Neural Dissociation of Cognitive Maps and Graphs in the Human Brain
Unter Verwendung von fMRT und einer orthogonalen Manipulation von räumlichen und erfahrungsbasierten Distanzen demonstriert diese Studie, dass das menschliche Gehirn kognitive Karten und Graphen dadurch differenziert, dass es euklidische räumliche Nähe im Sulcus intraparietalis und die kürzeste Pfad-Erfahrungskontiguität in der hippokampalen/parahippocampalen Region sowie in szenenselektiven kortikalen Arealen repräsentiert.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung eines Preprints, das nicht peer-reviewed wurde. Dies ist kein medizinischer Rat. Treffen Sie keine Gesundheitsentscheidungen auf Grundlage dieses Inhalts. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Der menschliche Geist besitzt die bemerkenswerte Fähigkeit, Informationen zu organisieren und eine chaotische Welt in eine strukturierte mentale Landschaft zu verwandeln. Zwei der grundlegendsten Arten, wie wir dies tun, sind durch Karten und durch Graphen. Eine kognitive Karte ist wie eine mentale Momentaufnahme eines Ortes, die Gegenstände basierend auf ihrer physischen Position im Raum anordnet, wobei der Abstand zwischen zwei Objekten durch eine gerade Linie gemessen wird. Ein kognitiver Graph hingegen ist ein mentales Netz von Verbindungen, das Gegenstände basierend darauf verknüpft, wie wir sie erleben, während wir uns von einem zum anderen bewegen, wobei der Abstand durch den zurückgelegten Pfad definiert wird. Seit Jahrzehnten debattieren Wissenschaftler darüber, wie das Gehirn diese zwei unterschiedlichen Formen des Wissens verarbeitet. Da unsere täglichen Erfahrungen beide oft vermischen – Orte, die räumlich nah beieinander liegen, sind meist auch auf den Wegen, die wir gehen, nah beieinander –, haben Forscher versucht, zu entwirren, ob das Gehirn ein einzelnes System für beides oder separate Systeme für jedes verwendet. Das Verständnis dieser Unterscheidung ist entscheidend, da es die grundlegende Architektur des menschlichen Gedächtnisses offenbart und zeigt, wie wir uns nicht nur in physischen Räumen, sondern auch durch komplexe Ideen und soziale Beziehungen bewegen.
Ein Team von Forschern des Max-Planck-Instituts für Kognitions- und Neurowissenschaften sowie der Universität Trient hat nun eine klare Antwort auf diese Frage geliefert, indem sie ein kluges Experiment entwarfen, das diese beiden Arten von Distanz voneinander trennt. Sie erschufen eine virtuelle Welt, die aus acht einzigartigen Monumenten bestand, welche durch ein spezifisches Netzwerk von Pfaden verbunden waren. In dieser Umgebung konstruierten sie eine Situation, in der zwei Orte in einer geraden Linie physisch nah beieinander liegen konnten, jedoch weit voneinander entfernt waren, wenn es um die Reise geht, die nötig war, um von einem zum anderen zu gelangen, weil die verbindenden Pfade nicht existierten. Umgekehrt konnten zwei Orte in einer geraden Linie weit voneinander entfernt sein, aber über einen kurzen, direkten Pfad leicht erreichbar sein. Dieser Aufbau ermöglichte es ihnen zu testen, ob das Gehirn die gerade Linie als Distanz und die Reise-Distanz als separate Informationen behandelt.
61 Probanden verbrachten einen Tag damit, diese virtuelle Umgebung zu erlernen. Sie navigierten aus einer Ich-Perspektive durch sie, gingen die Pfade entlang und betrachteten die Monumente, während sie gleichzeitig den offenen Raum um sich herum sehen konnten. Um sicherzustellen, dass sie sowohl das Layout des Raumes als auch die Verbindungen der Pfade wirklich gelernt hatten, absolvierten die Teilnehmer Tests, bei denen sie Entfernungen schätzten und die kürzesten Routen wählten. Sobald sie bewiesen hatten, dass sie die Umgebung verstanden hatten, betraten sie einen MRT-Scanner. Im Inneren der Maschine wurden ihnen Bilder der Monumente gezeigt, und sie wurden gebeten, den Ort und die Verbindungen jedes einzelnen zu rekonstruieren. Während sie dies taten, nutzten die Forscher eine Technik namens Repräsentationsähnlichkeitsanalyse (Representational Similarity Analysis), um die Muster der Gehirnaktivität zu untersuchen. Diese Methode prüft, ob die Reaktion des Gehirns auf zwei verschiedene Monumente ähnlicher ist, wenn diese in der Karte nah beieinander liegen oder wenn sie im Pfadnetzwerk nah beieinander liegen.
Die Ergebnisse zeigten eine markante Arbeitsteilung im Gehirn. Die Forscher fanden heraus, dass die geraden, kartenähnlichen Distanzen in einem spezifischen Bereich am Hinterhaupt des Gehirns repräsentiert wurden, der als Sulcus intraparietalis bekannt ist. Diese Region ist für die Verarbeitung räumlicher Informationen und die Visualisierung von Layouts bekannt. Im Gegensatz dazu wurden die reisebasierten, graphähnlichen Distanzen in einem anderen Satz von Bereichen repräsentiert, darunter der Hippocampus und umliegende Regionen, die typischerweise aktiv sind, wenn wir Szenen betrachten oder Routen navigieren. Der Hippocampus, eine tief im Gehirn gelegene Struktur, die oft mit dem Gedächtnis assoziiert wird, zeigte Aktivitätsmuster, die den kürzesten Pfad zwischen Orten verfolgten, aber er schien die gerade Linie der Distanz nicht zu verfolgen. Dies deutet darauf hin, dass der Hippocampus darauf spezialisiert ist, Erfahrungen basierend darauf zu organisieren, wie wir uns durch sie bewegen, und nicht darauf, wo Dinge in einem statischen Raum liegen.
Die Studie untersuchte auch andere Teile des Gehirns, die an der Erkennung von Szenen beteiligt sind, wie etwa das parahippocampale Ortsareal. Diese Bereiche, die uns normalerweise helfen, das Layout eines Raumes oder einer Landschaft zu erkennen, zeigten ebenfalls Aktivitätsmuster, die mit den pfadbasierten Verbindungen zwischen Orten verknüpft waren. Dieser Befund legt nahe, dass das Szenenverarbeitungssystem des Gehirns eng mit dem Gedächtnissystem zusammenarbeitet, um einen Graphen unserer Erfahrungen aufzubauen. Währenddessen blieb der Bereich, der für die kartenähnliche Repräsentation verantwortlich ist, deutlich abgrenzbar und zeigte keine Anzeichen dafür, die Pfadverbindungen zu verfolgen. Die Forscher gingen sorgfältig vor, um auszuschließen, dass diese Ergebnisse lediglich auf die Formen der Monumente oder andere visuelle Merkmale zurückzuführen waren, und bestätigten damit, dass das Gehirn tatsächlich die abstrakten Konzepte der räumlichen Distanz und der Reise-Distanz separat verarbeitet.
Diese Erkenntnisse bieten eine neue Perspektive auf eine langjährige Debatte in den Neurowissenschaften bezüglich der Funktion des Hippocampus. Während frühere Theorien nahelegten, dass der Hippocampus als universelle Karte des Raums fungiert, deutet diese Studie darauf hin, dass er treffender als ein System zur Organisation der Abfolge unserer Erfahrungen beschrieben werden kann. Das Gehirn scheint zwei parallele Wege des Wissens zu pflegen: eine Karte im Parietalkortex, die das Layout der Welt als Ganzes festhält, und einen Graphen im Hippocampus und in den Szenenverarbeitungsbereichen, der die Reise und die Verbindungen zwischen Ereignissen aufzeichnet. Diese Trennung ermöglicht es uns, unsere Umgebung sowohl als einen festen Ort als auch als eine Serie von Geschichten, die wir erlebt haben, zu verstehen, was eine reichere und flexiblere Grundlage für das menschliche Denken und Erinnern bietet.
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