Wie das Gehirn mit widersprüchlichen visuellen Reizen umgeht

Wie verarbeitet das Gehirn die komplexe Flut von visuellen Informationen? Eine Studie der Universität Konstanz mit Zebrafischlarven liefert Antworten – basierend auf Verhaltensexperimenten, modernster Bildgebung und computergestützter Modellierung.

Stellen wir uns vor, man kommt an einen belebten Ort, an dem eine Vielzahl von visuellen Sinneseindrücken gleichzeitig auf uns einströmen. Wie gelingt es dem Gehirn, diese Informationsflut zu verarbeiten? Wie ist zu entscheiden, was als Nächstes zu tun ist oder wohin man sich bewegt? Eine in „Nature Communications“ veröffentlichte Studie unter der Leitung von Katja Slangewal und Prof. Armin Bahl vom Centre for the Advanced Study of Collective Behaviour an der Universität Konstanz beleuchtet diese grundlegende Frage.

Mithilfe von Zebrafischlarven (Danio rerio) als Modellorganismus decken die Wissenschaftler die neuronalen Mechanismen auf, die der visuellen Verarbeitung und Entscheidungsfindung zugrunde liegen. Die Ergebnisse vertiefen nicht nur das Verständnis neuronaler Schaltkreise. Vielmehr bieten sie auch Erkenntnisse für künftige Forschung in Bereichen wie Robotik, künstlicher Intelligenz und menschlicher Neurowissenschaft.

Addition von Reizen hilft bei der Entscheidungsfindung

Tiere – ebenso der Mensch – nehmen ständig eine komplexe Flut von sensorischen Informationen aus der Umgebung wahr, die ihre Verhaltensentscheidungen steuern. Zuweilen stehen diese Eingangssignale miteinander im Konflikt, etwa wenn sie die Aufmerksamkeit in unterschiedliche Richtungen lenken.

Wie löst das Gehirn solche Konflikte? Um diese Frage zu klären, konzentrierte sich das Wissenschaftsteam auf zwei gut erforschte Verhaltensweisen von Zebrafischlarven. Erstens die optomotorische Reaktion, eine reflexartige Reaktion auf wahrgenommene Bewegung, wie etwa einem sich bewegenden Muster zu folgen. Zweitens die Phototaxis, die die Bewegung zum Licht beschreibt und den Larven hilft, sich in ihrer Umgebung zurechtzufinden.

„Zebrafische können gleichzeitig eine Bewegung aus einer Richtung und Licht aus einer anderen wahrnehmen. Frühere Forschungen deuteten darauf hin, dass das Gehirn diesen Konflikt entweder mit einer additiven Strategie löst – also durch Kombinieren der Eingangssignale – oder mit einem Winner-takes-all-Ansatz, bei dem der stärkste Reiz priorisiert wird“, erklärt Bahl. „Doch die neuronalen Mechanismen hinter diesen Strategien waren bislang unklar.“

Konfrontation mit widersprüchlichen Reizen

Die Forschenden konfrontierten Zebrafischlarven mit widersprüchlichen Bewegungs- und Lichtreizen. Sie fanden heraus, dass die Tiere im Gehirn einen relativ einfachen Verhaltensalgorithmus verwenden. Dieser Algorithmus dient dazu, drei zentrale visuelle Merkmale der Reize zu integrieren: Bewegungskohärenz (Stärke und Richtung der Bewegungsmuster), Luminanz (Helligkeit des Lichtreizes) und Veränderungen der Luminanz (plötzliche Zu- oder Abnahme des Lichtreizes).

Der entdeckte Algorithmus ermöglicht es den Tieren, diese Merkmale abzuwägen und zu kombinieren und so schnelle, adaptive Entscheidungen zu treffen. Um die Hirnregionen für diese Berechnung zu identifizieren, erfasste das Team die neuronale Aktivität im gesamten Gehirn mithilfe modernster bildgebender Verfahren.

Parallele neuronale Bahnen im Hinterhirn verarbeiten Sinneseindrücke

„Unsere Bildgebung zeigte, dass das vordere Hinterhirn ein zentraler Knotenpunkt ist, an dem Signale zu Bewegung, Luminanz und Luminanzänderungen zusammenlaufen“, erörtert Slangewal. „Diese Region fungiert als Zentrum für die Integration von visuellen Reizen. Hier werden diese parallelen Eingangssignale verarbeitet und kombiniert, um das Verhalten entsprechend zu steuern.“ Die Experimente ergaben drei parallele Informationsverarbeitungspfade im Gehirn. Jeweils einer dieser Pfade entspricht einem der visuellen Merkmale und sie laufen im vorderen Hinterhirn zusammen.

Auf Grundlage dieser Erkenntnisse entwickelten die Forschenden ein Netzwerkmodell, um zu simulieren, wie Zebrafische sensorische Reize verarbeiten. Durch Anpassung des Modells an die experimentellen Daten konnte das Team bestätigen, dass das Gehirn eine gewichtete Summe von Bewegungs-, Luminanz- und Luminanzänderungssignalen zur Bestimmung des Verhaltens nutzt.

Wie setzen Gehirne sensorische Umgebungs-Informationen in Handlungen um?

„Unser Modell erklärt nicht nur das Verhalten, sondern sagt auch voraus, wie das Ausschalten bestimmter Signalwege – wie zum Beispiel die Bewegungs- oder Luminanzverarbeitung – die Entscheidungsfindung stören würde“, erklärt Bahl. „Ebenfalls interessiert uns, wie Gruppen von Zebrafischen sensorische Konflikte gemeinsam lösen.“

Die Studie liefere eine neue Erklärung, wie sensorische Informationen zur Steuerung von Handlungen im Gehirn integriert werden, fassen die Forscher zusammen. Sie verbinde dadurch Verhaltensalgorithmen mit ihrer neuronalen Umsetzung. Die Ergebnisse erweiterten das Verständnis dafür, wie Wirbeltiergehirne sensorische Informationen aus komplexen Umgebungen in Handlungen umsetzen. Das könnte weitreichende Auswirkungen auf die Bereiche Neurowissenschaften, Künstliche Intelligenz und menschliche Gesundheit haben.