Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Nervenzellen rechnen mit Hilfe von Erwartungen

01.03.2016

Unsere visuelle Umwelt ist unglaublich komplex: Auf kleinstem Raum finden sich unzählige Farben, Strukturen und Kontraste. Trotzdem können wir Objekte und Bewegungen zielsicher erkennen. Doch auch das Fruchtfliegenhirn, das nur einen Bruchteil unserer Nervenzellen besitzt, schafft diese Unterscheidungen.

Forscher am Max-Planck-Institut für Neurobiologie in Martinsried haben nun Hinweise darauf gefunden, dass sich der visuelle Bewegungssinn der Fruchtfliege im Laufe von Jahrmillionen optimal an die Eigenschaften der Umwelt angepasst hat. Das ungleiche Verhältnis zwischen hellen und dunklen Bereichen in der Natur spiegelt sich in einer ähnlich asymmetrischen Verarbeitung im Fliegenhirn wider.


T4-Zellen im Fliegenhirn werden vor allem dann aktiv, wenn die Augen eine sich langsam bewegende helle Kante wahrnehmen.

MPI für Neurobiologie / Ammer


Untersuchungen in einer virtuellen Umgebung zeigen, wie erwartete Eigenschaften einer komplexen Umwelt in Nervenzellberechnungen einfließen.

MPI für Neurobiologie / Prech & Leonhardt

Ohne dass wir uns dessen bewusst sind, löst unser Sehsystem in jeder Sekunde ungemein schwierige Aufgaben. Um beispielsweise nach einem Stift zu greifen, muss dessen Form und Textur rasch und präzise von dutzenden anderen, zum Teil sehr ähnlichen Objekten in der Umgebung unterschieden werden.

Das funktioniert unter verschiedensten Lichtbedingungen und auch vor fast beliebigen Hintergründen. Um die Verarbeitung zu erleichtern, bezieht das Sehsystem Erwartungen an typische Eigenschaften der Umgebung in seine Berechnungen mit ein. Wie diese Erwartungen in die Nervenzellberechnung einfließen, untersucht Alexander Borst und sein Team am Max-Planck-Institut für Neurobiologie an der Fruchtfliege Drosophila.

Kurskorrektur in virtueller Umgebung

Für ihre Untersuchungen nutzen die Forscher ein angeborenes Verhalten der Fliegen. Mit Hilfe der sogenannten optomotorischen Reaktion können die Tieren stabil auf Kurs bleiben: Wird eine Fliege zum Beispiel durch eine Windböe nach links von ihrem Kurs abgebracht, rotiert aus ihrer Sicht die gesamte Welt nach rechts. Um wieder auf Kurs zu kommen, dreht sich das Tier daher zuverlässig in dieselbe Richtung wie die wahrgenommene Bildbewegung, in diesem Fall also nach rechts.

Um die Grundlagen dieser Kurskorrektur zu untersuchen, haben die Forscher eine virtuelle Umgebung für die Tiere gebaut. Drei Monitore gaukeln der Fliege vor, dass sie durch verschiedene natürliche Umgebungen navigiert, während Sensoren ihre Bewegungen auf einem luftgepolsterten Styropor-Ball verfolgen.

“Für die Panorama-Bilder, die wir für diese Experimente benutzt haben, bin ich mit meinem Smartphone tagelang durch die Wälder um das Institut gekrochen”, berichtet Aljoscha Leonhardt, einer der Erstautoren der Studie. Hin und wieder simulierten die Forscher dann eine virtuelle Böe — die Umgebung auf den Monitoren dreht sich kurzzeitig nach links oder rechts. Wie in der Natur gleicht Drosophila diesen optischen Drift gekonnt aus: Im Bruchteil einer Sekunde läuft das Insekt wieder gerade durch die virtuelle Welt.

Im nächsten Schritt unterdrückten die Forscher mithilfe eines genetischen Tricks die Aktivität derjenigen Nervenzellen, welche im Fliegengehirn die Bewegungsrichtung berechnen und diese letztendlich in eine Drehung umsetzen. Ähnlich wie bei Wirbeltieren passiert dies im optischen System der Fliege in zwei parallelen Kanälen: einmal für Helligkeits-Zunahmen (ON-Kanal) und einmal für Helligkeits-Abnahmen (OFF-Kanal).

Ersteres wird in sogenannten T4-Zellen erledigt, letzteres in T5-Zellen. Wurden beide Nervenzelltypen ausgeschaltet, konnten die Tiere die Bewegungen ihrer Umwelt nicht mehr sehen und ihren Kurs auch nicht mehr korrigieren. Wurde jedoch nur einer dieser Kanäle ausgeschaltet, glichen die Fliegen zur Überraschung der Neurobiologen die virtuelle Böe weiterhin schnell und effizient aus. Jeder der beiden Kanäle scheint daher optimal auf Umweltveränderungen zu reagieren.

Parallel mit Unterschieden

Die weiteren Untersuchungen zeigten jedoch deutliche Unterschiede in den beiden Kanälen. Während die T4-Zellen des ON-Kanals zum Beispiel stark auf sich langsam bewegende helle Kanten reagierten, wurden die T5-Zellen des OFF-Kanals vor allem bei schnellen, dunklen Kanten aktiv. Um zu überprüfen, ob es sich bei dieser Asymmetrie um eine Anpassung an die Natur handelt, simulierten die Forscher das Netzwerk am Computer. Sie trainierten virtuelle T4- und T5-Zellen darauf, möglichst gut die Geschwindigkeit von Bewegungen natürlicher Bilder zu schätzen. Das Ergebnis zeigte eine ganz ähnliche Asymmetrie wie die vorangegangenen physiologischen Untersuchungen.

“Wir nehmen an, dass sich die funktionellen Unterschiede zwischen T4- und T5-Zellen als Anpassung an die unterschiedliche Verteilung von Hell und Dunkel in der natürlichen visuellen Umgebung entwickelt haben”, erklärt Georg Ammer, der zweite Erstautor der Studie. Das Einbeziehen solcher Erwartungen an die natürlichen Umweltbedingungen macht die Verarbeitung robuster und effizienter. Da Menschen und Fliegen in visuell ähnlichen Umgebungen leben ist es denkbar, dass auch diese Erkenntnis über die visuelle Verarbeitung im Fliegenhirn eine Parallele im menschlichen Gehirn findet.

[AL/GA/SM]

ORIGINALVERÖFFENTLICHUNG
Aljoscha Leonhardt, Georg Ammer, Matthias Meier, Etienne Serbe, Armin Bahl und Alexander Borst
Asymmetry of Drosophila ON and OFF motion detectors enhances real-world velocity estimation
Nature Neuroscience, 29. Februar 2016

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://www.neuro.mpg.de/borst/de - Webseite der Abteilung von Alexander Borst am Max-Planck-Institut für Neurobiologie

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

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Eine Karte der Zellkraftwerke
18.08.2017 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

nachricht Chronische Infektionen aushebeln: Ein neuer Wirkstoff auf dem Weg in die Entwicklung
18.08.2017 | Deutsches Zentrum für Infektionsforschung

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: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

European Conference on Eye Movements: Internationale Tagung an der Bergischen Universität Wuppertal

18.08.2017 | Veranstaltungen

Einblicke ins menschliche Denken

17.08.2017 | Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Eine Karte der Zellkraftwerke

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Chronische Infektionen aushebeln: Ein neuer Wirkstoff auf dem Weg in die Entwicklung

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Computer mit Köpfchen

18.08.2017 | Informationstechnologie