MÜNCHEN / LONDON (IT BOLTWISE) – Eine bahnbrechende Studie hat das Verständnis der Bildverarbeitung im Gehirn revolutioniert. Forscher der TUM haben bestätigt, dass der Kortex die entscheidende Rolle bei der Verarbeitung von visuellen Informationen spielt, während der Thalamus nur unspezifische Daten liefert. Diese Erkenntnisse bestätigen das Modell von Hubel und Wiesel aus den 1960er Jahren und eröffnen neue Perspektiven für die Neurowissenschaften.
In den 1960er Jahren stellten die Nobelpreisträger Hubel und Wiesel die Theorie auf, dass die visuelle Wahrnehmung ein „Bottom-up“-Prozess ist, bei dem das Gehirn komplexe Bilder aus einfachen Merkmalen wie Kanten und Linien aufbaut. Jahrzehntelang wurde darüber debattiert, ob diese „Merkmalselektivität“ bereits im Thalamus beginnt oder erst im Kortex entsteht. Eine aktuelle Studie hat nun Klarheit geschaffen: Der Thalamus sendet rohe, unspezifische Daten, während der Kortex diese Daten verfeinert und in spezifische Orientierungen umwandelt, die es uns ermöglichen, die Welt zu sehen.
Die Forscher der Technischen Universität München (TUM) nutzten hochauflösende Bildgebung und Optogenetik, um spezifische Gehirnregionen „stummzuschalten“. Dadurch konnten sie nachweisen, dass die Signale aus dem Thalamus robust, aber unspezifisch sind, während die Orientierungselektivität erst durch die Verarbeitung in den kortikalen Schaltkreisen entsteht. Diese Ergebnisse bestätigen das „Stepwise Computation“-Modell von Hubel und Wiesel und zeigen, dass der Kortex als Hauptarchitekt der visuellen Wahrnehmung fungiert.
Ein überraschender Befund der Studie war, dass Synapsen im Kortex Anzeichen von Lernen und Plastizität zeigen, während dies bei den vom Thalamus kommenden Synapsen nicht der Fall ist. Dies deutet darauf hin, dass nicht alle Synapsen die gleiche Fähigkeit zur Anpassung und zum Lernen besitzen, was langjährige Annahmen in der Neurowissenschaft herausfordert.
Die TUM-Forscher verwendeten Zwei-Photonen-Mikroskopie und fluoreszierende Proteine, um die Aktivität einzelner Synapsen in Echtzeit zu beobachten. Durch die Präsentation einfacher visueller Reize wie horizontaler und vertikaler Streifen konnten sie kartieren, welche Synapsen auf welche Orientierungen reagierten. Diese Technik könnte auch auf andere Neuronentypen angewendet werden und helfen, dysfunktionale Schaltkreise bei neurologischen Erkrankungen wie Alzheimer zu identifizieren.
Die Studie hat nicht nur eine grundlegende Theorie bestätigt, sondern auch eine vielseitige Methode zur Analyse der synaptischen Funktion eingeführt. Die Ergebnisse wurden in der renommierten Zeitschrift Science veröffentlicht und könnten weitreichende Auswirkungen auf die Neurowissenschaften und darüber hinaus haben. Laut Prof. Arthur Konnerth von der TUM zeigt die Forschung, wie genau und zukunftsweisend die Einsichten von Hubel und Wiesel waren. Moderne Neurowissenschaften und sogar künstliche neuronale Netzwerke bauen weiterhin auf ihren Prinzipien auf.
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