Das Sehen ist ein komplexer Prozess, bei dem das Gehirn Informationen von den Sehzellen im Auge verarbeitet, um ein Bild der Umgebung zu erzeugen. Dieser Prozess beinhaltet mehrere Schritte, von der Aufnahme des Lichts durch das Auge bis zur Interpretation der Informationen im Gehirn.
Das Auge: Aufnahme und Umwandlung von Licht
Das Auge ist ein Sinnesorgan, das Licht aufnimmt und in Nervenimpulse umwandelt, die das Gehirn interpretieren kann. Es ist von den präzisen Abständen seines Aufbaus abhängig. Erst das Zusammenspiel und die Zusammenarbeit aller Komponenten ermöglichen es uns zu sehen. Das Licht gelangt durch Hornhaut, Linse und Glaskörper auf die Netzhaut und wird dort von den Stäbchen und Zapfen wahrgenommen.
Bestandteile des Auges
Nur der vordere Teil eines Auges ist von außen sichtbar. Der restliche Augapfel liegt geschützt in der Augenhöhle. Das Augenweiß ist der sichtbare Bereich der festen Außenhülle des Augapfels. Der farbige Teil des Auges ist die Regenbogenhaut (Iris). Sie ähnelt einer Scheibe mit einem Loch in der Mitte - der Pupille. Die Iris enthält Muskeln, mit denen sie die Größe der Pupille verändern kann. Dadurch steuert sie, ähnlich wie die Blende einer Kamera, wie viel Licht ins Auge gelassen wird: Wenn es sehr hell ist, verengt die Iris die Pupille, um eine „Überbelichtung“ zu vermeiden. Im Dunkeln stellt sie sie weit, damit so viel Licht wie möglich aufgenommen werden kann.
Die Iris und die Pupille werden von einer lichtdurchlässigen Schicht bedeckt: der Hornhaut oder Kornea. Zusammen mit den Augenlidern, Wimpern und der Tränenflüssigkeit dient sie vor allem dazu, die Augen vor Fremdkörpern und Verletzungen zu schützen. Die Hornhaut spielt aber auch beim Sehen eine Rolle. Die Lichtstrahlen, die ins Auge fallen, müssen durch sie hindurch und werden bereits hier gebrochen.
Die Hornhaut liegt nicht dicht auf der Iris, sondern ist wie eine kleine Kuppel über sie gespannt. Im Inneren der Kuppel befindet sich eine Flüssigkeit, das Kammerwasser. Wenn Lichtstrahlen durch die Pupille fallen, treffen sie auf die dicht hinter ihr liegende Linse. Die Linse ist mit festen Fasern an Muskeln befestigt. Ziehen sich diese Muskeln zusammen, verändert sich die Form der Linse, und das einfallende Licht wird je nach Form unterschiedlich stark gebrochen. Auf diese Weise kann sich das Auge auf „nah“ oder „weit“ einstellen. Das Sehen erfordert Sehen mit beiden Augen. Mit zwei Augen kann das Gehirn die Lage im Raum bestimmen.
Lesen Sie auch: Wie das Gehirn Gefühle verarbeitet
Hinter der Linse befindet sich der durchsichtige Glaskörper. Er besteht aus einer gelartigen Masse, die dem Augapfel seine prall-elastische Form gibt. Der Glaskörper ist wie die Hornhaut und die Linse durchsichtig. Das ist eine wichtige Voraussetzung für gutes Sehen. In höherem Alter kann es jedoch zu Trübungen kommen: Wenn dann zum Beispiel die Linse nicht mehr „glasklar“ ist, spricht man von einem Grauen Star. Auch die Hornhaut kann in höherem Alter trübe werden. Ursachen können auch Vernarbungen sein.
Im Glaskörper entstehen bei vielen Menschen Trübstoffe, die harmlos sind und die Sehfunktion nicht stören. Man hat aber manchmal den Eindruck, dass kleine Fäden oder Insekten vor dem Blickfeld umherschwirren. Dieses Phänomen wird deshalb Mouches volantes (französisch für „fliegende Mücken“) genannt. Ernste Trübungen des Glaskörpers, die das Sehen behindern und behandelt werden sollten, sind seltener und hängen meist mit einer Entzündung des Auges zusammen. Der Glaskörper kann auch trübe werden, wenn es in den Augapfel einblutet.
Netzhaut und Sehzellen
Die Netzhaut (Retina) kleidet den Augapfel von innen aus. In ihrem hinteren Bereich - dem sogenannten Augenhintergrund - enthält sie Millionen von Sinneszellen. Durch die Linsenbrechung entsteht genau dort ein scharfes Bild von den Dingen, die gerade betrachtet werden. Zapfen sind für das Sehen von Farben zuständig. Stäbchen ermöglichen das „Schwarz-Weiß-Sehen“. Sie benötigen weniger Licht und ermöglichen das Sehen während der Dämmerung und in der Nacht. Diese beiden Sinneszellarten sind nicht gleichmäßig über die Netzhaut verteilt. Die meisten Zapfen befinden sich ungefähr in der Mitte des Augenhintergrunds, dem „gelben Fleck“ (Makula). Das ist der Bereich, an dem wir am schärfsten sehen.
Das menschliche Auge hat bemerkenswerte Eigenschaften. Wir können in finsterer Nacht bei schwachem Sternenlicht sehen, aber ebenso bei strahlend hellem Sonnenschein, wenn zehn Milliarden Mal mehr Licht ins Auge fällt. Während die Stäbchen sehr lichtempfindlich sind und uns das Sehen in der Nacht ermöglichen, sehen wir mit den weniger empfindlichen Zapfen bei Tage. In einem Übergangsbereich, z.B. in der Dämmerung, sind sowohl Stäbchen als auch Zapfen aktiv. Die Zusammenarbeit der Stäbchen und Zapfen muss dann genau geregelt werden, um die Balance zwischen den sehr unterschiedlichen Sehzelltypen zu bewahren. Wir haben einen Mechanismus, der diese Balance ermöglicht, auf der molekularen Ebene aufgeklärt. Stäbchen verwenden dazu den Ionenkanal HCN1. Er vermindert im Dämmerungsbereich, dass Stäbchen durch helle Lichtreize übermäßig geblendet werden. HCN1 wird aktiviert, wenn sich die Membranspannung der Stäbchen bei der Belichtung stark ändert und wirkt dann dieser Änderung entgegen. Dadurch reduziert er das Ausmaß der Spannungsänderung so, dass die Stäbchenantwort nicht „am Anschlag“ ist. Die Stärke des Signals, das die Stäbchen in das retinale Netzwerk einspeisen, wird so auf ein sinnvolles Maß reduziert, um die Verarbeitung der Zapfensignale im retinalen Netzwerk nicht zu stören. Der Ionenkanal wirkt also wie eine molekulare Notbremse, um Blendung zu minimieren. In Mäusen, die aufgrund eines genetischen Defekts diesen Ionenkanal nicht mehr bilden können, reagieren die Zellen in der Retina dagegen so, als wären sie durch helles Licht geblendet. Indem wir untersuchten, wie sich die Antworten von Retinazellen nach dem gezielten Ausschalten weiterer Signalproteine und Signalwege in den Stäbchen- und Zapfenpfaden ändern, konnten wir die Weiterleitung der Stäbchensignale durch das gesamte retinale Netzwerk verfolgen.
Die Nervensignale aus den Zapfen und Stäbchen werden über den Sehnerv ins Gehirn weitergeleitet. Die dadurch erzeugten Signale werden über den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet und dort als Sinneseindruck verarbeitet.
Lesen Sie auch: Faszination Nesseltiere: Wie sie ohne Gehirn leben
Funktion der Stäbchen und Zapfen
Die Netzhaut ist eigentlich ein vorgeschalteter Teil des Gehirns und enthält die Sinneszellen des Auges (Lichtsinneszellen oder Photorezeptoren; spezialisierte Nervenzellen), die den Lichtreiz aufnehmen, verarbeiten und über den Sehnerv an das Gehirn weiterleiten. Die eigentlichen Lichtsinneszellen befinden sich erst in der Tiefe der Netzhaut, in der vorletzten Schicht. Ein Bereich der Netzhaut - die sogenannte Makula (Macula lutea/gelber Fleck) - enthält eine besonders hohe Dichte von Zapfen und ist in unserem Auge der Bereich des schärfsten Sehens. Der Name „gelber Fleck“ stammt von den dort reichlich eingelagerten gelben Farbkörnchen (Lutein und Zeaxanthin).
Stäbchen und Zapfen, die abgestorben sind, können von der Retina nicht ersetzt werden. Bestimmte degenerative Erkrankungen der Netzhaut führen zum weitgehenden Verlust der Photorezeptoren und somit zur Erblindung. Das innere Netzwerk der Retina bleibt aber bestehen, ebenso die Verbindung zum Gehirn. Eine mögliche Therapie besteht darin, die verbleibenden Nervenzellen in der Netzhaut elektrisch zu reizen, um so eine Sehwahrnehmung auszulösen. Die Ergebnisse, die mit derartigen Netzhautimplantaten erreicht werden, sind zwar hoffnungsvoll, bleiben aber oft hinter den ursprünglichen Erwartungen zurück. Als Gründe hierfür werden verschiedene Faktoren diskutiert, darunter auch Umbauprozesse, die im Rahmen des Degenerationsverlaufs in der Retina auftreten („remodeling“). Wir untersuchen, wie sich die anatomischen und physiologischen Eigenschaften der Retina durch solche Umbauprozesse ändern. Wir fanden z.B., dass die degenerierte Retina sich durch Implantate schlechter stimulieren lässt als die normale Retina. Dies könnte erklären, warum die Leistung derzeitiger Implantate oft hinter den Erwartungen zurückbleibt. Zusammen mit Kollegen des Forschungszentrums Jülich, der Universitätsaugenklinik Aachen, der RWTH und der Uni Duisburg-Essen versuchen wir neue Konzepte für die Elektrostimulation der Retina zu entwickeln.
Bei normaler Beleuchtung kann ein gesundes menschliches Auge bis zu 100.000 Farbnuancen unterscheiden. Wird eine Zapfenart stark gereizt, entsteht der Sinneseindruck "Farbe" mit all den möglichen Nuancen. Lässt das Umgebungslicht nach, verlieren die Zapfen nach und nach ihre Wirkung. Die Stäbchen senden weiterhin Impulse ans Gehirn. Die Zapfen reagieren nacheinander für Rot, Grün und Blau, wobei Gelb am längsten wahrgenommen wird. Aus diesem Grund ist Gelb eine ideale Signalfarbe. Daher können wir nur bei Tageslicht Farben vollständig erkennen. In der Dämmerung können wir Bewegungen besser erkennen, da nun die lichtempfindlicheren Stäbchen aus den Randbereichen des Auges angeregt werden.
Verarbeitung im Gehirn
Unsere optische Wahrnehmung ist ein komplexer Prozess: Bevor wir etwas sehen, laufen viele einzelne Schritte in Auge und Gehirn ab. Man spricht auch von der sogenannten Sehbahn, die beim Auge beginnt und bis in unser Denkzentrum reicht. Vereinfacht gesagt funktioniert das Sehen so: Das menschliche Auge nimmt Licht aus der Umgebung auf, bündelt dieses auf der Hornhaut. Dadurch entsteht ein erster Seheindruck. Dieses Bild wird nun von jedem Auge über den Sehnerv weitergeleitet an das Gehirn und dort zu dem verarbeitet, was wir als „Sehen“ erleben. Licht ist dabei die Grundlage von allem, was wir sehen. Im Detail bedeutet das: Damit wir einen Gegenstand überhaupt wahrnehmen können, muss Licht auf ihn fallen. Dieses Licht wird dann vom Gegenstand zurückgeworfen und von unserem Sehsystem verarbeitet. Betrachten wir zum Beispiel einen Baum, so nehmen wir das davon reflektierte Licht über unsere Augen auf: Die Lichtstrahlen durchdringen zunächst die Bindehaut und die Hornhaut. Von dort durchqueren sie die vordere Augenkammer, dann die Pupille. Im Anschluss trifft das Licht auf die Augenlinse, wird gebündelt und an die photosensible (= lichtempfindliche) Netzhaut weitergeleitet. Dort werden die Informationen über das Gesehene zunächst gesammelt und sortiert: Die Stäbchen kümmern sich hierbei um das Hell-Dunkel-Sehen, die Zapfen um Schärfe und Farben. Anschließend werden die Informationen an den Sehnerv weitergegeben, der sie auf direktem Weg zum Gehirn transportiert.
Die Umwandlung eines Bildes auf der Netzhaut in elektrische Nervensignale ist nur der Beginn des Sehens. Sehen ist mehr, als nur optische Signale in Nervenimpulse zu übersetzen. Das Gehirn analysiert die Informationen, ordnet sie Stück für Stück und begreift sie. Das Bild der Netzhaut steht auf dem Kopf. Die Verarbeitung des Gehirns ist dann für den aufrechten Seheindruck zuständig, wie wir ihn kennen.
Lesen Sie auch: Lesen Sie mehr über die neuesten Fortschritte in der Neurowissenschaft.
Die Sehbahn leitet visuelle Signale blitzschnell an das Gehirn weiter. Die Sehnerven beider Augen überkreuzen am Chiasma opticum Etwa die Hälfte der Fasern beider Nervenstränge wechselt hier die Seite, so dass Signale aus dem linken Auge auch in der rechten Hirnhälfte verarbeitet werden und umgekehrt. Jenseits der Kreuzung werden die Sehnerven als Sehtrakt oder Tractus opticus bezeichnet. Die meisten Nervenfasern ziehen über den seitlichen Kniehöcker in den visuellen Cortex, ein kleiner Teil jedoch gibt dem Prätektum Input, etwa für die “innere Uhr” oder den Pupillenreflex. Störungen auf der visuellen Hochgeschwindigkeitsstrecke haben gravierende Konsequenzen. Krankheiten, die die Sehnerven schädigen, führen häufig dazu, dass ganze Areale des Gesichtsfelds eines Auges nicht mehr im Gehirn registriert werden. Beeinträchtigt beispielsweise ein Tumor, eine Entzündung oder eine Blutung den rechten oder linken Sehnerv zwischen Netzhaut und Sehnervenkreuzung, fehlt die gesamte Information aus dem jeweiligen Auge. Geschieht der Schaden an oder nach der Sehnervenkreuzung, treten besondere Ausfallmuster auf: Etwa die "Scheuklappenblindheit", also ein Ausfall des äußeren Gesichtsfeldes, wenn die sich überkreuzenden Bahnen im Chiasma opticum betroffen sind. In Schicht 2, 3 und 5 des seitlichen Kniehöckers enden jeweils Fasern aus dem ipsilateralen Auge, in Schicht 1, 4 und 6 die Stränge aus dem kontralateralen Auge. Schicht 1 und 2 des seitlichen Kniehöckers sind die magnozellulären Schichten mit größeren (lateinisch: magnus) Zellkörpern und Axondurchmessern. Sie reagieren vor allem auf Bewegungen. Die parvozellulären Schichten 3 bis 6 setzen sich aus kleineren (lateinisch: parvus) Nervenzellen zusammen und liefern Input für die Verarbeitung von Form und Farbe.
Die visuelle Verarbeitung passiert schnell und präzise und beginnt schon in der Netzhaut. Verschiedene Ganglienzell-Typen in der Netzhaut sind für die Verarbeitung von Farben oder zum Beispiel Bewegungen zuständig. Die Analyse des Gesehenen beginnt in der primären Sehrinde V1. In der Sehrinde, aber auch in höheren Gehrinregionen wie dem Schläfenlappen, gibt es zahlreiche Neuronengruppen, die für die Erkennung bestimmter Muster zuständig sind, zum Beispiel Farben, Reize aus der Horizontalen oder Dreiecke. Von der primären Sehrinde gehen die Informationen über die dorsale Verarbeitungsbahn zum Scheitellappen („Wo“-Bahn) und über die ventrale Verarbeitungsbahn zum Schläfenlappen („Was“-Bahn). Die "Wo"-Bahn übernimmt die Lokalisation von Dingen im Raum und Bewegungen, die „Was“-Bahn konzentriert sich auf Informationen wie die Objekterkennung.
Die parallele Verarbeitung des Seheindrucks deutet sich bereits auf der Netzhaut durch unterschiedliche Typen von Ganglienzellen an: während zum Beispiel der P-Typ eher auf Farbe spezialisiert ist, antworten M-Ganglienzellen bevorzugt auf Bewegungen. Diese Trennung spiegelt sich im seitlichen Kniehöcker wieder - der einzigen Umschaltstation zwischen Netzhaut und primärer Sehrinde, wo die parvozelluläre und die magnozelluläre Bahn ihren Ursprung haben. Sie bilden sozusagen erste Zufahrtswege zur späteren Was-und-wo-Bahn der visuellen Wahrnehmung. In der primären Sehrinde (kurz: V1) beginnt die Analyse. Wie der gesamte Cortex ist auch sie in Schichten aufgebaut und parvo- wie magnozelluläre Bahn haben hier unterschiedliche Projektionen. Wer es genau wissen will: Die magnozelluläre Bahn endet in Schicht 4c-alpha, die parvozelluläre Bahn in Schicht 4c-beta. Senkrecht zu diesen Schichten verlaufen funktionelle Säulen von Nervenzellen - ein Prinzip, das ebenfalls im gesamten Cortex zu finden ist. Die Neurone dieser Säulen reagieren beispielsweise auf Reize einer bestimmten Orientierung - horizontal, vertikal oder auch ein Winkel von 35 Grad. Innerhalb der höheren Gehirnareale existieren wiederum Gruppen von Nervenzellen, die auf noch spezifischere Teilaufgaben spezialisiert sind. Zur Objekterkennung im Schläfenlappen gibt es zum Beispiel Gruppen von Neuronen, die besonders sensibel auf die Formen wie Dreiecke oder Sterne oder auch auf Gesichter reagieren. Diese ebenfalls stets in Säulen angeordneten Neuronengruppen sind lernfähig - das ist der Grund, warum zum Beispiel Ärzte auf Röntgen- oder Ultraschallbildern viel schneller die entscheidenden Einzelheiten entdecken als jemand, der diese Fertigkeit nie geübt hat. In anderen Hirnregionen wurden Neuronen mit weiteren Spezialisierungen nachgewiesen: V4, das vor allem für Farbe zuständig ist, enthält viele farbselektive Zellen; der medio-temporale Cortex verarbeitet Bewegung und enthält viele richtungssensitive Neurone.
Genauer betrachtet fließen die Daten nach einer ersten Analyse in der primären Sehrinde auf zwei Wegen in nachgeschaltete Areale des Gehirns. Die dorsale Verarbeitungsbahn reicht Informationen zum oben am Kopf gelegenen Scheitellappen, dem parietalen Cortex, weiter. Die ventrale Verarbeitungsbahn führt zum Schläfenlappen, dem temporalen Cortex. Die dorsale Verarbeitungsbahn gilt als “Wo”-Bahn: Sie übernimmt die Lokalisation von Dingen im Raum und Bewegungen. Die ventrale Verarbeitungsbahn dagegen konzentriert sich auf “Was”-Informationen wie die Objekterkennung.
Für die umfassende Wahrnehmung reicht die Aufteilung in dorsale und ventrale Verarbeitungsbahn jedoch nicht aus. Die beiden parallelen Verarbeitungsströme treffen letztendlich im Stirnlappen erneut zusammen. Zudem gleicht das Gehirn die Analyse auch mit Information aus anderen Ebenen ab: Etwa den Eindrücken aus Hör- und Gleichgewichtssystem, dem Tast- oder dem Riechsinn. Zusätzlich existieren Verschaltungen zu unspezifischen Hirnarealen, die nicht direkt von sensorischen oder motorischen Systemen „befüttert“ werden. Hier passiert zum Beispiel das Einordnen von Eindrücken in Kategorien - etwa, dass sowohl ein Schaukelstuhl, als auch ein Liegestuhl genauso wie ein Puppenfahrradsitz Gegenstände zum Sitzen sind. In dieser Analyse weisen die Neurone jeder Verarbeitungsstufe eine höhere Abstraktionsfähigkeit auf als in der vorangegangenen Stufe. Lernen spielt dabei eine große Rolle, denn viele Dinge können wir nur wahrnehmen, weil wir sie kennen und ein gewisses Vorwissen haben. Zum Beispiel das „Zurückübersetzen“ eines zweidimensionalen Abbildes in drei Dimensionen: Hinter dem zweidimensionalen Bild eines Gegenstandes können sich theoretisch verschiedene dreidimensionale Objekte verbergen. Das Gehirn entscheidet sich oft für die einfachste beziehungsweise uns am besten bekannte Interpretation. Dabei berücksichtigt es neben der Erfahrung auch Fakten wie den Lichteinfall und Schatten. Viele optische Illusionen funktionieren, indem sie dem Gehirn zu wenige oder mehrdeutige Hinweise zur Interpretation des Gesehenen liefern.
Bedeutung für den Alltag und mögliche Störungen
Unsere Augen sind unsere wichtigsten und auch empfindlichsten Sinnesorgane. Mit ihnen nehmen wir Licht und Farben wahr. In jeder Sekunde werden mehr als 10 Millionen Informationen verarbeiten, unter anderem 600.000 Farben. Das Sehen ist einer unserer fünf Sinne. Ob Hören, Riechen oder Fühlen - mit keinem anderen Sinnesorgan nehmen wir so viele Eindrücke in so kurzer Zeit auf wie mit den Augen. Für die meisten von uns ist gutes Sehen so selbstverständlich, dass wir gar nicht darüber nachdenken.
So wichtig unsere Augen für unser Leben und unseren Alltag sind, so empfindlich sind sie auch. Ein Mangel an Vitaminen, ein zu viel an UV-Strahlung und Schwankungen des Stoffwechsels können ihnen schaden. Oft passiert das lange unbemerkt - beispielsweise wenn Diabetes zu Veränderungen führt. Bis Sie die ersten Sehbeschwerden wahrnehmen, ist meistens schon eine Menge passiert. Deshalb sind regelmäßige Untersuchungen und gegebenenfalls die richtige Behandlung wichtig.
Wie kommt es zu Sehstörungen? Unterschiedliche Erkrankungen können sich auf das Sehvermögen auswirken. Abhängig von der Augenerkrankung und dem individuellen Verlauf können sich Sehstörungen schleichend einstellen oder plötzlich auftreten. Mögliche Einschränkungen des Sehvermögens Normales Sehen Vermindertes, unscharfes Sehen kann zu den Folgen eines MakulaödemsFlüssigkeitsansammlung an der Makula, dem zentralen Bereich im hinteren Teil der Netzhaut mit der Sehgrube, der Stelle des schärfsten Sehens. gehören, einer Netzhauterkrankung. Einschränkungen des Gesichtsfelds sind typisch bei einem GlaukomAuch grüner Star; Gruppe von Augenerkrankungen, bei denen es zu einer Schädigung des Sehnervs kommt; häufig ist ein erhöhter Augeninnendruck Ursache der Erkrankung.. Sehen von Flecken, Punkten oder Fäden kann ein Anzeichen einer UveitisOberbegriff für unterschiedliche Entzündungen der Gefäßhaut; die Uveitis wird danach unterschieden, in welchem Bereich des Auges die Entzündung besteht oder welche Ursache sie hat. sein. Wenn Sie Veränderungen Ihres Sehvermögens bemerken, lassen Sie sich augenärztlich untersuchen, um die Ursache festzustellen. Eine frühe Diagnose und Therapie bei Augenerkrankungen kann dazu beitragen, Schäden an den Augen aufzuhalten und die Sehkraft zu bewahren.
tags: #Wie #verarbeitet #das #Gehirn #Informationen #von