Besser sehen lernen
Das schnelle Aufblitzen eines Bildes auf der Netzhaut setzt im primären visuellen Kortex Millionen von Nervenzellen, auch Neuronen genannt, in Gang. Ihre Aufgabe ist es, visuelle Informationen zu segmentieren und zu filtern, um eine genaue und nützliche Darstellung dessen zu erzeugen, was das Auge sieht. Eine kürzlich erschienene Veröffentlichung von Wissenschaftlern des ESI zeigt nun, dass die Antworten dieser Neuronen genauer werden, wenn sie Reize häufiger sehen.
Published: 04.11.2021
Der primäre visuelle Kortex, auch bekannt als V1, ist das größte visuelle kortikale Areal im Gehirn. Und das erste, das Input von der Netzhaut erhält. Jahrzehntelange Forschung, die auf den Studien von Hubel und Wiesel in den frühen 1960er Jahren aufbaut, hat gezeigt, dass die Antworten der Neuronen in V1 bestimmten Bildeigenschaften entsprechen, wie z. B. der lokalen Orientierung des Kontrasts. Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse neigen klassische Modelle des Sehens dazu, den primären visuellen Kortex als einfachen, statischen Filter zu betrachten: V1 ist in erster Linie in der Lage, die Kanten von Objekten zu erkennen und diese Informationen passiv weiterzuleiten. Die interessantere Arbeit leisten die höheren visuellen Bereiche, bei ihnen finden Objekterkennung, Vorhersage und Lernen statt.
Netzhaut
Netzhaut/Retina/retina
Die Netzhaut oder Retina ist die innere mit Pigmentepithel besetzte Augenhaut. Die Retina zeichnet sich durch eine inverse (umgekehrte) Anordnung aus: Licht muss erst mehrere Schichten durchdringen, bevor es auf die Fotorezeptoren (Zapfen und Stäbchen) trifft. Die Signale der Fotorezeptoren werden über den Sehnerv in verarbeitende Areale des Gehirns weitergeleitet. Grund für die inverse Anordnung ist die entwicklungsgeschichtliche Entstehung der Netzhaut, es handelt sich um eine Ausstülpung des Gehirns.
Die Netzhaut ist ca 0,2 bis 0,5 mm dick.
Neuron
Neuron/-/neuron
Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.
Primärer visueller Cortex
Primäre Sehrinde/Area striata/primary visual cortex
Der Teil des Okzipitallappens (Hinterhauptslappen) dessen primäre Eingänge dem visuellen System entstammen. Nach Brodmann, der die Großhirnrinde im Jahre 1909 ursprünglich in 52 Areale unterteilte, ist der primäre visuelle Cortex Areal 17.
Cortex
Großhirnrinde/Cortex cerebri/cerebral cortex
Der Cortex cerebri, kurz Cortex genannt, bezeichnet die äußerste Schicht des Großhirns. Sie ist 2,5 mm bis 5 mm dick und reich an Nervenzellen. Die Großhirnrinde ist stark gefaltet, vergleichbar einem Taschentuch in einem Becher. So entstehen zahlreiche Windungen (Gyri), Spalten (Fissurae) und Furchen (Sulci). Ausgefaltet beträgt die Oberfläche des Cortex ca 1.800 cm2.
Wiederholung verbessert Darstellung
Doch auch wenn einzelne Neuronen in V1 nicht viel Kodierleistung erbringen, können große Gruppen von V1-Neuronen, die zusammenarbeiten, um die Merkmale eines Bildes zu bewerten, viel interessantere Berechnungen durchführen als bisher angenommen. In ihrer jüngsten Arbeit untersuchen Andreea Lazar, Forscherin im Singer Lab am Ernst Strüngmann Institute (ESI) for Neuroscience, und ihre Kollegen an fünf Katzen die vielfältigen dynamischen Reaktionen von Neuronengruppen in V1 auf kurze visuelle Stimulationen. Ihre Ergebnisse wurden letzte Woche in der Fachzeitschrift PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America) veröffentlicht. Darin beschreiben die Autor:innen, wie die wiederholte Darbietung einfacher visueller Reize, in diesem Fall Buchstaben des lateinischen Alphabets und arabische Ziffern, im Laufe der Zeit deren Darstellung im primären visuellen Kortex verändert.
Neuron
Neuron/-/neuron
Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.
Primärer visueller Cortex
Primäre Sehrinde/Area striata/primary visual cortex
Der Teil des Okzipitallappens (Hinterhauptslappen) dessen primäre Eingänge dem visuellen System entstammen. Nach Brodmann, der die Großhirnrinde im Jahre 1909 ursprünglich in 52 Areale unterteilte, ist der primäre visuelle Cortex Areal 17.
Cortex
Großhirnrinde/Cortex cerebri/cerebral cortex
Der Cortex cerebri, kurz Cortex genannt, bezeichnet die äußerste Schicht des Großhirns. Sie ist 2,5 mm bis 5 mm dick und reich an Nervenzellen. Die Großhirnrinde ist stark gefaltet, vergleichbar einem Taschentuch in einem Becher. So entstehen zahlreiche Windungen (Gyri), Spalten (Fissurae) und Furchen (Sulci). Ausgefaltet beträgt die Oberfläche des Cortex ca 1.800 cm2.
Erfahrungsschatz baut sich auf
Die Forschenden fanden heraus, dass sich durch die Wiederholung visueller Reize ein Erfahrungsschatz im primären visuellen Kortex aufbaut, der die Darstellung dieser Reize verbessert. Interessanterweise geschieht dies auf eine Art, die wiederum höheren visuellen Bereichen zugutekommt, die vom Hirnareal V1 ihre Informationen über die visuelle Welt erhalten. Insbesondere verstärkt dieser Erfahrungsschatz die Aufteilung der neuronalen Antworten in die verschiedenen, reizspezifischen Gruppen. Um diese Veränderungen zu untersuchen, haben Andreea Lazar und ihre Kollegen eine spezielle Kartierungstechnik zu Hilfe genommen. Damit konnten sie die Reize klassifizieren und rekonstruieren. Die Ergebnisse zeigen, dass Wiederholungen zu deutlichen Verbesserungen bei der Rekonstruktion führen. Darüber hinaus fanden die Wissenschaftler:innen deutliche Veränderungen in den neuronalen Mustern, die nach der Darbietung der visuellen Reize auftraten. Das lässt auf umfassende und dauerhafte Veränderungen in der neuronalen Verschlüsselung schließen.
Cortex
Großhirnrinde/Cortex cerebri/cerebral cortex
Der Cortex cerebri, kurz Cortex genannt, bezeichnet die äußerste Schicht des Großhirns. Sie ist 2,5 mm bis 5 mm dick und reich an Nervenzellen. Die Großhirnrinde ist stark gefaltet, vergleichbar einem Taschentuch in einem Becher. So entstehen zahlreiche Windungen (Gyri), Spalten (Fissurae) und Furchen (Sulci). Ausgefaltet beträgt die Oberfläche des Cortex ca 1.800 cm2.
Primärer visueller Cortex
Primäre Sehrinde/Area striata/primary visual cortex
Der Teil des Okzipitallappens (Hinterhauptslappen) dessen primäre Eingänge dem visuellen System entstammen. Nach Brodmann, der die Großhirnrinde im Jahre 1909 ursprünglich in 52 Areale unterteilte, ist der primäre visuelle Cortex Areal 17.
Magie der Vernetzungen
Wie diese jüngste Veröffentlichung von Neurowissenschaftler:innen des ESI zeigt, haben die Vernetzungen im Gehirn fast etwas Magisches an sich. Und die Forschung beginnt gerade erst, ihre Komplexität zu verstehen. Die optimierte Verschlüsselung von Reizen, die hier auf der Ebene des primären visuellen Kortex aufgedeckt wurde, ergibt sich aus Veränderungen in der Informationsverarbeitung, welche mit einem Computermodell dieses Netzwerks reproduziert werden können. Diese Erkenntnisse könnten die nächste Generation anpassungsfähiger KI-Systeme zur Objekterkennung und Navigation inspirieren …
Cortex
Großhirnrinde/Cortex cerebri/cerebral cortex
Der Cortex cerebri, kurz Cortex genannt, bezeichnet die äußerste Schicht des Großhirns. Sie ist 2,5 mm bis 5 mm dick und reich an Nervenzellen. Die Großhirnrinde ist stark gefaltet, vergleichbar einem Taschentuch in einem Becher. So entstehen zahlreiche Windungen (Gyri), Spalten (Fissurae) und Furchen (Sulci). Ausgefaltet beträgt die Oberfläche des Cortex ca 1.800 cm2.
Originalpublikation
Lazar A, Lewis C, Fries P, Singer W, Nikolic D (2021). Visual exposure enhances stimulus encoding and persistence in primary cortex. Proc Natl Acad Sci USA 118(43). https://doi.org/10.1073/pnas.2105276118
