Bochum - Zehn Millionen Bits - das ist die Information, die das Auge bei schnellen Blickbewegungen in jeder Sekunde an das Großhirn übermittelt. Wie die primäre Sehrinde, die Eingangsstation für Informationen des Sehsinns im Gehirn, diese Daten weiterverarbeitet, veröffentlichten Forscher der Ruhr-Universität Bochum (RUB) und der Universität Osnabrück nun in der Fachzeitschrift "Cerebral Cortex".

Bislang gingen Forscher davon aus, dass Informationen in der Eingangsstation des Sehsinns weitestgehend vollständig an höhere Gehirnareale weitergeleitet werden und dort zu Bildeindrücken führen. "Es ist daher überraschend, dass bereits in der Sehrinde, dem Flaschenhals auf dem Weg in das Großhirn, eine erhebliche Reduktion der Datenmenge erfolgt. Intuitiv würde man denken, dass unser Sehsystem ähnlich wie eine Videokamera fortwährend Bilder erzeugt. Wir konnten hingegen zeigen, dass die Sehrinde redundante Informationen energiesparend unterdrückt, indem sie häufig nur Bilddifferenzen weiterleitet", erklärt Dirk Jancke vom Institut für Neuroinformatik der RUB.

Zwei Codierungsstrategien des Gehirns

In ihrer Studie registrierten die Forscher die Antworten von Nervenzellen auf natürliche Bildsequenzen - etwa Szenen, in denen Vegetationslandschaften oder Gebäude abgebildet waren. Von den Bildern erstellten sie zwei Versionen: eine vollständige und eine, in der sie gezielt bestimmte Elemente entfernten, nämlich vertikale oder horizontale Konturen. War die Zeitspanne zwischen den einzelnen Bildern kurz (30 Millisekunden), repräsentierten die Nervenzellen die vollständige Bildinformation. Das änderte sich bei Sequenzen mit Zeitabständen über 100 Millisekunden. Nun repräsentierten die Zellen ausschließlich neu hinzukommende oder fehlende Elemente, also Bilddifferenzen. 

"Wenn wir eine Szene analysieren, führt das Auge sehr schnelle Miniaturbewegungen aus, um die feinen Details zu erfassen", erklärt Nora Nortmann vom Institut für Kognitionspsychologie der Universität Osnabrück. Die Sehrinde leitet diese Detailinformationen vollständig und unmittelbar weiter. "Bei Blickwechseln, die etwas mehr Zeit in Anspruch nehmen, codiert sie hingegen, was sich in den Bildern ändert", ergänzt die Expertin. Dadurch stechen bestimmte Bildbereiche hervor, und interessante Orte lassen sich leicht detektieren, so die Hypothese der Forscher.

"Unser Gehirn schaut permanent in die Zukunft"

In der Studie konnte gezeigt werden, wie Aktivitäten von visuellen Nervenzellen durch vergangene Ereignisse beeinflusst sind. "Die Zellen bauen eine Art Kurzzeitgedächtnis auf, das konstante Eingänge speichert", erklärt Dirk Jancke. Ändert sich abrupt etwas im wahrgenommenen Bild, generiert das Gehirn auf Basis der vergangenen Bilder eine Art Fehlersignal. Dieses Signal spiegelt dann nicht den aktuellen Eingang wider, sondern wie der aktuelle Eingang von der Erwartung abweicht.

Bislang nahmen Forscher an, dass diese sogenannte "prädiktive Codierung" nur in höheren Gehirnarealen stattfindet. "Wir konnten nachweisen, dass das Prinzip bereits für frühe Stufen der kortikalen Verarbeitung zutrifft. Demnach schaut unser Gehirn permanent in die Zukunft und vergleicht aktuelle Eingänge mit Erwartungen, die sich aus vergangenen Situationen ergeben", resümiert Jancke.

Um die Dynamik der Nervenzellaktivität im Gehirn im Millisekundenbereich zu verfolgen, verwendeten die Wissenschaftler spannungsabhängige Farbstoffe. Diese Stoffe fluoreszieren, wenn Nervenzellen elektrische Impulse erhalten und aktiv werden. Ein hochauflösendes Kamerasystem und eine anschließende computergestützte Analyse erlauben, die Nervenzellaktivität über Oberflächen von mehreren Quadratmillimetern Größe zu messen. Auf diese Weise entsteht ein zeitlich und räumlich präziser Film der Verarbeitungsprozesse in neuronalen Netzwerken. (red, derStandard.at, 18.12.2013)