Neue israelisch-deutsche Studie gibt Einblicke, wie das Gehirn „sieht“

Israelische Forscher der Hebräischen Universität und ihre deutschen Kollegen in München haben eine Studie durchgeführt, die aufzeigt, wie das menschliche Gehirn „sieht“, indem es visuelle Signale in Wahrnehmung umwandelt. Die Studie untersucht, wie das Gehirn Informationen aus den Augen nutzt, um Bedeutung und räumliches Bewusstsein für die Außenwelt zu konstruieren.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Sehen lange bevor sich im Gehirn ein vollständiges Bild bildet, beginnt. Zunächst bestehen die Eingaben aus rohen visuellen Daten, die anschließend verarbeitet und zu einer zusammenhängenden und sinnvollen Struktur geordnet werden. Der Prozess beginnt in der Netzhaut des Auges, die Licht erfasst und in elektrische Signale umwandelt, die zur weiteren Analyse an das Gehirn weitergeleitet werden.

Die Forscher glauben, dass die neue Studie, die in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurde, die zukünftige neurowissenschaftliche Forschung prägen könnte. Sie liefert Berichten zufolge den ersten Beweis für das 1962 von den Nobelpreisträgern David Hubel und Torsten Wiesel vorgeschlagene „Feedforward-Modell“.

Wissenschaftliche Bemühungen, zu verstehen, wie das Gehirn visuelle Informationen verarbeitet, reichen mehr als ein Jahrhundert zurück. Im Jahr 1905 entdeckte der japanische Arzt Tatsuji Inouye, dass eine Schädigung des hinteren Teils des Gehirns zu einem Verlust des Sehvermögens führte, und identifizierte damit letztlich die entscheidende Rolle des visuellen Kortex. Erst in den 1950er Jahren stellten Wissenschaftler jedoch fest, dass das Gehirn aus Neuronen besteht, die über chemische und elektrische Signale kommunizieren.

Das „Feedforward-Modell“ von Hubel und Wiesel, das Anfang der 1960er Jahre vorgestellt wurde, stellte einen bedeutenden Durchbruch dar. Es zeigte, dass Neuronen in der Netzhaut und im Thalamus auf kleine Lichtpunkte reagieren, während Neuronen im visuellen Kortex eher auf Linien als auf Punkte reagieren. Jahrzehntelang war es jedoch aufgrund technischer Einschränkungen unmöglich, ihre Theorie vollständig zu beweisen.

Die neue deutsch-israelische Studie liefert Berichten zufolge den ersten konkreten Beweis für das „Feedforward-Modell“. Sie nutzte moderne Zwei-Photonen-Mikroskopie, die eine Abbildung auf der Ebene einzelner Synapsen – winziger Verbindungen zwischen Neuronen – ermöglicht.

Die Forscher setzten zudem gentechnisch veränderte Proteine ein, die Licht emittieren, wenn sie an den Neurotransmitter Glutamat binden. Dieser kombinierte Ansatz ermöglichte es ihnen, in Echtzeit zu beobachten, wie Neuronen kommunizieren.

Letztendlich gelang es ihnen, die Eingangsverbindungen zu einem einzelnen Neuron zu kartieren und dabei fast 90 Prozent seiner aktiven exzitatorischen Eingänge zu identifizieren. Darüber hinaus konnten sie feststellen, welche dieser Eingänge vom Thalamus stammten.

Die neue Studie zeigte, dass Neuronen im visuellen Kortex orientierungsempfindlich sind und Eingaben von den Thalamusneuronen erhalten. Die deutschen und israelischen Forscher lieferten zwar Belege für das Feedforward-Modell, merkten jedoch an, dass das Modell nicht alle Aspekte der komplexen visuellen Verarbeitung im menschlichen Gehirn abdeckt.

Mit Blick auf die Zukunft glauben die Forscher, dass die neue Studie der Ausgangspunkt für weitere Erkundungen der Gehirnfunktion sein könnte.

Israel verfügt über einige der weltweit fortschrittlichsten Krankenhäuser und medizinischen Forschungseinrichtungen. Im Februar präsentierten Forscher am Rambam Health Care Campus im Norden Israels eine vielversprechende Studie, wonach die Tiefenhirnstimulation bei Schizophrenie helfen könnte.