Das menschliche Gehirn ist ein komplexes Organ, das ständig Reize aus der Umwelt aufnimmt, verarbeitet und beantwortet. Das Gehirn ist die wichtigste Schaltstelle des Nervensystems. Ein wichtiger Aspekt dieser Verarbeitung ist die visuelle Wahrnehmung, bei der das Gehirn Informationen aus den Augen nutzt, um ein Bild der Welt zu erstellen. Dieser Artikel beleuchtet die Mechanismen der visuellen Informationsverarbeitung im Gehirn, von den ersten Schritten in der Netzhaut bis hin zu komplexen Prozessen in der Hirnrinde.
Die Grundlagen der neuronalen Informationsverarbeitung
Bevor wir uns der visuellen Verarbeitung widmen, ist es wichtig, einige grundlegende Prinzipien der neuronalen Informationsverarbeitung zu verstehen. Das Gehirn besteht aus Milliarden von Nervenzellen, den Neuronen, die miteinander in Verbindung stehen und Informationen austauschen. Diese Kommunikation erfolgt über Synapsen, Kontaktstellen zwischen Neuronen, an denen elektrochemische Signale weitergegeben werden.
Die Stärke der synaptischen Verbindungen kann sich verändern, was die Grundlage für Lernen und Gedächtnis bildet. Eine Situation wird als Verbindungsmuster zwischen Neuronen gespeichert. Werden diese Verbindungen nicht mehr genutzt, werden sie abgebaut (Vergessen). Das Gedächtnis arbeitet assoziativ, wobei miteinander verbundene Neuronengruppen, sogenannte Assemblies, gespeichert werden. Verwandte Begriffe können diese Assemblies gegenseitig aktivieren.
Neuronale Netze als Modell des Gehirns
Die Funktionsweise des Gehirns kann durch neuronale Netze modelliert werden. Diese Netze bestehen aus miteinander verbundenen Knoten, die Neuronen ähneln. Informationen werden durch das Netz geleitet, wobei die Verbindungen zwischen den Knoten verstärkt oder abgeschwächt werden, ähnlich wie Synapsen im Gehirn funktionieren. Neuronale Netze können durch automatisierte Lernprozesse Probleme lösen, Tonfolgen erkennen und inhaltlich interpretieren. Sie können als eine Klasse paralleler Algorithmen angesehen werden, in der die Verbindungsstruktur und deren Gewichtungen gespeichert sind.
Die visuelle Informationsverarbeitung im Gehirn
Die visuelle Informationsverarbeitung beginnt in den Augen, genauer gesagt in der Netzhaut. Lichtempfindliche Zellen, die Photorezeptoren (Stäbchen und Zäpfchen), wandeln optische Eindrücke in Nervensignale um. Diese Signale werden dann über verschiedene Zelltypen in der Netzhaut zu den Ganglienzellen der Netzhaut weitergeleitet. Die Nervenfasern der Ganglienzellen bilden den Sehnerv, der die visuellen Informationen zum Gehirn transportiert.
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Der Weg des Sehnervs zum Gehirn
Ein Großteil der Fasern des Sehnervs zieht ohne Unterbrechung zu zwei Zellanhäufungen tief im Gehirn, den äußeren Kniekörpern (Corpus geniculatum laterale, CGL), und bilden dort Synapsen. Die Zellen der Kniekörper sind durch ihre Nervenfasern unmittelbar mit dem primären Sehfeld (V1) verbunden, das sich im Hinterhauptlappen der Großhirnrinde befindet. Vom primären Sehfeld aus werden die Informationen über mehrere Synapsen zu benachbarten Rindengebieten und an tief im Gehirn gelegene Stellen weitergeleitet.
Besonders auffällig ist die teilweise Überkreuzung der Sehnerven (Chiasma opticum). Dadurch wird der rechte Teil des Gesichtsfeldes auf das linksseitige Sehfeld abgebildet: Kniekörper und Sehfeld der linken Hirnhälfte empfangen Informationen von den beiden linken Netzhauthälften, die ihrerseits die rechte Hälfte des Gesichtsfeldes erfassen. Entsprechend "sehen" der rechte Kniekörper und das rechte Sehfeld die linke Hälfte des Gesichtsfeldes. In ähnlicher Weise überkreuzen sich die Leitungsbahnen zwischen anderen Teilen des Körpers und dem Gehirn: die rechte Körperhälfte wird auf die linke Hemisphäre des Gehirns abgebildet und umgekehrt. Der Sinn dieser Überkreuzungen ist unbekannt.
Rezeptive Felder: Die Grundlage der visuellen Analyse
Eine wichtige Rolle bei der visuellen Informationsverarbeitung spielen die rezeptiven Felder der Neuronen. Das rezeptive Feld einer Ganglienzelle der Netzhaut ist der Teil der Netzhaut, der diese Zelle mit Signalen versorgt. Es besteht aus einer Innenzone (dem Zentrum) und einer Randzone, die die Innenzone umgibt. Wirkt Licht im Zentrum des rezeptiven Feldes erregend auf die zugehörige Ganglienzelle der Netzhaut, so hat Licht, das auf die Randzone des rezeptiven Feldes fällt, die entgegengesetzte Wirkung. Man spricht von einer "An-Zentrum-Zelle". Daneben gibt es "Aus-Zentrum-Zellen", deren rezeptive Felder umgekehrt organisiert sind.
Die Ganglienzellen der Netzhaut und die Zellen im Kniekörper vergleichen also die Lichtstärke in einem kleinen Gebiet mit der durchschnittlichen Lichtstärke in seiner Umgebung. Die meisten Zellen des primären Sehfeldes reagieren nicht auf Lichtflecken, sondern auf unterschiedlich orientierte Lichtstreifen.
Die Verarbeitung im primären visuellen Kortex (V1)
Das primäre Sehfeld (V1) ist das am gründlichsten studierte Rindengebiet und spielt eine entscheidende Rolle bei der visuellen Informationsverarbeitung. Hier werden die Signale aus den Augen weiterverarbeitet und analysiert. Im V1 gibt es verschiedene Arten von Neuronen, die auf unterschiedliche Aspekte des visuellen Reizes reagieren.
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- Einfache Zellen: Diese Zellen reagieren am stärksten auf Lichtstreifen, die mit bestimmten Neigungen an bestimmten Stellen des Gesichtsfeldes aufleuchten oder das Gesichtsfeld durchqueren. Die wirksamste Neigung eines Lichtstreifens wechselt von Zelle zu Zelle.
- Komplexe Zellen: Diese Zellen reagieren weniger genau von der Position der als Reiz dienenden Lichtlinie abhängen. Sie verhalten sich, als bekämen sie ihre Signale von einigen einfachen Zellen, deren rezeptive Felder alle die gleiche Orientierung aber eine etwas andere Position haben.
Die orientierungsspezifischen Zellen bilden eine frühe Stufe in der Analyse visueller Formen. Zellen mit kreisförmigen rezeptiven Feldern werden am stärksten reagieren, wenn eine Lichtstärke-Grenze mit der Grenze ihres Zentrums zusammenfällt, weil dann die Beleuchtungsunterschiede zwischen Zentrum und Randzone besonders ausgeprägt sind. Unter den orientierungsspezifischen Zellen werden diejenigen reagieren, bei denen die optimale Orientierung mit der Richtung einer Lichtstärke-Grenze zusammenfällt.
Höhere Verarbeitungsstufen: Der ventrale und dorsale Pfad
Nach der Verarbeitung im V1 werden die visuellen Informationen in zwei Hauptströme aufgeteilt: den ventralen Pfad ("Was-Pfad") und den dorsalen Pfad ("Wo-Pfad").
- Der ventrale Pfad: Dieser Pfad verläuft in den Temporallappen und ist für die Erkennung von Objekten und deren Identifizierung zuständig. Neuronen in diesem Pfad können selektiv auf Reize verschiedener Wellenlänge und Farbe antworten (Zeki, 1980). Einige Neuronen in diesem Pfad reagieren selektiv auf bestimmte Objektkategorien, wie z.B. Hände oder Gesichter (Gross, 1981).
- Der dorsale Pfad: Dieser Pfad verläuft in den Parietallappen und ist für die Verarbeitung räumlicher Informationen und die Steuerung von Handlungen zuständig. Dieser Pfad ist wichtig für die Interaktion mit der Umwelt, z.B. beim Greifen nach Objekten.
Die Rolle der Aufmerksamkeit
Die Aufmerksamkeit spielt eine wichtige Rolle bei der visuellen Informationsverarbeitung. Sie ermöglicht es uns, uns auf bestimmte Aspekte unserer Umgebung zu konzentrieren und irrelevante Informationen auszublenden. Die Aufmerksamkeit ist jedoch eine begrenzte Ressource, und wir können nicht alle visuellen Informationen gleichzeitig verarbeiten. Dies kann zu Phänomenen wie der "attentional blindness" führen, bei der wir Objekte in unserer Umgebung übersehen, wenn wir unsere Aufmerksamkeit auf etwas anderes richten.
Visuelle Vorstellungskraft und mentale Bilder
Das Gehirn kann nicht nur visuelle Informationen aus der Umwelt verarbeiten, sondern auch interne Bilder erzeugen, die wir uns vorstellen und mit Hilfe eines "geistigen Auges" betrachten können. Für bildliche Vorstellungen sind ähnliche visuelle Hirnareale zugrunde wie für die normale visuelle Wahrnehmung.
Asymmetrien in der visuellen Verarbeitung
Tübinger Neurowissenschaftler haben entdeckt, wie das Gehirn visuelle Reize ober- und unterhalb des Horizonts unterschiedlich verarbeitet. Das Forscherteam unter Leitung von Dr. Ziad Hafed vom Werner Reichardt Centrum für Integrative Neurowissenschaften (CIN) der Universität Tübingen konnte bei nichthumanen Primaten nachweisen, dass verschiedene Teile des Sichtfeldes im Colliculus superior - einem Teil des Mittelhirns, der bei der visuellen Wahrnehmung und dem Verhalten eine zentrale Rolle spielt - asymmetrisch repräsentiert sind: Für das obere Sichtfeld steht mehr Gehirngewebe zur Verfügung als für das untere.
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Das Team um Dr. Hafed konnte nun zeigen, dass auch andere Teile des Sichtfeldes als nur die Fovea im CS ‚vergrößert’ werden. Ihre Ergebnisse machen klar, dass das bisher verwendete Modell des CS, das nur foveale Vergrößerung kennt, nicht ausreicht. Dr. Hafeds neues Modell modifiziert diese Vorstellung, indem es neben der fovealen Vergrößerung eine Vergrößerung des oberen Sichtfeldes annimmt. Sein Forscherteam fand heraus, dass die obere Hälfte des Sichtfeldes im CS durch Wahrnehmungsfelder repräsentiert wird, die wesentlich engmaschiger sind, feiner auf die Struktur empfangener Bilder abgestimmt und empfindlicher für Kontraste. Das untere Sichtfeld dagegen hat im CS eine geringere ‚Auflösung’.
Dr. Hafed meint, dass die Asymmetrie der neuralen Repräsentation an unsere normalen Umweltbedingungen angepasst ist. Weiter entfernte Objekte hinterlassen auf der Netzhaut kleinere Bilder als nahe. „In unserer dreidimensionalen Umgebung sind Objekte im unteren Sichtfeld meist nah an uns dran. Ein Beispiel wären die Anzeigen im Armaturenbrett beim Autofahren“, erklärt Hafed. „Weiter entfernte Objekte dagegen, zum Beispiel eine vor uns liegende Straßenkreuzung, befinden sich im oberen Sichtfeld. Um uns auf solche entfernteren Objekte zu konzentrieren, brauchen wir logischerweise eine höhere Auflösung im oberen Sichtbereich. Die Ergebnisse von Dr. Hafeds Forscherteam könnten sich für das Design der Benutzeroberfläche von Augmented Reality- (AR) und Virtual Reality (VR)-Systemen als sehr nützlich erweisen.
Klinische Aspekte der visuellen Verarbeitung
Störungen in der visuellen Informationsverarbeitung können zu verschiedenen neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen führen. Beispielsweise können Läsionen im ventralen Pfad zu Agnosien führen, bei denen Patienten Objekte nicht erkennen können, obwohl ihreSehkraft intakt ist. Störungen im dorsalen Pfad können zu Schwierigkeiten bei der räumlichen Orientierung und der Steuerung von Bewegungen führen.
Psychische Erkrankungen beruhen häufig auf Funktionsstörungen von Transmittersystemen und damit auf Veränderungen in der Aktivierung verschiedener Rezeptoren im Rezeptom. Das geht mit spezifischen Modulationen von Gehirnzuständen einher, die sich in subtilen Änderungen der Dynamik weitverzweigter neuronaler Netzwerke im Gehirn äußern können. Die Wissenschaftler hoffen, durch ihre Forschung neue Konzepte anzustoßen, um psychische Erkrankungen durch Biomarker besser diagnostizieren und gezielter behandeln zu können.
Forschung zu visuellen Verarbeitung und psychischen Erkrankungen
Über den molekularen Aufbau von neuronalen Rezeptoren ist bereits viel bekannt. Doch Forscher wissen wenig darüber, wie einzelne Rezeptortypen ganzheitlich Dynamiken in den Netzwerken des Gehirns verändern. Um das im Computermodell zu simulieren, führte das Forschungsteam Daten aus drei verschiedenen bildgebenden Verfahren zusammen: Informationen zu den anatomischen Vernetzungen im Gehirn, aufgenommen mit diffusionsgewichteter Magnetresonanztomografie; Informationen über die Ruheaktivität von Probanden aus Messungen mit funktionaler Magnetresonanztomografie, kurz fMRT; und die Verteilungen von Rezeptortypen, aufgezeichnet mittels Positronen-Emissions-Tomografie (PET).
Damit konnten die Forscher Wechselwirkungen zwischen Nervenzellen und die Aktivierungen einzelner Rezeptortypen im Computermodell simulieren. So aktivierten sie beispielsweise virtuell den Serotonin-Rezeptor 5-HT2A und beobachteten die Veränderungen im Modellgehirn. „Sie waren erstaunlich ähnlich zu denen, die andere Gruppen im Scanner beobachtet hatten, nachdem die Probandinnen und Probanden Psilocybin oder LSD verabreicht bekommen hatten - beides psychodelisch wirkende Substanzen, die spezifisch an den 5-HT2A-Rezeptor binden“, erklärt Privatdozent Dr. Dirk Jancke vom Bochumer Optical Imaging Lab, Erstautor des Review-Artikels.
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