A cognitive representation in primary visual cortex modulated by vision
Diese Studie zeigt, dass bei Ratten, die sich in Dunkelheit bewegen, ein signifikanter Anteil der Neuronen im primären visuellen Kortex (V1) pfadinvariante kognitive Karten der Bewegung kodiert, anstatt visueller Inputs, wobei die Vision diese interne Repräsentation anschließend moduliert, anstatt sie zu ersetzen.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung eines Preprints, das nicht peer-reviewed wurde. Dies ist kein medizinischer Rat. Treffen Sie keine Gesundheitsentscheidungen auf Grundlage dieses Inhalts. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Über Jahrzehnte hinweg war die Standarderzählung darüber, wie wir sehen, ein geradliniger Staffellauf. Licht trifft auf das Auge, wandert zum hinteren Teil des Gehirns und löst eine Kettenreaktion im primären visuellen Kortex aus, einer Region, die als V1 bekannt ist. In dieser klassischen Sichtweise ist V1 ein passiver Bildschirm, ein biologischer Projektor, der einfach das anzeigt, was die Augen gerade sehen. Wenn die Augen einen Baum sehen, leuchtet V1 in der Form eines Baumes auf; wenn die Augen eine Wand sehen, zeigt V1 eine Wand. Die Aufgabe des Gehirns bestand vor allem darin, auf die Außenwelt zu reagieren, während interne Gedanken oder Erinnerungen nur eine untergeordnete, hintergrundartige Rolle spielten. Doch dieses einfache Bild lässt einen entscheidenden Teil dessen aus, wie Tiere, einschließlich Menschen, tatsächlich ihr Leben navigieren. Wir reagieren nicht nur auf das, was vor uns liegt; wir führen ständig eine mentale Simulation darüber durch, wo wir sind, wo wir waren und wohin wir gehen. Die Frage, die Wissenschaftler lange Zeit rätseln ließ, war, ob diese interne Karte nur in den tiefen Gedächtniszentren des Gehirns existiert oder ob bereits die erste Stufe des Sehens an der Ausführung dieser Karte beteiligt ist.
Ein Forschungsteam der University of California, San Francisco, und der University of Rochester beschloss, diese Idee zu testen, indem es die Gehirne von Ratten beobachtete, während diese ein Labyrinth durchquerten. Sie konzentrierten sich auf den primären visuellen Kortex, den Teil des Gehirns, der normalerweise nur das verarbeitet, was die Augen sehen. Um zu sehen, was passiert, wenn die Augen nichts zu sehen haben, trainierten sie Ratten darauf, einen spezifischen Pfad in völliger Dunkelheit zu laufen. Die Ratten mussten ein W-förmiges Labyrinth erlernen, wobei sie von einem zentralen Startpunkt zu einem von zwei äußeren Armen und wieder zurück liefen, wobei sie ihre Durchgänge abwechselten. Sobald die Ratten die Route beherrschten, zeichneten die Forscher die Aktivität von Tausenden von Neuronen im visuellen Kortex auf, während die Tiere das Labyrinth in der Dunkelheit durchliefen.
Die Ergebnisse waren eine völlige Überraschung für die traditionelle Sichtweise. Obwohl die Ratten in völliger Schwärze waren und kein einziges Ding sehen konnten, feuerten eine große Mehrheit der Neuronen in ihrem visuellen Kortex in einer hochgradig organisierten Weise. Diese Neuronen waren nicht einfach nur zufällig aktiv; sie verfolgten den Fortschritt der Ratte entlang des Pfades. Während die Ratte vorwärts bewegte, leuchteten spezifische Gruppen von Neuronen in einer Sequenz auf, die der Position des Tieres entsprach. Noch bemerkenswerter war, dass diese Aktivität nicht an einen spezifischen physischen Ort im Raum gebunden war. Stattdessen reagierten die Neuronen auf die Struktur des Pfades. Wenn die Ratte eine Linkskurve machte, feuerte ein bestimmter Satz von Neuronen am selben Punkt der Kurve, egal ob sich die Ratte auf der linken oder der rechten Seite des Labyrinths befand. Das Gehirn hatte eine mentale Repräsentation der Reise selbst geschaffen, unabhängig von jeglichem visuellen Input.
Die Forscher schalteten dann das Licht wieder an, um zu sehen, wie diese interne Karte mit dem echten Sehen interagiert. Sie platzierten visuelle Muster, wie Punkte oder Streifen, an die Wände des Labyrinths. Als die Ratten das Labyrinth mit diesen Lichtern durchliefen, wechselte der visuelle Kortex nicht einfach dazu, die Muster an den Wänden anzuzeigen. Stattdessen blieb die interne Karte des Pfades das dominante Signal. Die visuellen Reize wirkten wie ein Lautstärkeregler, der die Aktivität der pfadverfolgenden Neuronen je nach dem, was die Ratte sah, verstärkte oder abschwächte, aber sie ersetzten die Karte nicht. Das Gehirn führte immer noch sein internes Modell der Reise aus, und der visuelle Input passte lediglich die Intensität dieses Modells an. Dies deutet darauf hin, dass für einen großen Teil des visuellen Kortex die interne Repräsentation der Welt der primäre Treiber der Aktivität ist, wobei das Sehen als Modulator dient und nicht als alleinige Informationsquelle.
Um zu bestätigen, dass diese pfadverfolgende Aktivität tatsächlich mit den Gedächtnissystemen des Gehirns verknüpft war, zeichneten die Forscher auch aus dem Hippocampus auf, einer tief liegenden Hirnregion, die berühmt für die Speicherung von räumlichen Karten und Erinnerungen ist. Sie suchten nach Momenten intensiver Gehirnaktivität, sogenannten „Sharp-Wave Ripples“ (Spitzenwellen), die auftreten, wenn das Tier ruht oder stillsteht, und die bekannt dafür sind, an der Konsolidierung von Erinnerungen beteiligt zu sein. Sie fanden heraus, dass die spezifischen Neuronen im visuellen Kortex, die den Pfad in der Dunkelheit verfolgten, während dieser Ripples eng mit dem Hippocampus synchronisiert waren. Diese Koordination deutet darauf hin, dass der visuelle Kortex und das Gedächtniszentrum zusammenarbeiten und dass sie dasselbe interne Modell der Welt teilen, selbst wenn das Tier sich nicht bewegt.
Diese Erkenntnisse stellen die lang gehegte Überzeugung infrage, dass der visuelle Kortex lediglich ein passiver Empfänger von Licht ist. Stattdessen zeigt die Studie, dass dieser Teil des Gehirns aktiv eine kognitive Repräsentation des Fortschritts eines Tieres konstruiert. Der visuelle Kortex wartet nicht einfach darauf, dass die Augen ein Bild senden; er hält eine laufende Simulation der Reise bereit, die dann durch das, was die Augen tatsächlich sehen, fein abgestimmt wird. Diese Entdeckung impliziert, dass unsere Wahrnehmung der Welt auf einem Fundament aus internen Erwartungen und Erinnerungen aufgebaut ist, wobei der sensorische Input eine unterstützende Rolle bei der Verfeinerung dieses Bildes spielt. Es verändert unser Verständnis davon, wie das Gehirn arbeitet, und legt nahe, dass selbst die grundlegendsten Sinnesbereiche tief in die komplexe kognitive Aufgabe der Navigation durch das Leben involviert sind.
Ertrinken Sie in Arbeiten in Ihrem Fachgebiet?
Erhalten Sie tägliche Digests der neuesten Arbeiten passend zu Ihren Forschungsbegriffen — mit technischen Zusammenfassungen, in Ihrer Sprache.