Visuelle Verarbeitung im Gehirn wird durch reduziertes Rauschen verbessert

Göttingen, 5. November 2013. Neurowissenschaftler Suresh Krishna aus der Abteilung Kognitive Neurowissenschaften des Deutschen Primatenzentrum (DPZ) in Göttingen hat in Zusammenarbeit mit Annegret Falkner und Michael Goldberg von der Columbia University, New York nachgewiesen, in welchem Maße einzelne Neurone in einer wichtigen Hirnregion des Rhesusaffen weniger variabel reagieren, wenn sie wichtige visuelle Informationen verarbeiten, während die Tiere Augenbewegungen ausführen. Diese Rauschreduktion kann die Wahrnehmungsstärke von beobachteten oder wichtigen Aspekten unserer visuellen Umwelt verbessern und fällt noch stärker aus, je motivierter die Tiere sind, die Aufgabe auszuführen.

Wenn ein Mensch das gleiche Objekt oft hintereinander sieht, zum Beispiel einen auf und ab hüpfenden Jojo, ist die Reaktion seiner Neuronen auf den optischen Reiz jedes Mal unterschiedlich; man nennt diese Variabilität „neuronales Rauschen“. Das Gleiche gilt für Rhesusaffen, deren visuelles System dem menschlichen sehr ähnlich ist. Diese Variabilität reduziert oft unsere Fähigkeit, ein schemenhaftes Objekt zu sehen oder einen undeutlichen Laut zu hören. Andererseits profitieren wir von variablen Nervenaktivitäten, weil sie ein essentieller Bestandteil entdeckenden Lernens sind und nötig für unvorhersagbares Verhalten beim körperlichen Wettbewerb.

Trotz dieser Bedeutsamkeit ist die Variabilität der Neuronen noch kaum erforscht. Neurowissenschaftler Suresh Krishna vom DPZ und seine Kollegen Annegret Falkner und Michael Goldberg von der Columbia University in New York haben die Reaktionen einzelner Neuronen im lateralen intraparietalen Kortex (LIP) im Gehirn von Rhesusaffen untersucht, während die Tiere die Augen bewegten, um verschiedene Stellen eines Monitors zu fokussieren. LIP ist eine Hirnregion, die eine große Rolle bei visueller Aufmerksamkeit und aktivem Erforschen mit den Augen spielt. Um die Hirnaktivität einzelner Neuronen zu messen, führten die Neurowissenschaftler haarfeine Elektroden in das Gehirn des Makaken ein und zeichneten die Aktivität auf. Da das Gehirn nicht schmerzempfindlich ist, verursachen die Elektroden den Rhesusaffen keine Schmerzen.

Suresh Krishna und seine Kollegen konnten in der Studie zeigen, dass die Aktivität der LIP-Neurone weniger variabel wird, wenn der Rhesusaffe eine Aufgabe plant und Augenbewegungen durchführt. Die Verringerung der Variabilität war besonders stark dort, wo der Affe genau hinzuschauen plante, und wenn er hoch motiviert war, die Aufgabe zu erfüllen. Die Neuronen produzieren also eine „Talsohle“ reduzierter Variabilität, die sich um die relevanten und interessanten Aspekte einer visuellen Szene bildet. Dies dürfte dem Gehirn helfen, die wichtigsten Aspekte aus allen Sinneseindrücken, die über das Auge einströmen, zu filtern. Die Wissenschaftler haben ein einfaches mathematisches Modell entwickelt, das diese Muster in den aufgezeichneten Daten beschreibt. Das Modell könnte sich auch als hilfreich für die Analyse von Daten aus anderen Hirnregionen erweisen.

„Unsere Studie ist eine der detailliertesten Beschreibungen neuronaler Variabilität im Gehirn. Sie bietet interessante Einblicke in so faszinierende Hirnfunktionen wie die Fokussierung visueller Aufmerksamkeit und die Kontrolle der Augenbewegungen während des aktiven Beobachtens visueller Szenen. Diese Talsohle der Variabilität, die wir entdeckt haben, könnte Tieren und Menschen helfen, mit ihrer komplexen Umwelt zu interagieren“, erläutert Suresh Krishna die Ergebnisse.

Originalpublikation
Annegret L. Falkner, Michael E. Goldberg and B. Suresh Krishna: Spatial Representation and Cognitive Modulation of Response Variability in the Lateral Intraparietal Area Priority Map. The Journal of Neuroscience, 9 October 2013, 33(41): 16117-16130;
doi: 10.1523/JNEUROSCI.5269-12.2013

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Christian Kiel (Kommunikation)
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