Neue Erkenntnisse zur Entwicklung des visuellen Systems bei Mäusen

Eine neue Studie hat nie zuvor gesehene Details darüber enthüllt, wie sich das komplizierte visuelle Netzwerk in Mäusen bildet.

Diese Erkenntnisse könnten die zukünftige Forschung zur Behandlung von kongenitaler Blindheit vorantreiben. Auch angesichts der Parallelen zwischen biologischem Nervengewebe und digitaler künstlicher Intelligenz könnte diese Untersuchung Softwareentwicklern helfen, bessere und universellere künstliche Intelligenzen zu entwickeln.

Wenn Sie die netzartige Natur der Neuronen und Strukturen, aus denen das Gehirn und die sensorischen Systeme von Tieren bestehen, sehen könnten, würden Sie denken, dass es sich nur um ein zufälliges, kompliziertes Durcheinander handelt. Neurowissenschaftler jedoch, können dieses Chaos betrachten und nicht nur diskrete Strukturen ableiten, sondern auch ihre Funktionen ermitteln. Prof. Kenichi Ohki und Assistenzprofessor Tomonari Murakami vom Institut für Physiologie der Universität Tokio und ihr Team haben kürzlich eine bestimmte Formation untersucht, um zu erfahren, wie das Sehsystem entsteht.

„Die Augen, bestimmte Teile des Gehirns und das neuronale Netzwerk, das diese verbindet, bilden das Sehsystem. Eine grobe Analogie könnte eine Kamera sein, die durch ein Kabel mit einem Bildschirm verbunden ist, den Ihr bewusstes Selbst beobachten kann. Aber eine genaue biologische Beschreibung dieses Systems ist extrem kompliziert“, sagte Murakami. „Es gibt eine große Anzahl visueller kortikaler Bereiche, die in Schichten angeordnet sind, die eine Art hierarchische Struktur bilden. Diese Idee ist nicht neu, aber es war bisher unbekannt, wie sich Verbindungen zwischen den frühen Stadien dieses Netzwerks oder primären Bereichen sowie Bereichen, die an der Verarbeitung visueller Signale beteiligt sind, oder höhere visuelle kortikale Regionen, während der Entwicklung bilden. Wir wollten herausfinden, wie das passiert.“

Das Team untersuchte die sich entwickelnden Sehsysteme von Mäusen. Insbesondere betrachteten sie Bereiche, die als kortikale und thalamische Regionen bezeichnet werden. Die Forscher beobachteten, wie sich Netzwerke von Neuronen in diesen Regionen in neugeborenen Mäusen entwickelten und wann diese Netzwerke aktiv wurden. Dadurch waren sie in der Lage, die Mechanismen, die das Wachstum des Sehsystems steuern, allgemeiner zu beschreiben.

„Als wir das immer dichter werdende Netzwerk von Verbindungen rechtzeitig aufzeichneten, sprang etwas heraus, das uns überraschte“, sagte Murakami. „Wir erwarteten, dass das visuelle Netzwerk zuerst viele Verbindungen zwischen dem kortikalen Bereich bildet, was die hierarchische Struktur des gesamten Systems widerspiegelt. Tatsächlich bilden sich parallele Nervenbahnen von der Netzhaut in den Augen, die zu den kortikalen Bereichen führen, früher als die zwischen den kortikalen Bereichen. Diese neue Tatsache verändert unser Wissen über diesen Bereich der kortikalen Entwicklung.“

Diese Studie könnte die Grundlage zukünftiger medizinischer Forschung bilden, die das Leben der Menschen verbessern könnte. Das Team stellt die Hypothese auf, dass ihre Forschung an Mäusen wahrscheinlich die visuelle Entwicklung bei Primaten, einschließlich Menschen erklären kann. Dies könnte wiederum Forschern helfen, die eine Behandlung für kongenitale Blindheit entwickeln wollen.

„Es gibt ein weiteres Forschungsgebiet, das ebenfalls von dem lernen kann, was wir hier getan haben“, sagte Ohki. „Künstliche Intelligenz basiert häufig auf digitalen künstlichen neuronalen Netzen. Diese sind normalerweise in mehreren Schichten strukturiert, was ihnen eine komplexe Funktionalität verleihen kann. Aber jetzt, da wir gezeigt haben, dass zumindest einige biologische neuronale Systeme parallele Strukturen vor geschichteten entwickeln, könnten sich Softwareentwickler davon inspirieren lassen, um mit neuen Designmethoden zu experimentieren. Es ist denkbar, dass dies ihnen bei ihrem Ziel helfen könnte, immer mehr universelle Intelligenzen zu schaffen, die in der Lage sind, eine Vielzahl von Problemen zu lösen.“

Originalpublikation: Murakami T et al. “Modular strategy for the development of hierarchical networks in the mouse visual system,” Nature (2022) doi:10.1038/s41586-022-05045-w