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 Molekulare Schere stabilisiert das Zell-Zytoskelett
24.06.2019 | Paul Scherrer Institut (PSI)

nachricht Mitten ins Herz
24.06.2019 | Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft

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: Partielle Mondfinsternis am 16./17. Juli 2019

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde (VdS) und des Hauses der Astronomie in Heidelberg - Wie im letzten Jahr findet auch 2019 eine in den späten Abendstunden in einer lauen Sommernacht gut zu beobachtende Mondfinsternis statt, und zwar in der Nacht vom 16. auf den 17. Juli. Die Finsternis ist zwar nur partiell - der Mond tritt also nicht vollständig in den Erdschatten ein - es ist aber für die nächsten Jahre die einzige gut sichtbare Mondfinsternis im deutschen Sprachraum.

Am Dienstagabend, den 16. Juli, wird ein kosmisches Schauspiel zu sehen sein: Der Vollmond taucht zu einem großen Teil in den Schatten der Erde ein, es findet...

Im Focus: Fraunhofer IDMT zeigt akustische Qualitätskontrolle auf der Fachmesse für Messtechnik »Sensor + Test 2019«

Das Ilmenauer Fraunhofer-Institut für Digitale Medientechnologie IDMT präsentiert vom 25. bis 27. Juni 2019 am Gemeinschaftsstand der Fraunhofer-Gesellschaft (Stand 5-248) seine neue Lösung zur berührungslosen, akustischen Qualitätskontrolle von Werkstücken und Bauteilen. Da die Prüfung zerstörungsfrei funktioniert, kann teurer Prüfschrott vermieden werden. Das Prüfverfahren wird derzeit gemeinsam mit verschiedenen Industriepartnern im praktischen Einsatz erfolgreich getestet und hat das Technology Readiness Level (TRL) 6 erreicht.

Maschinenausfälle, Fertigungsfehler und teuren Prüfschrott reduzieren

Im Focus: Fraunhofer IDMT demonstrates its method for acoustic quality inspection at »Sensor+Test 2019« in Nürnberg

From June 25th to 27th 2019, the Fraunhofer Institute for Digital Media Technology IDMT in Ilmenau (Germany) will be presenting a new solution for acoustic quality inspection allowing contact-free, non-destructive testing of manufactured parts and components. The method which has reached Technology Readiness Level 6 already, is currently being successfully tested in practical use together with a number of industrial partners.

Reducing machine downtime, manufacturing defects, and excessive scrap

Im Focus: Erfolgreiche Praxiserprobung: Bidirektionale Sensorik optimiert das Laserauftragschweißen

Die Qualität generativ gefertigter Bauteile steht und fällt nicht nur mit dem Fertigungsverfahren, sondern auch mit der Inline-Prozessregelung. Die Prozessregelung sorgt für einen sicheren Beschichtungsprozess, denn Abweichungen von der Soll-Geometrie werden sofort erkannt. Wie gut das mit einer bidirektionalen Sensorik bereits beim Laserauftragschweißen im Zusammenspiel mit einer kommerziellen Optik gelingt, demonstriert das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT auf der LASER World of PHOTONICS 2019 auf dem Messestand A2.431.

Das Fraunhofer ILT entwickelt optische Sensorik seit rund 10 Jahren gezielt für die Fertigungsmesstechnik. Dabei hat sich insbesondere die Sensorik mit der...

Im Focus: Successfully Tested in Praxis: Bidirectional Sensor Technology Optimizes Laser Material Deposition

The quality of additively manufactured components depends not only on the manufacturing process, but also on the inline process control. The process control ensures a reliable coating process because it detects deviations from the target geometry immediately. At LASER World of PHOTONICS 2019, the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT will be demonstrating how well bi-directional sensor technology can already be used for Laser Material Deposition (LMD) in combination with commercial optics at booth A2.431.

Fraunhofer ILT has been developing optical sensor technology specifically for production measurement technology for around 10 years. In particular, its »bd-1«...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Meeresleuchten, Klimawandel, Küstenmeere Afrikas – Spannende Vielfalt bei „Warnemünder Abenden 2019“

24.06.2019 | Veranstaltungen

Plastik: Mehr Kreislauf gegen die Krise gefordert

21.06.2019 | Veranstaltungen

Rittal und Innovo Cloud sind auf Supercomputing-Konferenz in Frankfurt vertreten

18.06.2019 | Veranstaltungen

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

Molekulare Schere stabilisiert das Zell-Zytoskelett

24.06.2019 | Biowissenschaften Chemie

Neues „Intelligent Edge Data Center“ bringt Smart Industries auf nächstes Level

24.06.2019 | Unternehmensmeldung

Meeresleuchten, Klimawandel, Küstenmeere Afrikas – Spannende Vielfalt bei „Warnemünder Abenden 2019“

24.06.2019 | Veranstaltungsnachrichten

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