Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wir sehen, was wir gelernt haben

17.02.2004


Noch im erwachsenen Alter wird unsere optische Wahrnehmung durch Lernprozesse im Gehirn optimiert, haben Tübinger Max-Planck-Wissenschaftler aufgedeckt


Das natürliche Bild eines Löwen (rechts) wurde mit visuellem Rauschen (links) vermischt, um eine verrauschte, schwer erkennbare Version des natürlichen Bilds (siehe Mitte bzw. Titelbild der Zeitschrift) herzustellen.
Bild: Robert Shallenberger/US Fish and Wildlife Service


Das Gehirn eine Makaken (macaca mulatta) (links) und eines Menschen (rechts) im Vergleich. Die Sehareale sind in beiden Gehirnen rot schattiert.
Bild: Klaus Lamberty/MPI für biologische Kybernetik



Durch die Vernetzung der Neuronen in den höheren kognitiven Regionen unseres Gehirns sind wir in der Lage, uns an Personen, Objekte oder Ereignisse zu erinnern. Dank der neuronalen Plastizität dieser Vernetzungen können wir uns auch immer wieder neue Inhalte merken. Forscher vom Tübinger Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik haben nun nachgewiesen, dass das Lernen auch starke Auswirkungen auf die Neuronen in den Seharealen selbst hat. Lernprozesse tragen also dazu bei, die Interaktion und Rückkopplung zwischen sensorischen und assoziativen Gehirnarealen zu optimieren und auf diese Weise den für unser Verhalten relevanten Informationsfluss von den Seharealen zu maximieren. Die neuen Ergebnisse werden am 15. Februar 2004 in der in der erst vor kurzem gegründeten Fachzeitschrift "Public Library of Science - Biology (PLoS Biology)" veröffentlicht.



Das Gehirn von Primaten ist in der Lage, bekannte Objekte und Personen mit hoher Genauigkeit zu erkennen, obwohl diese in der Regel in komplexe und dynamische Szenen eingebettet sind. Diese Fähigkeit beruht nicht zuletzt darauf, dass Lernen und neuronale Plastizität es unserem Gehirn auch noch im Erwachsenenalter erlauben, sich ständig neu an eine sich verändernde Umwelt anzupassen und seine Wahrnehmungsprozesse kontinuierlich zu optimieren. So begünstigt wiederholtes Beobachten erfahrungsgemäß das Erkennen, doch wie das Gehirn diese Verbesserungen tatsächlich koordiniert, wusste man bisher nicht.

Visuelle Signale werden zunächst von den Augen zur primären Sehrinde (V1) geleitet und von dort dann an nahe gelegene, ‚niedere’ visuelle Verarbeitungsregionen (z.B. Areal V4) gesendet, die an der visuellen Merkmalsverarbeitung beteiligt sind. Gemeinsam bilden diese Gehirnregionen die so genannten "Sehareale" (vgl. Abb.2). Werden diese verletzt, führt das zu Blindheit. Von diesen Seharealen aus werden die visuellen Signale an ‚höhere’ kognitive Hirnareale im Temporal- und Frontallappen weitergeleitet, die an der Repräsentation von Dingen und Personen beteiligt sind und deren Verletzung dazu führt, dass wir Gegenstände oder Personen nicht mehr erkennen können.

Inzwischen weiß man, dass Lernen im erwachsenen Alter die Aktivität und die Vernetzung von Neuronen in den höheren Gehirnarealen verändert. Man nimmt an, dass diese neuronalen Veränderungen die interne Repräsentation gelernter Inhalte darstellen. Hingegen glaubte man lange Zeit, dass sich die Eigenschaften der Sehareale selbst im erwachsenen Alter nicht mehr verändern. Zwar gibt es seit einiger Zeit erste Hinweise, dass ich die Sehareale ebenfalls beim Lernen verändern, aber welches Ausmaß und welche Verhaltensrelevanz diese Lerneffekte haben, wird immer noch kontrovers diskutiert.

Gregor Rainer, Han Lee und Nikos Logothetis vom Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik haben jetzt nachgewiesen, dass das Lernen tatsächlich auch die Aktivität der sensorischen Gehirnareale stark beeinflusst. Um diese Lerneffekte empirisch untersuchen zu können, hatten die Kognitionsforscher Affen trainiert, bestimmte Naturmotive auch noch in Computerbildern zu identifizieren, die mit Hilfe von Interpolationstechniken in unterschiedlichem Maße unkenntlich gemacht worden waren (vgl. Abb. 1).

Die Forscher zeigten den Affen am Monitor verschiedene Naturbilder, darunter auch von Vögeln und Menschen, in unterschiedlich stark verschwommenen Versionen. Die Affen sahen ein bestimmtes Bild und signalisierten dann, ob ein zweites Bild, dass ihnen kurze Zeit später gezeigt wurde, mit dem ersten übereinstimmte oder nicht. Parallel dazu wurde immer die Aktivität der V4-Neuronen gemessen. Hierbei stellte sich heraus, dass sich bei neuen bzw. unverrauschten Bilder die Aktivität der Neuronen kaum veränderte, während diese stark zunahm, wenn verrauschte Bilder gezeigt wurden. Die Wahrnehmung der teilweise unkenntlichen Bilder verbesserte sich, während zugleich die Aktivität und der Informationsgehalt von V4-Neuronen zunahm.

Doch wie können die einzelnen V4-Neuronen konkret die Fähigkeit verbessern, die verrauschten Bildmotive doch noch zu erkennen? Nachdem die Wissenschaftler eine Gruppe von Neuronen identifiziert hatten, die in Reaktion auf verrauschte Stimuli stärker feuerten, untersuchten die Forscher die Augenbewegungen der Affen, um herauszufinden, auf welche Weise die Affen ihnen bereits bekannte Motive in verrauschten Bildern wieder erkennen können. Hierbei zeigte sich, dass die Augenbewegungen nach dem Lernen wesentlich stärker bei den Original- und den dazu gehörigen verrauschten Bildern überlappten. Die Affen hatten also gelernt, ihre Aufmerksamkeit auf besonders herausragende Eigenschaften der Bilder zu konzentrieren und auf diese Weise auch die verschwommenen Versionen der Originalbilder zu erkennen.

Die Untersuchungen belegen, dass sich das Erkennen vage definierter Bilder durch das Lernen erheblich verbessert, und dass diese besseren Leistungen direkt mit Neuronen im Sehareal V4 in Verbindung stehen. Diese Neurone kompensieren undeutliche visuelle Inhalte, indem sie verschiedene Gehirnregionen miteinander koordinieren, was zu einer lernabhängigen Zunahme der Information über visuelle Inhalte im Sehareal V4 führte. Neurone im Sehareal V4 tragen also entscheidend dazu bei, die Unbestimmtheit von Wahrnehmungsinhalten aufzulösen. Sie interagieren dabei mit höheren Gehirnregionen, damit uneindeutige Bilder richtig interpretiert werden können.

Diese Befunde belegen, dass Lernen auch in den ‚niederen’ Seharealen zu Veränderungen des Informationsgehalts und der Aktivität von Neuronen führt. Sehen und Erkennen ist ein dynamischer Prozess, folgern Rainer und seine Kollegen, der durch die Interaktion zwischen ‚niederen’ sensorischen Regionen und dem Feedback aus‚höheren’ kognitiven Hirnarealen gekennzeichnet ist. Dazu werden die kontinuierlich auf der Netzhaut ankommenden Signale mit den Erwartungen und Erfahrungen des Gehirns verrechnet. Diese Integration zwischen Input und Erwartungen findet bereits in den ‚niederen’ Seharealen statt - wir sehen folglich das, was wir gelernt haben zu erkennen.

Das Projekt wurde unterstützt durch die Österreichische Akademie der Wissenschaften, die Max-Planck-Gesellschaft sowie die Deutsche Forschungsgemeinschaft (Heisenberg-Programm).

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Priv.-Doz. Gregor Rainer, Ph.D.
Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik, Tübingen
Tel.: 07071-601-658, Fax: -652
E-Mail: gregor.rainer@tuebingen.mpg.de

Gregor Rainer | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.tuebingen.mpg.de

Weitere Berichte zu: Affe Gehirnregion Neuron Sehareal V4-Neuronen

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Aus der Moosfabrik
20.10.2017 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

nachricht Wie Fettleibigkeit Brustkrebs aggressiver macht
20.10.2017 | Helmholtz Zentrum München - Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher untersuchen Pflanzenkohle als Basis für umweltfreundlichen Langzeitdünger

20.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

„Antilopen-Parfüm“ hält Fliegen von Kühen fern

20.10.2017 | Agrar- Forstwissenschaften

Aus der Moosfabrik

20.10.2017 | Biowissenschaften Chemie