Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Nervenzelle vereint theoretische Modelle zur Bewegungserkennung

09.08.2016

Lichtsinneszellen reagieren, wie der Name schon sagt, auf Licht: Ist ein Bildpunkt hell, oder dunkel? Eine Bewegungsrichtung zeigt das nicht an. Diese Wahrnehmung entsteht erst im Gehirn durch vergleichende Verrechnungen benachbarter Lichtsignale. Wie diese Verrechnungen genau aussehen, darüber diskutieren Ingenieure, Physiker und Neurobiologen seit rund 50 Jahren. Nun vereinen Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Neurobiologie zwei bislang als Alternativen angesehene Konzepte – auf einer einzelnen Nervenzelle im Gehirn einer Fruchtfliege.

Fliegen sind meist schwer zu fangen. Kein Wunder, denn sie investieren rund zehn Prozent ihres Gehirns dafür, Bewegungen zu erkennen und zu verarbeiten. Für die Fliege nähert sich eine Hand wie in Zeitlupe, und die Ausweichbewegung ist längst eingeleitet, bevor ernsthaft Gefahr besteht.


Wissenschaftler vereinen zwei theoretische Modelle dazu, wie Nervenzellen des Fliegenhirns aus Lichtsignalen, die nacheinander benachbarte Facetten des Auges treffen, die Bewegungsrichtung errechnen

MPI für Neurobiologie / Schorner

Wie das Fliegenhirn Bewegungen so schnell und präzise wahrnehmen und verarbeiten kann, daran forschen Wissenschaftler seit Jahrzehnten. „Nun rückt das Ziel langsam in Sicht, und wir sind nah dran, den neuronalen Schaltkreis des Bewegungssehens der Fliege vollständig zu entschlüsseln“, resümiert Alexander Borst, der mit seiner Abteilung am Max-Planck-Institut für Neurobiologie seit Langem an diesem Problem arbeitet. Jetzt haben die Wissenschaftler einen weiteren Schritt getan: Sie liefern experimentelle Daten, die zwei zuvor als alternative Theorien geltenden Ansätze vereinen.

Vor mehr als 50 Jahren wurden zwei rivalisierende theoretische Modelle entwickelt, die zu erklären versuchten, wie aus den Signalen benachbarter Bildpunkte Information über die Bewegungsrichtung errechnet werden kann. Die eine Theorie besagt, dass sich Lichtreize bei Bewegung entlang einer Richtung, der sogenannten Vorzugsrichtung, gegenseitig verstärken.

Das andere Modell nimmt dagegen an, dass sich Lichtreize entlang der entgegengesetzten Richtung, der sogenannten Nullrichtung, gegenseitig unterdrücken. In beiden Fällen würde so ein schwach richtungsselektives Signal entstehen, welches anschließend noch nachbearbeitet und verstärkt werden müsste. „Interessanterweise haben wir aber gefunden, dass bereits die ersten Zellen, die auf Bewegungsreize reagieren - die sogenannten T4- und T5-Zellen - eine stark ausgeprägte Richtungsselektivität zeigen“, berichtet Alexander Borst.

Um diesen Widerspruch zu den beiden Modellen zu untersuchen, verfeinerten die Neurobiologen einen Versuchsaufbau, sodass sie nacheinander einzelne funktionelle Kolumnen des Fliegenhirns stimulieren und die Antworten der richtungsselektiven T4-Zellen aufnehmen konnten. Die Messungen und auch die entsprechenden Computersimulationen waren eindeutig:

T4-Zellen verstärken die Eingangssignale, wenn diese entlang ihrer Vorzugsrichtung laufen, und unterdrücken sie, wenn sie entlang der Nullrichtung laufen. In den T4-Zellen des Fliegengehirns sind somit beide vorgeschlagenen Mechanismen realisiert: aus dem ‚Entweder-oder‘ wurde ein ‚Sowohl-als-auch‘. „Kein Wunder, dass diese Zellen so präzise zwischen den Bewegungsrichtungen unterscheiden können“, meint Jürgen Haag, der Erstautor der Studie. „Die Lösung der Natur ist komplizierter als die bislang vorgeschlagenen Modelle.“

Für die Computersimulationen dieses kombinierten Mechanismus benötigten die Martinsrieder Forscher drei verschiedene Eingangssignale zu den T4-Zellen. Interessanterweise erhalten T4-Zellen aber Eingangssignale von vier anderen Zellen. Dies lässt vermuten, dass der vierte, bisher noch ungeklärte Eingangskanal auf die T4-Zellen eine weitere Überraschung für die endgültige Berechnung bereithält. „Welche Informationen die T4-Zellen über diesen vierten Kanal erhalten, das wollen wir jetzt natürlich auch noch wissen“, beschreibt Alexander Borst den nächsten Schritt. „Dann haben wir erstmals gezeigt, wie in einem neuronalen Netzwerk aus einzelnen Bildpunkten die Information über die Bewegungsrichtung errechnet wird.“

ORIGINALVERÖFFENTLICHUNG
Jürgen Haag, Alexander Arenz, Etienne Serbe, Fabrizio Gabbiani und Alexander Borst
Complementary Mechanisms Create Direction Selectivity in the Fly
eLife, online am 9. August 2016. DOI: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.17421

KONTAKT:
Dr. Stefanie Merker
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Neurobiologie, Martinsried
Tel.: 089 8578 - 3514
E-mail: merker@neuro.mpg.de

Prof. Dr. Alexander Borst
Abteilung Schaltkreise – Information – Modelle
Max-Planck-Institut für Neurobiologie, Martinsried
Tel.: 089 8578 - 3251
Email: borst@neuro.mpg.de

Weitere Informationen:

http://dx.doi.org/10.7554/eLife.17421 - DOI zur Publikation in eLife
http://www.neuro.mpg.de/borst/de - Webseite der Abteilung von Prof. Alexander Borst

Dr. Stefanie Merker | Max-Planck-Institut für Neurobiologie

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Biologischer Lichtsensor in Aktion gefilmt
15.06.2018 | Paul Scherrer Institut (PSI)

nachricht Belohnung fürs Gehirn
15.06.2018 | 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: AchemAsia 2019 in Shanghai

Die AchemAsia geht in ihr viertes Jahrzehnt und bricht auf zu neuen Ufern: Das International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production findet vom 21. bis 23. Mai 2019 in Shanghai, China statt. Gleichzeitig erhält die Veranstaltung ein aktuelles Profil: Die elfte Ausgabe fokussiert auf Themen, die für Chinas Prozessindustrie besonders relevant sind, und legt den Schwerpunkt auf Nachhaltigkeit und Innovation.

1989 wurde die AchemAsia als Spin-Off der ACHEMA ins Leben gerufen, um die Bedürfnisse der sich damals noch entwickelnden Iindustrie in China zu erfüllen. Seit...

Im Focus: AchemAsia 2019 will take place in Shanghai

Moving into its fourth decade, AchemAsia is setting out for new horizons: The International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production will take place from 21-23 May 2019 in Shanghai, China. With an updated event profile, the eleventh edition focusses on topics that are especially relevant for the Chinese process industry, putting a strong emphasis on sustainability and innovation.

Founded in 1989 as a spin-off of ACHEMA to cater to the needs of China’s then developing industry, AchemAsia has since grown into a platform where the latest...

Im Focus: Li-Fi erstmals für das industrielle Internet der Dinge getestet

Mit einer Abschlusspräsentation im BMW Werk München wurde das BMBF-geförderte Projekt OWICELLS erfolgreich abgeschlossen. Dabei wurde eine Li-Fi Kommunikation zu einem mobilen Roboter in einer 5x5m² Fertigungszelle demonstriert, der produktionsübliche Vorgänge durchführt (Teile schweißen, umlegen und prüfen). Die robuste, optische Drahtlosübertragung beruht auf räumlicher Diversität, d.h. Daten werden von mehreren LEDs und mehreren Photodioden gleichzeitig gesendet und empfangen. Das System kann Daten mit mehr als 100 Mbit/s und fünf Millisekunden Latenz übertragen.

Moderne Produktionstechniken in der Automobilindustrie müssen flexibler werden, um sich an individuelle Kundenwünsche anpassen zu können. Forscher untersuchen...

Im Focus: First real-time test of Li-Fi utilization for the industrial Internet of Things

The BMBF-funded OWICELLS project was successfully completed with a final presentation at the BMW plant in Munich. The presentation demonstrated a Li-Fi communication with a mobile robot, while the robot carried out usual production processes (welding, moving and testing parts) in a 5x5m² production cell. The robust, optical wireless transmission is based on spatial diversity; in other words, data is sent and received simultaneously by several LEDs and several photodiodes. The system can transmit data at more than 100 Mbit/s and five milliseconds latency.

Modern production technologies in the automobile industry must become more flexible in order to fulfil individual customer requirements.

Im Focus: ALMA entdeckt Trio von Baby-Planeten rund um neugeborenen Stern

Neuartige Technik, um die jüngsten Planeten in unserer Galaxis zu finden

Zwei unabhängige Astronomenteams haben mit ALMA überzeugende Belege dafür gefunden, dass sich drei junge Planeten im Orbit um den Säuglingsstern HD 163296...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Künstliche Intelligenz – Schafft der Mensch seine Arbeit ab?

15.06.2018 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Asteroidenforschung in Garching

13.06.2018 | Veranstaltungen

Meteoriteneinschläge und Spektralfarben: HITS bei Explore Science 2018

11.06.2018 | Veranstaltungen

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

EMAG auf der AMB: Hochproduktive Lösungen für die vernetzte Automotive-Produktion

15.06.2018 | Messenachrichten

AchemAsia 2019 in Shanghai

15.06.2018 | Messenachrichten

Dem Fettfinger zu Leibe rücken: Neuer Nanolack soll Antifingerprint-Oberflächen schaffen

15.06.2018 | Materialwissenschaften

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