Abbildung 1: Seitliche Darstellung des Nucleus caudatus (grün) und des Hippocampus (gelb).

 

 

 

 

Abbildung 2: Im Bild links ist die virtuelle kleine Stadt in Vogelperspektive dargestellt. Die Sternchen markieren Landmarken. Das rechte Bild zeigt wie diese Landmarken aussehen.

 

 

 

 

 

Abbildung 3: Horizontale Abbildung der Fraktionellen Anisotropie. Das weiße Quadrat umschreibt die hintere Region des rechten und linken Hippocampus.

 

  

 

Neuronale mechanismen

In den letzten 15 Jahren haben wir relativ viel über die neuronalen Mechanismen unserer Orientierung gelernt, u.a. durch die Untersuchung von Patienten, die eine Hirnschädigung erlitten haben. Zum Beispiel wissen wir durch Untersuchungen mittels funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT), dass prozedurale Gedächtnisleistungen vor allem das Striatum und insbesondere den Nucleus caudatus einbeziehen, eine subkortikale Hirnregion, die die allermeisten automatischen Bewegungen steuert. Das räumliche Errinnerungssystem (z.B. die Verwendung von Landmarken zur Orientierung) hingegen beruht hauptsächlich auf dem Hippocampus, einer Struktur, die sich im medialen Region des Temporallappens befindet (siehe Abbildung 1).

In einer aktuellen Studie haben wir die neuronalen Mechanismen, die dem Erstellen einer kognitiven Karte zugrunde liegen, in einer fMRT-Studie in Kombination mit einer virtuellen 3D Umgebung auf dem Computer untersucht. Die Teilnehmer wurden gebeten, sich in einer kleinen virtuellen Stadt zu bewegen und zu orienteren, und dabei eine mentale Karte der Stadt zu erstellen. Nachdem diese kognitive Karte erfolgreich erstellt war, wurden die Teilnehmer gebeten, sich zwischen verschiedenen Start und Zielpunkten so schnell wie möglich zu bewegen. Der Test wurde von uns "The Cognitive Map" (CMT) genannt. Die Gehirnaktivität während der Aufgaben zeigte, dass verschieden frontale und parietale Hirnareale an der Lösung der Orientierungsaufgabe beteiligt sind, am wahrscheinlichsten aufgrund von Aufmerksamkeits- und Wahrnehmungsprozessen. Darüber hinaus aber konnten wir zeigen, dass die Erstellung und Benutzung der kognitiven Karte hauptsächlich den Hippocampus einbezieht (siehe Abbildung 2).

Es ist allgemein bekannt, dass die Fähigkeit zur Orientierung von Person zu Person sehr unterschiedlich sein kann, was zum Teil auf der Verwendung von unterschiedlichen Strategien zur Orientierung beruht. Wir wollten einschätzen, ob die Orientierungsfähigkeit sich auch dann noch unterscheidet, wenn die Teilnehmer gebeten werden, bei einer bestimmten Orientierungsaufgabe ein ganz bestimmte Strategie anzuwenden, in diesem Fall die Erstellung einer kognitiven Karte.

Wir führten erneut den CMT mit verschiedenen Teilnehmern durch. Wie erwartet waren die Orientierungsfähigkeiten der Teilnehmer sehr verschieden. Einige konnten bereits nach wenigen Minuten eine kognitive Karte erstellen, andere brauchten zum Teil über 10 Minuten. Ähnlich unterschiedlich war dann auch die Verwendung der kognitiven Karte. Einige Teilnehmer waren in der Lage, in sehr kurzer Zeit zum Ziel zu gelangen, während andere sehr viel Zeit dafür benötigten. Um diese Unterschiede zu erklären, haben wir eine neue MRT Methode verwendet: Diffusion Tensor Imaging (DTI). Hiermit haben wir die Organisation der Faserstrukturen im Hippocampus der Probanden miteinander verglichen und konnten nachweisen, dass eine bessere Leistung im Test (also Erstellen und Verwenden der kognitiven Karte), mit höheren Werten für die Organisation der Fasern im Hippocampus einherging. Dies zeigt, dass die Fähigkeit zur räumlichen Orientierung stark von der strukturellen Organisation im Hippocampus abhängt. Aktuell ist noch unklar, warum sich die strukturelle Organisation im Hippocampus so unterscheidet, aber dies konnte ein wertvoller Index für die Einschätzung von räumlicher Orientierungsfähigkeit sein. Störungen sind sicher ein Ursache für eine eingeschränkte Orientierungsfähigkeit (siehe Abbildung 3).

Wir sind gerade dabei, einen ersten Fall in der wissenschaftlichen Presse zu veröffentlichen. Es ist der Fall einer 43 Jahren alten Frau, die trotz normaler kognitiver Entwicklung nie in der Lage war, sich in ihrer Umgebung zu orientieren. Sie erinnert sich, dass sie bereits im Alter von sechs Jahren im Supermarkt Panik bekam, wenn ihre Mutter außer Sichtweite geriet. Eltern oder Geschwister mussten sie auf dem Weg zur Schule begleiten und sie hat das Haus fast nie allein verlassen, weil sie sich bei jedem Versuch verlief. Weder sie noch die Familie können sich an ähnliche Probleme bei anderen Mitgliedern der Familie erinnern. Um ins Büro zu gelangen, in dem sie bereits seit 5 Jahren arbeitet, folgt sie noch immer stereotyp einer detaillierten Wegbeschreibung. Sie weiß, welchen Bus sie in die Innenstadt nehmen muss. Sie erinnert sich auch, dass sie an einem bestimmten größeren Platz aussteigen und der Strasse dann für etwa 30 Meter folgen muss, um zu dem Hochhaus zu gelangen, in dem sich ihr Büro befindet. Um nach Hause zu gelangen, hält sie sich an die Wegbeschreibung in der genau umgekehrten Reihenfolge. Dennoch verirrt sie sich zum Teil in der Nachbarschaft und muss ihren Vater telefonisch bitten, sie abzuholen. Außer diesem ganz genau festgelegten Weg ist sie nicht in der Lage, den Weg zu anderen Orten wie dem Supermarkt oder dem Theater zu finden. Nach intensiver Untersuchung konnten wir nachweisen, dass diese Frau eine selektive Störung hat, eine kognitive Karte zu erstellen. Im fMRT waren verschiedene Hirnregionen während der Aufgabe eine kognitive Karte zu erstellen, aktiv, nicht aber der Hippocampus. Nach einem intensiven Training konnten wir auch hier eine Aktivität nachweisen, wenn sie diese intensiv geübte kognitive Karte verwendete. Leider konnten wir zu diesem Zeitpunkt noch keine DTI Aufnahme durchführen um die strukturellen Organisation im Hippocampus zu untersuchen. Zur Zeit arbeiten wir an der Erstellung einer rehabilitiven Behandlung, um diese Patientin in die Lage zu versetzen, kognitive Karten ihrer Umgebung zu erstellen.