Wie bringt das Gehirn Stabilität in die Wahrnehmung unserer Umwelt?

Neuronen in sensorischen Systemen sind oft auf ganz bestimmte Merkmale eines Reizes abgestimmt, doch während komplexer naturalistischer Stimulation können jedoch mehrere Merkmale gleichzeitig neuronale Antworten beeinflussen, was dem Gehirn das Auslesen einzelner Merkmale erschwert. Das ist etwa der Fall, wenn Menschen sich in Bewegung befinden, in der das Gehirn ständig die Bewegung der Blickrichtung überwacht, um gegebenenfalls mit Bewegungen der Augen gegenzusteuern. Bei der Überwachung der Blickrichtung spielen etwa Neuronen im Sehsystem eine zentrale Rolle, die aktiv werden, wenn sich das Bild im Auge in eine bestimmte Richtung verschiebt, sodass ihre Signale als Auslöser gegensteuernder Augenbewegungen agieren können.

Kühn & Gollisch (2019) haben solche Nervenzellen im Auge von Salamandern entdeckt und konnten nun auch zeigen, wie diese Nervenzellen durch ihre Aktivität eine Bewegung der Umgebung signalisieren. Um die Merkmalsrepräsentation unter komplexer Stimulation zu untersuchen, haben sie gemessen, wie richtungsselektive Ganglienzellen in der Salamander-Retina auf Texturbewegungen reagieren, bei denen sich Richtung, Geschwindigkeit und räumliches Muster innerhalb des rezeptiven Feldes kontinuierlich ändern.

Sie fanden heraus, dass die Zellen ihre Richtungspräferenz unter dieser Stimulation beibehalten, ihre Richtungscodierung jedoch aufgrund der gleichzeitigen Aktivierung durch Luminanzänderungen mehrdeutig wird. Diese Mehrdeutigkeiten können aufgelöst werden, indem man Populationen von richtungsselektiven Zellen mit unterschiedlichen Vorzugsrichtungen betrachtet, was zu einer synergistischen Bewegungsdekodierung führt, die mehr Informationen aus der Population liefert als die summierten Informationen der Einzelzellantworten. Um daher etwa Bewegungen von Helligkeitsänderungen zu unterscheiden, müssen die Nervenzellen im Verbund agieren, und leiten nicht nur Informationen zur wahrgenommenen Bewegung weiter, sondern liefern auch ein Korrektursignal an die Nachbarzellen, die dadurch jene Informationen erhalten, um Signale von Bewegungen und Helligkeitsänderungen getrennt zu verarbeiten.

Also nicht die Signale einzelner Zellen zeigen an, in welche Richtung eine Bewegung stattgefunden hat, sondern dafür ist vielmehr die Differenz der Signale zweier Zellen entscheidend, d. h., dass Gruppen von Nervenzellen mehr Information über die beobachtete Bewegung übertragen, weil sie sich gegenseitig korrigieren. Daher ist auch schon auf dieser niederen Ebene der Informationsverarbeitung das Ganze mehr als die Summe seiner Teile. Diese Synergie zwischen Nervenzellen wird noch durch gleichzeitige, also synchrone Aktivität der Nervenzellen. erhöht, was zu einer genaueren Repräsentation der Bewegungsrichtung führt.

Literatur

Kühn, N. K. & Gollisch, T. (2019). Activity Correlations between Direction-Selective Retinal Ganglion Cells Synergistically Enhance Motion Decoding from Complex Visual Scenes. Neuron, doi:10.1016/j.neuron.2019.01.003.