Wählerische Nervenzellen

© MPI für Neurobiologie / Kuhl
Die Qual der Wahl: Obwohl Nervenzellen im visuellen Thalamus der Maus mit beiden Augen in Kontakt stehen, leiten sie nur Informationen einer Netzhaut weiter.

Der visuelle Thalamus ist klassischerweise dafür bekannt, die von der Netzhaut kommenden visuellen Reize an die Großhirnrinde weiterzuleiten. Ein Forscherteam vom Max-Planck-Institut für Neurobiologie zeigt nun, dass Nervenzellen im visuellen Maus-Thalamus zwar in Kontakt mit beiden Augen stehen, starke funktionale Verknüpfungen aber nur mit einer Netzhaut aufbauen. Damit vereinen die Wissenschaftler teils widersprüchliche Ergebnisse früherer Studien und verdeutlichen, wie wichtig es sein kann, strukturelle Daten mit funktionellen Untersuchungen zu ergänzen.

Quelle: Max-Planck-Institut für Neurobiologie

Veröffentlicht: 18.06.2021

Wir haben zwei Augen, nehmen aber den Baum vor uns nur einmal wahr. Unser Gehirn hat demnach die komplizierte Aufgabe, aus der Information beider Augen ein sinnvolles, einheitliches Bild zu errechnen. Dafür gelangen die visuellen Reize von der Netzhaut (Retina) über sogenannte Ganglienzellen zunächst zum visuellen Thalamus. Dort landet die Information aber nicht irgendwo, sondern in klar definierten Bereichen – je nachdem, welcher Typ retinaler Ganglienzelle sie transportiert und von welchem Auge sie kommt. Reize des rechten und linken Auges sind im visuellen Thalamus klar getrennt und werden so auch zum visuellen Kortex weitergeleitet. Erst in dieser Gehirnregion wird die ankommende Information zu einem Bild kombiniert – so zumindest die bisher angenommene Theorie. 

Neuere anatomische Studien beschreiben allerdings, dass überraschend viele Nervenzellen im visuellen Thalamus der Maus Kontakt zu beiden Augen haben. Trifft die Trennung der Informationskanäle „linkes Auge“ und „rechtes Auge“ in der Maus also nicht zu? Wissenschaftler aus der Abteilung von Tobias Bonhoeffer hatten sich zum Ziel gesetzt, diese neu aufgeworfene Frage genauer zu beleuchten. Sie entwickelten eine optogenetische Messmethode weiter, sodass sie Ganglienzellen beider Augen nacheinander mit Licht unterschiedlicher Farbe aktivieren und die entsprechenden elektrischen Reaktionen in einer Thalamus-Zelle messen konnten. 

Diese Untersuchungen zeigen, dass tatsächlich eine Vielzahl der Nervenzellen im visuellen Thalamus Input von beiden Netzhäuten erhält. Doch interessanterweise gibt es nur sehr wenige Zellen, in denen sich die Signalstärken beider Augen ähneln. In den meisten Zellen dominiert ein Auge mit einer weitaus höheren Antwortstärke. Die schwachen Signale des nicht-dominanten Auges lösten im Experiment kein Aktionspotential aus und spielen somit keine große Rolle in der Informationsverarbeitung. „Mit diesen Ergebnissen können wir die teils widersprüchlichen Ergebnisse vorangegangener Forschungsarbeiten erklären,“ sagt Tobias Rose, Leiter der Studie. „Die Nervenzellen im visuellen Thalamus gehen zwar Verknüpfungen mit beiden Augen ein, funktional sind sie aber monokular, also sozusagen einäugig. Das heißt, nur die Signalstärke eines Auges ist so hoch, dass die Zellen auch darauf reagieren.“

Die räumliche Anordnung der Netzhaut- und Thalamus-Zellen und die daraus resultierenden Kontaktmöglichkeiten allein können die funktionale Monokularität nicht erklären. Stattdessen zeigten die Wissenschaftler, dass Thalamus-Zellen selbst bei gleichem Zugang zu beiden Augen meist nur mit einem Auge funktionale Verknüpfungen aufbauen. Demnach findet eine klare Auswahl bezüglich der Input-Quelle statt. Zusätzlich zu diesem Mechanismus scheinen sich die Kontaktstellen mit dem dominanten Auge zu verstärken, während die des nicht-dominanten Auges in einem unausgereiften Status verharren.

Zukünftige Untersuchungen sollen nun aufdecken, wie das dominante Auge festgelegt wird und ob dieser Mechanismus auch bei unterschiedlichen Ganglienzelltypen greift. Einen weiteren interessanten Forschungsansatz bieten die unausgereiften Kontaktstellen. Auf den ersten Anschein ohne große Funktion, stellt sich die Frage, ob sie bei Bedarf aktiviert werden könnten – und damit zum Beispiel eine Rolle bei der Amblyopie, einer Form der Sehschwäche, spielen. 

Mit ihrer Studie belegen die Forscher, dass im visuellen Maus-Thalamus die Reizweiterleitung doch in separaten Informationssträngen erfolgt und damit vermutlich ähnlich wie im Menschen. Zudem wird deutlich, dass anatomische Datensätze mitunter vorsichtig zu interpretieren sind: Nur weil Nervenzellen in Kontakt stehen, bedeutet es nicht, dass sie auch ausgiebig miteinander kommunizieren.

Auge

Augapfel/Bulbus oculi/eye bulb

Das Auge ist das Sinnesorgan zur Wahrnehmung von Lichtreizen – von elektromagnetischer Strahlung eines bestimmten Frequenzbereiches. Das für den Menschen sichtbare Licht liegt im Bereich zwischen 380 und 780 Nanometer.

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.

Thalamus dorsalis

Thalamus dorsalis/Thalamus dorsalis/thalamus

Der Thalamus ist die größte Struktur des Zwischenhirns und ist oberhalb des Hypothalamus gelegen. Der Thalamus gilt als „Tor zum Bewusstsein“, da seine Kerne Durchgangstation für sämtliche Information an den Cortex (Großhirnrinde) sind. Gleichzeitig erhalten sie auch viele kortikale Eingänge. Die Kerne des Thalamus werden zu Gruppen zusammengefasst.

Ganglienzelle

Ganglienzelle/-/ganglion cell

Die Ganglienzelle bündelt in der Netzhaut die Signale der Fotorezeptoren und leitet sie über ihre Axone (lange, faserartige Fortsätze einer Nervenzelle) weiter. Die Gesamtheit dieser Axone bildet den Sehnerv.

Auge

Augapfel/Bulbus oculi/eye bulb

Das Auge ist das Sinnesorgan zur Wahrnehmung von Lichtreizen – von elektromagnetischer Strahlung eines bestimmten Frequenzbereiches. Das für den Menschen sichtbare Licht liegt im Bereich zwischen 380 und 780 Nanometer.

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.

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.

Aktionspotenzial

Aktionspotenzial/-/action potential

In erregbaren Zellen (z. B. Neuronen oder Muskelzellen) findet man sehr schnelle Änderungen des elektrischen Potenzials über der Zellmembran. Dieses Ereignis ist die Grundlage für die Informationsleitung entlang des Axons der Nervenzelle. Das Aktionspotenzial setzt sich entlang der Zellmembran fort und entsteht nach dem Alles-​oder-​Nichts-​Prinzip nur dann, wenn die Zelle ausreichend stark erregt wurde.

Originalpublikation

Joel Bauer*, Simon Weiler*, Martin H.P. Fernholz*, David Laubender, Volker Scheuss, Mark Hübener, Tobias Bonhoeffer, Tobias Rose (* co-first); Limited functional convergence of eye-specific inputs in the retinogeniculate pathway of the mouse; Neuron, online 18.06.202; DOI: 10.1016/j.neuron.2021.05.036

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