Temporal instability weakens entorhinal grid-like coding in older adults

Wenn wir älter werden, wird die Fähigkeit, sich daran zu erinnern, wo wir unsere Schlüssel abgelegt haben, oder sich in einer vertrauten Nachbarschaft zurechtzufinden, oft weniger zuverlässig. Dieser Rückgang des räumlichen Gedächtnisses und der Orientierung ist ein Teil des Alterns, tritt aber nicht bei jedem auf die gleiche Weise auf. Einige ältere Erwachsene bleiben so scharf und orientiert wie in ihrer Jugend, während andere erheblich Schwierigkeiten haben. Wissenschaftler vermuteten schon lange, dass ein spezifischer Teil des Gehirns, der tief im Schläfenlappen liegt, eine zentrale Rolle bei diesen Fähigkeiten spielt. Diese Region enthält spezialisierte Zellen, die wie ein internes GPS fungieren und beim Bewegen durch den Raum in einem sich wiederholenden, sechsseitigen Muster feuern. Im Gehirn erzeugt dieses Muster eine mentale Karte, die uns hilft zu wissen, wo wir sind und wie wir dorthin gelangen, wo wir hinwollen. Wenn dieses System gut funktioniert, fühlen wir uns geerdet; wenn es versagt, fühlen wir uns vielleicht verloren.

Jahrelang glaubten Forscher, dass der Rückgang dieser Navigationsfähigkeiten einfach darauf zurückzuführen sei, dass die interne Karte des Gehirns mit dem Alter verblasste oder gänzlich verschwand. Eine neue Studie deutet jedoch darauf an, dass das Problem subtiler sein könnte. Anstatt dass die Karte verschwindet, könnte es sein, dass die Karte instabil wird, also über die Zeit driftet oder schwankt. Diese Instabilität könnte es schwierig machen, diese Karte konsistent zu nutzen, selbst wenn die Karte selbst noch vorhanden ist. Durch die genaue Untersuchung, wie sich diese Gehirnsignale bei älteren Erwachsenen verhalten, haben Wissenschaftler einen Schlüsselgrund dafür gefunden, warum manche Menschen ihre räumlichen Fähigkeiten beibehalten und andere nicht, wobei sie auf eine spezifische Art der Zuverlässigkeit hinweisen, wie das Gehirn seinen Orientierungssinn bewahrt.

Um dies zu untersuchen, untersuchte ein Team von Forschern des Deutschen Zentrums für Neurodegenerative Erkrankungen in Magdeburg 85 gesunde ältere Erwachsene mit einem Durchschnittsalter von 75 Jahren. Sie baten diese Teilnehmer, eine Aufgabe in einem MRT-Scanner durchzuführen, einem Gerät, das detaillierte Bilder der Gehirnaktivität aufnimmt. Die Teilnehmer bewegten ihre Körper nicht; stattdessen schauten sie ein Video einer Person an, die durch einen quadratischen virtuellen Raum geht. Während sie sich bewegten, mussten sie sich die Standorte von fünf verschiedenen Objekten merken, die im Raum platziert waren. Nach dem Rundgang wurden sie getestet, wie gut sie sich an die Orte dieser Objekte erinnern konnten. Die Forscher wiederholten diesen Prozess zweimal, wobei die Objekte jedes Mal an anderen Stellen platziert wurden, um zu sehen, wie das Gehirn auf dieselbe Umgebung zu unterschiedlichen Zeitpunkten reagiert.

Die Wissenschaftler waren besonders an einem spezifischen Signal im posterioren-medialen entorhinalen Kortex interessiert, einem kleinen Bereich des Gehirns, der dafür bekannt ist, die gitterartigen Zellen (Grid Cells) zu beherbergen, die unsere interne Karte bilden. In einem gesunden, funktionierenden Gehirn leuchtet dieser Bereich in einem vorhersehbaren, sechsseitigen Muster auf, während eine Person in verschiedene Richtungen geht. Die Forscher maßen, wie stark dieses Signal in jedem Teilnehmer war. Wie erwartet, variierte die Stärke dieses Signals unter den älteren Erwachsenen stark. Einige zeigten ein klares, starkes Muster ähnlich dem von jungen Menschen, während andere ein sehr schwaches oder fast nicht existierendes Signal zeigten. Überraschenderweise fanden die Forscher, dass das Alter allein diese Unterschiede nicht erklärte. Ein 90-Jähriger konnte ein starkes Signal aufweisen, während ein 65-Jähriger ein schwaches zeigen konnte, was darauf hindeutet, dass etwas anderes als das einfache Altern eine Rolle spielte.

Das Team fragte sich dann, ob das Problem darin bestand, dass die Karte des Gehirns einfach fehlte oder ob sie vorhanden, aber instabil war. Um dies herauszufinden, untersuchten sie, wie konsistent die Gehirnaktivität von einem Durchgang zum nächsten war. Sie maßen, ob das Gehirn bei der gleichen Bewegungsrichtung jedes Mal das gleiche Aktivitätsmuster erzeugte. Sie entdeckten, dass die Stärke des Gitter-Signals eng mit dieser Stabilität verknüpft war. In der linken Seite des entorhinalen Kortex hatten Teilnehmer, deren Gehirne über die zwei Durchgänge hinweg ein konsistentes, stabiles Aktivitätsmuster produzierten, die stärksten Gitter-Signale. Diejenigen, deren Gehirnaktivität zwischen den Durchgängen driftete oder sich veränderte, hatten schwächere Signale. Dieser Befund legt nahe, dass das Problem nicht unbedingt darin besteht, dass das Gehirn die Fähigkeit verloren hat, eine Karte zu erstellen, sondern dass es Schwierigkeiten hat, diese Karte über die Zeit stabil und zuverlässig zu halten.

Die Forscher untersuchten auch, ob diese Stabilität für das reale Gedächtnis von Bedeutung war. Sie fanden heraus, dass ältere Erwachsene mit stabileren Mustern im linken entorhinalen Kortex besser daran erinnert waren, wo sich die Objekte im virtuellen Raum befanden. Dieser Zusammenhang bezog sich spezifisch auf die Stabilität des Musters; die reine Stärke des Signals selbst sagte die Gedächtnisleistung nicht so deutlich voraus wie die Konsistenz. Dies impliziert, dass es entscheidend ist, einen zuverlässigen, unveränderlichen Referenzpunkt im Gehirn zu haben, insbesondere wenn wir diese Information später abrufen müssen.

Um zu verstehen, warum manche Gehirne stabiler waren als andere, untersuchte das Team die physische Struktur des Hirngewebes in diesen Regionen. Sie untersuchten das Volumen des Gewebes, die Menge an Myelin (einer Fettschicht, die dem Signaltransport hilft) und die Integrität der mikroskopischen Struktur. Sie fanden keinen klaren Zusammenhang zwischen diesen physischen Merkmalen und der Stabilität des Gitter-Signals. Eine Person mit einer vollkommen gesund aussehenden Gehirnstruktur konnte dennoch ein instabiles Mapping haben, während eine andere mit leichten strukturellen Veränderungen ein sehr stabiles Mapping aufweisen konnte. Dies schloss die Idee aus, dass einfache physische Abnutzung die direkte Ursache der Instabilität war.

Das Team verfolgte die Quelle dieser Instabilität dann weiter zurück in das Netzwerk des Gehirns. Der entorinale Kortex erhält Informationen über die Richtung aus anderen Bereichen, einschließlich des retrosplenialen Kortex, einer Region nahe dem Hinterhaupt, die uns hilft, uns relativ zu unserer Umgebung zu orientieren. Die Forscher maßen, wie stabil die Orientierungssignale in diesem retrosplenialen Kortex waren. Sie fanden heraus, dass der entorinale Kortex besser in der Lage war, ein stabiles Gittermuster aufrechtzuerhalten, wenn der retrospleniale Kortex beständige, zuverlässige Richtungssignale lieferte. Tatsächlich schien die Stabilität der Signale im retrosplenialen Kortex die Gedächtnisleistung der Teilnehmer indirekt zu beeinflussen, indem sie half, das Gitter im entorhinalen Kortex stabil zu halten. Dies deutet auf eine Kette von Ereignissen hin, bei der ein zuverlässiger Orientierungssinn aus dem hinteren Teil des Gehirns hilft, die interne Karte in der Mitte des Gehirns zu verankern und so ein Driften zu verhindern.

Diese Erkenntnisse bieten eine neue Art zu denken darüber, warum das räumliche Gedächtnis bei einigen älteren Erwachsenen abnimmt, bei anderen jedoch nicht. Es scheint, dass das interne GPS des Gehirns mit dem Alter nicht notwendigerweise verschwindet. Stattdessen kann das System weniger zuverlässig werden, wobei die Karte bei jedem Versuch, sie zu nutzen, leicht driftet oder schwankt. Diese Instabilität scheint aus der Qualität der Richtungsinformationen zu stammen, die in das System fließen. Wenn das Gehirn nicht in der Lage ist, einen stetigen Sinn dafür zu behalten, in welche Richtung es blickt, wird die interne Karte wackelig, was es schwieriger macht, Orte zu erinnern oder effektiv zu navigieren. Die Studie hebt hervor, dass es beim Erhalt der räumlichen Fähigkeiten im höheren Alter möglicherweise nicht darum geht, die Karte selbst zu bewahren, sondern sicherzustellen, dass das Gehirn einen stabilen Referenzpunkt hat, um diese Karte an der Welt auszurichten.