Wählerische Nervenzellen

Der visuelle Thalamus ist klassischerweise dafür bekannt, die von der Netzhaut kommenden visuellen Reize an die Großhirnrinde weiterzuleiten. Ein Forscherteam vom Max-Planck-Institut für Neurobiologie zeigt nun, dass Nervenzellen im visuellen Maus-Thalamus zwar in Kontakt mit beiden Augen stehen, starke funktionale Verknüpfungen aber nur mit einer Netzhaut aufbauen. Damit vereinen die Wissenschaftler teils widersprüchliche Ergebnisse früherer Studien und verdeutlichen, wie wichtig es sein kann, strukturelle Daten mit funktionellen Untersuchungen zu ergänzen.

Wir haben zwei Augen, nehmen aber den Baum vor uns nur einmal wahr. Unser Gehirn hat demnach die komplizierte Aufgabe, aus der Information beider Augen ein sinnvolles, einheitliches Bild zu errechnen. Dafür gelangen die visuellen Reize von der Netzhaut (Retina) über sogenannte Ganglienzellen zunächst zum visuellen Thalamus. Dort landet die Information aber nicht irgendwo, sondern in klar definierten Bereichen – je nachdem, welcher Typ retinaler Ganglienzelle sie transportiert und von welchem Auge sie kommt. Reize des rechten und linken Auges sind im visuellen Thalamus klar getrennt und werden so auch zum visuellen Kortex weitergeleitet. Erst in dieser Gehirnregion wird die ankommende Information zu einem Bild kombiniert – so zumindest die bisher angenommene Theorie.

Neuere anatomische Studien beschreiben allerdings, dass überraschend viele Nervenzellen im visuellen Thalamus der Maus Kontakt zu beiden Augen haben. Trifft die Trennung der Informationskanäle „linkes Auge“ und „rechtes Auge“ in der Maus also nicht zu? Wissenschaftler aus der Abteilung von Tobias Bonhoeffer hatten sich zum Ziel gesetzt, diese neu aufgeworfene Frage genauer zu beleuchten. Sie entwickelten eine optogenetische Messmethode weiter, sodass sie Ganglienzellen beider Augen nacheinander mit Licht unterschiedlicher Farbe aktivieren und die entsprechenden elektrischen Reaktionen in einer Thalamus-Zelle messen konnten.

Diese Untersuchungen zeigen, dass tatsächlich eine Vielzahl der Nervenzellen im visuellen Thalamus Input von beiden Netzhäuten erhält. Doch interessanterweise gibt es nur sehr wenige Zellen, in denen sich die Signalstärken beider Augen ähneln. In den meisten Zellen dominiert ein Auge mit einer weitaus höheren Antwortstärke. Die schwachen Signale des nicht-dominanten Auges lösten im Experiment kein Aktionspotential aus und spielen somit keine große Rolle in der Informationsverarbeitung. „Mit diesen Ergebnissen können wir die teils widersprüchlichen Ergebnisse vorangegangener Forschungsarbeiten erklären,“ sagt Tobias Rose, Leiter der Studie. „Die Nervenzellen im visuellen Thalamus gehen zwar Verknüpfungen mit beiden Augen ein, funktional sind sie aber monokular, also sozusagen einäugig. Das heißt, nur die Signalstärke eines Auges ist so hoch, dass die Zellen auch darauf reagieren.“

Die räumliche Anordnung der Netzhaut- und Thalamus-Zellen und die daraus resultierenden Kontaktmöglichkeiten allein können die funktionale Monokularität nicht erklären. Stattdessen zeigten die Wissenschaftler, dass Thalamus-Zellen selbst bei gleichem Zugang zu beiden Augen meist nur mit einem Auge funktionale Verknüpfungen aufbauen. Demnach findet eine klare Auswahl bezüglich der Input-Quelle statt. Zusätzlich zu diesem Mechanismus scheinen sich die Kontaktstellen mit dem dominanten Auge zu verstärken, während die des nicht-dominanten Auges in einem unausgereiften Status verharren.

Zukünftige Untersuchungen sollen nun aufdecken, wie das dominante Auge festgelegt wird und ob dieser Mechanismus auch bei unterschiedlichen Ganglienzelltypen greift. Einen weiteren interessanten Forschungsansatz bieten die unausgereiften Kontaktstellen. Auf den ersten Anschein ohne große Funktion, stellt sich die Frage, ob sie bei Bedarf aktiviert werden könnten – und damit zum Beispiel eine Rolle bei der Amblyopie, einer Form der Sehschwäche, spielen.

Mit ihrer Studie belegen die Forscher, dass im visuellen Maus-Thalamus die Reizweiterleitung doch in separaten Informationssträngen erfolgt und damit vermutlich ähnlich wie im Menschen. Zudem wird deutlich, dass anatomische Datensätze mitunter vorsichtig zu interpretieren sind: Nur weil Nervenzellen in Kontakt stehen, bedeutet es nicht, dass sie auch ausgiebig miteinander kommunizieren.

KONTAKT
Dr. Christina Bielmeier
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Neurobiologie, Martinsried
Tel.: 089 8578 3601
bielmeier@neuro.mpg.de

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Tobias Rose
Schaltkreis-Mechanismen des Verhaltens
Institut für experimentelle Epileptologie und Kognitionsforschung, Bonn
Email: Tobias.Rose@ukbonn.de

Prof. Dr. Tobias Bonhoeffer
Synapsen – Schaltkreise – Plastizität
Max-Planck-Institut für Neurobiologie, Martinsried
Email: office.bonhoeffer@neuro.mpg.de

Originalpublikation:

Joel Bauer*, Simon Weiler*, Martin H.P. Fernholz*, David Laubender, Volker Scheuss, Mark Hübener, Tobias Bonhoeffer, Tobias Rose
(* co-first)
Limited functional convergence of eye-specific inputs in the retinogeniculate pathway of the mouse
Neuron, online 18.06.2021
DOI: 10.1016/j.neuron.2021.05.036

Weitere Informationen:

http://www.troselab.de – Webseite Prof. Tobias Rose
http://www.neuro.mpg.de/bonhoeffer/de – Webseite Prof. Tobias Bonhoeffer