Dein Gedächtnis und dein Selbstbewusstsein haben sich vielleicht ständig "verschoben".

Seit Jahrzehnten basiert die Neurowissenschaft auf einem fast selbstverständlichen Prämisse: Das Gehirn benötigt eine stabile neuronale Kodierung. Bestimmte Neuronen sind für die Erkennung bestimmter Formen zuständig, einige Zellen entsprechen räumlichen Positionen, und andere sind an der Bewegungssteuerung beteiligt. Mit anderen Worten, wenn sich die Außenwelt nicht ändert, sollten auch die Neuronen im Gehirn, die diese Informationen repräsentieren, relativ stabil bleiben. Dadurch können Menschen ständig dasselbe Gesicht erkennen, denselben Ort merken und stabile Verhaltensweisen und Erinnerungen aufrechterhalten.

Aber in den letzten zehn Jahren hat eine Reihe von Studien diese klassische Vorstellung allmählich erschüttert.

Im Jahr 2012 begann die Doktorandin Laura Driscoll von der Harvard-Universität, die Aktivität einzelner Neuronen im Mausgehirn zu verfolgen. Sie wollte ursprünglich nur eine "stabile Basislinie" überprüfen - beobachten, welche Neuronen bei der Maus während der Ausführung derselben Aufgabe ständig dieselbe Reaktion zeigen. Bei dem Experiment musste die Maus in einem virtuellen Labyrinth wiederholt navigieren, und die Forscher nahmen langfristig die neuronale Aktivität in der Parietallappen-Kortex auf. Nach der traditionellen Theorie sollte, solange die Aufgabe unverändert bleibt, das Neuron, das für die Kodierung der Labyrinthposition zuständig ist, langfristig stabil bleiben.

Das Ergebnis war jedoch überraschend. Die Zellen, die am ersten Tag an einer bestimmten Position im Labyrinth stark entladen haben, reagieren möglicherweise nach einigen Wochen kaum noch; und die ursprünglich stillen Neuronen beginnen, auf dieselbe Position zu reagieren. Das Wichtigste ist, dass sich die Maus selbst nicht deutlich verändert hat. Sie läuft immer noch dieselbe Route und erledigt dieselbe Aufgabe, und ihr Verhalten bleibt stabil. Verändert hat sich nur das Aktivitätsmuster der Neuronen selbst.

Laura Driscoll erinnerte sich später, dass sie damals fast dachte, dass beim Experiment ein schwerer Fehler aufgetreten sei, denn das Ergebnis "widersprach völlig allen Erwartungen".

Nach der Veröffentlichung dieser Studie im Jahr 2017 begann ein Konzept, das später als "repräsentativer Drift" (representational drift) bezeichnet wurde, breite Beachtung zu finden. Unter "Drift" versteht man die Tatsache, dass die Reaktionsweise der Neuronen auf dieselbe Stimulation, dasselbe Verhalten und sogar dieselbe Umgebung im Laufe der Zeit kontinuierlich ändert. Das heißt, die neuronale Kodierung im Gehirn ist nicht so fix wie man annimmt, sondern eher ein ständig sich neu organisierendes dynamisches System.

Diese Entdeckung hat eine große Aufregung ausgelöst, weil sie viele der zentralsten theoretischen Grundlagen der modernen Neurowissenschaft herausfordert. In den 1950er Jahren entdeckten David Hubel und Torsten Wiesel, dass die Neuronen im visuellen Kortex selektiv auf bestimmte Richtungen und Formen reagieren. Diese Arbeit legte das klassische Modell der "funktionsspezifischen Neuronen" zugrunde. Anschließend stellte John O’Keefe die Theorie der "Positionszellen" auf, der zufolge bestimmte Neuronen im Hippocampus aktiviert werden, wenn sich das Tier an einer bestimmten räumlichen Position befindet. Später behauptete die Theorie der "Gedächtnisspur (engram)" weiter, dass das Gedächtnis in Form einer stabilen Neuronenpopulation im Gehirn gespeichert wird. Es wurden sogar Experimente durchgeführt, die zeigen, dass die künstliche Stimulation bestimmter Hippocampus-Neuronen die entsprechende Erinnerung wieder aufrufen kann, und die Hemmung dieser Zellen die Gedächtniswiederholung schwächen kann.

Torsten Wiesel (links) David Hubel (rechts)

Daher scheint das Auftreten des "Drifts" ein grundlegendes Problem aufzuwerfen: Wenn sich die Neuronen, die für das Gedächtnis und die Wahrnehmung verantwortlich sind, ständig ändern, wo wird dann das Gedächtnis selbst gespeichert?

Tatsächlich hatten bereits vor Driscoll einige Forscher ähnliche Phänomene unauffällig beobachtet. Anfang der 2000er Jahre beobachtete Clifford Kentros vom norwegischen Kavli-Institut für Systemneurowissenschaft bei der langfristigen Aufzeichnung der Hippocampus-Aktivität, dass die Reaktion der Neuronen auf räumliche Positionen sich im Laufe der Zeit ändert. Auch er dachte zunächst, dass es sich um einen experimentellen Fehler handelte, aber selbst nach wiederholten Experimenten blieb diese Instabilität bestehen. Kentros beschrieb später, dass das Gehirn "nicht so funktioniert, wie man denkt".

Mit dem Fortschritt der Technologie haben immer mehr Studien ähnliche Phänomene in verschiedenen Hirnregionen beobachtet. Auch in anderen Regionen wie dem visuellen Kortex und dem olfaktorischen Kortex tritt repräsentativer Drift auf. Beispielsweise fanden die Forscher in der piriformen Kortikalis, die für die Geruchsprozesse zuständig ist, dass nach einem Monat das neuronale Aktivitätsmuster der Maus kaum noch mit dem ursprünglichen übereinstimmt.

Dies ist besonders verwirrend, denn die Geruchserkennung wird normalerweise als eine Aktivität angesehen, die eine äußerst stabile neuronale Kodierung erfordert. Wenn sich die Neuronen ständig ändern, warum kann das Gehirn dennoch stabil "Kaffee-Geruch" oder "Zigarettenrauch-Geruch" erkennen?

Mit der Anhäufung von immer mehr Beweisen beginnt die Neurowissenschaftlergemeinschaft allmählich zu akzeptieren, dass der Drift möglicherweise kein experimenteller Fehler ist, sondern eine reale Eigenschaft des Gehirns. Gleichzeitig werden die neuen Fragen immer komplexer. Wenn sich die neuronale Aktivität ständig ändert, warum können Menschen dennoch stabile Wahrnehmung, Verhalten und Identitätswahrnehmung aufrechterhalten?

Derzeit gibt es eine wichtige Ansicht, dass vielleicht die gesamte Struktur, die von der gesamten Neuronenpopulation gebildet wird, wirklich stabil ist. Driscolls erste Studie hat tatsächlich gezeigt, dass obwohl sich die Reaktionsweise einzelner Neuronen ständig ändert, das Aktivitätsmuster der höheren Ebene der Population relativ stabil bleibt. Diese Ansicht bedeutet, dass das Gehirn möglicherweise "verteilter" ist als das traditionelle Modell. Gedächtnis, Kognition und Wahrnehmung werden nicht von einem bestimmten festen Neuron übernommen, sondern von einem ständig fließenden und sich neu organisierenden Netzwerk gemeinsam aufrechterhalten.

Also, hat dieser Drift selbst eine Funktion?

Einer der wichtigen Aspekte hat mit der "Zeit" zu tun. Einige Wissenschaftler glauben, dass der Drift dem Gehirn möglicherweise helfen kann, den Erinnerungen ein Zeitlabel zu geben. Beispielsweise verwendet das Gehirn normalerweise ähnliche Neuronenpopulationen, um die Erfahrungen zu kodieren, wenn die Maus in kurzer Zeit zwei Ereignisse nacheinander erlebt; aber wenn die beiden Ereignisse einen größeren Zeitabstand haben, werden verschiedene Zellpopulationen eingesetzt. Die Forscher glauben, dass diese allmählich sich ändernde neuronale Repräsentation dem Gehirn möglicherweise helfen kann, zwischen "gerade passiert" und "vor langer Zeit" zu unterscheiden.

Andere Forscher glauben, dass der Drift möglicherweise mit dem Gedächtnisaktualisierungsmechanismus zusammenhängt. Denn wenn dieselben Neuronen immer dieselbe Funktion übernehmen, wird es für das Gehirn schwierig sein, neue Erfahrungen zu integrieren. Die ständig sich ändernde neuronale Kodierung lässt dem System stattdessen Raum für die Aufnahme neuer Informationen.

Aber es gibt immer noch Kontroversen. Einige Studien haben keinen deutlichen Drift festgestellt. Beispielsweise fand Michael Yartsev von der Universität Kalifornien, Berkeley bei der Fledermausforschung, dass die Hippocampus-Neuronen über mehrere Wochen hinweg immer noch hochgradig stabil waren. Da Fledermäuse eine äußerst starke räumliche Gedächtnisfähigkeit haben, glaubt er, dass viele sogenannte "Drifts" möglicherweise nur das Ergebnis sind, dass die Verhaltensvariablen bei den Experimenten nicht streng kontrolliert wurden. Selbst wenn das Tier scheinbar dieselbe Aufgabe ausführt, können geringfügige Unterschiede wie Geschwindigkeit, Aufmerksamkeit, Wachsamkeit und sogar Körperhaltung das neuronale Aktivitätsmuster ändern. Auch in der Forschung über den motorischen Kortex wurde festgestellt, dass, solange die Verhaltensbedingungen streng genug kontrolliert werden, die neuronale Aktivität und das Verhalten tatsächlich langfristig stabil bleiben können.

Deshalb ist die echte Debatte in diesem Bereich jetzt nicht mehr nur, ob der Drift existiert, sondern welche Veränderungen echte neuronale Umstrukturierungen sind und welche nur Oberflächenerscheinungen sind, die durch Verhaltens- und innere Zustandsänderungen verursacht werden?

Aber unabhängig von den Kontroversen hat sich diese Richtung bereits auf die Forschung zu Hirn-Maschine-Schnittstellen und Künstlicher Intelligenz ausgewirkt. Es gibt ein klassisches Problem in modernen KI-Systemen - "katastrophales Vergessen", d. h. die Neigung, alte Fähigkeiten zu verlieren, nachdem ein neues Task gelernt wurde. Aber das biologische Gehirn scheint in ständigen Veränderungen langfristig stabil zu bleiben. Die Forscher beginnen deshalb zu vermuten, dass vielleicht genau dieser "Drift in der Stabilität" ein wichtiger Mechanismus ist, mit dem das Gehirn das Vergessen vermeidet. Für die Hirn-Maschine-Schnittstelle kann ein langfristig implantiertes Gerät nicht auf eine feste Signalzuordnung setzen, wenn die neuronale Kodierung im Laufe der Zeit driftet. Es muss stattdessen über eine kontinuierliche Anpassungsfähigkeit verfügen, sonst wird das Gerät schließlich allmählich unwirksam werden.

Ein Forscher verglich den "repräsentativen Drift" mit der Entdeckung der dunklen Materie in der Physik: Es lässt uns erkennen, dass der wahre Funktionsmechanismus des Gehirns möglicherweise viel komplexer ist als die bestehenden Theorien. In gewissem Sinne sagt uns diese Studie, dass die Stabilität im Gehirn vielleicht nie statisch war.

Translation source:

https://www.nature.com/articles/d41586-026-01554-0

This article is from the WeChat account "Neural Reality" (ID: neureality), author: NR, published by 36Kr with permission.