Ärzte Zeitung online, 28.09.2010

Hirnzellen informieren einander vorab und ermöglichen so schnelles Sehen

BOCHUM (eb). Wissenschaftler der Ruhr-Universität Bochum (RUB) haben ein Computer-Modell entwickelt, das auf weit reichenden Interaktionen zwischen Nervenzellen aufbaut. Es erklärt unter anderem, wie Nervenzellen von Nachbarzellen vorgewarnt werden, so dass sie Reize schneller verarbeiten können.

Fällt ein Lichtreiz auf die Netzhaut des Auges, werden innerhalb von wenigen Zehntel Millisekunden Millionen von Nervenzellen im Gehirn aktiviert. Jede Nervenzelle in der primären Sehrinde erhält dabei mehrere tausend Signale sowohl von benachbarten als auch von weit entfernten Zellen, und sendet ebenso viele Signale aus.

Während in den letzten Jahrzehnten die individuellen Eigenschaften und Verbindungen innerhalb dieses Netzwerkes charakterisiert und die Übertragungseigenschaften einzelner Nervenzellen abgeleitet wurden, ließ sich das komplexe Zusammenwirken verschiedener Zellaktivitäten noch nicht beschreiben.

Aktivitätswellen im Gehirn und das Phänomen "line-motion"-Illusion

Hirnzellen informieren einander vorab und ermöglichen so schnelles Sehen

Die „Line-motion”-Illusion: Auf einem Bildschirm erscheinen in kurzer Zeitfolge ein Quadrat und ein Balken. Versuchspersonen nehmen eine Schein-Bewegung war.

© RUB

Ausgangspunkt für die Forschungen ist ein Phänomen, das die Wahrnehmungspsychologie "line-motion"-Illusion nennt, weil eine Schein-Bewegung wahrgenommen wird. Farbstoffe, die elektrische Spannungsänderungen von Nervenzellen in Leuchtsignale umsetzen, zeigen, wie das Aufblitzen eines Lichtpunktes im Gesichtsfeld eine lokale Aktivierung im Gehirn auslöst, die sich rasch wellenförmig ausbreitet. Diese Aktivitätswellen sind zum größten Teil unterschwellig und daher nicht wahrnehmbar.

Erscheint hingegen kurze Zeit später ein zweiter, balkenförmiger Lichtreiz, so wird die zuvor ausgelöste Aktivitätswelle nach und nach überschwellig. Die Folge: Die Versuchsperson sieht den Lichtbalken nicht augenblicklich in seiner realen Länge, sondern so, als würde er sich ausdehnen, ausgehend vom zuvor präsentierten Lichtpunkt. Die neuronale Grundlage für diese wahrgenommene Scheinbewegung könnten Prozesse im Gehirn sein, die fortschreitende Aktivitätswellen auslösen.

Die Forscher nutzten ein neuronals Feld für ihre Forschungen

Hirnzellen informieren einander vorab und ermöglichen so schnelles Sehen

Messungen mit spannungsabhängigen Farbstoffen zeigten Aktivitätswellen entlang der Oberfläche der Sehrinde.

© RUB

RUB-Wissenschaftlern um Dr. Dirk Jancke vom Institut für Neuroinformatik gelang nun zum ersten Mal die Darstellung dieser komplexen Interaktionsdynamiken in einem Computer-Modell. Sie nutzten dazu ein neuronales Feld, in dem simulierte Nervenzellen durch die Reichweiten ihrer Wechselwirkungen beschrieben werden (PLoS Comput Biol 6, e1000919).

In einem solchen Feld sind eng benachbarte Zellen durch starke, weiter entfernte durch schwache Kopplungen charakterisiert. Zwei Schichten dieser Nervenzellgruppen, eine erregende und eine hemmende Schicht, sind so verschaltet, dass ein lokaler Erregungseingang eine sich schnell ausbreitende und wieder abklingende Aktivierung erzeugt.

"Das heißt, die gesamte Felddynamik wird sowohl durch direkte sensorische Eingänge, als auch durch weit reichende Wechselwirkungen zwischen den Nervenzellen bestimmt", so Jancke in einer Mitteilung der RUB. "Die Folge ist, dass Eigenschaften eines externen Reizes nicht einfach passiv abgebildet werden, sondern Nachbarzellen einen entscheidenden Einfluss auf die sich ausbildenden Aktivitätsmuster haben." Im diesem Modell führen die weit reichenden Wechselwirkungen zwangsläufig zu einer Voraktivierung entfernter Nervenzellen.

Nervenzellen werden vorgewarnt

Solche Voraktivierungen könnten eine wichtige Rolle bei der Verarbeitung bewegter Objekte spielen. Denn durch neuronale Verarbeitungszeiten erfährt das Gehirn von Ereignissen in der Außenwelt stets mit Verzögerung. Dank der weit reichenden Interaktionen werden Nervenzellen gewissermaßen vorgewarnt, sind schneller aktivierbar, und können dadurch wertvolle Verarbeitungszeit einsparen.

Die Herausforderung: Wie handhabt man mathematisch solche komplexen Reizkonstellationen

Was leistet ein solches Modell für das Verständnis von Gehirnprozessen? Neuronale Felder bieten eine mathematische Beschreibungsebene, die es erlaubt darzustellen, wie das Gehirn externe Ereignisse nicht nur abbildet, sondern durch Wechselwirkung zwischen Nervenzellen interaktive Informationsverarbeitung betreibt und schließlich in bestimmten Grenzfällen das erzeugt, was wir Illusionen nennen.

Die wichtige zukünftige Herausforderung ist der Einsatz solcher Feld-Modelle für komplexere visuelle Reizkonstellationen. Ein wesentlicher Vorteil des Konzepts könnte dabei sein, weit reichende Gehirnprozesse von der Aktivität einzelner Nervenzellen zu abstrahieren und so Funktionen des gesamten Netzwerkes mathematisch handhabbar zu machen.

Originalarbeit "A Dynamic neural field model of mesoscopic cortical activity captured with voltage-sensitive dye Imaging

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