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 Immunabwehr ohne Kollateralschaden
23.01.2017 | Universität Basel

nachricht Mikrobe des Jahres 2017: Halobacterium salinarum - einzellige Urform des Sehens
23.01.2017 | Verband Biologie, Biowissenschaften und Biomedizin in Deutschland e.V.

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: Erstmalig quantenoptischer Sensor im Weltraum getestet – mit einem Lasersystem aus Berlin

An Bord einer Höhenforschungsrakete wurde erstmals im Weltraum eine Wolke ultrakalter Atome erzeugt. Damit gelang der MAIUS-Mission der Nachweis, dass quantenoptische Sensoren auch in rauen Umgebungen wie dem Weltraum eingesetzt werden können – eine Voraussetzung, um fundamentale Fragen der Wissenschaft beantworten zu können und ein Innovationstreiber für alltägliche Anwendungen.

Gemäß dem Einstein’schen Äquivalenzprinzip werden alle Körper, unabhängig von ihren sonstigen Eigenschaften, gleich stark durch die Gravitationskraft...

Im Focus: Quantum optical sensor for the first time tested in space – with a laser system from Berlin

For the first time ever, a cloud of ultra-cold atoms has been successfully created in space on board of a sounding rocket. The MAIUS mission demonstrates that quantum optical sensors can be operated even in harsh environments like space – a prerequi-site for finding answers to the most challenging questions of fundamental physics and an important innovation driver for everyday applications.

According to Albert Einstein's Equivalence Principle, all bodies are accelerated at the same rate by the Earth's gravity, regardless of their properties. This...

Im Focus: Mikrobe des Jahres 2017: Halobacterium salinarum - einzellige Urform des Sehens

Am 24. Januar 1917 stach Heinrich Klebahn mit einer Nadel in den verfärbten Belag eines gesalzenen Seefischs, übertrug ihn auf festen Nährboden – und entdeckte einige Wochen später rote Kolonien eines "Salzbakteriums". Heute heißt es Halobacterium salinarum und ist genau 100 Jahre später Mikrobe des Jahres 2017, gekürt von der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM). Halobacterium salinarum zählt zu den Archaeen, dem Reich von Mikroben, die zwar Bakterien ähneln, aber tatsächlich enger verwandt mit Pflanzen und Tieren sind.

Rot und salzig
Archaeen sind häufig an außergewöhnliche Lebensräume angepasst, beispielsweise heiße Quellen, extrem saure Gewässer oder – wie H. salinarum – an...

Im Focus: Innovatives Hochleistungsmaterial: Biofasern aus Florfliegenseide

Neuartige Biofasern aus einem Seidenprotein der Florfliege werden am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP gemeinsam mit der Firma AMSilk GmbH entwickelt. Die Forscher arbeiten daran, das Protein in großen Mengen biotechnologisch herzustellen. Als hochgradig biegesteife Faser soll das Material künftig zum Beispiel in Leichtbaukunststoffen für die Verkehrstechnik eingesetzt werden. Im Bereich Medizintechnik sind beispielsweise biokompatible Seidenbeschichtungen von Implantaten denkbar. Ein erstes Materialmuster präsentiert das Fraunhofer IAP auf der Internationalen Grünen Woche in Berlin vom 20.1. bis 29.1.2017 in Halle 4.2 am Stand 212.

Zum Schutz des Nachwuchses vor bodennahen Fressfeinden lagern Florfliegen ihre Eier auf der Unterseite von Blättern ab – auf der Spitze von stabilen seidenen...

Im Focus: Verkehrsstau im Nichts

Konstanzer Physiker verbuchen neue Erfolge bei der Vermessung des Quanten-Vakuums

An der Universität Konstanz ist ein weiterer bedeutender Schritt hin zu einem völlig neuen experimentellen Zugang zur Quantenphysik gelungen. Das Team um Prof....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Hybride Eisschutzsysteme – Lösungen für eine sichere und nachhaltige Luftfahrt

23.01.2017 | Veranstaltungen

Mittelstand 4.0 – Mehrwerte durch Digitalisierung: Hintergründe, Beispiele, Lösungen

20.01.2017 | Veranstaltungen

Nachhaltige Wassernutzung in der Landwirtschaft Osteuropas und Zentralasiens

19.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Wie der Nordatlantik zum Wärmepirat wurde

23.01.2017 | Geowissenschaften

Immunabwehr ohne Kollateralschaden

23.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Erstmalig quantenoptischer Sensor im Weltraum getestet – mit einem Lasersystem aus Berlin

23.01.2017 | Physik Astronomie