Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Zellulärer Bewegungsfilter

17.07.2015

Bewegung trotz Stillstand. Im Imax-Kino können großformatige Filme die Illusion der Eigenbewegung hervorrufen, denn das Gehirn berechnet die Eigenbewegung aus dem Vorbeifließen der Umwelt an den Augen.

Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Neurobiologie in Martinsried bei München und ihre Kollegen des Janelia Research Campus in Virginia (USA) fanden nun einen ganz neuen, für diese Berechnungen wichtigen, Nervenzelltyp im Fliegenhirn.


Bewegungsrichtungen werden in getrennten Gehirnbereichen verarbeitet. Ein neuer Zelltyp (hier farbig) durchbricht diese Struktur und verhindert eine Fehlaktivierung durch Störsignale.

A. Nern, Janelia Research Campus

Diese Zellen bilden die Grundlage des sogenannten Bewegungs-Antagonismus: Beim Menschen und anderen Tierarten werden bestimmte Nervenzellen von Bewegungen in eine Richtung aktiviert, von Bewegungen in die Gegenrichtung gehemmt.

Bewegung ist die Änderung der Position mit der Zeit. Klingt eigentlich ganz einfach. Das Erkennen von Bewegungen ist für einzelne Lichtsinneszellen der Netzhaut jedoch eine unlösbare Aufgabe, denn sie "sehen" jeweils nur einen kleinen Ausschnitt des Gesamtbildes.

Verändert sich etwas, ist unklar, ob sich das Objekt bewegt hat oder verschwunden ist. Falls es sich bewegt hat, wohin? Um eine Bewegung und ihre Richtung zu sehen, muss das Gehirn die Bildinformationen einzelner Lichtsinneszellen daher miteinander vergleichen – und zwar zeitverzögert.

Geordnete Verarbeitung

Was dabei genau im Gehirn vorgeht, das entziffern Alexander Borst und sein Team am Max-Planck-Institut für Neurobiologie. Die Forscher nehmen das System Zelle für Zelle auseinander und analysieren Aufbau, Verbindungen und Funktionen der einzelnen Komponenten.

Das geht natürlich nicht im menschlichen Gehirn. Die Wissenschaftler untersuchen das Bewegungssehen am Modell der Fruchtfliege. „Auch wenn sich Fliegen und Menschen unterscheiden – die Verarbeitung optischer Informationen hat sehr viele Parallelen“, sagt Alexander Borst.

So konnten die Wissenschaftler zum Beispiel zeigen, dass das Gesehene bei Fliegen – wie beim Menschen – zunächst in zwei separate Verarbeitungsbahnen aufgetrennt wird: eine Bahn für helle, die andere für dunkle Kanten. Innerhalb jeder dieser Bahnen werden die Informationen dann nach ihrer Richtung sortiert und getrennt weiterverarbeitet. Im Fliegengehirn wissen die Forscher nicht nur, dass dies geschieht, sondern auch welche Zellen dazu wie verschaltet sind.

„Die unterschiedlichen Richtungsbahnen im Gehirn zu finden, das war ein tolles Ergebnis“, erinnert sich Alexander Borst. Wenn die Bewegungsrichtungen jedoch separat verarbeitet werden, warum gibt es dann den sogenannten "Bewegungs-Antagonismus"?

Bei Fliegen, Menschen und vielen anderen Tieren werden großflächige Nervenzellen tiefer im Gehirn durch Bewegung in "ihre" Richtung erregt, während eine Bewegung in die Gegenrichtung diese Zellen zusätzlich hemmt. Bei einer getrennten Verarbeitung der Richtungsinformationen sollte das Hemmen der Gegenrichtung eigentlich überflüssig sein. „Diese kleine Ungereimtheit ließ uns keine Ruhe“, so Borst. Manchmal wollen es Forscher einfach genau wissen.

Grenzgänger mit entscheidender Funktion

Die Wissenschaftler setzten ihr ganzes Können ein, um diesen "kleinen Punkt" zu klären. Wie sich zeigte, entdeckten sie dabei eine entscheidende Schaltkreiskomponente, die LPi-Zellen. Dieser bis dahin unbekannte Nervenzelltyp durchbricht die strikte Ordnung der getrennten Richtungsbahnen: Die Zellen schicken die Informationen von "ihrer" Bahn als hemmendes Signal in die Nachbarbahn, die für die gegenläufige Bewegung zuständig ist.

Die Ergebnisse zeigen, dass LPi-Zellen direkt dafür verantwortlich sind, dass die großflächigen Zellen im Fliegenhirn durch Bewegung entgegen ihrer Vorzugrichtung gehemmt werden. Mit den neu entdeckten Zellen hatten die Wissenschaftler somit die zelluläre Grundlage für den Bewegungs-Antagonismus gefunden. Nun bestand erstmals die Möglichkeit, die funktionelle Bedeutung dieses Phänomens aufzuklären.

Wie die folgenden Untersuchungen zeigten, verhindern die LPi-Zellen, dass die großflächigen Zellen durch unspezifische Signale innerhalb ihres Sehfeldes erregt werden. „Fliegen sind Meister des Bewegungssehens, doch ohne LPi-Zellen könnten sie vor lauter Fehlaktivierungen kaum zwischen verschiedenen Bewegungen unterscheiden“, fasst Alex Mauss die Ergebnisse seiner gerade erschienenen Studie zusammen.

Blockierten die Wissenschaftler die Funktion der LPi-Zellen, so wurden die großflächigen Zellen nun durch Bewegungsmuster, wie sie beim Vorwärtsflug entstehen, genauso erregt, wie durch Muster, die bei Drehbewegungen entstehen. Die Forscher hatten somit nicht nur den Schaltplan des Bewegungssehens in diesem Teil des Fliegenhirns restlos aufgeklärt. Sie konnten auch zeigen, wie Störsignale vom System durch einen einfachen Mechanismus herausgefiltert werden.

Originalveröffentlichung
Alex Mauss, Katarina Pankova, Alexander Arenz, Aljoscha Nern, Gerald Rubin, Alexander Borst
Neural Circuit to Integrate Opposing Motions in the Visual Field
Cell, 16. Juli 2015

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 - Webseite des MPI für Neurobiologie
http://www.neuro.mpg.de/borst/de - Webseite der Abteilung von Alexander Borst

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

Weitere Berichte zu: Bahn Fliegenhirn Gehirn MPI Max-Planck-Institut Nervenzellen Nervenzelltyp Neurobiologie Zelle Zellen

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht 'Fix Me Another Marguerite!'
23.06.2017 | Universität Regensburg

nachricht Schimpansen belohnen Gefälligkeiten
23.06.2017 | Max-Planck-Institut für Mathematik in den Naturwissenschaften (MPIMIS)

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: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Im Focus: Die Schweiz in Pole-Position in der neuen ESA-Mission

Die Europäische Weltraumagentur ESA gab heute grünes Licht für die industrielle Produktion von PLATO, der grössten europäischen wissenschaftlichen Mission zu Exoplaneten. Partner dieser Mission sind die Universitäten Bern und Genf.

Die Europäische Weltraumagentur ESA lanciert heute PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars), die grösste europäische wissenschaftliche Mission zur...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

„Fit für die Industrie 4.0“ – Tagung von Hochschule Darmstadt und Schader-Stiftung am 27. Juni

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion

23.06.2017 | Physik Astronomie

Dünenökosysteme modellieren

23.06.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter

23.06.2017 | Materialwissenschaften