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News: Der Netzhaut beim Rechnen zusehen

Deutschen Forschern gelangen mit einer besonderen Mikroskopie-Technologie neue Einblicke, wie unsere Augen bewegte Bilder verrechnen.
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Die Netzhaut ist nicht nur ein Detektor, sondern ein hochspezialisierter Prozessor zur Bildverarbeitung in unseren Augen. Sie analysiert abgebildete Szenen, sammelt zeitliche, räumliche und farbliche Informationen und leitet diese an die visuellen Zentren im Gehirn weiter. Bisher war jedoch nur wenig darüber bekannt, inwieweit auch die Nervenzellen der Retina die Signale lokal verarbeiten können.

Bereits 1964 hatte ein Team von Wissenschaftlern der Cambridge University in der Retina Nervenzellen gefunden, die nur dann antworten, wenn sich ein im Auge abgebildetes Muster in eine bestimmte Richtung bewegt. Die entdeckten Zellen gehören zu den Ausgangszellen der Retina und werden als richtungsselektive Ganglienzellen bezeichnet, da sie stark antworten, wenn sich ein Reiz in eine bestimmte Richtung bewegt, aber praktisch keine Reaktion zeigen, wenn sich derselbe Reiz mit der selben Geschwindigkeit in die Gegenrichtung bewegt.

Das Gehirn erhält also schon von dieser Zellpopulation Informationen darüber, wohin sich ein "Objekt" im Sichtfeld bewegt. Die Frage blieb: Wie und wo stellt die Retina die dazu notwendigen Berechnungen an? Sind es die Ganglienzellen selbst, die aus richtungsunspezifischen Eingängen ein Richtungssignal errechnen, oder erhalten die Ganglienzellen bereits von anderen Neuronen richtungsspezifische Signale?

Thomas Euler und Winfried Denk vom Max-Planck-Institut für medizinische Forschung haben zusammen mit Peter Detwiler von der University of Washington versucht, diese Fragen zu beantworten. Die Forscher konzentrierten sich dabei auf einen bestimmten Typ von Retina-Nervenzellen, die wegen ihrer charakteristischen Gestalt auch starburst-Amakrinzellen genannt werden. Diesen Zelltyp, der Signale an die richtungsselektiven Ganglienzellen weiterleitet, hatten die Wissenschaftler schon länger im Verdacht, die Richtungsberechnungen vorzunehmen. Allerdings zeigten die am Zellkörper elektrisch abgeleitete Antworten bisher keinerlei Richtungsselektivität. Doch viele Amakrinzellen haben keine definierte "Ausgangsleitung"; sie empfangen mit ihren Fortsätzen – den Dendriten – Eingangssignale, verarbeiten diese, und geben das Resultat dieser Berechnung wiederum über dieselben Fortsätze weiter, unter anderem an die richtungsselektiven Ganglienzellen.

An diesen Dendriten waren elektrophysiologische Messungen mit Mikroelektroden bisher nicht ohne weiteres möglich, da sie extrem dünn sind. Um die biochemischen Signale unmittelbar in den Dendriten messen zu können, verwendeten die Forscher daher eine neue optische Methode: die Multiquanten-Mikroskopie. Dazu regten sie Farbstoffindikator-Moleküle, die sie zuvor in die zu untersuchenden Zellen injiziert hatten, mit extrem kurzen, aber sehr intensiven Lichtpulsen eines Infrarot-Lasers an. Die lichtintensiven Sehpigmente der Netzhaut absorbierten das langwellige Infrarotlicht nicht, sodass deren Lichtempfindlichkeit erhalten blieb. So war es erstmals möglich, die Retina mit Lichtmustern zu reizen und gleichzeitig die Antworten ihrer Neurone optisch aufzuzeichnen.

Mit dieser Technik fanden die Wissenschaftler heraus, dass verschiedene Bereiche innerhalb ein und derselben starburst-Zelle weitgehend unabhängig voneinander reagieren können und dabei jeweils unterschiedliche Bewegungsrichtungen bevorzugen. Somit sind also bereits ihre dendritischen Ausgangssignale richtungsselektiv, doch jeder Dendrit reagiert auf eine andere Richtung optimal. Das erklärt auch, warum das elektrische Signal im Zellkörper unspezifisch erscheint – die Signale aus den Dendriten mitteln sich. Mit anderen Worten, jede starburst-Zelle vereint eine Anzahl von Richtungsdetektoren in sich.

"Durch die optische Messung von dendritischen Calciumsignalen", so Thomas Euler, "haben wir erstmals gezeigt, dass die Information, wohin sich ein Objekt in unserem Sichtfeld bewegt, bereits eine Stufe vor den Ganglienzellen, nämlich in den starburst-Zellen errechnet wird."

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