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 Chemikern der Universität Münster gelingt Herstellung neuartiger Lewis-Supersäuren auf Phosphor-Basis
22.10.2019 | Westfälische Wilhelms-Universität Münster

nachricht Adipositas-Risikobestimmung: ein Sprung in die Zukunft durch die Kombination von KI und Lipid-Forschung
22.10.2019 | Technische Universität Dresden

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: Hohlraum vermittelt starke Wechselwirkung zwischen Licht und Materie

Forschern ist es gelungen, mithilfe eines mikroskopischen Hohlraumes eine effiziente quantenmechanische Licht-Materie-Schnittstelle zu schaffen. Darin wird ein einzelnes Photon bis zu zehn Mal von einem künstlichen Atom ausgesandt und wieder absorbiert. Das eröffnet neue Perspektiven für die Quantentechnologie, berichten Physiker der Universität Basel und der Ruhr-Universität Bochum in der Zeitschrift «Nature».

Die Quantenphysik beschreibt Photonen als Lichtteilchen. Will man ein einzelnes Photon mit einem einzelnen Atom interagieren lassen, stellt dies aufgrund der...

Im Focus: A cavity leads to a strong interaction between light and matter

Researchers have succeeded in creating an efficient quantum-mechanical light-matter interface using a microscopic cavity. Within this cavity, a single photon is emitted and absorbed up to 10 times by an artificial atom. This opens up new prospects for quantum technology, report physicists at the University of Basel and Ruhr-University Bochum in the journal Nature.

Quantum physics describes photons as light particles. Achieving an interaction between a single photon and a single atom is a huge challenge due to the tiny...

Im Focus: Freiburger Forschenden gelingt die erste Synthese eines kationischen Tetraederclusters in Lösung

Hauptgruppenatome kommen oft in kleinen Clustern vor, die neutral, negativ oder positiv geladen sein können. Das bekannteste neutrale sogenannte Tetraedercluster ist der weiße Phosphor (P4), aber darüber hinaus sind weitere Tetraeder als Substanz isolierbar. Es handelt sich um Moleküle aus vier Atomen, deren räumliche Anordnung einem Tetraeder aus gleichseitigen Dreiecken entspricht. Bisher waren neben mindestens sechs neutralen Versionen wie As4 oder AsP3 eine Vielzahl von negativ geladenen Tetraedern wie In2Sb22– bekannt, jedoch keine kationischen, also positiv geladenen Varianten.

Ein Team um Prof. Dr. Ingo Krossing vom Institut für Anorganische und Analytische Chemie der Universität Freiburg ist es gelungen, diese positiv geladenen...

Im Focus: Die schnellste Ameise der Welt - Wüstenflitzer haben kurze Beine, aber eine perfekte Koordination

Silberameisen gelten als schnellste Ameisen der Welt - obwohl ihre Beine verhältnismäßig kurz sind. Daher haben Forschende der Universität Ulm den besonderen Laufstil dieses "Wüstenflitzers" auf einer Ameisen-Rennstrecke ergründet. Veröffentlicht wurde diese Entdeckung jüngst im „Journal of Experimental Biology“.

Sie geht auf Nahrungssuche, wenn andere Siesta halten: Die saharische Silberameise macht vor allem in der Mittagshitze der Sahara und in den Wüsten der...

Im Focus: Fraunhofer FHR zeigt kontaktlose, zerstörungsfreie Qualitätskontrolle von Kunststoffprodukten auf der K 2019

Auf der K 2019, der Weltleitmesse für die Kunststoff- und Kautschukindustrie vom 16.-23. Oktober in Düsseldorf, demonstriert das Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR das breite Anwendungsspektrum des von ihm entwickelten Millimeterwellen-Scanners SAMMI® im Kunststoffbereich. Im Rahmen des Messeauftritts führen die Wissenschaftler die vielseitigen Möglichkeiten der Millimeterwellentechnologie zur kontaktlosen, zerstörungsfreien Prüfung von Kunststoffprodukten vor.

Millimeterwellen sind in der Lage, nicht leitende, sogenannte dielektrische Materialien zu durchdringen. Damit eigen sie sich in besonderem Maße zum Einsatz in...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

13. Aachener Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung – »Collaborate to Innovate: Making the Net Work«

22.10.2019 | Veranstaltungen

Serienfertigung von XXL-Produkten: Expertentreffen in Hannover

22.10.2019 | Veranstaltungen

Digitales-Krankenhaus – wo bleibt der Mensch?

21.10.2019 | Veranstaltungen

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

13. Aachener Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung – »Collaborate to Innovate: Making the Net Work«

22.10.2019 | Veranstaltungsnachrichten

Studenten entwickeln einen Koffer, der automatisch auf Schritt und Tritt folgt

22.10.2019 | Innovative Produkte

Chemikern der Universität Münster gelingt Herstellung neuartiger Lewis-Supersäuren auf Phosphor-Basis

22.10.2019 | Biowissenschaften Chemie

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