Wenn sich die Lichtverhältnisse schnell ändern, müssen unsere Augen in Sekundenbruchteilen auf diese Veränderung reagieren, um eine stabile visuelle Verarbeitung aufrechtzuerhalten. Dies ist notwendig, wenn wir beispielsweise durch einen Wald fahren und uns durch abwechselnde Schattenabschnitte und klares Sonnenlicht bewegen.
„In solchen Situationen reicht es nicht aus, dass sich die Photorezeptoren anpassen, sondern es bedarf eines zusätzlichen Korrekturmechanismus“, sagt Professorin Marion Silies von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU). Frühere Arbeiten ihrer Forschungsgruppe hatten bereits gezeigt, dass ein solcher korrigierender „Gain-Control“-Mechanismus bei der Fruchtfliege Drosophila melanogaster existiert, wo er direkt stromabwärts der Photorezeptoren wirkt.
Silies‘ Team ist es nun gelungen, die Algorithmen, Mechanismen und neuronalen Netzwerke zu identifizieren, die es der Fliege ermöglichen, eine stabile visuelle Verarbeitung aufrechtzuerhalten, wenn sich die Lichtverhältnisse schnell ändern. Der entsprechende Artikel erscheint In Naturkommunikation.
Schnelle Änderungen der Leuchtdichte stellen eine stabile visuelle Verarbeitung dar
Unser Sehvermögen muss in vielen verschiedenen Situationen genau funktionieren – wenn wir uns in unserer Umgebung bewegen, genauso wie wenn unsere Augen einem Objekt folgen, das sich vom Licht in den Schatten bewegt. Dies gilt für uns Menschen und für viele tausend Tierarten, die zur Navigation stark auf das Sehvermögen angewiesen sind.
Schnelle Leuchtdichteänderungen sind auch in der Welt der unbelebten Objekte ein Problem, wenn es beispielsweise um die Informationsverarbeitung kamerabasierter Navigationssysteme geht. Daher sind viele selbstfahrende Autos auf zusätzliche Radar- oder Lidar-basierte Technologie angewiesen, um den Kontrast eines Objekts relativ zu seinem Hintergrund richtig zu berechnen.
„Tiere sind dazu in der Lage, ohne solche Technologie. Deshalb haben wir uns entschieden, zu sehen, was wir von Tieren darüber lernen können, wie visuelle Informationen unter sich ständig ändernden Lichtbedingungen stabil verarbeitet werden“, erläuterte Silies die Forschungsfrage.
Kombination theoretischer und experimenteller Ansätze
Das Facettenauge von Drosophila melanogaster besteht aus 800 einzelnen Einheiten, den Ommatidien. Der Kontrast zwischen einem Objekt und seinem Hintergrund wird postsynaptisch durch die Photorezeptoren bestimmt. Wenn sich die Leuchtdichtebedingungen jedoch plötzlich ändern, beispielsweise wenn sich ein Objekt in den Schatten eines Baumes bewegt, kommt es zu unterschiedlichen Kontrastreaktionen. Ohne Verstärkungskontrolle hätte dies Konsequenzen für alle nachfolgenden Stufen der visuellen Verarbeitung und würde dazu führen, dass das Objekt anders erscheint.
Die aktuelle Studie mit Hauptautor Dr. Burak Gür verwendete Zwei-Photonen-Mikroskopie, um zu beschreiben, wo in visuellen Schaltkreisen erstmals stabile Kontrastreaktionen erzeugt wurden. Dies führte zur Identifizierung neuronaler Zelltypen, die zwei Synapsen hinter den Photorezeptoren positioniert sind.
Diese Zelltypen reagieren nur sehr lokal auf visuelle Informationen. Damit die Hintergrundleuchtdichte korrekt in die Kontrastberechnung einbezogen wird, müssen diese Informationen eng räumlich zusammengefasst werden, wie ein von Co-Autorin Dr. Luisa Ramirez implementiertes Rechenmodell zeigt.
„Wir begannen mit einem theoretischen Ansatz, der einen optimalen Radius in Bildern natürlicher Umgebungen vorhersagte, um die Hintergrundleuchtdichte in einer bestimmten Region im visuellen Raum zu erfassen, während wir parallel nach einem Zelltyp suchten, der die funktionalen Eigenschaften hatte, um dies zu erreichen.“ “ sagte Silies, Leiterin der Abteilung Neuronale Schaltkreise am Institut für Entwicklungsbiologie und Neurobiologie (IDN) der JGU.
Informationen zur Leuchtdichte werden räumlich gebündelt
Das Mainzer Team von Neurowissenschaftlern hat einen Zelltyp identifiziert, der alle geforderten Kriterien erfüllt. Diese als Dm12 bezeichneten Zellen bündeln Leuchtdichtesignale über einen bestimmten Radius, was wiederum die Kontrastreaktion zwischen dem Objekt und seinem Hintergrund bei sich schnell ändernden Lichtverhältnissen korrigiert.
„Wir haben die Algorithmen, Schaltkreise und molekularen Mechanismen entdeckt, die das Sehvermögen auch bei schnellen Leuchtdichteänderungen stabilisieren“, fasst Silies zusammen, der seit 15 Jahren das visuelle System der Fruchtfliege erforscht. Sie geht davon aus, dass die Kontrolle der Luminanzverstärkung bei Säugetieren, einschließlich Menschen, auf ähnliche Weise umgesetzt wird, insbesondere wenn das notwendige neuronale Substrat verfügbar ist.
Weitere Informationen:
Burak Gür et al., Neuronale Bahnen und Berechnungen, die eine stabile, auf natürliche Szenen abgestimmte Kontrastverarbeitung erreichen, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-52724-5