Die funktionale Organisation der Zellen in der Netzhaut wird durch natürliche Panoramabereiche geformt.

7. April 2023 Feature

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von Ingrid Fadelli, Medical Xpress

Existierende neurowissenschaftliche Modelle des visuellen Systems legen nahe, dass es die visuelle Welt ähnlich wie eine Kamera darstellt, indem es die Positionen verschiedener Objekte ähnlich codiert. Die umgebende Umgebung eines Tiers verändert sich jedoch ständig, und diese Veränderungen könnten auch die Verarbeitung visueller Informationen beeinflussen.

Wissenschaftler am Institut für Wissenschaft und Technologie in Österreich und LMU in Deutschland haben kürzlich Beweise gesammelt, die diese Hypothese unterstützen und zeigen, dass die Organisation von Neuronen in der Mausretina von Panoramastatistiken (d.h. Weitwinkelansichten), wie Nicht-Uniformitäten in Lichtniveaus, beeinflusst wird. Ihre Ergebnisse, veröffentlicht in Nature Neuroscience, könnten einen signifikanten Beitrag zum derzeitigen Verständnis des visuellen Systems und seiner Evolution leisten.

„Ein entscheidendes Merkmal jeder lebenden Organismus ist die Anpassung an ihre Umgebung, um zu überleben“, erklärte Maximillian Jösch, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Medical Xpress. „Solche Anpassungen sollten auch in den Berechnungen stattfinden, die vom Gehirn durchgeführt werden, um beispielsweise relevante und weniger kritische Informationen zu extrahieren oder zu ignorieren. Wir haben uns auf den Weg gemacht, diese Idee zu testen, indem wir uns die prominentesten visuellen Veränderungen zunutze gemacht haben, die systematisch in der Natur beobachtet werden: den Gradienten der Lichtintensität und Kontrastniveaus vom Boden zum Himmel, um zu fragen, ob das Maus-Visuellsystem dazu entwickelt wurde, diese Beschränkungen zu berücksichtigen.“

Um die Organisation des sensorischen Raums zu untersuchen, der jedes Neuron in der Mausnetzhaut (Empfangsfelder) aktiviert, in Bezug auf die Szenen, die Mäuse beobachten, entwickelten Jösch und seine Kollegen eine neue optische Bildgebungstechnik. Diese Technik ermöglicht es ihnen, die Aktivität von Tausenden von Neuronen auf einer einzelnen Netzhaut simultan zu messen und zu verfolgen.

„Unsere optische Methode funktioniert wie folgt: Wenn ein Netzhautneuron aktiv ist und elektrische Impulse an das Gehirn sendet, fließen Ionen in die Zelle, z.B. Calcium“, erklärte Jösch. „Wir können diese Aktivität visualisieren, indem wir jedem Neuron einen fluoreszierenden Indikator hinzufügen. Wenn Calcium hineinfließt, ändert sich die Fluoreszenz. Diese Veränderungen in der Fluoreszenz können mit einer empfindlichen Kamera aufgezeichnet werden, und damit können wir ableiten, wie das Neuron auf unterschiedliche visuelle Reize auf der gesamten Netzhautoberfläche reagiert.“

Die Forscher führten ihre Experimente an extrahierten Mausretinas durch. Wie bei den meisten Säugetieren beinhaltet die Mausretina nicht den kleinen Bereich, der als Fovea bekannt ist, eine kleine Einbuchtung in der Netzhaut, die es Menschen und anderen Primaten ermöglicht, mit hoher Definition zu sehen. Die Fovea, die weniger als 1% der gesamten menschlichen Netzhaut ausmacht, spielt eine wichtige Rolle bei den visuellen Wahrnehmungen, von denen Menschen sich bewusster sind. Die verbleibenden 99% der menschlichen Netzhaut trägt auch zu visuellen Wahrnehmungen bei, von denen viele Prozesse zu sein scheinen, auf die Menschen nicht bewusst zugreifen können. Somit konzentriert sich diese Studie aus einer menschenzentrierten Perspektive auf die Verarbeitung, die in diesen 99% stattfindet.

Jösch und seine Kollegen fanden heraus, dass die Berechnungen, die von den Neuronen in der Mausretina durchgeführt werden, sich je nach den Panoramastatistiken änderten, die dieser Teil der Netzhaut während des Tages normalerweise sieht. Dies unterstützt ihre anfängliche Hypothese, dass das visuelle System nicht von Natur aus homogen ist und angepasst ist an die Umweltbedingungen.

„Zu unserem Erstaunen stellten wir fest, dass Netzhautneuronen eher den Rest des Gehirns informieren, wenn eine Reizänderung unerwartet ist“, sagte Jösch. „Wichtig ist, dass die Unerwartetheit davon abhängt, wohin das Neuron schaut, entweder auf den Himmel oder auf den Boden. Somit passten die Netzhautkreisläufe systematisch ihre Eigenschaften vom unteren zum höheren Gesichtsfeld an, um die Welt effizienter darzustellen.“

Insgesamt legen die Ergebnisse dieses Forschungsteam nahe, dass die panoramische Struktur natürlicher Szenen die Organisation unterschiedlicher Verarbeitungsstrategien in verschiedenen Regionen der Netzhaut beeinflusst. Dies erweitert frühere Modelle des visuellen Systems und betont seine anpassungsfähige und dynamische Natur.

'We usually assume that the visual system is homogenous, or in other words, that the visual world is represented like a camera, measuring each position similarly,' Jösch added. 'However, our natural surroundings are not similar; they systematically change from ground to sky. Thus, a system that evolved to live in nature should consider this. Our results indicate that living organisms' visual system has adapted to cope with natural constraints to improve the efficiency of their neuronal code.'

In the future, the recent work by Jösch and his colleagues could inspire other teams to further examine how panoramic statistics or other visual elements shape cell organization in the retina to refine our understanding of vision in general.

'We are now exploring how similar adaptations change when changing the context, for example, when adapting to different light levels occurring during the day or at night,' Jösch added.

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