Hemmende Signale zum Schutz vor Reizüberflutung.
Bei sakkadierten Augenbewegungen, gelangt das Bild der Umgebung in kürzester Zeit auf die Netzhaut des Auges und entfesselt eine Flut neuronaler Aktivität.
Gemäß dem Prinzip des Corollary Discharge (CD) kann das Nervensystem sensorische Signale identifizieren, die auf Eigenbewegungen zurückzuführen sind und diese bei der Verarbeitung von Signalen, die aus externen Reizen resultieren, unterscheiden.
Die zugrunde liegenden Mechanismen bei Wirbeltieren waren bisher unklar. Forscher um den Freiburger Neurowissenschaftler Prof. Dr. Johann Bollmann haben jetzt in Zebrafischlarven zum ersten Mal auf zellulärer Ebene die Signale gemessen, die diese Unterdrückung bewirken.
Zebrafische als Modelle für sakkadische Augenbewegungen
Das Bewegungsmuster von Zebrafischlarven ähnelt sakkadischen Augenbewegungssequenzen: sie bewegen sich sprunghaft vorwärts. Auf kurze Bewegungsphasen folgen Ruhephasen. Während der Bewegungsphasen wird von ihrem Gehirn die visuelle Wahrnehmung kurzzeitig unterdrückt.
Unterdrückung der visuellen Reize vorteilhaft.
Die Richtung der nächsten Schwimmphase und der Erfolg eines Beutezugs hängen maßgeblich von der Qualität des visuellen Feedbacks ab. In diesem Kontext erweist sich die Unterdrückung der visuellen Empfindlichkeit während der Bewegung für die Larve als vorteilhaft. Unscharfe Signale, die durch Eigenbewegung entstehen, werden herausgefiltert. Dies ermöglicht es dem visuellen System, unmittelbar nach der Bewegungsphase auf externe visuelle Reize empfindlicher zu reagieren.
Temporäre Unterdrückung visueller Wahrnehmung während der Bewegung.
Forscher konnten diese Beobachtung nun bestätigen, indem sie einen reduzierten elektrischen Einstrom von Kalzium-Kationen (Ca2+) in einzelne Nervenzellen des Tectum vermerkten, welcher auf Impulse von inhibierenden Synapsen folgte. Diese Impulse setzten die Empfindlichkeit der Zelle vorrübergehend für eintreffende Signale von der Netzhaut herab.
Identifikation inhibitorischer Signale: Fluoreszenzmikroskopie gibt Aufschluss über neuronale Aktivität.
Um den Ursprung der inhibitorischen Signale zu identifizieren, kamen Zebrafischlarven zum Einsatz, deren Neuronen einen genetisch codierten Fluoreszenzfarbstoff enthielten. Dadurch war es möglich, im Fluoreszenzmikroskop ein Aufleuchten zu beobachten, wenn eine erhöhte Konzentration von Ca2+ vorlag. Eine solche gesteigerte Konzentration trat auf, wenn Informationen über Synapsen zwischen Neuronen übertragen wurden.
Die zeitliche Komponente des Signals unterscheidet erregender von hemmender Synapse.
Erregende Synapsen wurden anhand von Fluoreszenzsignalen identifiziert, die vor dem Einsetzen der Schwimmbewegung auftraten. Im Kontrast dazu waren hemmende Synapsen durch ein Fluoreszenzsignal nach Beginn der Bewegung gekennzeichnet.
Ursprung der hemmenden Signale unklar.
Vornehmlich in den oberen Schichten des Tectum wurden unterdrückende Signale festgestellt. Diese Schichten beherbergen überwiegend Nervenzellenausläufer aus einer angrenzenden Region des Tectum, die wiederum Signale aus dem Kleinhirn empfangen. Die Analyse der Aktivität dieser Region ergab ebenfalls einen erhöhten Ca2+-Anstieg kurz nach schnellen Schwimmbewegungen. Diese Region könnte daher einen möglichen Weg von CD-Signalen aus premotorischen Bereichen zu tectalen Schaltkreisen darstellen.
Ursprung und Ausmaß von CD-Signalen noch zu erforschen.
Obwohl dies noch keine definitive Bestätigung für die Herkunft der inhibierenden Signale darstellt, bieten diese Erkenntnisse vielversprechende Ansatzpunkte für zukünftige Forschung. Ob Neurone des pretectalen visuellen Pfades ebenfalls über ein solches hemmendes CD-Signal verfügen, bleibt ebenfalls zu untersuchen.
Reafferenz-Prinzip konnte validiert werden.
Die Ergebnisse der Studie unterstützten die Annahme, dass die Verarbeitung von sensorischer Aktivität, die aus der Eigenbewegung resultiert (Reafferenz), auf der Ebene des Tectum effektiv unterdrückt wird.
Dieser Erkenntnisfortschritt trägt dazu bei, die Mechanismen zu verstehen, mit denen das Gehirn zwischen selbstinduzierten Handlungen und externen Sinneseindrücken unterscheidet.
