Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

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

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Wirt oder Gast? Proteomik gibt neue Aufschlüsse über Reaktion von Rifforganismen auf Umweltstress
23.02.2018 | Leibniz-Zentrum für Marine Tropenforschung (ZMT)

nachricht Wie Zellen unterschiedlich auf Stress reagieren
23.02.2018 | Max-Planck-Institut für molekulare Genetik

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: Vorstoß ins Innere der Atome

Mit Hilfe einer neuen Lasertechnologie haben es Physiker vom Labor für Attosekundenphysik der LMU und des MPQ geschafft, Attosekunden-Lichtblitze mit hoher Intensität und Photonenenergie zu produzieren. Damit konnten sie erstmals die Interaktion mehrere Photonen in einem Attosekundenpuls mit Elektronen aus einer inneren atomaren Schale beobachten konnten.

Wer die ultraschnelle Bewegung von Elektronen in inneren atomaren Schalen beobachten möchte, der benötigt ultrakurze und intensive Lichtblitze bei genügend...

Im Focus: Attoseconds break into atomic interior

A newly developed laser technology has enabled physicists in the Laboratory for Attosecond Physics (jointly run by LMU Munich and the Max Planck Institute of Quantum Optics) to generate attosecond bursts of high-energy photons of unprecedented intensity. This has made it possible to observe the interaction of multiple photons in a single such pulse with electrons in the inner orbital shell of an atom.

In order to observe the ultrafast electron motion in the inner shells of atoms with short light pulses, the pulses must not only be ultrashort, but very...

Im Focus: Good vibrations feel the force

Eine Gruppe von Forschern um Andrea Cavalleri am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg hat eine Methode demonstriert, die es erlaubt die interatomaren Kräfte eines Festkörpers detailliert auszumessen. Ihr Artikel Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, nun online in Nature veröffentlich, erläutert, wie Terahertz-Laserpulse die Atome eines Festkörpers zu extrem hohen Auslenkungen treiben können.

Die zeitaufgelöste Messung der sehr unkonventionellen atomaren Bewegungen, die einer Anregung mit extrem starken Lichtpulsen folgen, ermöglichte es der...

Im Focus: Good vibrations feel the force

A group of researchers led by Andrea Cavalleri at the Max Planck Institute for Structure and Dynamics of Matter (MPSD) in Hamburg has demonstrated a new method enabling precise measurements of the interatomic forces that hold crystalline solids together. The paper Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, published online in Nature, explains how a terahertz-frequency laser pulse can drive very large deformations of the crystal.

By measuring the highly unusual atomic trajectories under extreme electromagnetic transients, the MPSD group could reconstruct how rigid the atomic bonds are...

Im Focus: Verlässliche Quantencomputer entwickeln

Internationalem Forschungsteam gelingt wichtiger Schritt auf dem Weg zur Lösung von Zertifizierungsproblemen

Quantencomputer sollen künftig algorithmische Probleme lösen, die selbst die größten klassischen Superrechner überfordern. Doch wie lässt sich prüfen, dass der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Von festen Körpern und Philosophen

23.02.2018 | Veranstaltungen

Spannungsfeld Elektromobilität

23.02.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2018

21.02.2018 | Veranstaltungen

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

Vorstoß ins Innere der Atome

23.02.2018 | Physik Astronomie

Wirt oder Gast? Proteomik gibt neue Aufschlüsse über Reaktion von Rifforganismen auf Umweltstress

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Wie Zellen unterschiedlich auf Stress reagieren

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

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