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Forscher entschlüsseln Teile des neuronalen Kodes

22.12.2009
Frühe Verarbeitungsstufen im Gehirn, zum Beispiel zur Verarbeitung von Sinnesreizen, sind komplexer als bislang angenommen

Prothesen für Gelähmte, Kommunikation mit Patienten, die jegliche Fähigkeit zur normalen Mitteilung verloren haben - die Hoffnungen in die moderne Hirnforschung sind groß. Doch für solche Schnittstellen zwischen Gehirn und Maschine (Cyborgs) wäre ein komplettes Wörterbuch nötig, mit dem man die Aktivität des Gehirns sinnvoll in Wünsche, Vorstellungen und Bewegungspläne übersetzen könnte. Ein Schritt in diese Richtung ist Wissenschaftlern vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt in Zusammenarbeit mit Kollegen von der Technischen Universität Graz gelungen. Sie zeigen, dass bereits frühe Verarbeitungsstadien Informationen über einen längeren Zeitraum zusammenfassen. (PLoS, 22. Dezember 2009)

Wie speichert das Gehirn detaillierte Informationen von Sinnesreizen? Wie viel können Forscher aus der Aktivität bestimmter Gehirnregionen lesen? Aktuelle Resultate bestätigen eine neue Theorie. Bisher waren Wissenschaftler davon ausgegangen, dass in frühen Stadien die Informationsverarbeitung im Gehirn schrittweise vonstatten geht, das heißt dass ähnlich einer Fließbandarbeit ein Sinnesreiz nach dem anderen verarbeitet wird. Diese Vorstellung muss nun revidiert werden. Wie Danko Nikoliæ vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung und seine österreichischen Kollegen Wolfgang Maass und Stefan Häusler gezeigt haben, hängt die Aktivität selbst in frühen Hirnarealen von Reizen ab, die schon eine Weile zurückliegen. "Das Gehirn funktioniert viel eher wie ein Wasserkrug, in den Steine hineingeworfen werden und Wellen erzeugen", erklärt Nikoliæ. "Die Wellen überlagern sich, aber trotzdem bleibt in den resultierenden komplexen Aktivitätsmustern der Flüssigkeit die Information präsent, wie viele, und wie große Steine, wann ins Becken geworfen wurden."

Das Gehirn ist offenbar in der Lage, diese Information nutzbar zu machen, und zum Beispiel nacheinander gesehene Bilder zu überlagern. Die Dauer und Stärke des Nachwirkens von gerade gesehenen Bildern entspricht einem sehr detailreichen visuellen Gedächtnis, das auch ikonisches Gedächtnis genannt wird. Wenn man ein Bild sieht und unmittelbar danach die Augen schließt, bleibt es noch eine kurze Weile sichtbar. Sein Sitz könnte in der primären Sehrinde liegen.

Forscher lesen in der Gehirnaktivität

Die Wissenschaftler zeigten Katzen Buchstaben, während Elektroden die Aktivität von bis zu 100 Zellen der primären Sehrinde aufzeichneten. Am Computer simulierte das Team aus Graz Nervenzellen, die diese Signale interpretieren sollten. Je nach deren Aktivität konnten die Wissenschaftler darauf schließen, welchen Buchstabe die Katzen gerade gesehen hatten. Nach einem kurzen Training waren diese simulierten Zellen sehr verlässlich in ihren Hinweisen. Nun vertauschten die Forscher die Buchstaben, veränderten ihre Präsentationsdauer oder auch die Dauer der Pausen zwischen einzelnen Bildern. Wieder versuchten sie vorherzusagen, welche Buchstaben die Katzen zu diesem Zeitpunkt sahen, aber auch, welchen sie kurz zuvor gesehen hatten. Das Ergebnis unterstützt die "Wellen"-Theorie: Außer Informationen über das gerade gesehene Bild übertrugen die Nervenzellen auch Informationen über die vorangegangenen Bilder.

In einem weiteren Schritt wollten die Forscher herausfinden, in welchen Aspekten der Hirnaktivität die meiste Information liegt. Wie in verschiedenen Sprachen die Tonlage, Melodie oder nur das Wort Bedeutung in sich tragen, könnte die Sprache des Gehirns beispielsweise in der Stärke oder im genauen Timing der Antwort liegen. Um dies herauszufinden, verwischten die Forscher die zeitliche Präzision und beobachteten, wie sich die Vorhersagekraft der simulierten Zellen veränderte. Diese verschlechterte sich ohne die zeitliche Information nachhaltig. Das Gehirn kodiert die Information über einen Reiz offenbar sowohl in der Stärke, wie in der präzisen zeitlichen Struktur der neuronalen Antworten.

Dass die simulierte Zelle zudem relativ einfach aufgebaut war und trotzdem gute Ergebnisse zeigte, freute die Forscher besonders. "Als wir das Auswertungsprogramm komplexer gestalteten, änderte sich die Qualität des Auslesens nur geringfügig. Dies erleichtert den Aufbau von künstlichen Prothesen enorm", sagt Nikoliæ.

Originalveröffentlichung:

Danko Nikoliæ, Stefan Häusler, Wolf Singer and Wolfgang Maass
Distributed fading memory for stimulus properties in the primary visual cortex
PLoS Biology, 22. Dezember 2009
Weitere Informationen erhalten Sie von:
Danko Nikoliæ, Ph.D.
Max-Planck-Institut für Hirnforschung, Frankfurt/Main
Tel.: +49 69 96769-736
Fax: +49 69 96769-327
E-Mail: danko@mpih-frankfurt.mpg.de

Barbara Abrell | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

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