Visuelle Verarbeitung: jedes Neuron zählt
Deutsche Wissenschaftler haben eine neue Methode entwickelt und eingesetzt, um zu beobachten, wie Nervenzellen im lebenden Gehirn visuelle Informationen verarbeiten. Mit der neuen Mikroskopie-Methode war es ihnen möglich, winzige, einen Mikrometer große Synapsen auf einem einzigen Neuron zu untersuchen und festzustellen, dass jedes einzelne Neuron bei der Sinnesverarbeitung eine wichtige Rolle spielt. Ihre Ergebnisse haben sie in der Fachzeitschrift Nature beschrieben. Sobald wir unsere Augen öffnen, müssen enorme Datenmengen verarbeitet werden, damit wir sehen können. Zum Beispiel gibt es im menschlichen Auge 126 Millionen Sinneszellen, die das auf die Netzhaut treffende Licht erst einmal in elektrische Signale umwandeln müssen. Während hier die Verarbeitung visueller Informationen beginnt, entsteht das fertige Bild allerdings erst im Gehirn, genauer: in der Sehrinde im hinteren Teil des Großhirns. Das Ziel der Forschungsgruppe der Technischen Universität München (TUM) bestand darin, die Rolle der Neuronen in der Sehrinde bei der Erfassung von Bewegung zu untersuchen und die Abläufe mithilfe von lebenden Mäusen in Echtzeit zu beobachten. Vergangene Studien haben gezeigt, dass in der Tat bestimmte Neuronen in der Sehrinde von Mäusen reagieren, wenn sich ein Balken vor ihren Augen bewegt. Das Reaktionsmuster dieser "Richtungs"-Neuronen wurde ebenfalls aufgezeichnet. In der aktuellen Studie betrachteten die Forscher das Eingangssignal etwas genauer. Ein schwieriges Unterfangen in Anbetracht der Tatsache, dass jedes Neuron einen ganzen Baum winziger, verästelter Antennen (als Dendriten bezeichnet) besitzt, an die Hunderte anderer Nervenzellen mit ihren Synapsen (Knoten oder Schaltungen, über die Signale von einer Nervenzelle zur anderen übertragen werden) andocken. "Ähnliche Versuche wurden bisher nur in Kulturschalen mit gezüchteten Nervenzellen gemacht, lebendes Gewebe ist viel komplexer", erklärte Dr. Arthur Konnerth von der TMU. "Da es sich immer ein bisschen bewegt, war es sehr schwierig, alle Verästelungen eines Neurons im Bild so hoch aufzulösen, dass wir einzelne Synapsen darstellen konnten." Die Forscher beobachteten mithilfe einer mikroskopischen Methode, der 2-Photonen-Fluoreszenz-Mikroskopie, eine einzelne Zelle und ihre winzigen Dendriten bei der Arbeit im Gehirngewebe. Sie entdeckten, dass ein "Richtungs"-Neuron bei mehreren, unterschiedlichen Bewegungen des Balkens vor dem Auge der Maus Signale von einer Reihe unterschiedlich ausgerichteter Nervenzellen empfängt, aber nur eine Art von Ausgangssignalen aussendet. Daraus lässt sich schließen, dass die Neuronen die Wichtigkeit der unterschiedlichen Eingangssignale bewerten und überflüssige Informationen herausfiltern, sodass nur die für ein klares Verständnis wesentlichen Daten übrig bleiben. In Zukunft will Dr. Konnerth mit seinem Forschungsansatz auch den Prozess des Lernens an einer einzelnen Nervenzelle beobachten. Da wir mit unserer Methode gleichzeitig die Verschaltung und das Verhalten ein und derselben Nervenzelle im Gehirn beobachten können, werden wir einen wichtigen Beitrag zum Verständnis des Lernprozesses leisten können", sagte er. "Hier an der TU München arbeiten wir eng mit Physikern und Ingenieuren zusammen. So haben wir beste Chancen, die räumliche und zeitliche Auflösung der Bilder weiter zu verbessern", ergänzte Dr. Konnerth.
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