Mechanismen des menschlichen Gehirns zur Bildung von assoziativen Gedächtnissen während räumlicher Navigation

• Antragsteller: Professor Dr. Lukas Kunz
• Fachliche Zuordnung: Kognitive und systemische Humanneurowissenschaften
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 447634521

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Gedächtnis und räumliche Navigation sind essenzielle kognitive Fähigkeiten von Menschen und Tieren. In unserem Alltag sind wir häufig darauf angewiesen, uns sicher in unserer Umgebung zurechtzufinden und Objekte oder Ereignisse mit ihrem jeweiligen räumlichen Kontext zu verknüpfen. Wenn wir beispielsweise eine uns unbekannte Stadt explorieren, sind wir in der Lage, uns Orte von wichtigen Gebäuden schnell einzuprägen. Woher kommt diese Fähigkeit, assoziative Gedächtnisse zwischen Objekten oder Ereignissen und ihren zugehörigen Orten zu bilden? Das vorliegende Projekt suchte diese Frage mittels elektrophysiologischer Messungen aus dem menschlichen Gehirn zu beantworten. Diese Messungen sind bei neurochirurgischen Epilepsiepatienten möglich, die zu diagnostischen Zwecken mit intrakraniellen Elektroden implantiert sind, und liegen an der wissenschaftlichen Schnittstelle zwischen elektrophysiologischen Tierstudien und nicht-invasiven Bildgebungsstudien im Menschen. Im Rahmen des vorliegenden Projekts wurden die implantierten Patienten gebeten, an Computer-basierten Paradigmen teilzunehmen, die die Bildung von assoziativen Gedächtnissen zwischen Orten und Objekten in einer virtuellen Umgebung induzierten. Gleichzeitig wurden über die intrakraniellen Elektroden lokale Feldpotenziale und Einzelzellaktivität aus dem Hippokampus und benachbarten Hirnarealen aufgezeichnet, die bereits in früheren Studien mit Gedächtnisprozessen und räumlicher Navigation in Verbindung gebracht wurden. Während des Projekts identifizierte ich zunächst Nervenzellen im Hippokampus und benachbarten Hirnarealen, die Informationen über Objekte und/oder Orte innerhalb der virtuellen Umgebung repräsentierten. Nachfolgend untersuchte ich die Reaktivierung dieser Nervenzellen und beobachtete, dass Objekt-responsive und Ortsmodulierte Nervenzellen während des Netzwerkphänomens sogenannter Sharp Wave-Ripples gemeinsam aktiv wurden, wenn die Probanden assoziative Gedächtnisse bildeten und erinnerten. Sharp-Wave Ripples gehen mit einer erhöhten Erregbarkeit des Hippokampus einher und führen zu einer stärkeren Synchronisierung zwischen Hippokampus und verbundenen Hirnregionen. Es ist deshalb zu vermuten, dass die Reaktivierung von Objektresponsiven und Orts-modulierten Nervenzellen während Sharp-Wave Ripples neuronale Schaltkreise hervorrufen und aktivieren, die das gesamte assoziative Gedächtnis beinhalten. Darüber hinaus könnten die Reaktivierungen während Sharp-Wave Ripples zu einem Transfer der Gedächtnisse in den Neokortex führen. Die Resultate des Projekts tragen folglich zu einem besseren Verständnis der Mechanismen des menschlichen Gehirns bei, die der Bildung von assoziativen Gedächtnissen zugrunde liegen. Mittels dieser Erkenntnisse lassen sich in Zukunft möglicherweise Hypothesen generieren, wie assoziative Gedächtnisdefizite bei verschiedenen neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen (z.B. der Alzheimer-Erkrankung) entstehen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• A neural code for egocentric spatial maps in the human medial temporal lobe. Neuron, 109(17), 2781-2796.e10.
  Kunz, Lukas; Brandt, Armin; Reinacher, Peter C.; Staresina, Bernhard P.; Reifenstein, Eric T.; Weidemann, Christoph T.; Herweg, Nora A.; Patel, Ansh; Tsitsiklis, Melina; Kempter, Richard; Kahana, Michael J.; Schulze-Bonhage, Andreas & Jacobs, Joshua
  
• Interictal spikes with and without high-frequency oscillation have different single-neuron correlates. Brain, 144(10), 3078-3088.
  Guth, Tim A.; Kunz, Lukas; Brandt, Armin; Dümpelmann, Matthias; Klotz, Kerstin A.; Reinacher, Peter C.; Schulze-Bonhage, Andreas; Jacobs, Julia & Schönberger, Jan
  
• Low-frequency electrical stimulation reduces cortical excitability in the human brain. NeuroImage: Clinical, 31, 102778.
  Manzouri, Farrokh; Meisel, Christian; Kunz, Lukas; Dümpelmann, Matthias; Stieglitz, Thomas & Schulze-Bonhage, Andreas
  
• Aversive memory formation in humans involves an amygdala-hippocampus phase code. Nature Communications, 13(1).
  Costa, Manuela; Lozano-Soldevilla, Diego; Gil-Nagel, Antonio; Toledano, Rafael; Oehrn, Carina R.; Kunz, Lukas; Yebra, Mar; Mendez-Bertolo, Costantino; Stieglitz, Lennart; Sarnthein, Johannes; Axmacher, Nikolai; Moratti, Stephan & Strange, Bryan A.
  
• Quantitative modeling of the emergence of macroscopic grid-like representations.
  Bin, Khalid Ikhwan; Reifenstein, Eric T.; Auer, Naomi; Kunz, Lukas & Kempter, Richard
  
• Ripple-locked coactivity of stimulus-specific neurons supports human associative memory.
  Kunz, Lukas; Staresina, Bernhard P.; Reinacher, Peter C.; Brandt, Armin; Guth, Tim A.; Schulze-Bonhage, Andreas & Jacobs, Joshua
  
• A Learned Map for Places and Concepts in the Human Medial Temporal Lobe. The Journal of Neuroscience, 43(19), 3538-3547.
  Herweg, Nora A.; Kunz, Lukas; Schonhaut, Daniel; Brandt, Armin; Wanda, Paul A.; Sharan, Ashwini D.; Sperling, Michael R.; Schulze-Bonhage, Andreas & Kahana, Michael J.
  
• How Is Single-Neuron Activity Related to LFP Oscillations?. Studies in Neuroscience, Psychology and Behavioral Economics, 703-718. Springer International Publishing.
  Qasim, Salman E. & Kunz, Lukas
  
• Neurons in the human entorhinal cortex map abstract emotion space.
  Qasim, Salman E.; Reinacher, Peter C.; Brandt, Armin; Schulze-Bonhage, Andreas & Kunz, Lukas
  
• Using multi‐task experiments to test principles of hippocampal function. Hippocampus, 33(5), 646-657.
  Han, Claire Z.; Donoghue, Thomas; Cao, Runnan; Kunz, Lukas; Wang, Shuo & Jacobs, Joshua