Die Zeit, die es braucht, um die Welt wieder zusammenzusetzen

24. Januar 2007

Die Zeit, die es braucht, um die Welt wieder zusammenzusetzen

24. Januar 2007

La Jolla, CA – Ein paar flüchtige Blicke genügen, um eine nahtlose und detailreiche visuelle Welt wahrzunehmen. Doch statt „fotografischer Schnappschüsse“ werden Informationen über Farbe, Form und Bewegung eines Objekts auseinandergenommen und über einzelne Nervenzellen, sogenannte Neuronen, an das Sehzentrum im Gehirn weitergeleitet. Wie das Gehirn die Szene wieder zusammenfügt, wird seit der Entdeckung von Neuronen vor über einem Jahrhundert heftig diskutiert.

Ein neuartiges experimentelles Design ermöglichte es Forschern des Salk Institute for Biological Studies, diesen Prozess zu untersuchen Verbindung, Stoppuhr in der Hand. Sie fanden heraus, dass einzelne Merkmale eines Objekts durch einen Rechenprozess dauerhaft miteinander verbunden werden, der Zeit benötigt, um genau zu sein eine Hundertstelsekunde. Über ihre Ergebnisse wird in der Ausgabe vom 1. Januar berichtet Journal of Neuroscience.

„Die Frage, wie das Gehirn verschiedene Signale integriert, ist für unser Verständnis der Sinnesverarbeitung von grundlegender Bedeutung, und es wurden verschiedene Theorien entwickelt“, sagt er John Reynolds, Ph.D., Assistenzprofessor am Systems Neurobiology Laboratory, der die Studie leitete. „Unsere Feststellung, dass die Berechnung einer sehr einfachen Konjunktion eine sehr kleine, aber konsistente Zeitspanne erfordert, ist wichtig, da dadurch die Zeitspanne, die den Mechanismen, die diese Berechnung vermitteln, zur Verfügung steht, sehr eng begrenzt ist.“

Um die für die Integration erforderliche Zeit zu messen, entwarf Clara Bodelón, Ph.D., eine Mathematikerin in Reynolds‘ Labor, sorgfältig Paare einfacher Bilder – zum Beispiel ein rotes vertikales Streifenmuster oder ein grünes horizontales Muster – die, wenn sie schnell genug präsentiert werden , heben sich gegenseitig auf und werden unsichtbar. (Siehe Abbildung).

Nachdem ich die letzten acht Computermonitore der Welt gesichert hatte, die die Reize tatsächlich schnell genug darstellen konnten, um die Grenzen der Wahrnehmung zu überschreiten (neuere LCD-Monitore aktualisieren den Bildschirm nicht schnell genug), und die Monitore sorgfältig kalibriert hatte, um die Aktivität einzelner Fotorezeptoren präzise zu steuern Im Auge waren die Salk-Forscher bereit, der Beantwortung einer uralten und viel diskutierten Frage einen Schritt näher zu kommen: Wie kommunizieren Neuronen, um unsere kohärente Wahrnehmung der Welt zu ermöglichen?

Bei sehr hohen Präsentationsraten waren die Reize buchstäblich unsichtbar. Doch als Bodelón die Präsentationsgeschwindigkeit verlangsamte, konnten menschliche Beobachter die Ausrichtung eines Bildes erkennen. Interessanterweise konnten die Testpersonen bei noch weiter verringerter Präsentationsgeschwindigkeit zwar Farbe und Ausrichtung unterscheiden, aber nicht sagen, welches Bild – das vertikale oder horizontale – rot oder grün war. Mit anderen Worten: Das Gehirn konnte sowohl Form als auch Farbe „sehen“, aber nicht sehen, wie sie kombiniert waren.

Erst nachdem die Präsentation der Reize weiter verlangsamt wurde, konnten die Beobachter Farbe und Ausrichtung einzelner Objekte genau angeben, was darauf hindeutet, dass die Berechnung der Gesamtbedeutung all dieser visuellen Eingaben ein zeitaufwändiger Prozess ist. Somit standen die Merkmale des Reizes der Wahrnehmung zur Verfügung, bevor sie „zusammengebunden“ wurden. Die Bindung von Features erforderte jedoch mehr Zeit.

„Niemand wusste, ob ein separater Rechenschritt notwendig ist, um einzelne Attribute von Objekten zu integrieren und wenn ja, wie lange das dauern würde“, erklärt Bodelón. „Die Tatsache, dass es Zeit braucht, um die Kombination von Farbe und Ausrichtung zuverlässig wahrzunehmen, deutet auf die Existenz eines eindeutigen Integrationsmechanismus hin. Wir können nun damit beginnen, verschiedene Hypothesen über die Natur dieses Mechanismus zu testen“, fügt sie hinzu.

„Die Frage, wie das Gehirn visuelle Informationen synthetisiert, ist aus grundlagenwissenschaftlicher Sicht von enormer Bedeutung“, erklärt Reynolds und fügt hinzu, dass „sie auch wichtige praktische Implikationen für das Verständnis und letztendlich die Behandlung von Wahrnehmungsstörungen wie der visuellen Agnosie, einer schwächenden Erkrankung bei Menschen, hat.“ bei dem der Patient komplexe visuelle Reize nicht „sehen“ kann.

Durch die präzise Messung dieser flüchtigen visuellen Berechnung haben Bodelón und ihre Kollegen einen wichtigen ersten Schritt zum Verständnis der Mechanismen getan, die bei Patienten, die an dieser Störung leiden, versagen.

Das Salk Institute for Biological Studies in La Jolla, Kalifornien, ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation, die sich grundlegenden Entdeckungen in den Biowissenschaften, der Verbesserung der menschlichen Gesundheit und der Ausbildung zukünftiger Forschergenerationen widmet. Jonas Salk, MD, dessen Polio-Impfung 1955 die lähmende Krankheit Poliomyelitis nahezu ausgerottet hatte, eröffnete das Institut 1965 mit einer Landspende der Stadt San Diego und der finanziellen Unterstützung des March of Dimes.