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.
Die Verarbeitung der 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.
Effiziente Kodierungshypothese trifft nicht für alle zu
Ein Team um Prof. Dr. Tim Gollisch, Forschungsgruppenleiter in der Klinik für Augenheilkunde der Universitätsmedizin Göttingen, hat jetzt herausgefunden, dass die effiziente Kodierungshypothese nicht für alle Nervenzellen im Auge zutrifft. Für eine Reihe von Zellen konnten die Forschenden 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 Forschenden 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.
Potenzial für die Behandlung von Blindheit
„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.
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 Gollisch, der im neuen Zentrum mitarbeitet. Bereits in einigen Jahren sollen dazu entsprechende Studien mit Patientinnen und Patienten in Göttingen beginnen.
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
Quelle: Pressemeldung der Universitätsmedizin Göttingen vom 09.01.2025
