Predictive Grid Cell Coding Does Not Require Explicit Planning
Diese Studie zeigt, dass prädiktive Gitterzellen, die zukünftige statt gegenwärtige Orte kodieren, ein allgemeines Merkmal des medialen entorhinalen Kortex von Nagetieren sind und natürlich innerhalb der Gitterzell-Schaltkreise während der Pfadintegration entstehen, was darauf hindeutet, dass sie die Populationsaktivität formen könnten, anstatt lediglich explizite Planungsfunktionen zu erfüllen.
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
Tief im Navigationssystem des Gehirns liegt eine kleine Region namens medialer entorhinaler Kortex, ein Ort, an dem das Gehirn eine mentale Karte der Welt erstellt. Seit Jahrzehnten wissen Wissenschaftler, dass dieses Gebiet „Gitterzellen“ enthält – Neuronen, die in einem sich wiederholenden, hexagonalen Muster feuern, während ein Tier durch den Raum zieht, und somit effektiv als ein internes Koordinatensystem fungieren. Vor kurzem entdeckten Forscher eine spezielle Untergruppe dieser Zellen, die scheinbar nicht nur feuern, wo sich das Tier gerade befindet, sondern auch dort, wo es gleich sein wird. Dieses „prädiktive“ Feuern deutete darauf hin, dass das Gehirn ständig einen Schritt vorausläuft und zukünftige Pfade simuliert, um bei der Planung einer Route zu einem Ziel zu helfen. Eine bleibende Frage blieb jedoch: Ist diese zukunftsgerichtete Fähigkeit ein spezielles Werkzeug zur Planung oder lediglich ein Nebenprodukt der Art und Weise, wie das Kartensystem des Gehirns sich selbst aktualisiert?
Ein Forschungsteam machte sich daran, diese Frage zu beantworten, indem es das Gehirn auf zwei sehr unterschiedliche Arten untersuchte: erstens durch die erneute Untersuchung realer Aufzeichnungen aus den Gehirnen von Ratten, die einen Raum erkunden, und zweitens durch das Training künstlicher neuronaler Netze, um dieselbe Aufgabe der Bewegungsverfolgung zu bewältigen, ohne dass ihnen eine Vorausplanung beigebracht wurde. Sie fanden heraus, dass diese „prädiktiven Gitterzellen“ natürlich im echten Rattengehirn auftreten, selbst wenn das Tier einfach nur ohne ein bestimmtes Ziel umherwandert. Überraschenderweise entdeckten sie, dass dieselbe Art von zukunftsgerichteten Zellen auch in den künstlichen Netzwerken entstand, obwohl die Netzwerke nie dazu unterrichtet wurden, zu planen oder die Zukunft vorherzusagen. Die künstlichen Netzwerke erhielten lediglich die Aufgabe, ihre Position basierend auf der Bewegung zu aktualisieren, und dennoch entwickelten sie spontan Einheiten, die feuerten, als würden sie in die Zeit vorausblicken.
Die Forscher testeten, ob diese Zellen wirklich die Zukunft vorhersagten oder lediglich auf die Vergangenheit reagierten. Sie fanden heraus, dass die Aktivität dieser spezifischen Zellen stark von der Richtung abhing, in die sich das Tier bewegte. Wenn sich zwei Pfade an derselben Stelle kreuzten, das Tier jedoch in verschiedene Richtungen unterwegs war, feuerten diese Zellen unterschiedlich, was zeigte, dass sie den vorauseilenden Pfad verfolgten und nicht bloß den aktuellen Standort. Dies deutet darauf hin, dass die Zellen eine Trajektorie kodieren. Die Studie enthüllte zudem, dass diese prädiktiven Zellen oft mit einem anderen Zelltyp im Netzwerk überlappen, der wie ein Streifen oder ein Band aussieht und dabei hilft, die Karte stabil zu halten. Dies führte die Autoren zu dem Vorschlag, dass diese zukunftsgerichteten Zellen kein separates Planungsmodul sind, sondern vielmehr ein grundlegender Bestandteil des Mechanismus, der das Gehirn-Kartensystem präzise und vorwärtsbeweglich hält.
Um zu prüfen, ob dieser Mechanismus auch dann existiert, wenn das Gehirn nicht aktiv navigiert, untersuchte das Team Daten von Ratten während des Schlafes. Sie fanden eine schwache, aber deutliche Signatur dieser prädiktiven Kodierung während des Schlafes, was darauf hindeutet, dass das Gehirn diese vorwärtsgerichteten Simulationen auch fortsetzt, wenn das Tier ruht. Die Ergebnisse stellen die Vorstellung infrage, dass das Gehirn ein spezifisches Ziel oder einen bewussten Plan benötigt, um diese zukunftsgerichteten Signale zu erzeugen. Stattdessen scheint die Fähigkeit, den nächsten Schritt zu antizipieren, fest in die Schaltkreise eingebaut zu sein, die es dem Gehirn ermöglichen, zu wissen, wo es sich gerade befindet. Die Studie legt nahe, dass die Karte des Gehirns kein statisches Bild der Gegenwart ist, sondern ein dynamisches System, das sich ständig selbst aktualisiert, indem es einen Moment in die Zukunft projiziert – ein Prozess, der stattfindet, egal ob das Tier eine Reise plant oder einfach nur schläft.
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