Wenn es um das Erkennen von Formen geht, kommt es auf das Timing an

Wenn es um das Erkennen von Formen geht, kommt es auf das Timing an

Forscher des Salk Institute zeigen, wie das Sehvermögen auf Mustern der Gehirnaktivität beruht

Salk-Wissenschaftler zeigen, wie visuelle Neuronen zeitliche dynamische Informationen kodieren. Bisher wurde angenommen, dass visuelle Neuronen Informationen kodieren, indem sie die Anzahl der Aktionspotentiale innerhalb eines statischen Zeitfensters summieren. Diese Darstellung ist fixiert, wie das Foto eines Tieres, das scheinbar kurz davor steht, mit einem Auto zusammenzustoßen. Die neue Forschung zeigt, dass Neuronen dynamischer sind und weitaus mehr Informationen im Zusammenhang mit dem Timing erfassen, was es ihnen ermöglicht, kritische Kontextinformationen preiszugeben (analog zu einem kurzen Video, das zeigt, wie dasselbe Tier umkehrt und einer Autokollision ausweicht, unten).

LA JOLLA – Visuelle Prothesen oder bionische Augen werden bald Realität, da Forscher Fortschritte bei der Entwicklung von Strategien zur Reaktivierung von Teilen des Gehirns machen, die visuelle Informationen bei Menschen mit Blindheit verarbeiten.

Ausbrüche in der elektrischen Aktivität eines Neurons – die Anzahl der „Spitzen“, die entstehen, wenn Gehirnzellen feuern – bilden nach traditioneller Auffassung den Grundcode für die Wahrnehmung. Aber Neuronen beschleunigen und verlangsamen ihre Signale ständig. Eine neue Studie von Wissenschaftlern des Salk Institute zeigt, dass die Fähigkeit, die Welt zu sehen, nicht nur von der Anzahl der Spitzen innerhalb eines Zeitfensters abhängt, sondern auch vom Zeitpunkt dieser Spitzen.

„Beim Sehen stellt sich heraus, dass in den Mustern der Neuronenaktivität im Laufe der Zeit eine große Menge an Informationen vorhanden ist“, sagt Salk-Professor John Reynolds, der leitende Forscher der Studie und Inhaber des Fiona and Sanjay Jha-Lehrstuhls für Neurowissenschaften. „Erhöhte Rechenleistung und neue theoretische Fortschritte haben es uns nun ermöglicht, mit der Erforschung dieser Muster zu beginnen.“ Die Studie wurde am 4. August 2016 in der Zeitschrift veröffentlicht Neuron.

Das menschliche Gehirn beherbergt ein ausgedehntes Netzwerk von Neuronen, die dafür verantwortlich sind, alles zu sehen, von einfachen Formen – wobei bestimmte Gruppen von Neuronen beispielsweise durch eine horizontale oder vertikale Kante erregt werden – bis hin zu komplizierten Reizen wie Gesichtern oder bestimmten Orten. Reynolds‘ Team konzentrierte sich auf einen visuellen Gehirnbereich namens V4, der sich in der Mitte des visuellen Systems des Gehirns befindet. Neuronen in V4 reagieren empfindlich auf die Konturen, die die Grenzen von Objekten definieren, und helfen uns, eine Form zu erkennen, unabhängig davon, wo sie sich im Raum befindet. Aber Reynolds und der Postdoktorand Anirvan Nandy im Jahr 2013 entdeckt dass V4 komplizierter war: Einige Neuronen in diesem Bereich kümmern sich nur um Konturen innerhalb einer bestimmten Stelle im Gesichtsfeld.

Diese Erkenntnisse veranlassten das Team zu der Frage, ob der Aktivitätscode von V4 noch nuancierter sein könnte, indem er visuelle Informationen nicht nur im Raum, sondern auch in der Zeit berücksichtigt. „Wir sehen die Welt um uns herum nicht so, als würden wir eine Reihe von Fotos betrachten. Wir leben – und sehen – in Echtzeit und unsere Neuronen erfassen das“, sagt Nandy, Hauptautorin der neuen Arbeit.

Die Wissenschaftler arbeiteten mit der Salk-Theoretikerin und Postdoktorandin Monika Jadi zusammen, um im Computercode einen sogenannten „idealen Beobachter“ zu erstellen. Da der Computer nur Zugriff auf die Gehirndaten hatte, konnte er die gesehenen bewegten Bilder entschlüsseln oder zumindest erraten. Eine Version des idealen Beobachters hatte Zugriff auf die Anzahl der Neuronenfeuerungen, während die andere Version Zugriff auf das vollständige Timing der Spitzen hatte. Tatsächlich konnte der letztgenannte Beobachter die Bilder mehr als doppelt so genau erraten wie der einfachere Beobachter.

Bessere Methoden zur Aufzeichnung und Stimulierung des Gehirns sowie bessere theoretische Modellierungsbemühungen haben diese neuen Erkenntnisse ermöglicht. Nun plant die Gruppe, V4 nicht nur zu beobachten, sondern es mithilfe einer hochmodernen Technik namens Optogenetik mithilfe von Licht zu aktivieren. Das sei, sagt Reynolds, so, als würde man das visuelle System auf eine Probe stellen. Es wird ihnen helfen, den Zusammenhang zwischen neuronalen Aktivitätsmustern und der Art und Weise, wie das Gehirn die Welt wahrnimmt, besser zu verstehen und möglicherweise den Grundstein für eine fortschrittlichere visuelle Prothetik zu legen.

Die Forschung wurde unterstützt von der National Institutes of Health, hat das Gatsby gemeinnützige Stiftung, hat das Swartz-Stiftung und der Salk Institute Pioneer Fund. Die Studie wurde ebenfalls verfasst von Jude Mitchell, früher von Salk und jetzt Assistenzprofessor für Gehirn- und Kognitionswissenschaften an der Universität von Rochester in New York.