Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein Drehbuch für die Gehirnentwicklung

22.05.2009
Wissenschaftler untersuchen die mathematischen Prinzipien für die Entwicklung des Sehzentrums im Gehirn

Bei Fischen verarbeitet jede Hirnhälfte nur Bilder aus dem jeweils gegenüberliegenden Auge. Bei neugeborenen Säugetieren verhält es sich recht ähnlich: Fast alle neuronalen Eingänge in die Sehrinde des Gehirns stammen vom gegenüberliegenden Auge. Erst im Laufe der Entwicklung werden die Aufgaben umverteilt. Jede Hirnhälfte verarbeitet dann Informationen aus beiden Augen.

Für dieses Phänomen hatten Wissenschaftler bislang keine Erklärung. Handelt es sich dabei um ein Überbleibsel der Evolution - ähnlich der Ausbildung von Kiemen in der menschlichen Embryonalentwicklung? Welche Bedeutung hat diese Entwicklung? Diese Fragen konnten jetzt Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, vom Bernstein Zentrum für Computational Neuroscience Göttingen und von der Universität Jena klären. "Denn nur so kann die Architektur des Sehzentrums im Gehirn korrekt entstehen", sagt Fred Wolf, der Leiter der Studie. (Physical Review Letters, 18. Mai 2009)

Zellen in der Sehrinde reagieren auf definierte Bildelemente wie Kanten und Konturen. Jede Zelle hat dabei eine "Orientierungspräferenz" - das heißt, dass sie ist auf Kantenverläufe in einem bestimmten Winkel spezialisiert ist. Würde man Zellen gleicher Spezialisierung jeweils mit einer Farbe einfärben, bekäme man eine so genannte "Karte der Orientierungspräferenz". Zellen ähnlicher Orientierungspräferenz liegen in der Regel nebeneinander. Aber es gibt Ausnahmen, so genannte "Pinwheels": Regionen, in denen ganz unterschiedliche Zellen zusammentreffen, wie im Zentrum eines Windrädchens. Diese Zellanordnung gewährleistet eine optimale Funktion des Gehirns bei möglichst kurzen Verarbeitungsstrecken - denn es muss sowohl Nervenzellen geben, die mit Zellen gleicher Orientierungspräferenz verschaltet sind, als auch solche, die mit Zellen anderer Orientierungspräferenz in Verbindung stehen.

Darüber hinaus antworten Zellen der Sehrinde bevorzugt auf Reize, die jeweils nur eines der beiden Augen sieht. Die entsprechende Karte der "Okulardominanz" ändert sich im Laufe der frühen Entwicklung. Schon lange haben sich Wissenschaftler deshalb gefragt, wie diese verschiedenen Karten zustande kommen. "Es steht kein Ingenieur dahinter, der sie plant, sondern sie müssen durch Selbstorganisation während der Entwicklung entstehen", sagt Fred Wolf vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation und dem Bernstein Zentrum für Computational Neuroscience in Göttingen.

Viele Modelle für die Selbstorganisation des Gehirns konnten zwar die Entstehung der Karte der Orientierungspräferenz erklären, nicht aber deren Stabilität: Pinwheels unterschiedlicher Orientierung schienen sich gegenseitig auszulöschen. Um die Stabilität dieser Pinwheels zu verstehen, zogen die Wissenschaftler die Möglichkeit in Betracht, dass unterschiedliche Karten sich gegenseitig beeinflussen. In ihrem Modell halten Pinwheels einen möglichst großen Abstand zu den Grenzen in den Okulardominanz-Karten. Computersimulationen zeigten, dass unter diesen Voraussetzungen Pinwheels bestehen bleiben. Die Karte der Okulardominanz stabilisiert also die Karte der Orientierungspräferenz. Allerdings geschieht dies nur unter einer Bedingung: Entscheidend bei dem Prozess ist eine anfängliche Asymmetrie in der Karte der Okulardominanz - eben jener Eigenschaft, in der das Säugerhirn dem von Fischen ähnelt. Bei neugeborenen Säugern antwortet die Mehrzahl der Zellen in der Sehrinde bevorzugt auf Reize aus dem gegenüberliegenden Auge, Informationen aus dem anderen Auge gewinnen erst später an Einfluss. Wie die Wissenschaftler zeigten, hat dieser archetypische Entwicklungsverlauf auch heute noch eine entscheidende Funktion: Nur so entsteht die Karte der Okulardominanz korrekt und kann somit auch die Entstehung der Karte der Orientierungspräferenz richtig steuern.

Ähnlich wie Okulardominanz und Orientierungspräferenz in der Sehrinde müssen vermutlich auch in anderen Gebieten der Großhirnrinde, die für die Verarbeitung komplexerer Informationen zuständig sind, unterschiedliche Repräsentationen in Einklang gebracht werden. Nur so können wir Bilder und Worte oder akustische und visuelle Informationen zusammenbringen. Die Untersuchungen, wie sich Okulardominanz und Orientierungspräferenz gegenseitig beeinflussen, stellen vermutlich ein gut zugängliches Modell dieser allgemeineren Vorgänge dar.

Originalveröffentlichung:
Lars Reichl, Siegrid Löwel und Fred Wolf.
Pinwheel stabilization by ocular dominance segregation.
Physical Review Letters, 102, 208101, 18. Mai 2009
DOI: 10.1103/PhysRevLett.102.208101
Ansprechpartner:
Dr. Katrin Weigmann
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Bernstein Netzwerk Computational Neuroscience
Bunsenstr. 10
37073 Göttingen
Tel.: +49 551-5176-434
E-Mail: weigmann@nld.ds.mpg.de
Dr. Birgit Krummheuer
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation
Bunsenstr. 10
37073 Göttingen
Tel.: +49 551 5176-668
mobil: +49 173 3958625
E-Mail: birgit.krummheuer@ds.mpg.de
Prof. Dr. Fred Wolf
Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation
Bunsenstr. 10
37073 Göttingen
Tel.: +49 551 - 5176 - 423
fred@nld.ds.mpg.de

Dr. Katrin Weigmann | idw
Weitere Informationen:
http://www.ds.mpg.de/
http://www.bccn-goettingen.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Multifunktionaler Mikroschwimmer transportiert Fracht und zerstört sich selbst
26.04.2018 | Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme

nachricht Der lange Irrweg der ADP Ribosylierung
26.04.2018 | Max-Planck-Institut für Biologie des Alterns

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: Why we need erasable MRI scans

New technology could allow an MRI contrast agent to 'blink off,' helping doctors diagnose disease

Magnetic resonance imaging, or MRI, is a widely used medical tool for taking pictures of the insides of our body. One way to make MRI scans easier to read is...

Im Focus: Fraunhofer ISE und teamtechnik bringen leitfähiges Kleben für Siliciumsolarzellen zu Industriereife

Das Kleben der Zellverbinder von Hocheffizienz-Solarzellen im industriellen Maßstab ist laut dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und dem Anlagenhersteller teamtechnik marktreif. Als Ergebnis des gemeinsamen Forschungsprojekts »KleVer« ist die Klebetechnologie inzwischen so weit ausgereift, dass sie als alternative Verschaltungstechnologie zum weit verbreiteten Weichlöten angewendet werden kann. Durch die im Vergleich zum Löten wesentlich niedrigeren Prozesstemperaturen können vor allem temperatursensitive Hocheffizienzzellen schonend und materialsparend verschaltet werden.

Dabei ist der Durchsatz in der industriellen Produktion nur geringfügig niedriger als beim Verlöten der Zellen. Die Zuverlässigkeit der Klebeverbindung wurde...

Im Focus: BAM@Hannover Messe: Innovatives 3D-Druckverfahren für die Raumfahrt

Auf der Hannover Messe 2018 präsentiert die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), wie Astronauten in Zukunft Werkzeug oder Ersatzteile per 3D-Druck in der Schwerelosigkeit selbst herstellen können. So können Gewicht und damit auch Transportkosten für Weltraummissionen deutlich reduziert werden. Besucherinnen und Besucher können das innovative additive Fertigungsverfahren auf der Messe live erleben.

Pulverbasierte additive Fertigung unter Schwerelosigkeit heißt das Projekt, bei dem ein Bauteil durch Aufbringen von Pulverschichten und selektivem...

Im Focus: BAM@Hannover Messe: innovative 3D printing method for space flight

At the Hannover Messe 2018, the Bundesanstalt für Materialforschung und-prüfung (BAM) will show how, in the future, astronauts could produce their own tools or spare parts in zero gravity using 3D printing. This will reduce, weight and transport costs for space missions. Visitors can experience the innovative additive manufacturing process live at the fair.

Powder-based additive manufacturing in zero gravity is the name of the project in which a component is produced by applying metallic powder layers and then...

Im Focus: IWS-Ingenieure formen moderne Alu-Bauteile für zukünftige Flugzeuge

Mit Unterdruck zum Leichtbau-Flugzeug

Ingenieure des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden haben in Kooperation mit Industriepartnern ein innovatives Verfahren...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Konferenz »Encoding Cultures. Leben mit intelligenten Maschinen« | 27. & 28.04.2018 ZKM | Karlsruhe

26.04.2018 | Veranstaltungen

Konferenz zur Marktentwicklung von Gigabitnetzen in Deutschland

26.04.2018 | Veranstaltungen

infernum-Tag 2018: Digitalisierung und Nachhaltigkeit

24.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Weltrekord an der Uni Paderborn: Optische Datenübertragung mit 128 Gigabits pro Sekunde

26.04.2018 | Informationstechnologie

Multifunktionaler Mikroschwimmer transportiert Fracht und zerstört sich selbst

26.04.2018 | Biowissenschaften Chemie

Berner Mars-Kamera liefert erste farbige Bilder vom Mars

26.04.2018 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics