Räumliche Orientierung - Den Gitterzellen auf der Spur

Ich bewarb mich zusammen mit May-Britt unter der Bedingung, dass sie nicht nur eine Stelle, sondern zwei Stellen bereitstellen würden. Das taten sie und wir zogen nach Trondheim, wo wir allerdings ziemlich auf uns allein gestellt waren, da es dort keine anderen Neurowissenschaftler gab. Wir mussten alles alleine machen. Wir haben die Versuchsinstrumente zusammengelötet und die Käfige gereinigt. Es dauerte zwei Jahre, bis die ersten Studenten kamen. Nach und nach konnten wir ziemlich gute Leute gewinnen und wuchsen schließlich zu einer wissenschaftlich starken Gruppe von zehn bis fünfzehn Forschern zusammen.
Allerdings gab es auch Rückschläge. Wenn wir zum Beispiel ein Implantat in ein Tier eingesetzt hatten und nach den Zellen suchten, von denen wir ableiten wollten, fanden wir manchmal keine einzige, weil die Elektroden falsch saßen, und mussten wieder ganz von vorn beginnen. Wir brauchten Geduld und Kreativität, um immer wieder neue Wege zu gehen. Zum Glück bekamen wir hohe Zuschüsse und hatten den Luxus, dass wir nicht unter dem Druck standen, schnell Ergebnisse liefern zu müssen. Das eröffnete uns die Möglichkeit, ins Risiko zu gehen und in dem neu entdeckten Gehirnareal des entorhinalen Cortexes zu forschen. Dort fanden wir schließlich Zell-Aktivitäten, wenn die Versuchstiere ihren Ortssinn benutzten.

Die Entdeckung der Gitterzellen 2005-2014

Bereits unsere ersten Ableitungen im entorhinalen Cortex ergaben eine Art Gittermuster. Doch wir hatten nur zwei Aufnahmepunkte für die Aktivität der Zellen, sodass dieses Gittermuster nicht klar sichtbar war. Also begannen wir den Bereich, in dem wir arbeiteten, zu vergrößern, um das Muster deutlicher werden zu lassen. Es dauerte ungefähr ein Jahr, bis wir immer sicherer wurden, dass wir es mit einem sechseckigen Muster der Erregung zu tun hatten. Aber vielleicht war das doch nur ein Artefakt? Nachdem wir viele Daten gesammelt und ausgewertet hatten, bestand jedoch kein Zweifel mehr, dass es dieses Muster gab. Als das feststand, war ich sehr glücklich. Es war sofort klar, dass dies eine bedeutende Entdeckung war, die die Richtung des gesamten Forschungsfeldes ändern würde. Wir schrieben 2005 sofort einen Artikel für Nature darüber. Die Gutachter urteilten sehr positiv. Ein halbes Jahr später bekamen wir die ersten Preise.

Die Gitterzellen sind sehr wichtig für die Navigation eines Tieres, denn sie bilden ein inneres Koordinatensystem, das die eigene Position in der Umgebung anzeigt und ständig aktualisiert, während es sich bewegt. Die Gitterzellen müssen also Informationen über Entfernung, Richtung der Bewegung und die Geschwindigkeit haben. Um herauszubekommen, wie das charakteristische sechseckige Muster entsteht, arbeiteten wir mit einer Gruppe theoretisch orientierter Neurowissenschaftler zusammen, die uns Wege zeigen konnten, wie man solche sechseckigen Muster erzeugen kann, sobald eine bestimmte Art der Verbindung zwischen den Zellen besteht. Wenn Zellen stark miteinander interagieren, dann entsteht dieses sechseckige Muster sozusagen automatisch. Das ist jedoch bis heute immer noch eine Arbeitshypothese, für deren Beweis wir noch mehr Daten erheben müssen. Möglicherweise nicht nur bei Ratten. Denn Gitterzellen wurden mittlerweile auch in Mäusen gefunden, ebenfalls in Fledermäusen. Aufgrund der Ähnlichkeit der Zellen bei Fledermäusen und Nagetieren kann man daraus schließen, dass die Gitterzellen bereits sehr früh in der Evolution von Säugetieren aufgetreten sein müssen. 2011 fand man sie auch bei Affen und 2013 bei Menschen. lch gehe davon aus, dass es die Gitterzellen bei allen Säugetieren und vielleicht sogar auch bei Nichtsäugetieren gibt. Aber das wissen wir nicht. 

Der Nobelpreis 2014-2018

Ich wusste von Anfang an, dass die Entdeckung der Gitterzellen eine große Sache war, allerdings dachte ich nicht, dass wir dafür den Nobelpreis bekommen würden. Aber wir erhielten nach der Publikation unserer Entdeckung eigentlich jedes Jahr einen großen Preis. 2011 wurden wir dann nach Stockholm zu Symposien eingeladen, an denen auch die wichtigsten Mitglieder des Nobelkomitees teilnahmen. Da war es ziemlich offensichtlich, dass wir in der engeren Auswahl waren. Trotzdem war es überraschend, dass es so früh passierte, denn der Nobelpreis wird oft erst 30 oder 40 Jahre nach der Entdeckung verliehen, und bei uns waren es nicht einmal zehn Jahre. Als mir das Nobelpreiskomitee die freudige Nachricht überbringen wollten, erreichten sie mich allerdings erst einmal nicht, weil ich gerade im Flugzeug saß. Als ich landete, empfing mich eine Frau mit einem Strauß Blumen, allerdings konnte sie mir keine nähere Erklärung geben. Doch als ich dann mein Handy anschaltete, waren da Hunderte Nachrichten drauf, unter ihnen auch eine vom Nobelkomitee: John O’Keefe, May-Britt und ich hatten den Nobelpreis erhalten!

Von diesem Moment war der Rest des Jahres 2014 Aufregung pur, weil viele Medien etwas von uns wollten und die Vorbereitungen für die Preisverleihung in Stockholm sehr aufwendig waren. Ich dachte, dass sich im neuen Jahr wieder der Normalzustand einstellen würde, doch weit gefehlt. Fast täglich kamen Einladungen aus aller Welt, um Vorträge zu halten oder mit Politikern zu diskutieren. Trotzdem versuchte ich so viel Zeit wie möglich im Labor zu verbringen. Glücklicherweise habe ich ein großartiges habe ich ein großartiges Team um mich, mit denen ich weiterhin an hochinteressanten Fragestellungen forsche. Kürzlich wurde ein weiterer Artikel von uns von Nature angenommen, der sich mit der neurowissenschaftlichen Grundlage von Zeit beschäftigt. Das könnte ein weiterer Durchbruch werden. Wir wollen jetzt wissen, wie Zeit auf neuronaler Ebene dargestellt wird. Meine wissenschaftliche Laufbahn habe ich mit Studien zum Hippocampus im Labor von Per Andersen begonnen. Jetzt komme ich darauf zurück, indem ich versuche, Raum und Zeit zu verstehen – die beiden essenziellen Komponenten der Erinnerungen. Vielleicht können wir, viele Jahrzehnte nachdem wir mit den Forschungen am Hippocampus begonnen haben, eine plausible Theorie erarbeiten, wie Erinnerungen im Hirn verschaltet sind.

Einstein BIH Visiting Fellow 2018

Unser Institut an der Norwegian University of Science and Technology kooperiert mit den Berliner Forschergruppen von Dietmar Schmitz und Michael Brecht. Brecht arbeitet, genau wie ich, auf der Ebene des globalen anatomischen und physiologischen Netzwerks. Schmitz forscht auf der synaptischen und molekularen Ebene. Wir tauschen Doktoranden aus. Einer unserer Doktoranden, der weiß, wie man Aufnahmen von einzelnen Zellen im entorhinalen Cortex machen kann, versucht beispielsweise, diese Forschungsmethode in Berlin zu etablieren. So kommt es zu einem intensiven Austausch, und ich besuche die Berliner Arbeitsgruppen immer wieder. Die Berliner Forschungsumgebung ist sehr inspirierend, hier gibt es Technologien und Methoden, die weltweit einzigartig sind. Damit lässt sich Grundlegendes darüber erforschen, wie Zellen zusammenarbeiten. Das ist sehr wichtig, um die Gehirnfunktionen zu entschlüsseln. Nachdem wir mittlerweile recht genaue Vorstellungen davon haben, wie Raum und Zeit im Gehirn repräsentiert sind, kann sich die Hirnforschung allmählich auch an komplexere Funktionen wie Handlungsplanung, Entscheidungsfindung oder abstraktes Denken herantrauen. Da gibt es ein breites Spektrum von kognitiven Funktionen, die im Hinblick auf das Zusammenwirken der Neurone beschrieben werden können. Es gelingt mittlerweile, von Hunderttausenden Neuronen gleichzeitig abzuleiten. Die große Aufgabe für die Zukunft besteht darin, die ganzen Daten zusammenzufügen und Modelle zu entwerfen, die zeigen, wie das Gehirn rechnet. Das ist ein Bereich, der sich in den nächsten Jahren stark entwickeln wird. Und ich bin sehr gespannt, was wir da herausfinden werden.

Erschienen im Albert Nr. 4, dem Journal der Einstein Stiftung Berlin.

Interview: Matthias Eckoldt / Einstein Stiftung