit in irgendeiner Ortszelle ein „Hier“-Signal gesendet. Sind die Ortsfelder der einzelnen Zellen bekannt, lässt sich die Route allein mit diesen Signalen rekonstruieren. „Diese Forschungserkenntnisse sind eine wesentliche biologische Grundlage dafür, dass Menschen eine innere Landkarte mit Zielführung entwickeln können – vergleichbar einem „global positioning system“ (GPS), wie es das Nobelpreiskomitee formulierte.

Doch ein inneres Navigationssystem erfordert höhere kognitive Hirnverarbeitungsfunktionen: Modellrechnungen ließen vermuten, dass äußere und innere Raumkonzepte miteinander verbunden werden. Die Rauminformationen aus dem Hippocampus werden zumindest teilweise auch in einer dem Hippocampus vorgeschalteten Region des Schläfenlappens verarbeitet, dem entorhinalen Cortex.

Mehr als drei Jahrzehnte nach den wegweisenden Entdeckungen von O’Keefe haben May-Britt und Edvard Moser die sogenannten Koordinatenzellen, auch Rasterzellen (grid cells) genannt, entdeckt. Sie arbeiten abhängig von der Bewegung eines Individuums durch seine Umgebung (Science 2004; 305: 1258–63; Science 2006; 312: 758–62). Die Rasterzellen behielten den Experimenten der Mosers zufolge ihr Entladungsmuster auch dann bei, wenn die Tiere sich in völliger Dunkelheit im Versuchsraum bewegten. Da das Rastermuster auch unabhängig von äußeren Sinnesreizen immer wieder in gleicher Form in Erscheinung trat, wurde vermutet, es könnte sich um ein im Gehirn fest verankertes Koordinatensystem handeln. Das Koordinatennetz, das durch diese Zellen gebildet wird, setzt sich aus gleichseitigen Dreiecken zusammen.

Die Entdeckung der Rasterzellen mit ihren einzigartigen Eigenschaften wurde in der Zeitschrift „Science“ als wichtigste neurobiologische Entdeckung der letzten Jahrzehnte bezeichnet.

Schon der Psychologe Edward Tolman hatte Mitte des 20. Jahrhunderts die These aufgestellt, im Gehirn von Säugetieren gebe es vorgeformte neuronale Netzwerke, die mentale Planungsprozesse und vor allem die Navigation im Raum unterstützten. Dafür prägte er den Begriff „kognitive Karten“.

May-Britt und Edvard Moser identifizierten weitere Zelltypen des entorhinalen Cortex, die jeweils für das Erkennen der Richtung der Bewegung oder das Erkennen der physikalischen Begrenzung der Umgebung spezialisiert sind. In Zusammenarbeit mit anderen Zellen des entorhinalen Cortex, die die Richtung des Kopfes und die Grenzen des Raums erkennen, bilden sie Schaltkreise mit den Ortszellen des Hippocampus (Science 2005; 436: 801–5). Neuere Arbeiten befassen sich mit der Frage, wie Raster- mit Ortszellen interagieren.

Entorhinaler Cortex

Mit moderner Bildgebung oder bei neurochirurgischen Eingriffen an Patienten wurde nachgewiesen, dass Orts- und Rasterzellen auch beim Menschen existieren. Bei Alzheimer-Patienten sind Hippocampus und entorhinaler Cortex schon in frühen Stadien geschädigt, so dass sie die Orientierung verlieren. Die ersten Nervenzellschädigungen wurden bei Alzheimer-Patienten im lateralen entorhinalen Cortex gefunden, von dort breiten sie sich in jene Regionen aus, die in die räumliche Orientierung involviert sind. Diese Fähigkeit ist bei Alzheimer-Kranken typischerweise reduziert.

Für Prof. Dr. med. Hannah Monyer, Leiterin der Abteilung Klinische Neurobiologie des Universitätsklinikums Heidelberg, gibt es gute Evidenz dafür, dass die Raster- zellen im Gehirn von Alzheimer-Patienten in ihrer Funktion gestört sind.

Nach Einschätzung von Monyer haben die drei Wissenschaftler mit ihren Arbeiten die Grundlagen gelegt, das räumliche Gedächtnis zu erforschen. „Sie haben gezeigt, wie man räumliches Gedächtnis erlernen kann. Was jetzt noch fehlt, sind Informationen darüber, wie das Erlernte dann auch im Gehirn gespeichert wird.“ Dafür seien Verhaltensexperimente erforderlich.

Suche nach Dirigentenzellen

Monyer kennt die Nobellaureaten von vielen Kongressen und einem gemeinsamen EU-Projekt, dem 15 Arbeitsgruppen angeschlossen sind. Sie gehen der Frage nach, wie Tausende von Gehirnzellen koordiniert werden, um gleichzeitig agieren zu können. Sie suchen nach sogenannten Dirigentenzellen, die den nachgeschalteten Zellen ihren Einsatz geben. Teilmerkmale eines Wahrnehmungsobjektes könnten zu einem sinnvollen Ganzen „gebunden“ werden, indem Nervenzellen, die diese Merkmale erkennen, ihre Aktivität synchronisieren, so Monyer. Temporale Aspekte neuronaler Aktivität spielten eine wichtige Rolle nicht nur bei dem Entstehen von Repräsentationen der Außenwelt, sondern auch bei anderen kognitiven Leistungen, wie zum Beispiel Gedächtnis, Lernen und Aufmerksamkeit. „Zudem wollen wir prüfen, was im Detail geschieht, wenn man die Dirigentenzellen teilweise oder komplett ausschaltet“, ergänzte Monyer im Gespräch mit dem Deutschen Ärzteblatt.

Die diesjährigen Medizin-Nobelpreisträger hatten überhaupt nicht mit der Auszeichnung gerechnet, wird der Sekretär des Komitees Göran K. Hansson zitiert. „Ich bin schockiert, aber das ist großartig“, habe May-Britt Moser bei seinem Telefonanruf gesagt, berichtete Hansson. Auch O’Keefe sei vollkommen überrascht gewesen – und „sehr, sehr glücklich“.

Dr. rer. nat. Nicola Siegmund-Schultze
Dr. med. Vera Zylka-Menhorn

Foto: UCL
Foto: UCL

John O’Keefe wurde 1939 in New York City geboren. Er hat sowohl die britische als auch die US-amerikanische Staatsbürgerschaft. Nach der Promotion in Kanada ging er ans University College London. 1987 wurde er dort zum Professor für kognitive Hirnforschung ernannt. O’Keefe ist Direktor des Sainsbury Wellcome Centre for Neural Circuits. 2008 erhielt er unter anderem den Gruber-Preis für Neurowissenschaften und den European Neuroscience Journal Award, 2013 wurde er mit dem Louisa-Gross-Horwitz-Preis ausgezeichnet. O’Keefe entwickelte ein theoretisches Modell der Gedächtnisfunktion des Hippocampus, das er experimentell an Nagetieren und Menschen überprüfte. 1978 erschien ein einflussreiches Buch dazu von ihm und Lynn Nadel. Er befasste sich auch mit den bei der Alzheimer-Krankheit typischen Defiziten im Hippocampus.

Foto: dpa
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Die Norwegerin May-Britt Moser wurde 1963 in Fosnavåg geboren. Gemeinsam mit ihrem späteren Mann Edvard Moser studierte sie an der Universität Oslo Medizin. Über die Stationen University of Edinburgh und University College London kam sie 1996 zurück nach Norwegen an die University of Science.

Foto: dpa
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Edvard Moser wurde 1962 in Ålesund geboren. Gemeinsam mit seiner Frau absolvierte er mehrere Gastaufenthalte im Labor von John O’Keefe am University College London. 1996 wechselte das Paar nach Trondheim. 1998 wurde Moser Professor an der Universität in Trondheim. Derzeit leitet er das Kavli Institute for Systems Neuroscience in Trondheim.

Das Forscher-Ehepaar ist fasziniert von den Vorgängen des Lebens. „Es ist, wie in uns selbst hineinzuschauen. Es ist unheimlich und faszinierend zugleich. Und man hört nie auf, darüber zu staunen, wie clever dieses System funktioniert.“

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