LA JOLLA (4. Januar 2023) – Kleine Kinder glauben manchmal, dass der Mond ihnen folgt oder dass sie die Hand ausstrecken und ihn berühren können. Es erscheint viel näher als relativ zur tatsächlichen Entfernung. Wenn wir uns in unserem täglichen Leben bewegen, neigen wir zu der Annahme, dass wir linear durch den Raum navigieren. Wissenschaftler von Salk haben jedoch herausgefunden, dass die Zeit, die mit der Erkundung einer Umgebung verbracht wird, dazu führt, dass neuronale Repräsentationen auf überraschende Weise wachsen.
Die Ergebnisse, die am 29. Dezember 2022 in Nature Neuroscience veröffentlicht wurden, zeigen, dass Neuronen im Hippocampus, die für die räumliche Navigation, das Gedächtnis und die Planung unerlässlich sind, den Raum auf eine Weise darstellen, die mit einer nichtlinearen hyperbolischen Geometrie übereinstimmt – einer dreidimensionalen Ausdehnung, die sich exponentiell ausdehnt draußen wächst. . (Mit anderen Worten, es ist wie das Innere einer expandierenden Sanduhr geformt.) Die Forscher fanden auch heraus, dass die Größe dieses Raums mit der Zeit zunimmt, die an einem Ort verbracht wird. Und die Größe nimmt logarithmisch zu, was der maximal möglichen Zunahme der vom Gehirn verarbeiteten Informationen entspricht.
Diese Entdeckung liefert wertvolle Methoden zur Analyse von Daten zu neurokognitiven Störungen im Zusammenhang mit Lernen und Gedächtnis, wie z. B. der Alzheimer-Krankheit.
„Unsere Forschung zeigt, dass das Gehirn nicht immer linear arbeitet. Stattdessen funktionieren neuronale Netze entlang einer sich erweiternden Kurve, die mit hyperbolischer Geometrie und Informationstheorie analysiert und verstanden werden kann“, sagt Professor Salk. Tatiana Sharpee, Inhaber des Edwin K. Hunter Chair, der die Studie leitete. „Es ist aufregend zu sehen, dass neuronale Reaktionen in diesem Teil des Gehirns eine Karte bildeten, die sich mit der Erfahrung erweiterte, basierend auf der Zeit, die an einem bestimmten Ort verbracht wurde. Der Effekt galt selbst für winzige Zeitabweichungen, wenn das Tier langsamer oder schneller durchlief die Umgebung.“
Das Labor von Sharpee verwendet fortschrittliche Computeransätze, um besser zu verstehen, wie das Gehirn funktioniert. Sie leisteten kürzlich Pionierarbeit bei der Verwendung hyperbolischer Geometrie, um biologische Signale wie Geruchsmoleküle und die Geruchswahrnehmung besser zu verstehen.
In der aktuellen Studie fanden die Wissenschaftler heraus, dass die hyperbolische Geometrie auch neuronale Reaktionen steuert. Hyperbolische Karten sensorischer Moleküle und Ereignisse werden mit hyperbolischen neuronalen Karten wahrgenommen. Die räumlichen Darstellungen erweiterten sich dynamisch in Verbindung mit der Zeit, die die Ratte damit verbrachte, jede Umgebung zu erkunden. Und wenn sich eine Ratte langsamer durch eine Umgebung bewegte, gewann sie mehr Informationen über den Raum, was dazu führte, dass die neuronalen Repräsentationen noch mehr wuchsen.
„Die Ergebnisse bieten eine neue Perspektive darauf, wie neuronale Repräsentationen durch Erfahrung verändert werden können“, sagte Huanqiu Zhang, ein Doktorand in Sharpees Labor. „Die in unserer Studie identifizierten geometrischen Prinzipien können auch zukünftige Bemühungen zum Verständnis der neuronalen Aktivität in verschiedenen Gehirnsystemen leiten.“
„Man würde denken, dass die hyperbolische Geometrie nur auf kosmischer Ebene gilt, aber das stimmt nicht“, sagt Sharpee. „Unser Gehirn arbeitet viel langsamer als die Lichtgeschwindigkeit, was ein Grund dafür sein könnte, dass hyperbolische Effekte eher an greifbaren als an astronomischen Orten beobachtet werden. Als nächstes wollen wir mehr darüber erfahren, wie diese dynamischen hyperbolischen Darstellungen im Gehirn wachsen, interagieren und kommunizieren.“
Weitere Autoren sind P. Dylan Rich von der Princeton University und Albert K. Lee vom Janelia Research Campus des Howard Hughes Medical Institute.
Die Forschung wurde von einem AHA-Allen Initiative in Brain Health and Cognitive Impairment Award unterstützt, der gemeinsam von der American Heart Association und der Paul G. Allen Frontiers Group (19PABH134610000), der Dorsett Brown Foundation, der Mary K. Chapman Foundation, einem Aginsky verliehen wurde Fellowship, der National Science Foundation (IIS-1724421), dem Next Generation Networks for Neuroscience Program der National Science Foundation (Auszeichnung 2014217), den National Institutes of Health (U19NS112959 und P30AG068635) und dem Howard Hughes Medical Institute.
Über das Salk Institute for Biological Studies:
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