Sehzentrum: Neuronales Feintuning simuliert

2. Juli 2015
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Wenn Babys zum ersten Mal die Augen öffnen, existieren schon Nervenzellen im Sehzentrum, die auf gewisse Reize spezialisiert sind – aber sie sind unsystematisch miteinander verbunden. Ein neues Computermodell gibt nun Einblick in die Veränderung der Nervenzellverbindungen.

Wie entstehen im Laufe der Zeit neuronale Netzwerke, die ausgeprägt auf bestimmte Eigenschaften des Reizes reagieren? Um diese Entwicklungsschritte besser verstehen und die komplizierten Prozesse der Reorganisation erklären zu können, hat ein internationales Forschungsteam um Prof. Dr. Stefan Rotter vom Bernstein Center Freiburg (BCF) ein Computermodell entwickelt, das die biologischen Abläufe genau nachvollzieht.

Vorsicht vor der Aktivitätsexplosion

„Mit unserem Modell ist es uns erstmals gelungen, typische Eigenschaften von biologischen neuronalen Netzwerken in Tieren und Menschen in einer Computersimulation sinnvoll zu kombinieren“, berichtet der Neurowissenschaftler Dr. Sadra Sadeh vom BCF. „Die Netzwerke benutzen das Prinzip der Rückkopplung, um Nervenzellen im Sehsystem zu effizienten Merkmalsdetektoren zu machen. Zudem können in ihnen die Synapsen zwischen den Zellen in Lernprozessen genau abgestimmt werden.“ Doch die Kombination dieser beiden Eigenschaften ist in Computermodellen schwer zu kontrollieren, da sie leicht zu einer Aktivitätsexplosion im Netzwerk führen kann– ähnlich wie bei einem epileptischen Anfall. Um die Aktivität im Netzwerk stabil zu halten, bezogen die Forscher hemmende Synapsen in den Lernprozess ein, die die Erregung im Netzwerk kontrollieren.

Feintuning für Nervenzellverbindungen

Forscher können das Computermodell nun dazu nutzen, unterschiedliche Entwicklungsprozesse im Sehzentrum des Gehirns zu simulieren. Damit können sie beispielsweise nachvollziehen, wie sich Verbindungen zwischen Nervenzellen verändern, wenn diese nach der Geburt erstmals Reize von beiden Augen erhalten. Solche Prozesse spielen bei frühkindlichen Sehstörungen wie etwa dem angeborenen Schielen eine Rolle. „Auf lange Sicht könnte das Modell sogar ermöglichen, bessere Strategien für die Behandlung solcher Erkrankungen zu entwickeln“, sagt Rotter.

Warum aber verändern die neuronalen Netzwerke ihre Struktur durch Seherfahrung, wenn doch Nervenzellen bereits im Moment des Augenöffnens auf bestimmte Reize spezialisiert sind? Eine Antwort auf diese Frage fand das Team in einer parallelen Studie. „Mit dem direkten Vergleich von unerfahrenen und ausgereiften Nervenzellnetzwerken konnten wir in Simulationen zeigen, dass durch die bevorzugte Verknüpfung von Neuronen mit gleicher Funktion, die besonders informationstragenden Komponenten eines Reizes nochmals verstärkt werden“, erläutert Rotter. Somit können Menschen zwar schon beim ersten Augenöffnen alle Reize verarbeiten, doch die Wahrnehmung wird durch das Feintuning der Nervenzellverbindungen deutlich verbessert.

Originalpublikation:

Processing of Feature Selectivity in Cortical Networks with Specific Connectivity
Sadra Sadeh et al.; PLOS ONE, doi: 10.1371/journal.pone.0127547; 2015

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