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Multiplexing im Gehirn: unabhängige Kodierung von Orientierung und Bewegung erstmals gezeigt

24.03.2011
Überlagerte Aktivitätsmuster übermitteln unterschiedliche Informationen beim Sehen

Fährt mein Zug an oder der am Gleis gegenüber? Welcher Zug sich in Bewegung setzt, erkennt man oft erst dann, wenn man beim Blick aus dem Fenster Relativbewegungen von Konturen an verschiedenen Orten erfasst hat.


Das Gehirn kodiert gleichzeitig Orientierung und Bewegung eines Objekts. Ein horizontales Streifenmuster wurde auf einem Bildschirm gezeigt (rechts skizziert), und dann nach unten bewegt. Von links nach rechts: Blick auf die Gehirnoberfläche und ein 20 Millisekunden Kamera-Schnappschuss aktiver Bereiche. Dunkel gefärbt (rot umrandet) sind Regionen, in denen Nervenzellen vermehrt aktiv sind, die horizontal orientierte Kanten kodieren. Diesem Muster überlagert sind Aktivitätswellen (rot markiert den Wellenkamm der Aktivierung, blau niedrige Amplitude), die sich in Richtung und Geschwindigkeit des Gitters bewegten. Damit wurde erstmalig sichtbar gemacht, wie Informationen im Gehirn über Orientierung eines Objekts und dessen Bewegung gleichzeitig verarbeitet und getrennt weitergeleitet werden. Jancke/RUB

Doch wie werden diese unterschiedlichen Informationen gleichzeitig durch dasselbe Netzwerk aus Millionen aktivierter Nervenzellen im Gehirn geschleust? „Nervenzellen synchronisieren sich mit unterschiedlichen Partnern in verschiedenen Frequenzen“, erklärt Dr. Dirk Jancke, Neurowissenschaftler an der Ruhr-Universität in Bochum.

So entstehen sich überlagernde Aktivitätsmuster, die jeweils Richtung, Geschwindigkeit und Orientierung von Objekten abbilden. Dieses „Gehirn-Multiplexing“ zeigen Bochumer Wissenschaftler zusammen mit Kollegen der Universität Osnabrück mit Hilfe eines neuen bildgebenden Verfahrens, des „Real-time Optical Imagings“. Ihre Ergebnisse sind im Journal „NeuroImage“ veröffentlicht.

Optische Messung von Gehirnaktivität in Echtzeit

Das optische Verfahren nutzt die Eigenschaften von bestimmten fluoreszierenden Farbstoffen: Sie lagern sich in die Membranen von Nervenzellen ein und ändern ihre Leuchtintensität immer dann, wenn die Zellen elektrische Impulse erhalten oder aussenden. Ein hochauflösendes Kamerasystem sorgt dafür, dass so die Aktivitäten von Nervenzellen über mehrere Quadratmillimeter große Oberflächenbereiche des Gehirns erfasst werden können.

Bewegung von Objektkonturen erstmalig im Gehirn sichtbar gemacht

Als visuellen Reiz setzten die Wissenschaftler einfache, schwarz-weiße Streifenmuster ein, die sich mit konstanter Geschwindigkeit über einen Monitor bewegten. Solche Gitterreize werden seit mehr als 50 Jahren für die Erforschung des Sehsystems genutzt und gehören zum Standardrepertoire bei der medizinischen Diagnose visueller Erkrankungen. Dennoch wurden Gehirnsignale, die gleichzeitig die Orientierung des Gitterreizes und dessen räumliche Verschiebung darstellen, bis heute nicht gefunden. Diese sehr kleinen Signale konnten die Forscher zum ersten Mal nachweisen. Um sie schließlich sichtbar machen zu können, waren weitere, rechenaufwendige mathematische Analyseschritte notwendig.

Gehirnbereiche wählen „die Frequenz“

Optical Imaging zeigt, wie die Orientierung von Objekten durch spezifische Aktivitätsmuster – so genannte Karten – in der primären Sehrinde des Gehirns abgebildet ist. In diesen Karten repräsentieren lokale Gruppen von Nervenzellen bestimmte Kantenorientierungen, beispielsweise waagerecht oder horizontal. So entsteht eine Art Punktemuster auf der Gehirnoberfläche, dessen Anordnung die Orientierung des gezeigten Gitterreizes widerspiegelt. „Durch unser neues Imaging-Verfahren sehen wir nun zusätzlich Aktivitätswellen, die sich als Streifenmuster über die Oberfläche des Gehirns bewegen. Das heißt, Bewegungsrichtung, Geschwindigkeit und Orientierungskarten sind getrennt repräsentiert. Dies hilft Mehrdeutigkeiten aufzulösen, wie sie häufig in natürlichen Bildsequenzen auftreten“, so Dr. Jancke. Die entstehenden raum-zeitlich oszillierenden Muster können dann individuell an nachfolgende Gehirngebiete übertragen und interpretiert werden. Dr. Jancke nutzt zur Veranschaulichung einen Vergleich: „Radios empfangen gleichzeitig einen permanenten Strom an Informationen über Radiowellen. Um nun einen bestimmten Sender hören zu können, wählen wir gezielt dessen Frequenz. So könnte zum Beispiel ein nachfolgendes Gehirnareal die Orientierung eines Objektes analysieren, während andere gleichzeitig dessen Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit verarbeiten.“

Komplexere Reize einsetzen

Die Wissenschaftler erhoffen sich für die Zukunft weitere Erkenntnisse über die parallele Echtzeitverarbeitung im Gehirn durch die Verwendung komplexerer Sehreize. Denn offenbar werden natürliche Bilder, denen wir täglich ausgesetzt sind, effizient verarbeitet. „Es bleibt spannend herauszufinden, wie unser Gehirn aus diesen komplexen Informationen stabile Sinneseindrücke in jedem Augenblick erzeugt“, so Jancke.

Titelaufnahme

Onat S, Nortmann N, Rekauzke S, König P, Jancke D (2011). Independent encoding of grating motion across stationary feature maps in primary visual cortex visualized with voltage-sensitive dye imaging. Neuroimage 55: 1763-1770. http://dx.doi.org/10.1016/j.neuroimage.2011.01.004

Weitere Informationen

Dr. Dirk Jancke, Real-time Optical Imaging Group, Institut für Neuroinformatik NB 2/27, Ruhr-Universität, 44780 Bochum, Tel: 0234 32 27845, E-Mail: jancke@neurobiologie.rub.de, http://homepage.ruhr-uni-bochum.de/Dirk.Jancke/

Redaktion: Meike Drießen

Dr. Josef König | idw
Weitere Informationen:
http://www.ruhr-uni-bochum.de/
http://homepage.ruhr-uni-bochum.de/Dirk.Jancke/brain_multiplexing.html

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