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Prof. Dr. Alexander Borst

Jahrbuchbeitrag 2007 - Abteilung: Schaltkreise - Information - Modelle

Zwei Nervenzellen im Direktkontakt - Bewegungssehen durch direkte Verrechnung von optischen Flussfeldern zwischen zwei Hemisphären im Sehzentrum von Fliegen

Neurons in direct contact - rotation selectivity achieved by direct computation of optic flow-fields between both hemispheres in the visual ganglion of blowflies

Autoren

Karl Farrow, Jürgen Haag, Alexander Borst

Abteilungen

Schaltkreise - Information - Modelle

Nervenzellen in den Seh­zentren vieler Tier­arten sind auf spezielle optische Fluss­felder spezialisiert. In einer aktuellen Studie wurde die Selektivität für bestimmte Fluss­felder an der so genannten H2–Zelle im Seh­zentrum der Schmeiß­fliege Calliphora vicina untersucht. Erstmalig konnte gezeigt werden, dass der Direktkontakt zwischen zwei Seh­zellen der jeweiligen Hemisphären ausreicht, um der Fliege die Steuerung ihrer Flug­bewegung zu ermöglichen.

Neurons in many species have large receptive fields that are selective for specific optic flow-fields. In a recent study the neural mechanisms underlying flow-field selectivity in the so-called H2-cell of the blowfly was investigated. For the first time it was shown that the direct contact between two cells from opposite brain hemispheres is sufficient to explain flow-field selectivity of a neuron utilized by the blowfly for appropriate steering maneuvers.

Direkt oder indirekt erzeugte Bildverschiebungen und optische Flussfelder

Bewegungswahrnehmung und –steuerung sind das Ergebnis komplexer Verrechnungen von Signalen im Gehirn, die sowohl von den Augen als auch von der Muskulatur gesendet werden. Augenbewegung, unsere eigene Körperbewegung oder Bewegungen in unserer Umwelt verursachen Bildverschiebungen auf der Netzhaut, die sehr ähnlich oder identisch sind. Das Gehirn kann dennoch diejenigen Bewegungen in der Umgebung von denjenigen unterscheiden, die durch Eigenbewegung erzeugt wurden. Neurobiologen in der Abteilung Neuronale Informationsverarbeitung erforschen die Verrechnung neuronaler Signale am Sehzentrum von Schmeißfliegen. Diese Insekten sind wahre Bewegungskünstler und haben zusätzlich ein überschaubares Sehzentrum mit relativ großen Nervenzellen - geradezu ideale Voraussetzungen, die phantastischen Lösungen der Natur zu studieren und daraus Rückschlüsse auf die Funktion des strukturierten Säugetier- und Menschengehirns zu ziehen oder in technische Anwendungen umzusetzen.

Bewegungen im Raum erzeugen bei Mensch und Tier so genannte optische Flussfelder, die für eine jeweilige Bewegung charakteristisch sind. Bei einer Vorwärtsbewegung beispielsweise fließen die Objekte seitlich vorbei, Objekte frontal vorn wiederum vergrößern sich und weit entfernte Objekte ändern sich in ihrer Abbildung auf der Netzhaut beinahe nicht. Damit die Tiere ihre eigene Bewegung von der bewegten Umwelt unterscheiden und eventuell Kurskorrektur vornehmen können, muss eine Verrechnung der visuellen Information auf höherer Ebene im Sehzentrum des Gehirns stattfinden. Wichtig für die Analyse der Flussfelder ist, dass dabei die Bewegungsinformation von beiden Augen zusammenkommen muss, um das gesamte Flussfeld beurteilen zu können. In einer aktuellen Studie wurde erstmalig die direkte Verschaltung von zwei Nervenzellen nachgewiesen, die aus der jeweils anderen Gehirnhälfte stammten und so die Bewegungssignale von beiden Facettenaugen der Fliege miteinander kombinieren konnten [1].

Neuronale Ausstattung und Erforschung des Schaltplans

Nervenzellen, die optische Flussfelder analysieren können, befinden sich bei der Schmeißfliege in einem höheren Sehzentrum, der so genannten Lobula-Platte. Von diesen so genannten Tangentialzellen existieren pro Gehirnhälfte nur 60, und jede dieser Zellen ist individuell identifizierbar und kommt je Lobula-Platte nur einmal vor. Von diesen 60 Zellen ist eine als H2 bezeichnete Zelle von besonderem Interesse. Diese Zelle zeigt eine starke Präferenz für Rotations-Flussfelder, wie sie bei einer Drehung der Fliege um ihre Hochachse auftreten. Auffallend war, dass diese Zelle zunächst nur auf Bewegungen vor ihrem "eigenen", dem ipsilateralen Auge, zu reagieren schien, für Bewegungen vor dem anderen Auge, dem kontralateralen, also blind war. Kombinierte man jedoch die ipsilateralen Bewegungsreize mit denen vor dem anderen Auge, war zu erkennen, dass die kontralateralen Bewegungsreize sehr wohl die Reaktionen auf ipsilaterale Bewegungsreize modulierten. Der Präferenz der H2-Zelle für Drehreize liegt also eine nicht-lineare Verrechnung der Bewegungsreize von beiden Augen zu Grunde.

 
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