Gesundheit

Signale auf der Waage: Wie das Gehirn verarbeitet Bilder

Wie sind die Bilder, die Darsteller auf der Netzhaut wieder zusammengesetzt, in das Gehirn? Forscher in München und Tübingen finden, dass die Verarbeitung der visuellen Reize erfolgt frühestens waystation auf dem Weg zum visuellen cortex — aber nicht alle gleich behandelt werden.

Beim Menschen ist das visuelle system speichert bis zu 80% aller sensorischen Daten, erhalten aus der Umwelt. In Reihenfolge zu make Sinn für diese Flut von optischen Informationen, die visual-Eingänge, werden aufgenommen und umgewandelt in Elektrochemische Signale, die von rund 130 Millionen lichtempfindliche Zellen in der Netzhaut zugeführt und verarbeitet werden durch ein Komplexes Netzwerk von Nervenzellen im Gehirn. Wie das Gehirn schafft es, diese Aufgabe ist noch nicht vollständig verstanden. Ein detaillierteres Bild der einzelnen Schritte ist jedoch wichtig für die weitere Entwicklung von künstlichen visuellen Systemen. Jetzt ein team unter der Leitung von Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) in München neurobiologin Laura Busse, in Zusammenarbeit mit Thomas Euler und Philipp Berens (Universität) ist es gelungen, vergießen ein neues Licht auf eine langjährige und kontrovers diskutiertes Thema in diesem Bereich. In einem Artikel in der führenden Fachzeitschrift Neuron, die Forscher zeigen, dass die eingehenden Signale von der Netzhaut ausgesetzt sind selektive Bearbeitung und Gewichtung bei der ersten neuronalen waystation in der funktionalen Weg, die Verbindung der Netzhaut zum visuellen cortex.

In der Maus, das visuelle Bild, das wirkt sich auf die Netzhaut zu erhalten, mehr als 30 spezialisierte und funktionell unterschiedliche Arten von Ganglienzellen. Diese verschiedenen Zelltypen reagieren unterschiedlich auf den input aus der Photorezeptoren. Zum Beispiel, einige reagieren selektiv auf-dunkel-Kontrasten, während andere empfindlich auf bestimmte räumliche Muster. Die Ströme von Informationen, die ausgehen von dieser retinale Verarbeitung Schritt werden dann vermittelt in mehreren parallelen Kanälen zum Gehirn. „Primaten erscheinen, besitzen eine ebenso vielfältige Reihe von retinalen Ganglienzellen, und dies wahrscheinlich gilt für den Menschen als gut“, sagt Busse. „Mit der Maus als Modellsystem haben wir uns gefragt, welche Arten von Ganglienzellen Projekt in der visual thalamus, und ob die information, die dort ankommt, ist einfach nur an, oder ist die einer Verarbeitung unterzogen und transformation.“ Die visuellen thalamus ist die erste waystation auf dem Weg zur Großhirnrinde, und diese Verarbeitung-Signalweg ist unter anderem verantwortlich für die Wahrnehmung und Analyse von form und Objekt-Erkennung. Beide Fragen durch Busse und Ihre Kollegen haben den Fokus kontroverser Debatten. Auf der einen Seite, funktionale Studien erschienen, zu streiten gegen die Verarbeitung ganglion Eingang in den thalamus. Jedoch neuere anatomische Studien haben gezeigt, dass einzelne Zellen im thalamus erhalten input von mehr als 90 retinaler Ganglienzellen, was stark darauf hindeutet, dass diese thalamic Zellen eine selektive und/oder eine integrative Verarbeitung Rolle.

Sie arbeiten eng zusammen, die teams in München und haben nun untersucht, was passiert, um die eingehenden Signale im visuellen thalamus der Maus. Sie verwendet eine Reihe von kontrollierten visuellen Reize entwickelt, um evozieren eine Reihe von Reaktionen-zum Beispiel der Wechsel von dunkel zu hell oder Umgekehrt, und änderungen im Kontrast oder die Veränderungen im Zeitraum von einem flackernden signal — und analysiert die Reaktionen der beiden Netzhaut-und thalamic-Zellen. Sie fanden, dass die meisten Arten von retinalen Ganglienzellen in der Tat übermittlung von Informationen an den visuellen thalamus. Sie benutzte dann die Ergebnisse der elektrophysiologischen Messungen zu konstruieren, ein computer-Modell, dass Sie erlaubt, die daraus abgeleitet werden, welche und wie viele, die diese Zellen dazu beitragen, die Reaktion des thalamus. „Das Modell zeigte, dass die Reaktion des einzelnen thalamus Zelle hängt von nicht mehr als fünf verschiedene Typen von retinalen Ganglienzellen“, sagt Busse. Die Zelle im wesentlichen kombiniert die Signale, die von diesen fünf Zelltypen, aber nicht alle erhalten das gleiche Gewicht. Stattdessen werden die Informationen aus zwei Arten von input-Zelle dominiert das output-signal von jeder beliebigen thalamus Zelle. Die Signale, die beigetragen haben, indem Sie die anderen drei haben wenig Einfluss auf die form der Ausgabe, so dass die letztere zeigt oft eine starke ähnlichkeit zu den Eingang, indem Sie eine der retinalen Ganglienzellen.

Nach Ansicht der Autoren, jedoch die schwachen Signale, vermittelt durch den nicht-dominanten Zelltypen, kann trotzdem helfen, dass das visuelle system mehr ‚robust‘ auf rechnerische Fehler-beispielsweise durch die Verbesserung der funktionalen verbindungen zwischen den Zellen in dem Netzwerk, in Fällen, in denen eine einzelne retinalen Ganglienzellen Projekte zu vielen verschiedenen Zellen im thalamus. Es ist auch möglich, dass die relative Gewichtung der Signale kann vielfältig sein, damit verschiedene Kombinationen von Eingabe-dynamisch bearbeitet, während der Lernprozesse, zum Beispiel. „Bei allen Veranstaltungen der thalamus ist nicht nur eine passiv-relais-station zwischen der Netzhaut und dem Gehirn. Es dient auch als signal-Verarbeitung Seite, und spielt eine wichtige Rolle in der Gewichtung der eingehenden Signale.“

Die Arbeit wurde unterstützt durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Collaborative Research Center 1233 auf starke Vision.