Wie das Gehirn die subjektive Erfahrung der Zeit bildet

Wie das Gehirn die subjektive Erfahrung der Zeit bildet

Die subjektive Erfahrung der Zeit

Jeder hat schon einmal gespürt, dass die Zeit tatsächlich “fliegt”, wenn wir Spaß haben. Warum fühlt es sich anders an, je nachdem, was wir tun? Eine neue Studie untersucht die neurologischen Mechanismen, die die subjektive Erfahrung der Zeit bilden.

Raum und Zeit sind eng miteinander verbunden – nicht nur in der Physik, sondern auch im Gehirn.

Diese intime Verbindung wird deutlicher, wenn wir einen Blick darauf werfen, wie unser Gehirn episodische Erinnerungen bildet.

Episodische Erinnerungen sind autobiografische Erinnerungen – also Erinnerungen an bestimmte Ereignisse, die jemandem zu einem bestimmten Zeitpunkt (und Raum) erlebt hat. (1)

Die Erinnerung an den ersten Kuss oder das Glas Wein, das Du letzte Woche mit einem Freund geteilt hast, sind beides Beispiele für episodische Erinnerungen. Semantische Erinnerungen hingegen beziehen sich auf allgemeine Informationen und Fakten, die unser Gehirn speichern kann.

Episodische Erinnerungen haben eine ausgeprägte “wo” und “wann” Komponente, und neurowissenschaftliche Forschungen zeigen, dass der Gehirnbereich, der räumliche Informationen verarbeitet, demjenigen nahe kommt, der für die Erfahrung der Zeit verantwortlich ist.

Konkret zeigt eine neue Studie das Netzwerk von Gehirnzellen, die die subjektive Erfahrung der Zeit kodieren, und diese Neuronen befinden sich in einem Gehirnbereich neben demjenigen, in dem andere Neuronen den Raum kodieren.

Die neue Studie wurde von Forschern des Kavli Institute for Systems Neuroscience in Trondheim, Norwegen, durchgeführt. Albert Tsao ist der Hauptautor der Arbeit, die in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde. (2)

Neuronen, die sich mit der Zeit verändern

Vor über einem Jahrzehnt entdeckten zwei der Forscher, die an der aktuellen Studie mitarbeiteten – May-Britt Moser und Edvard Moser – ein Netzwerk von Neuronen, die sogenannten Gitterzellen, die für die Kodierung des Raums verantwortlich waren.

Dieser Bereich wird als medialer entorhinaler Kortex bezeichnet. In der neuen Studie hofften Tsao und Kollegen, dass sie ein ähnliches Netzwerk von Gehirnzellen finden würden, das die Zeit kodiert.

Also machten sie sich auf, die Neuronen in einem Gehirnbereich zu untersuchen, der an den medialen entorhinalen Kortex angrenzt (in dem Gitterzellen entdeckt wurden). Dieser Bereich wird als lateraler Entorhinalkortex (LEC) bezeichnet.

Zunächst suchten die Forscher nach einem Muster, scheiterten aber daran, eines zu finden. “Das Signal hat sich ständig verändert”, sagt Studienkollege Edvard Moser, Professor an der Norwegian University of Science and Technology, ebenfalls in Trondheim, Norwegen.

Die Forscher gingen also davon aus, dass sich das Signal vielleicht mit der Zeit verändert hat.

“Die Zeit ist immer einzigartig und verändert sich”, sagt Prof. Moser. “Wenn dieses Netzwerk tatsächlich für die Zeit kodieren würde, müsste sich das Signal mit der Zeit ändern, um Erfahrungen als einzigartige Erinnerungen aufzuzeichnen.”

So machten sich die Forscher daran, die Aktivität von Hunderten von Neuronen im Gehirn von Nagetieren zu untersuchen.

Erfahrung beeinflusst die LEC-Zeitcodesignale

Dazu haben Tsao und Kollegen stundenlang die neuronale Aktivität von Ratten aufgezeichnet, während derer die Nagetiere einer Reihe von Experimenten unterzogen wurden.

In einem Experiment liefen die Ratten in einer Kiste herum, deren Wände ihre Farbe änderten. Dies wurde 12 Mal wiederholt, so dass die Tiere während des gesamten Experiments “multiple zeitliche Zusammenhänge” definieren konnten.

Das Team untersuchte die neuronale Aktivität im LEC und unterschied dabei zwischen der Hirnaktivität, die Veränderungen in der Wandfarbe aufzeichnete, und derjenigen, die den Verlauf der Zeit aufzeichnete.

“Die neuronale Aktivität im LEC hat einen einzigartigen zeitlichen Kontext für jede Epoche der Erfahrung auf der Zeitskala von Minuten klar definiert”, schreiben die Autoren.

Die Ergebnisse des Experiments “weisen auf das LEC als mögliche Quelle zeitlicher Kontextinformationen hin, die für die episodische Gedächtnisbildung im Hippocampus notwendig sind”, fügen die Forscher hinzu.

In einem anderen Experiment konnten die Ratten frei durch offene Räume streifen und wählen, welche Maßnahmen sie ergreifen und welche Räume sie bei der Verfolgung von Schokoladenstücken erkunden sollten. Dieses Szenario wurde viermal wiederholt.

Der Studienkollege Jørgen Sugar fasst die Ergebnisse zusammen: “Die Einzigartigkeit des neuronalen Zeitsignals während dieses Experiments legt nahe, dass die Ratte eine sehr gute Aufnahme der Zeit und der zeitlichen Abfolge der Ereignisse während der zwei Stunden des Experiments hatte”.

Die Forscher waren in der Lage, mit dem Signal des Zeitcode-Netzwerks genau zu verfolgen, wann im Experiment verschiedene Ereignisse stattgefunden haben.

Durch ein drittes Experiment wurden die Nagetiere schließlich gezwungen, einen strukturierteren Weg zu gehen, mit weniger Möglichkeiten und Erfahrungen. In diesem Szenario mussten sich die Ratten in einem Labyrinth entweder nach links oder nach rechts bewegen, während sie nach Schokolade suchten.

“Bei dieser Aktivität sahen wir, wie sich das zeitcodierende Signal von einer einmaligen Sequenz in ein sich wiederholendes und teilweise überlappendes Muster verwandelte”, erklärt Tsao.

“Andererseits”, fährt er fort, “wurde das Zeitsignal während der sich wiederholenden Aufgabe präziser und vorhersehbarer.”

“Die Daten deuten darauf hin, dass die Ratte während jeder Runde ein feines Verständnis der Zeitdauer hatte, aber ein schlechtes Verständnis der Zeit von Runde zu Runde und vom Anfang bis zum Ende des Experiments.”

Wie LEC-Neuronen Erfahrungen kodieren

Laut den Autoren der Studie ” wurden die Erfahrungen der Tiere durch Verhaltensaufgaben eingeschränkt, um sich in wiederholten Studien zu ähneln. Die Kodierung des zeitlichen Flusses in den Studien wurde verringert, während die Kodierung der Zeit relativ zum Beginn der Studien verbessert wurde.

Wie Tsao und seine Kollegen schlussfolgern: “Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Populationen von Neuronen die Zeit inhärent durch die Kodierung von Erfahrung repräsentieren.”

Mit anderen Worten, sagen die Forscher, die “neuronale Uhr” des LEC arbeitet, indem sie die Erfahrung in eine präzise Abfolge von verschiedenen Ereignissen organisiert.

Die Studie zeigt, wie das Gehirn die Zeit als Ereignis wahrnimmt. Das Netzwerk verschlüsselt die Zeit nicht explizit. Was die Forscher zeigten, war eher eine subjektive Zeit, die sich aus dem ständigen Fluss der Erfahrung ableitet.

Nach Ansicht der Wissenschaftler deuten die Ergebnisse darauf hin, dass man durch eine Veränderung der Aktivitäten und der Erfahrung das Zeitsignal der LEC-Neuronen verändern kann. Das wiederum verändert unsere Zeitwahrnehmung.

Schließlich deuten die Ergebnisse darauf hin, dass sich episodische Erinnerungen durch die Integration von räumlichen Informationen aus dem medialen entorhinalen Kortex mit Informationen aus dem LEC im Hippocampus bilden.

So kann “der Hippocampus eine einheitliche Darstellung von was, wo und wann speichern”.