Forschende der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) haben herausgefunden, dass Nervenzellen im Auge natürliche optische Reize aus der Umgebung häufig gemeinsam in Zellgruppen und aufeinander abgestimmt verarbeiten. Die koordinierte Zusammenarbeit der Nervenzellen verstärkt die Signalübertragung bei Szenen mit hohem Kontrast und Bewegungen. Diese Erkenntnisse könnten dazu beitragen, die Behandlung von Blindheit zu verbessern. Die Ergebnisse sind im renommierten Wissenschaftsmagazin „Nature“ veröffentlicht.
Unser Sehsinn versorgt uns beständig mit Informationen über unsere Umgebung, erlaubt uns räumliche Orientierung, warnt uns vor herannahenden Gefahren und lässt uns Objekte erkennen oder kleine emotionale Regungen im Gesicht unseres Gegenübers wahrnehmen. Die Verarbeitung dieser optischen Information in der Netzhaut des Auges, in der die lichtsensitiven Fotorezeptoren und erste Nervenzellen sitzen, gehört zu den energieintensivsten Prozessen im Organismus, vor allem angesichts des geringen Gewichtsanteils der Netzhaut. Seit mehr als 50 Jahren bestimmt daher die sogenannte „effiziente Kodierungshypothese“ das wissenschaftliche Verständnis der Sehprozesse im Auge. Sie besagt, dass es die Aufgabe der Netzhaut ist, die visuellen Informationen möglichst effizient zu verarbeiten, um energetische Ressourcen zu schonen. Dies bedeutet, dass möglichst wenige Nervenzellen gleichzeitig aktiv sein sollten, wenn es um die Produktion elektrischer Signale zur Weiterleitung der Sehinformationen an das Gehirn geht.
Ein Team von Wissenschaftler*innen um Prof. Dr. Tim Gollisch, Forschungsgruppenleiter in der Klinik für Augenheilkunde der Universitätsmedizin Göttingen (UMG), hat jetzt herausgefunden, dass die effiziente Kodierungshypothese nicht für alle Nervenzellen im Auge zutrifft. Für eine Reihe von Zellen konnten die Forscher*innen in Netzhautpräparaten beobachten, dass häufig ganze Zellgruppen gleichzeitig aktiv sind. Dieses koordinierte Zusammenwirken der Nervenzellen scheint einer effizienten und energiesparenden Informationsübertragung zu widersprechen, da die einzelnen Zellen die gleichen Signale übermitteln. Die Forscher*innen konnten zeigen, dass die gemeinsame Aktivität der Zellen nicht zufällig auftritt, sondern dass bestimmte Zellengruppen dann gleichzeitig aktiv werden, wenn entweder sehr kontrastreiche Bilder ins Blickfeld kommen oder Bewegungen in bestimmte Richtungen beobachtet werden.
„Diese koordinierte Zusammenarbeit der Nervenzellen könnte dazu dienen, dass das Gehirn besonders relevante optische Signale wie beispielsweise für das Erkennen von Kontrast oder Bewegung von anderen weniger wichtigen Einflüssen wie Helligkeitsänderungen unterscheiden kann, zum Beispiel wenn sich eine Wolke vor die Sonne schiebt und es dadurch dunkler wird. Für Energieeffizienz scheinen die Zellgruppen hingegen zu sorgen, indem sie besonders kurz auf entsprechende Sinnesreize reagieren“, sagt Prof. Gollisch, Letztautor der Studie.
„Die Erkenntnisse bieten Potenzial für die Behandlung von Blindheit. Insbesondere betrifft dies die durch Degenerationsprozesse verursachte Erblindung, zum Beispiel wenn die Fotorezeptoren in der Netzhaut absterben. Diese nehmen das Licht aus der Umgebung auf und wandeln es in elektrische Signale um, die über Nervenzellen zur Verarbeitung der Sehinformation an das Gehirn weitergeleitet werden. Sterben die Fotorezeptoren ab, findet keine Signalweiterleitung über die entsprechenden Nervenzellen statt. Wenn nun diese Nervenzellen auf künstliche Weise, also durch eine Sehprothese aktiviert werden, ist es wichtig, eine entsprechend koordinierte Aktivität der Nervenzellen hervorzurufen, damit das Gehirn möglichst naturgetreue Signale bekommt, um diese richtig zu deuten“, sagt Dr. Dimokratis Karamanlis, ehemaliger Postdoktorand in der Klinik für Augenheilkunde der UMG und Erstautor der Studie.
Die Ergebnisse sind im renommierten Wissenschaftsmagazin „Nature“ veröffentlicht.
Originalpublikation: Karamanlis D, Khani MH, Schreyer HM, Zapp SJ, Mietsch M, Gollisch T. Nonlinear receptive fields evoke redundant retinal coding of natural scenes. Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-024-08212-3
Hintergrund
Eine Grundlage der effizienten Kodierungshypothese bildet die Beobachtung, dass beispielsweise beim Blick auf eine große weiße Fläche vor allem Nervenzellen aktiv sind, die die Begrenzung der Fläche wahrnehmen. Zellen, die das „Innere“ der Fläche erkennen, werden in ihrer Aktivität unterdrückt, um so Energie einzusparen. Dass die Fläche im Inneren, sprich zwischen den Begrenzungen, auch weiß ist, reimt sich das Gehirn auch ohne diese Signale zusammen.
Große weiße Flächen, die sich für längere Zeit im Blickfeld befinden, sind in der realen Natur allerdings kaum zu finden. Daher haben die Forscher*innen getestet, wie Netzhautproben auf Naturfotos reagieren. Dazu wurden die Fotos so über die Proben hinwegbewegt, wie es natürlichen Augenbewegungen entspricht. Durch die gleichzeitige Messung der elektrischen Aktivität einer Vielzahl von Nervenzellen konnten die Forscher*innen nachweisen, dass sich gewisse Klassen von Zellen gut an die effiziente Kodierungshypothese halten und getrennt voneinander reagieren. Andere prominente Zellklassen hingegen folgen der Hypothese nicht und tendieren dazu, gemeinsam aktiv zu werden.
Ausblick
Die Erkenntnisse der Studie fließen direkt in die Entwicklung neuer Therapieansätze am kürzlich in Göttingen gegründeten Else Kröner Fresenius Zentrum für Optogenetische Therapien ein. Dabei sollen bei bestimmten Blindheitsformen lichtempfindliche Proteine in die Nervenzellen der Augen eingeschleust werden, um diese Zellen mit Licht zu aktivieren. „Die Ergebnisse helfen uns zu verstehen, welche Aktivitätsmuster der Zellen für das natürliche Erkennen bestimmter Seheindrücke notwendig sind. In der Therapieentwicklung wird dann das Ziel sein, diese Muster auf künstliche Weise zu erzeugen“, sagt Prof. Gollisch, der im neuen Zentrum mitarbeitet. Bereits in einigen Jahren sollen dazu entsprechende Studien mit Patient*innen in Göttingen beginnen.
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