Der Vorposten des Gehirns (Teil 1)

Was wir sehen, entsteht im Kopf. Aber es ist nicht alleine das Gehirn, das die visuelle Information auswertet. Bereits im Auge wird die Information vorab gefiltert und verarbeitet. Dafür zuständig ist die Netzhaut – ein verschlungenes Netzwerk aus Nervenfasern und -zellen, die sich ständig austauschen. Jülicher Forscher wollen dieses komplizierte Geflecht und das Geflüster in seinem Innern entschlüsseln. Dabei verfolgen sie auch ein ganz praktisches Ziel: Sehhilfen für Blinde zu verbessern.

Rund 40.000 Menschen in Deutschland leiden unter der erblichen Krankheit Retinitis pigmentosa. Hierbei sterben nach und nach die Lichtrezeptoren im Auge ab, der Patient wird blind. Das Nervengeflecht der Netzhaut und der Sehnerv jedoch bleiben erhalten. Das wollen Forscher nutzen, um den Patienten einen Teil ihrer Sehfähigkeit zurückzugeben. Der Lösungsansatz ist ein winziger Elektronik-Chip, der auf oder hinter der Netzhaut implantiert wird. Gesteuert von einer miniaturisierten Kamera, welche die Bildinformation sendet, stimuliert der Chip die Nervenzellen mit elektrischen Impulsen. Trotz intensiver Forschung in den vergangenen 20 Jahren sind Patienten mit solchen Implantaten heute noch weit davon entfernt, deutlich sehen zu können. Grobe Umrisse, hell und dunkel, starke Kontraste – das ist in der Mehrheit der Fälle das Maximum. Und bei näherer Betrachtung des gesunden Auges überrascht das nicht. Denn unser Auge mit seiner Netzhaut ist ein wahres Wunderwerk. Dort speisen 120 bis 130 Millionen lichtempfindliche Zellen ihre Signale in ein hochkomplexes Netzwerk aus Nervenzellen ein.

Bitte klicken Sie auf eines der Bilder, um es zu vergrößern. Quelle: Seitenplan

Die Netzhaut – in der Fachsprache Retina – ist aus mehreren Zellschichten mit verschiedenen Nervenzelltypen aufgebaut. Bezeichnend ist die große Zahl von Verbindungen zwischen den Zellen, die durch lange Fasern aus Nervenfortsätzen ermöglicht wird. Allein die Fortsätze der Nervenzellen der Netzhaut haben eine Gesamtlänge von bis zu 100 Kilometern und verfügen über circa 10 Milliarden Synapsen – eine Synapse ist die Kontaktstelle zwischen zwei Nervenzellen. „Wir unterscheiden bisher rund 60 verschiedene Zelltypen in der Netzhaut. Nach neuesten Erkenntnissen gehen wir aber davon aus, dass wir diese Zahl um 10 bis 20 nach oben korrigieren müssen“, stellt Prof. Frank Müller sein Forschungsgebiet am Jülicher Institut für Zelluläre Biophysik vor. Diese Komplexität wird erhöht durch die zahlreichen Botenstoffe, mit denen die Nervenzellen untereinander kommunizieren.

Stäbchen und Zapfen, die Lichtrezeptoren, kennt manch einer noch aus dem Biologieunterricht. Diese Zellen sitzen in der äußersten Zellschicht der Netzhaut. Sie sind es, die bei Patienten mit Retinitis pigmentosa absterben. Stäbchen weisen eine hohe Lichtempfindlichkeit auf. Mit ihnen ist es möglich, in der Dämmerung und bei Sternenlicht zu sehen. Zapfen hingegen sind weniger empfindlich und erlauben das Sehen bei hellem Tageslicht und das Erkennen von Farben. Der spannende Teil beginnt, wo das Schulwissen endet. Neurobiologe Frank Müller ermöglicht mit seinem Team einen sehr viel tieferen Blick ins verwirrende Faser- und Kommunikationsgeflecht des Auges. Dabei bedienen sich die Forscher zum Beispiel modernster Fluoreszenz-Mikroskopie, bei der sie mit einem Laserstrahl die Netzhaut Zelle für Zelle abrastern. „Hier geht es darum zu erkennen, welche Zellen wie miteinander verschaltet sind und welche Information letztendlich zum Gehirn weitergeleitet wird“, fasst Doktorand Stefan Esser zusammen.

WIE FASERN FLÜSTERN

Prof. Frank Müller ist schon seit seiner Schulzeit fasziniert vom Wunderwerk Auge. Nach seiner Einschätzung ist erst ein Bruchteil aller Prozesse in der Netzhaut verstanden. Quelle: Forschungszentrum Jülich

Grob vereinfacht geht das Fasergeflüster so: Ein Zapfen wird durch Licht angeregt, wandelt diesen Reiz in ein elektrisches Signal um und überträgt die Information schließlich über einen chemischen Botenstoff an eine Bipolarzelle. Diese wiederum reicht das Signal an eine andere Zelle weiter, die Ganglienzelle, die es schließlich über den Sehnerv an unser Gehirn übermittelt. Was wie ein einfacher Staffellauf anmutet, ist in Wirklichkeit die Grundlage für eine ausgeklügelte Informationsverarbeitung. „Auch wenn die finale Auswertung im Gehirn stattfindet, die Bildverarbeitung beginnt in der Netzhaut, und die setzt bereits ab der ersten Synapse massiv auf parallele Informationsverarbeitung“, betont Frank Müller.

Ein Zapfen leitet sein Signal nämlich nicht nur an eine Bipolarzelle weiter, sondern parallel an ein ganzes Bündel unterschiedlicher Bipolarzelltypen: Mindestens zehn dieser Typen gibt es, wissen Müller und sein Team. „Zwei andere Klassen von Nervenzellen, die Horizontalzellen und die Amakrinzellen, leiten das Signal seitlich weiter“, erklärt Müller. „Über diese Verschaltungen werden beispielsweise die Kontraste beim Sehen verschärft.“ In den Ganglienzellen werden die Signale schließlich gebündelt. Aktuelle Schätzungen gehen von bis zu 30 verschiedenen Varianten von Ganglienzellen aus. Jeder Zelltyp hat eine andere Funktion, wie etwa die Weiterleitung von Kontrasten oder von Farben. Es gibt aber auch Ganglienzellen, die die Information herausfiltern, ob und wie sich ein Objekt im Gesichtsfeld bewegt oder ob es sich uns nähert.

Müllers Faszination für die Welt der Sinne spiegelt sich in dem auch für Laien geschriebenen Buch „Biologie der Sinne“ wider, das er mit seinem Kollegen Stephan Frings verfasst hat. (ISBN 978-3827422729)

Die Vielzahl an Zellarten lässt darauf schließen, dass die Netzhaut bereits wichtige Interpretationsarbeit leistet. „Wir haben es hier mit vielen unterschiedlichen, hochkomplexen Schaltkreisen zu tun“, erklärt Müller, „bei jedem Übertragungsvorgang an einer retinalen Synapse wird das Signal neu verrechnet und verändert.“ Bei zehn Milliarden Synapsen pro Auge kommen also einige Möglichkeiten der Signalmodulation zusammen. Die Netzhaut wirkt wie ein neuronaler Filter. Sie verwirft unnötige Information und minimiert so den Datenfluss vom Auge zum Gehirn. Vor allem aber leitet sie genau die Information weiter, für die  sich unser Gehirn interessiert: Kontraste, Veränderungen, Bewegung. Die Weichen dafür, dass wir im Straßenverkehr schnell auf Gefahren reagieren können oder ein Torhüter einen Elfmeter hält, werden also schon in der Netzhaut gestellt.

Infografik „Die Netzhaut – Schaltzentrale im Auge“ durch Anklicken öffnen. Quelle: Seitenplan

Dies war der erste Teil des Artikels „Der Vorposten des Gehirns“, den unsere Autorin Brigitte Stahl-Busse für die aktuelle Ausgabe des Magazins effzett geschrieben hat. Den zweiten Teil finden Sie in einigen Tagen hier im Blog oder bereits jetzt als gedruckte Ausgabe, als ePaper oder auf dem iPad/Tablet.
www.fz-juelich.de/effzett.