Das Verständnis, wie Neuronen auf Orientierung reagieren, ist entscheidend für das Verständnis der visuellen Verarbeitung im Gehirn. Von den Flugkünsten der Weinschwärmer bis hin zur Anpassungsfähigkeit des menschlichen Sehsystems ist die Fähigkeit, die Umgebung visuell zu erfassen und zu interpretieren, ein komplexer Prozess, der auf der Aktivität spezialisierter Nervenzellen beruht.
Die Herausforderung des nächtlichen Sehens
Das Sehen bei Nacht stellt eine besondere Herausforderung dar, da die Anzahl der Lichtpartikel, die auf das Auge treffen, erheblich geringer ist als am Tag. Nachtaktive Tiere haben im Laufe der Evolution verschiedene Strategien entwickelt, um sich an diese Bedingungen anzupassen. Der Mittlere Weinschwärmer (Deilephila elpenor) ist ein bemerkenswertes Beispiel, da er als erstes Tier nachgewiesen wurde, das nachts Farben sehen kann.
Neuronale Verarbeitung im Schwärmergehirn
Die Lösung für die außergewöhnliche Lichtempfindlichkeit des Weinschwärmers liegt im Gehirn. Die Signalverarbeitung erfolgt durch Nervenzellen, die sogenannten Neuronen. Die Flugsteuerungs-Neuronen im Gehirn des Schwärmers reagieren noch auf Signale, die hundertmal lichtschwächer sind als die schwächsten Signale, auf die die Fotorezeptoren im Auge noch verlässlich reagieren.
Die Strategie der Lichtsignalverstärkung
Das visuelle System ist bei Dunkelheit umso lichtempfindlicher, je mehr der spärlich eintreffenden Lichtsignale verarbeitet werden können. Die Neuronen im Schwärmergehirn nutzen das Prinzip der "Summation" von Lichtsignalen. Der Falter bündelt die Signale von jeweils einigen dutzend Ommatidien (Einzelaugen), sammelt deren Signale über einen Zeitraum von mehreren hundert Millisekunden und verstärkt so das vorhandene Lichtsignal um mehr als das Hundertfache. Dies geschieht auf Kosten der Auflösung, ermöglicht es dem nachtaktiven Schwärmer jedoch, auch bei schwachem Licht sicher zu fliegen.
Anwendungsmöglichkeiten für effiziente Steuerungssysteme
Die Winzigkeit des Falterhirns macht es zu einem einzigartigen Vorbild für die Entwicklung effizienter Steuersysteme, etwa für autonome Fahr- und Flugzeuge. In Zusammenarbeit mit einem Automobilhersteller entwickeln Forscher eine Kamerasoftware, die auf den visuellen Verarbeitungsstrategien nachtaktiver Tiere basiert. Diese Software soll die Signale herkömmlicher Kameras verarbeiten und so das schwächste Licht noch ausreizen.
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Die Auswirkungen der Lichtverschmutzung
Die zunehmende Lichtverschmutzung stellt eine große Gefahr für das Leben in der Natur dar. Insekten, die mit schwachen Lichtquellen wie Mond und Sterne zurechtkommen, sind von Straßenlampen völlig überfordert. Magisch angezogen umkreisen sie das Licht, bis sie erschöpft zugrunde gehen.
Die Anpassungsfähigkeit des Fliegenhirns an Kontrastverhältnisse
Forscher des Max-Planck-Instituts für Neurobiologie haben herausgefunden, wie das Fliegenhirn das Problem der Objekterkennung unter verschiedenen Bedingungen angeht: Die Nervenzellen verändern ihre Empfindlichkeit konstant in Abhängigkeit vom aktuellen Umgebungskontrast. Das Fliegenhirn hat eine Feedbackschleife zum Kontrastvergleich eingebaut. Nimmt eine Nervenzelle einen hohen Kontrast wahr, vergleicht sie diesen Wert zunächst mit dem ihrer Nachbarzellen. Ist der Umgebungskontrast im Vergleich gering, antwortet die Nervenzelle stark. Kontrast wird im Sehsystem der Fliege also immer nur relativ zum Umgebungskontrast kodiert.
Funktionelle Systeme im Gehirn
Die Neuropsychologie nach LURIJA (1998) sieht den Funktionsbegriff als dynamisches Modell, wonach zahllose Systeme miteinander interagieren und für die Dauer der Bewältigung einer Aufgabe eine Einheit bilden. Jedes funktionelle System ist gekennzeichnet durch die Existenz einer unveränderlichen Aufgabenstellung sowie eines invarianten Ergebnisses. Die Bewältigung des Weges, der zur Lösung einer Aufgabe beschritten wird, kann dagegen auf verschiedene Art und Weise geschehen.
Die drei funktionellen Einheiten nach LURIJA
LURIJA (1998) teilt das ZNS in drei grundlegende funktionale Einheiten:
- Einheit zur Regulation von Tonus, Wachheit und Aktivierung
- Einheit zur Aufnahme, Verarbeitung und Speicherung der Informationen
- Einheit für Programmierung, Steuerung und Kontrolle psychischer Tätigkeiten
Keine von ihnen kann alleine für sich aktiv werden, jede liefert vielmehr ihren spezifischen Beitrag zur Funktionsfähigkeit funktioneller Systeme und steht mit den beiden anderen in ständiger Wechselwirkung.
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Visuelle Informationsverarbeitung im Gehirn
Die visuelle Informationsverarbeitung beginnt mit der Retina und setzt sich über den Thalamus bis zur primären Sehrinde (V1) fort. In V1 werden elementare visuelle Reizmerkmale wie Luminanz und Kontrast analysiert. Die Verarbeitung erfolgt in funktionalen Netzwerken oder Säulensystemen.
Orientierungsempfindlichkeit in V1
Neuronen in V1 sind selektiv für Reize verschiedener Orientierung. Sie reagieren am stärksten auf Lichtstreifen einer bestimmten Orientierung. Die Orientierungspräferenzen liegen in V1 nahe beisammen.
Weitere Merkmale der visuellen Verarbeitung
Neben der Orientierung werden in der visuellen Verarbeitung auch Farbe, Form und Bewegung analysiert. Unterschiedliche Hirnareale sind an der Verarbeitung dieser Merkmale beteiligt.
Neuropsychologische Aspekte von Lern- und Lernstörungen
Die Untersuchung kognitiver, sensorischer, motorischer und affektiver Funktionen einzelner Hirnregionen ist eine wichtige Aufgabe sowohl der klinischen Neuropsychologie als auch der kognitiven Neurologie. Neurologische Erkrankungen beeinträchtigen neuropsychologische Funktionen wie Raumorientierung, Aufmerksamkeit, Sprache, Gedächtnis und Motorik.
Aufmerksamkeitsstörungen
Aufmerksamkeitsstörungen gehören zu den häufigsten neuropsychologischen Folgen erworbener Hirnschädigungen. Vier Aufmerksamkeitskomponenten werden unterschieden: Vigilanz, Daueraufmerksamkeit, selektive Aufmerksamkeit und geteilte Aufmerksamkeit.
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Neurovisuelle Störungen
Etwa die Hälfte aller hirngeschädigten Patienten weist neurovisuelle Störungen auf. Homonyme Gesichtsfeldausfälle, Lese- und visuelle Explorationsstörungen finden sich bei einem hohen Prozentsatz der Betroffenen.
Die Pupillengröße als Indikator für den inneren Zustand
Die Pupillengröße wird nicht nur durch Licht beeinflusst, sondern auch durch den inneren, emotionalen Zustand einer Person. Gemütsabhängige Veränderungen der Pupillengröße können die Art und Weise verändern, wie wir unsere Umgebung wahrnehmen.
Auswirkungen auf die visuelle Wahrnehmung
Wenn die Pupillen aufgrund eines wachsamen Gemütszustands erweitert sind, ändert sich die Farbempfindlichkeit der Neuronen. Die höhere neuronale Empfindlichkeit für blaues Licht kann beispielsweise dabei helfen, Raubtiere bei blauem Himmel besser zu erkennen.
Multisensorische Integration in der Hirnrinde
Die multisensorische Integration findet schon auf der Ebene der primären Areale der Hirnrinde statt. Tast- und Bildinformationen vom selben Ausschnitt der Umgebung führen auch im Gehirn in einem scharf abgegrenzten Areal zu Aktivität. Die primäre Sehrinde ist nicht nur für die Verarbeitung optischer Reize zuständig, sondern wird auch bei Tastreizen aktiviert.
Hemmeffekte bei der multisensorischen Verarbeitung
Das Kitzeln der Schnurrhaare verändert auch die Intensität der visuellen Aktivität in der Sehrinde. Je stärker die mechanische Stimulation ist, desto stärker hemmt sie die Amplitude der Signale, die durch die optischen Reize ausgelöst werden. Dieser Hemmeffekt könnte dazu dienen, die taktilen Reize von nahen Objekten, die unmittelbare Aufmerksamkeit verlangen, zu priorisieren.
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