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• 60 Jahre andauernder wissenschaftlicher Disput gelöst
• Datenfluss auf synaptischer Ebene sichtbar gemacht
• Neue Untersuchungsmethode auf verschiedene Neuronenarten anwendbar
Ein seit sechs Jahrzehnten anhaltender wissenschaftlicher Disput über den exakten Ablauf der visuellen Wahrnehmung bei Säugetieren ist nun beigelegt. Forschenden der TUM ist es gelungen, den Datenfluss von Nervenzelle zu Nervenzelle zu beobachten. Sie bestätigen damit die Korrektheit des 1981 mit dem Nobelpreis ausgezeichneten, aber dennoch in Teilen umstrittenen, Modells von David Hubel und Torsten Wiesel.
Bereits in den 1960er-Jahren entwickelten Hubel und Wiesel ihr Modell wonach das Sehen das Ergebnis geordneter, stufenweiser Berechnungen im Gehirn ist – mit spezialisierten Neuronen, die jeweils auf Kanten, Orientierungen, Bewegungen und auf das linke oder rechte Auge abgestimmt sind. Diese Theorie erhielt viel Zuspruch, war aber in Details umstritten. Einige Forschende vermuteten, dass schon im Thalamus Zellen sitzen, die auf bestimmte Orientierungen spezialisiert sind. Das konnte die neue experimentelle Studie nun klären, indem sie erstmalig in den einzelnen Synapsen den Datenfluss zwischen Thalamus und Hirnrinde analysierte.
Dem Forschungsteam um Prof. Arthur Konnerth, Dr. Yang Chen und Doktorand Marinus Kloos vom Institut für Neurowissenschaften an der TUM School of Medicine and Health sowie am Exzellenzcluster SyNergy gelang es, durch eine neuartige, hochauflösende mikroskopische Darstellung, diesen Datenfluss auf der elementaren synaptischen Ebene zu beobachten und zu quantifizieren. Die daraus gewonnenen Ergebnisse belegen eindeutig die Kernaussagen der Hubel-und-Wiesel-Theorie. Die neuen Forschungsergebnisse wurden vom renommierten Magazin Science veröffentlicht.
Prof. Konnerth betont: „Unsere Ergebnisse belegen, wie visionär und exakt Hubel und Wiesel schon vor über 60 Jahren die Vorgänge der visuellen Wahrnehmung durchdrungen haben. Auf ihrem Ansatz baut heute nicht nur Forschung in den Neurowissenschaften, sondern auch auf dem Gebiet der künstlichen neuronalen Netzwerke auf. Von der Natur und ihren evolutionären Anpassungen zu lernen, bleibt ein Erfolgsrezept für technologische Weiterentwicklungen.“
Was haben die TUM-Forschenden genau gemacht?
Beim Sehen wandern die Signale vom Auge zunächst in den Thalamus, eine Schaltstelle tief im Gehirn, und von dort weiter in die Sehrinde im Hinterkopf. In einem ersten Bereich dieser Sehrinde, dem sogenannten primären visuellen Cortex, werden einfache Eigenschaften von Bildern wie Kanten, Kontrast und Ausrichtung verarbeitet. Genau diesen Abschnitt – die Verbindung vom Thalamus in diesen ersten Sehbereich der Hirnrinde – haben die TUM-Forschenden bei Mäusen untersucht.
Mit einer speziellen Form der Mikroskopie, der Zwei-Photonen-Mikroskopie, konnten sie im lebenden Gehirn die einzelnen Kontaktstellen zwischen Nervenzellen, die Synapsen, sichtbar machen. An diese Kontaktstellen brachten sie spezielle Eiweiße an, die wie winzige Lampen aufblinken, wenn dort ein chemisches Signal übertragen wird. Währenddessen zeigten sie den Tieren einfache Sehreize auf einem Bildschirm, etwa horizontale oder vertikale Streifen, und verfolgten, welche Verbindungen im Gehirn auf welche Streifenrichtung reagieren.
Um zu unterscheiden, welche Signale direkt aus dem Thalamus stammen und welche nur innerhalb der Hirnrinde weitergeleitet werden, nutzten die Forschenden einen Trick aus der Optogenetik: Sie statteten bestimmte Nervenzellen mit lichtempfindlichen Eiweißen aus und konnten so Teile der Hirnrinde mit Licht vorübergehend „stumm schalten“. Blieb an einer Synapse das Blinken trotz ausgeschalteter Hirnrinde erhalten, musste das Signal aus dem Thalamus kommen. Verschwanden die Signale, stammten sie aus benachbarten Nervenzellen im Cortex.
So konnten die Wissenschaftler getrennt messen, wie stark thalamische Verbindungen und wie stark Verbindungen innerhalb der Hirnrinde auf verschiedene Orientierungen der Streifen reagieren. Das Ergebnis: Die Verbindungen aus dem Thalamus liefern robuste, aber nicht auf eine bestimmte Richtung spezialisierte Signale. Die eigentliche Richtungserkennung – also die Unterscheidung, ob eine Linie beispielsweise horizontal oder vertikal ist – entsteht erst durch die Verschaltung innerhalb der Hirnrinde.
Damit ist ein lange diskutierter Punkt geklärt: Einige Forschende hatten vermutet, dass schon im Thalamus Zellen sitzen, die auf bestimmte Orientierungen spezialisiert sind und diese „fertig berechneten“ Signale an die Hirnrinde weitergeben. Die TUM-Studie zeigt nun, dass beim Säugetier die grundlegende Mustererkennung tatsächlich so abläuft, wie Hubel und Wiesel es beschrieben haben: Der Thalamus liefert weitgehend unspezifische Rohsignale, und der Cortex setzt diese Signale stufenweise zu gerichteten Kanten und Mustern zusammen.
Welche Bedeutung hat die Forschungsarbeit über den konkreten Beweis hinaus?
Laut Prof. Konnerth ist die neu entwickelte Untersuchungsmethode auf viele verschiedene Neuronenarten anwendbar – sowohl im gesunden als auch im krankhaft veränderten Gehirn. Er sieht das Potenzial, damit zum Beispiel bei Alzheimer krankhaft veränderte Neurone zu erkennen und zu manipulieren.
Von grundlegender Bedeutung ist zudem, dass sich Synapsen innerhalb der Hirnrinde (sogenannte kortikokortikale Synapsen) in ihren Fähigkeiten grundlegend von Synapsen zum Thalamus (thalamokortikale Synapsen) unterscheiden. Nur die Synapsen der Hirnrinde erzeugen „Kalziumsignale“, die eine klassische Voraussetzung für Lernen durch Erfahrungen sind.
„Dies ist ein völlig überraschendes Ergebnis, das nur mit unserer neuen Methode erfasst werden konnte“, erläutert Konnerth. „Es stellt die bisherigen Überzeugungen, die von einem ähnlich Anpassungs- und Lernpotenzial aller Synapsen ausgehen, in Frage.“
Weitere Informationen:
Viele der Forschenden arbeiten am Exzellenzcluster Munich Cluster for Systems Neurology (SyNergy), der vom Bund und den Ländern im Rahmen der Exzellenzinitiative gefördert wird. Zudem waren Forschende der Kagoshima University, Japan, des Max-Planck-Instituts für biologische Intelligenz in Martinsried und der Hebrew University of Jerusalem beteiligt.
Hertie Senior Prof. Dr. Arthur Konnerth
TUM Emeritus of Excellence
Institut für Neurowissenschaften
TUM School of Medicine and Health
arthur.konnerth@tum.de
Yang Chen, Marinus Kloos et al: „Thalamic activation of the visual cortex at the single-synapse level”, veröffentlicht in: Science, 26 March 2026, DOI: 10.1126/science.aec9923
https://go.tum.de/811202 Fotos zum Download
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars
Biology, Medicine
transregional, national
Research results
German
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