Photorezeptorzellen: Die Nachbarschaft bestimmt die Empfindlichkeit

Dr. Wolf M. Har­me­ning von der Uni­ver­si­täts-Augen­kli­nik Bonn hat zusam­men mit US-Kol­le­gen das Farb­se­hen anhand ein­zel­ner Sin­nes­zel­len im mensch­li­chen Auge unter­sucht.

Die Unter­su­chun­gen zeig­ten, dass die Pho­to­re­zep­tor­zel­len der Netz­haut auch bei iso­lier­ter Sti­mu­la­ti­on beson­ders emp­find­lich gegen­über den ihren Seh­pig­men­ten ent­spre­chen­den Far­ben sind. Eine neue Beob­ach­tung ist, dass auch Nach­bar­schafts­ef­fek­te eine Rol­le spie­len. Je nach­dem, wel­che Zell­klas­sen sich in unmit­tel­ba­rer Nähe der getes­te­ten Sin­nes­zel­len befin­den, vari­iert ihre Emp­find­lich­keit. Die Ergeb­nis­se sind nun vor­ab online erschie­nen und wer­den dem­nächst in „The Jour­nal of Neu­ro­sci­ence“ ver­öf­fent­licht.

Nach­weis der Farb­wahr­neh­mung anhand ein­zel­ner Pho­to­re­zep­to­ren
Wird in einem dämm­ri­gen Raum das Licht ange­schal­tet, setzt plötz­lich das Farb­se­hen ein. „Die Welt wird dadurch nicht nur bun­ter“, sagt Har­me­ning, der an der Bon­ner Uni­ver­si­täts-Augen­kli­nik eine Emmy-Noe­ther-For­scher­grup­pe lei­tet. „Viel­mehr wer­den durch die Far­ben erst Details erkenn­bar, die sich im Lauf der Evo­lu­ti­on als über­le­bens­wich­tig erwie­sen haben.“ Man­che Tar­nung eines Fress­fein­des lässt sich durch Far­ben erst erken­nen. Auch gif­ti­ge Tie­re oder Pflan­zen war­nen durch Signal­far­ben. Wie der Mensch mit sei­ner Netz­haut Far­ben erkennt, dar­über gibt es viel Lehr­buch­wis­sen. Die Erst­au­to­ren Har­me­ning und Dr. Wil­liam S. Tuten von der Uni­ver­si­ty of Cali­for­nia Ber­ke­ley wie­sen jetzt mit Kol­le­gen der US-Uni­ver­si­tä­ten Washing­ton und Ala­ba­ma anhand ein­zel­ner Farb-Sin­nes­zel­len im Auge nach, wie die mensch­li­che Netz­haut den Ein­druck von Far­be im Detail berech­net.

Hier­zu nutz­te der Bio­lo­ge mit aus­ge­wie­se­nen Kennt­nis­sen in Elek­tro­tech­nik ein Spe­zi­al­mi­kro­skop, das mit­hil­fe eines Lasers die mensch­li­che Netz­haut berüh­rungs­los unter­su­chen und sti­mu­lie­ren kann. Das Instru­ment – Adap­ti­ve Optics Scan­ning Laser Oph­thal­mo­skop – ist eine Kom­bi­na­ti­on aus einem Laser und einem sehr hoch­auf­lö­sen­den Mikro­skop, das ein­zel­ne Sin­nes­zel­len auf der Netz­haut abbil­den kann. Mit die­sem Oph­thal­mo­skop unter­such­te das For­scher­team nun die Netz­haut von zwei Men­schen. Nach der gän­gi­gen Theo­rie las­sen sich alle Far­ben­rei­ze durch Mischen der Pri­mär­far­ben Rot, Grün und Blau bil­den. Wäh­rend die Stäb­chen auf der Netz­haut für das Däm­me­rungs­se­hen zustän­dig sind, über­neh­men die Zap­fen das Farb­se­hen. Sie sind auf Wel­len­län­gen in der Nähe der Pri­mär­far­ben spe­zia­li­siert.

Kar­tie­rung der Netz­haut
Die For­scher kar­tier­ten des­halb zunächst das Zap­fen-Mosa­ik auf der Netz­haut der Pro­ban­den. Sie steu­er­ten mit dem Laser des Oph­thal­mo­skops ein­zel­ne Zap­fen an und maßen die Licht­ab­sorp­ti­on bestimm­ter Wel­len­län­gen. Auf die­se Wei­se konn­ten sie zuord­nen, wel­che der Sin­nes­zel­len für Rot, Grün oder Blau zustän­dig sind. Indem die For­scher die Inten­si­tät des jewei­li­gen Laser­lichts her­un­ter­re­gel­ten, konn­ten sie bestim­men, ab wel­cher Reiz­schwel­le bei den Pro­ban­den über­haupt eine Licht­wahr­neh­mung durch die ein­zel­nen Zap­fen erfolg­te. „Dies ist wich­tig, weil wir aus der Emp­find­lich­keit schlie­ßen kön­nen, wie sich die Gesamt­wahr­neh­mung durch die Bei­trä­ge der ein­zel­nen Zap­fen zusam­men­setzt“, berich­tet Har­me­ning.

Über­ra­schen­der­wei­se hängt nach den Mes­sun­gen der For­scher die Licht­wahr­neh­mung auch von den benach­bar­ten Zel­len ab. „Ist eine Sin­nes­zel­le, die vor allem für rote Far­ben emp­find­lich ist, von lau­ter Zel­len umge­ben, die auf Grün spe­zia­li­siert sind, dann ver­hält sie sich auch eher wie ein grü­ner Zap­fen“, fasst Har­me­ning zusam­men. Die Berech­nung der Farb­wahr­neh­mung sei eine kom­ple­xe Ange­le­gen­heit, da im Gehirn nicht die Roh­da­ten der Netz­haut ankom­men, son­dern die Infor­ma­tio­nen bereits auf dem Weg dort­hin vor­ver­ar­bei­tet wer­den. Har­me­ning: „Über so genann­te Hori­zon­tal­zel­len wird die räum­li­che Infor­ma­ti­on der ein­zel­nen Zap­fen im kom­ple­xen Netz­werk der Netz­haut modu­liert.“

Die­ser Befund stützt bis­he­ri­ge Annah­men zum Far­ben­se­hen. „Neu ist, dass die­se Ergeb­nis­se nun auch an ein­zel­nen Sin­nes­zel­len nach­ge­wie­sen wer­den konn­ten“, sagt der Wis­sen­schaft­ler. Bis­lang konn­ten sol­che Unter­su­chun­gen im nor­ma­len Seh­ex­pe­ri­ment immer nur durch Sti­mu­la­ti­on vie­ler Netz­haut­zel­len gleich­zei­tig durch­ge­führt wer­den. Wich­tig sei auch der Nach­weis von Nach­bar­schafts­ef­fek­ten auf die Farb­wahr­neh­mung. „Wenn die Grund­la­ge des Sehens bes­ser ver­stan­den wird, dann haben wir damit auch einen poten­zi­el­len Ansatz für neu­ar­ti­ge Dia­gno­sen und The­ra­pi­en“, sagt Har­me­ning. Das Spe­zi­al-Oph­thal­mo­skop bie­te in der Augen­heil­kun­de den Zugang zu neu­en Erkennt­nis­sen.

Publi­ka­ti­on:
Wil­liam S. Tuten, Wolf M. Har­me­ning, Ram­ku­mar Sabe­san, Aus­tin Roor­da, Lawrence C. Sin­cich: Spa­tio­chro­ma­tic inter­ac­tions bet­ween indi­vi­du­al cone pho­to­re­cep­tors in the human reti­na, The Jour­nal of Neu­ro­sci­ence, DOI: 10.1523/JNEUROSCI.0529–17.2017

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