Das Barnes-Labyrinth: räumliches Gedächtnis auf trockenem Boden

Einstieg

Stellen Sie sich einen großen runden Tisch vor, hell von oben beleuchtet. Um seinen Rand liegt in gleichen Abständen ein Ring aus Löchern, jedes gerade groß genug für eine Ratte oder Maus. In den meisten ist nichts, nur ein Fall ins Dunkle oder ein blindes Ende. Aber unter einem, und nur einem, steht eine kleine dunkle Box. Ein Unterschlupf.

An den Wänden des Raums hängen Formen und Poster. Das Tier wird in die Mitte des Tisches gesetzt, ins grelle Licht. Es will aus dem Licht heraus. Es wandert zum Rand, steckt die Nase in ein Loch, dann in ein anderes, dann in noch eines. Schließlich findet es die Box und verschwindet darin.

Ein, zwei Tage später geht es fast geradewegs zum richtigen Loch.

Ein Labyrinth an Land

Das ist das Barnes-Labyrinth, ein Trockentest des räumlichen Gedächtnisses, der in Laboren weltweit neben dem Wasserlabyrinth steht. Es wurde entworfen, um dieselbe Art Frage zu stellen, ohne dass ein Tier schwimmen muss. Wie entstand es, warum setzte es sich durch, und wo liegen seine Schwächen?

So funktioniert es

Das Labyrinth ist eine runde Plattform mit Löchern am Rand. Ein Loch führt zu einer Fluchtbox, manchmal Zielbox oder Fluchtkäfig genannt. Die anderen haben einen falschen Boden oder enden blind, sodass das Tier hineinschauen, aber nicht hindurch kann. Unter hellem Licht von oben ist der offene Tisch für ein Nagetier leicht unangenehm, da Nagetiere meist dunkle, geschlossene Räume bevorzugen. Die Fluchtbox bietet Erleichterung.

Im Raum ringsum gibt es visuelle Hinweisreize. Wie im Wasserlabyrinth sind sie der Schlüssel. Alle Löcher sehen gleich aus, also ist die einzige verlässliche Art, sich zu merken, welches in Sicherheit führt, sich zu merken, wo es relativ zum Raum liegt.

Eine typische Sitzung läuft so ab. Das Tier beginnt in der Mitte, manchmal unter einer kleinen Abdeckung, die zum Start angehoben wird. Es erkundet, bis es in die Fluchtbox geht oder ein Zeitlimit erreicht ist; dann wird es behutsam zur Box geführt. Es bleibt kurz darin und kommt dann zurück in seinen Heimkäfig. Der Tisch wird gereinigt und oft zwischen den Durchgängen gedreht, damit das Tier nicht einfach einer Duftspur zum richtigen Loch folgen kann. Die Fluchtbox bleibt relativ zum Raum an derselben Stelle.

Über einige Tage wird ein gesundes Tier schneller und macht weniger Fehler. Ein Fehler ist hier das Hineinstecken der Nase in ein Loch ohne Box. Nach dem Training führen Forschende oft ein Probe Trial durch: Die Box wird entfernt, und man sieht, wo das Tier sucht. Diese Idee ist direkt vom Wasserlabyrinth übernommen.

Woher das Barnes-Labyrinth kam

Das Labyrinth ist nach seiner Erfinderin Carol Barnes benannt. Sie studierte Psychologie an der University of California in Riverside und promovierte 1977 an der Carleton University in Ottawa. Ihre Forschung befasst sich seit Jahrzehnten damit, wie sich das Gehirn mit dem Alter verändert; später wurde sie Regents' Professor an der University of Arizona.

Das Labyrinth erschien erstmals 1979 in einer wegweisenden Arbeit im Journal of Comparative and Physiological Psychology. Ihr Titel lautete Memory deficits associated with senescence, eine neurophysiologische und verhaltensbezogene Studie an der Ratte. Barnes testete zweiunddreißig alte Ratten im Alter von achtundzwanzig bis vierunddreißig Monaten und zweiunddreißig reife Erwachsene im Alter von zehn bis sechzehn Monaten.

Die Ratten wurden zunächst auf einer runden Plattform getestet, deren Lösung die Nutzung räumlicher Hinweisreize begünstigte. Und die alten Ratten zeigten ein schlechteres Gedächtnis für den belohnten Ort.

Das allein wäre schon ein nützlicher Befund gewesen. Barnes zeichnete aber auch elektrische Antworten aus dem Hippocampus der Ratten auf, über Elektroden in einer Bahn namens Tractus perforans und in einer Region namens Fascia dentata. Sie gab kurze Salven hochfrequenter Reizung, die die Verbindungen zwischen Nervenzellen stärken. Diese Stärkung heißt Langzeitpotenzierung und gilt weithin als einer der Wege, wie Erinnerungen gespeichert werden.

Nach einer einzigen Sitzung reagierten junge und alte Ratten gleich. Nach drei Sitzungen behielten die jungen die verstärkten Verbindungen mindestens vierzehn Tage. Die Antworten der alten Ratten ließen nach der ersten Sitzung nach. Und jetzt das Verblüffende: Das Ausmaß der synaptischen Verstärkung korrelierte statistisch damit, wie gut die Ratten die Aufgabe auf der runden Plattform lösten, sowohl innerhalb als auch zwischen den Altersgruppen.

Die allererste Barnes-Labyrinth-Studie tat also mehr, als das Gedächtnis zu testen. Sie verband Altern, einen zellulären Gedächtnismechanismus und Verhalten, alles an denselben Tieren. Barnes fand außerdem, dass die Nachwirkungen der Reizung die spontane Alternation der alten Ratten im T-Labyrinth selektiv beeinträchtigten. Ein schönes Beispiel dafür, wie diese klassischen Tests zusammenhängen.

Warum es sich durchsetzte

Warum ist das Barnes-Labyrinth so beliebt geworden? Ein großer Teil der Antwort ist Stress. Schwimmen ist für ein Nagetier harte Arbeit, und ins Wasser gesetzt zu werden ist belastend, besonders für Mäuse. Ein Review von Cheryl Rosenfeld und Sherry Ferguson aus dem Jahr 2014 beschreibt das Barnes-Labyrinth als weniger belastend als Wasserlabyrinthe. Die Motivation ist mild, meist nur helles Licht, manchmal zusätzlich ein Geräusch.

Das macht es attraktiv für Tiere, die schlecht schwimmen, für ältere Tiere und für Mäuse im Allgemeinen. Es wird häufig eingesetzt, um in genetischen Modellen von Krankheiten wie Alzheimer nach Gedächtnisproblemen zu suchen und um zu prüfen, ob eine Substanz oder eine toxische Exposition das Lernen beeinflusst.

Es liefert auch eine reiche Auswahl an Maßen. Das einfachste ist die Latenz, die Zeit bis zur Fluchtbox. Zählt man die Fehler, kann man eine Lernkurve zeichnen. Mit Video-Tracking erhält man dieselben Maße wie im Wasserlabyrinth. Zurückgelegte Strecke, Geschwindigkeit, Zeit im richtigen Quadranten, Zeit in Bewegung oder in Ruhe.

Und dann ist da die Strategie. Forschende ordnen jeden Durchgang meist einer von drei Arten zu. Zufällige Suche, bei der das Tier Löcher ohne erkennbares Muster prüft. Serielle Suche, bei der es den Rand systematisch Loch für Loch abarbeitet. Und direkte oder räumliche Suche, bei der es geradewegs zum Ziel oder ganz in seine Nähe geht.

Diese Unterscheidung ist wichtig. Ein Tier mit serieller Suche findet die Box irgendwann jedes Mal, auch wenn es keine Ahnung hat, wo sie ist. Seine Latenz verbessert sich vielleicht nur, weil es schneller am Rand entlangläuft. Nur der Blick auf den Pfad zeigt, ob es wirklich räumliches Gedächtnis nutzt.

Die Strategieperspektive hat interessante Unterschiede zutage gefördert. In einer Studie an Degus, einem südamerikanischen Nagetier, nutzten Weibchen im Training häufiger eine räumliche Strategie, während Männchen eher seriell oder zufällig suchten. Und bei Weibchen hing das räumliche Behalten laut Bericht von der Phase des Östruszyklus ab. Befunde wie diese sind ein Grund, warum Forschende ermutigt werden, beide Geschlechter zu testen und nicht nur Männchen.

Praktische Details unterscheiden sich zwischen Arten. Rosenfeld und Ferguson weisen darauf hin, dass Hinweisreize außerhalb des Labyrinths bei Ratten gut funktionieren, kleinere Wildnager aber vielleicht Hinweisreize am Labyrinth selbst brauchen, mit einer Sichtbarriere ringsum.

Seine Grenzen

Und wo liegen seine Grenzen? Dieselbe Milde, die das Barnes-Labyrinth schonend macht, kann es auch unzuverlässig machen. Ist der aversive Reiz schwach, machen sich manche Tiere gar nicht die Mühe zu fliehen. Sie erkunden lieber weiter den Tisch, laufen am Zielloch vorbei, schnuppern und kommen später zurück. So kann ein neugieriges Tier vergesslich wirken. Das ist eine bekannte Kritik am Labyrinth und ein Grund, warum manche Labore ein Geräusch hinzufügen oder den Durchgang beenden, sobald das Tier das richtige Loch erreicht, statt zu warten, bis es hineinklettert.

Geruch ist ein weiteres Problem. Tiere hinterlassen Duft auf dem Tisch, und die Fluchtbox selbst riecht. Reinigen und Drehen des Tisches helfen, müssen aber sorgfältig und einheitlich erfolgen.

Dann ist da die Zeitfrage. Rosenfeld und Ferguson merken an, dass sowohl Barnes- als auch Wasserlabyrinthe zeitaufwendig sein können. Typischerweise braucht man vier bis sieben Durchgänge, um verbessertes Lernen und Gedächtnis oder Gruppenunterschiede zu erkennen.

Und wie bei anderen räumlichen Tests zählt der genetische Hintergrund der Maus. Stämme unterscheiden sich stark in natürlicher Ängstlichkeit und Erkundungsverhalten, sodass ein Leistungsunterschied eher vom Temperament als vom Gedächtnis kommen könnte.

Und weil das Tier so frei erkunden kann, ist die Auswertung mit bloßem Auge schwierig. Fehler zählen heißt, jedes Hineinstecken der Nase in jedes Loch zu beobachten. Automatisiertes Tracking hat das viel einheitlicher gemacht, setzt aber voraus, dass die Kamera das Tier vor Löchern und Schatten klar erkennt.

Zurück zum Tisch

Zurück zu dem hellen runden Tisch mit seinem Ring gleicher Löcher und einem dunklen Unterschlupf. Eine Ratte läuft fast direkt zum richtigen, geleitet von den Postern an den Wänden. Es ist dieselbe Frage, die das Wasserlabyrinth stellt, wo ist Sicherheit, nur zu Fuß beantwortet. Carol Barnes entwarf es, um das Gedächtnis im Alter zu untersuchen, und Jahrzehnte später hilft es Forschenden noch immer, zwischen dem Erinnern eines Ortes und bloßem Suchen bis zum Fund zu unterscheiden.

Die erwähnten Arbeiten und ein Transkript finden Sie auf water-maze.com.