Visuelle Wahrnehmung: Forscher erbringen Beweis für die Theorie von Hubel und Wiesel

Nach jahrzehntelangem wissenschaftlichem Disput über den exakten Ablauf der visuellen Wahrnehmung konnten Forschende der Technische Universität München (TUM) den Datenfluss zwischen Nervenzellen direkt beobachten. Sie bestätigen damit die Korrektheit des 1981 mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Modells von David Hubel und Torsten Wiesel.

Bereits in den 1960er-Jahren entwickelten Hubel und Wiesel ihr Modell. Demnach ist das Sehen das Ergebnis geordneter, stufenweiser Berechnungen im Gehirn – mit spezialisierten Neuronen, die jeweils auf Kanten, Orientierungen, Bewegungen und auf das linke oder rechte Auge abgestimmt sind. Diese Theorie erhielt viel Zuspruch. Allerdings war sie in Details umstritten. Einige Forscher vermuteten, dass schon im Thalamus Zellen sitzen, die auf bestimmte Orientierungen spezialisiert sind. Das konnte die neue experimentelle Studie nun klären. Sie analysierte erstmalig in den einzelnen Synapsen den Datenfluss zwischen Thalamus und Hirnrinde.

Dem Forschungsteam um Prof. Arthur Konnerth, Dr. Yang Chen und Doktorand Marinus Kloos vom Institut für Neurowissenschaften an der TUM School of Medicine and Health sowie am Exzellenzcluster SyNergy gelang es, durch eine neuartige, hochauflösende mikroskopische Darstellung, diesen Datenfluss auf der elementaren synaptischen Ebene zu beobachten und zu quantifizieren. Dadurch konnten sie die Dynamik auf einer sehr kleinen Ebene direkt verfolgen. Die daraus gewonnenen Ergebnisse belegen eindeutig die Kernaussagen der Hubel-und-Wiesel-Theorie. Die neuen Forschungsergebnisse wurden im Fachjournal „Science“ veröffentlicht.

Konnerth betont: „Unsere Ergebnisse belegen, wie visionär und exakt Hubel und Wiesel schon vor über 60 Jahren die Vorgänge der visuellen Wahrnehmung durchdrungen haben. Auf ihrem Ansatz baut heute nicht nur Forschung in den Neurowissenschaften, sondern auch auf dem Gebiet der künstlichen neuronalen Netzwerke auf. Von der Natur und ihren evolutionären Anpassungen zu lernen, bleibt ein Erfolgsrezept für technologische Weiterentwicklungen.“

Was haben die TUM-Forschenden genau gemacht?

Beim Sehen wandern die Signale vom Auge zunächst in den Thalamus und von dort weiter in die Sehrinde im Hinterkopf. In einem ersten Bereich dieser Sehrinde, dem primären visuellen Cortex, werden einfache Eigenschaften von Bildern wie Kanten, Kontrast und Ausrichtung verarbeitet. Die TUM-Forschenden haben die Verbindung vom Thalamus in den ersten Sehbereich der Hirnrinde bei Mäusen untersucht.

Mit einer speziellen Form der Mikroskopie, der Zwei-Photonen-Mikroskopie, konnten sie im lebenden Gehirn die Synapsen sichtbar machen. An diese Kontaktstellen brachten sie spezielle Eiweiße an, die wie winzige Lampen aufblinken, wenn dort ein chemisches Signal übertragen wird. Währenddessen zeigten sie den Tieren einfache Sehreize auf einem Bildschirm, etwa horizontale oder vertikale Streifen. Anschließend verfolgten sie, welche Verbindungen im Gehirn auf welche Streifenrichtung reagieren.

Um zu unterscheiden, welche Signale direkt aus dem Thalamus stammen und welche nur innerhalb der Hirnrinde weitergeleitet werden, nutzten die Forscher einen Trick aus der Optogenetik. Sie statteten bestimmte Nervenzellen mit lichtempfindlichen Eiweißen aus und konnten so Teile der Hirnrinde mit Licht vorübergehend „stumm schalten“. Blieb an einer Synapse das Blinken trotz ausgeschalteter Hirnrinde erhalten, musste das Signal aus dem Thalamus kommen. Verschwanden die Signale, stammten sie aus benachbarten Nervenzellen im Cortex.

Grundlegende Mustererkennung im Gehirn folgt dem Modell von Hubel und Wiesel

So konnten die Wissenschaftler getrennt messen, wie stark thalamische Verbindungen und wie stark Verbindungen innerhalb der Hirnrinde auf verschiedene Orientierungen der Streifen reagieren. Das Ergebnis: Die Verbindungen aus dem Thalamus liefern robuste, aber nicht auf eine bestimmte Richtung spezialisierte Signale. Die eigentliche Richtungserkennung – also die Unterscheidung, ob eine Linie beispielsweise horizontal oder vertikal ist – entsteht erst durch die Verschaltung innerhalb der Hirnrinde.

Damit ist ein lang diskutierter Punkt geklärt. Einige Wissenschaftler hatten vermutet, dass schon im Thalamus Zellen sitzen, die auf bestimmte Orientierungen spezialisiert sind und diese „fertig berechneten“ Signale an die Hirnrinde weitergeben. Die TUM-Studie zeigt nun, dass beim Säugetier die grundlegende Mustererkennung tatsächlich so abläuft, wie Hubel und Wiesel es beschrieben haben. Der Thalamus liefert weitgehend unspezifische Rohsignale. Und der Cortex setzt diese Signale stufenweise zu gerichteten Kanten und Mustern zusammen.

Kortikokortikale Synapsen unterscheiden sich in ihren Fähigkeiten grundlegend von thalamokortikalen

Laut Konnerth ist die neu entwickelte Untersuchungsmethode auf viele verschiedene Neuronenarten anwendbar – sowohl im gesunden als auch im krankhaft veränderten Gehirn. Er sieht das Potenzial, damit zum Beispiel bei Alzheimer krankhaft veränderte Neurone zu erkennen und zu manipulieren.

Von grundlegender Bedeutung ist zudem, dass sich kortikokortikale Synapsen in ihren Fähigkeiten grundlegend von thalamokortikale Synapsen unterscheiden. Nur die Synapsen der Hirnrinde erzeugen „Kalziumsignale“, die eine klassische Voraussetzung für Lernen durch Erfahrungen sind.

„Dies ist ein völlig überraschendes Ergebnis, das nur mit unserer neuen Methode erfasst werden konnte“, erläutert Konnerth. „Es stellt die bisherigen Überzeugungen, die von einem ähnlich Anpassungs- und Lernpotenzial aller Synapsen ausgehen, in Frage.“

Viele der Forschenden arbeiten am Exzellenzcluster Munich Cluster for Systems Neurology (SyNergy), der vom Bund und den Ländern im Rahmen der Exzellenzinitiative gefördert wird. Zudem waren Wissenschaftler der Kagoshima University, Japan, des Max-Planck-Instituts für biologische Intelligenz in Martinsried und der Hebrew University of Jerusalem beteiligt.

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