Neural subpopulations in marmoset area MT/MTC detect and discount saccade-related retinal motion
Diese Studie zeigt auf, dass im MT/MTC-Areal des Marmosets distinkte neuronale Subpopulationen sowohl den Corollary Discharge als auch visuelle Bewegungscues integrieren, um entweder die sakkadeninduzierte Netzhautbewegung zu unterdrücken oder zu diskontieren, wodurch sie die perzeptive Stabilität der visuellen Welt während Augenbewegungen unterstützen.
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
Die Welt bewegt sich nicht, wenn wir sie betrachten, doch unsere Augen springen ständig von einem Punkt des Interesses zum nächsten. Diese schnellen Sprünge, Sakkaden genannt, geschehen mehrmals pro Sekunde und fegen unser Sehfeld mit Geschwindigkeiten von bis zu 700 Grad pro Sekunde über die Landschaft. Wenn das Gehirn einfach jede Verschiebung des Bildes auf der Netzhaut aufzeichnen würde, sähe die Welt wie ein chaotisches Bewegungsunschärfe-Chaos aus. Stattdessen nehmen wir eine stabile, kontinuierliche Szene wahr. Um dies zu erreichen, muss das visuelle System die durch unsere eigenen Augen verursachte Bewegung aktiv herausfiltern. Dieser Filterprozess, bekannt als sakkadische Suppression, ist ein grundlegender Trick der Wahrnehmung, der es uns ermöglicht, zu navigieren, ohne von der Unschärfe unserer eigenen Bewegung überwältigt zu werden.
Wissenschaftler debattieren schon lange darüber, wie das Gehirn diese Stabilität erreicht. Eine Theorie besagt, dass das Gehirn eine „Kopie“ des Augenbewegungsbefehls verwendet, ein Signal, das von den motorischen Planungszentren an die visuellen Areale gesendet wird, um ihnen zu sagen, die eintreffende Unschärfe zu ignorieren. Eine andere Theorie schlägt vor, dass das visuelle System einfach auf die massive, weitwinklige Bewegung reagiert, die während eines Sprungs auftritt, und dabei die visuelle Unordnung selbst nutzt, um einen Suppressionsmechanismus auszulösen. Eine neue Studie an Krallenaffen hat nun in das Gehirn geschaut, um zu sehen, wie diese beiden Möglichkeiten in den für die Bewegungserkennung zuständigen Bereichen ablaufen. Durch die Aufzeichnung der Aktivität von Hunderten einzelner Nervenzellen, während die Tiere natürliche Szenen, leere Bildschirme und sogar in völliger Dunkelheit betrachteten, fanden Forscher heraus, dass das Gehirn eine Kombination aus beiden Strategien verwendet, jedoch mit einer überraschenden Arbeitsteilung zwischen verschiedenen Arten von Neuronen.
Die Forscher konzentrierten sich auf zwei spezifische Regionen im Gehirn der Krallenaffen, Gebiete, die für ihre Expertise in der Bewegungserkennung bekannt sind. Sie implantierten winzige Aufzeichnungsgeräte, um den elektrischen Signalen einzelner Neuronen zuzuhören, während die Tiere eine einfache Aufgabe ausführten: dem freien Blick auf Bildern auf einem Bildschirm folgten. Um zu verstehen, was die Neuronen antrieb, variierte das Team die Bedingungen. Manchmal betrachteten die Tiere reichhaltige, natürliche Fotografien. Ein anderes Mal betrachteten sie einen leeren grauen Bildschirm, auf dem während eines Augensprungs keine visuelle Bewegung auftreten konnte. In einer dritten Bedingung wurde das Licht vollständig ausgeschaltet, und die Tiere machten Augenbewegungen in völliger Dunkelheit. Schließlich simulierten die Forscher den visuellen Effekt einer Sakkade, indem sie das Bild auf dem Bildschirm bewegten, während die Augen des Tieres vollkommen stillstanden, was es ihnen ermöglichte, die visuelle Bewegung von der tatsächlichen Augenbewegung zu trennen.
Die Aufzeichnungen enthüllten eine vielfältige Population von Neuronen, von denen jedes auf Augensprünge auf unterschiedliche Weise reagierte. Etwa 3]% der Zellen feuerten einen Aktivitätsschub, fast unmittelbar nachdem eine Augenbewegung begonnen hatte. Diese „Frühreaktions-Neuronen“ waren besonders interessant, da sie genau zu wissen schienen, in welche Richtung sich das Auge bewegt hatte. Diese Richtungssteuerung galt gleichermaßen, ob das Tier ein komplexes Bild, einen leeren Bildschirm oder sogar in der Dunkelheit betrachtete. Dies deutet darauf darauf hin, dass diese Zellen ein direktes Signal von den motorischen Kommandozentren des Gehirns erhalten – eine Art internes Memo, das besagt: „Wir bewegen die Augen nach rechts“, wodurch die Zelle die Bewegung antizipieren kann, noch bevor die visuelle Unschärfe eintrifft.
Doch die Geschichte handelt nicht nur vom Erhalt eines Memos. Dieselben frühen Neuronen feuerten auch heftig, wenn das Bild auf dem Bildschirm bewegt wurde, um eine Sakkade zu simulieren, selbst wenn die Augen des Tieres stillstanden. Dies deutet darauf hin, dass sie auch hochsensibel auf die visuelle Bewegung selbst reagieren. Die Forscher fanden heraus, dass diese Zellen wahrscheinlich sowohl das interne Motorsignal als auch die externe visuelle Bewegung integrieren, um zu erkennen, dass eine Sakkade stattfindet. Sie scheinen ein schnell agierendes Detektionssystem zu sein, das den internen Befehl nutzt, um einen Vorsprung zu gewinnen, und die visuelle Bewegung, um das Ereignis zu bestäteln.
Im Gegensatz zu diesen frühen Detektoren verhielt sich eine andere Gruppe von Neuronen anders. Diese Zellen feuerten nicht, wenn sich das Auge bewegte; stattdessen wurden sie ruhig. Diese Suppression war am ausgeprägtesten bei Neuronen, die darauf abgestimmt waren, feine Details und kontrastreiche Muster zu sehen. Wenn das Auge sprang, schalteten sich diese Zellen ab und schalteten damit effektiv den visuellen Kanal aus, um die Verarbeitung der Unschärfe durch das Gehirn zu verhindern. Diese Gruppe von Zellen war zu breiteren elektrischen Wellenformen geneigt, ein Merkmal, das oft mit den primären exzitatorischen Neuronen des Gehirns assoziiert wird – jenen, die Informationen an andere Teile des Gehirns senden.
Vielleicht war die bemerkenswerteste Entdeckung eine kleine Untergruppe von Neuronen, die als Filter für die Realität fungierten. Diese Zellen reagierten stark, wenn das Bild auf dem Bildschirm bewegt wurde, um eine Sakkade zu simulieren, blieben aber völlig stumm, wenn das Tier tatsächlich eine Sakkade vollzog. Sie konnten zwischen einer Bewegung, die durch die Bewegung der Welt verursacht wurde, und einer Bewegung, die durch die Bewegung des Auges verursacht wurde, unterscheiden. Die Forscher nannten sie „Sakkadische Omissions-Einheiten“. Da sie diejenigen sind, die Informationen an den Rest des Gehirns weiterleiten, ist ihre Fähigkeit, die selbst induzierte Bewegung zu ignorieren, wahrscheinlich der Schlüssel dazu, warum wir eine stabile Welt sehen. Wenn diese Zellen auf die Unschärfe eines Augensprungs reagieren würden, wäre unsere Wahrnehmung jedes Mal gestört, wenn wir uns umsehen.
Die Studie kartierte diese verschiedenen Zelltypen auch auf spezifische Schichten innerhalb des Hirngewebes. Die schnell agierenden Frühreaktions-Neuronen wurden hauptsächlich in den tieferen Schichten und den Input-Schichten gefunden, wo sie als inhibitorische Zellen erschienen, die die Aktivität schnell dämpfen können. Die Zellen, die die Bewegung echter Sakkaden ignorierten, wurden hauptsächlich in den oberflächlichen Schichten gefunden, welche die Output-Schichten sind, die Signale an andere Hirnareale senden. Diese Anordnung deutet auf einen spezifischen Schaltkreis hin: Die schnellen, inhibitorischen Zellen detektieren die Augenbewegung und lösen ein Suppressionssignal aus, während die Output-Zellen in den oberen Schichten diese Information nutzen, um das Rauschen zu filtern und sicherzustellen, dass das endgültige Bild, das an unsere bewusste Wahrnehmung gesendet wird, stabil bleibt.
Durch die Kombination von Aufzeichnungen aus natürlichem Betrachten, leeren Bildschirmen und Dunkelheit konnten die Forscher das komplexe Gemisch aus Signalen, die unsere stabile visuelle Erfahrung erzeugen, entwirren. Sie fanden heraus, dass das Gehirn sich nicht auf einen einzigen Mechanismus verlässt, um die Unschärfe der Augenbewegungen zu kompensieren. Stattdessen setzt es ein koordiniertes Team von Neuronen ein. Einige agieren als schnelle Detektoren, die interne Befehle mit visuellen Hinweisen kombinieren, während andere als Filter fungieren, die gezielt die durch unsere eigenen Handlungen verursachte Bewegung ignorieren. Diese Arbeitsteilung ermöglicht es dem Gehirn, eine klare, stabile Sicht auf die Welt aufrechtzuerhalten, selbst während unsere Augen mit unglaublicher Geschwindigkeit umherhuschen.
Ertrinken Sie in Arbeiten in Ihrem Fachgebiet?
Erhalten Sie tägliche Digests der neuesten Arbeiten passend zu Ihren Forschungsbegriffen — mit technischen Zusammenfassungen, in Ihrer Sprache.