Wissenschaft

Neue Form der Nachtsicht entdeckt

In einem dunklen Labor entdeckten Wissenschaftler eine Besonderheit in den Netzhäuten von Mäusen. Freitag, 14. September 2018

Von Nadia Drake
Diese Zelle in der Netzhaut einer Maus wird im Dunkeln zu einem Alleskönner, der selbst schwache Bewegungssignale wahrnimmt.

Tiere müssen ihre Augen der Dunkelheit anpassen, um in zahlreichen Situationen zurechtzukommen – ob sie nun Beute entdecken oder Fressfeinden entkommen wollen. In den meisten Fällen passt sich die lichtempfindliche Maschinerie des Auges so an, dass sie bei Lichtmangel mehr Photonen aufnehmen kann. 

Eine aktuelle Studie hat nun gezeigt, dass Mäuse noch ein anderes Ass im Ärmel haben: eine Nachtsicht, die auf Bewegungen reagiert. Die Arbeit wurde im Fachmagazin „Neuron“ veröffentlicht und deutet darauf hin, dass ein bestimmter Zelltyp im Auge der Mäuse bei Dunkelheit empfindlicher auf Bewegungen reagiert. Vermutlich hilft das den Nagern dabei, nachtaktiven Raubtieren zu entkommen. Dieser Zelltyp befindet sich in der Netzhaut, dem mehrschichtigen Nervengewebe im Inneren des Auges.  

Noch ist nicht geklärt, ob auch Menschen und andere Tiere diese besondere Form der Nachtsicht haben. Solche Besonderheiten zu kennen, ist aber wichtig, um möglichst funktionale Netzhautprothesen zu entwickeln. 

„Was man bei der Entwicklung solcher Prothesen wissen will, ist, welche Signalmuster im Gehirn erzeugt werden, wenn man irgendein visuelles Bild vor Augen hat“, erzählt Greg Field, der Co-Autor der Studie und ein Neurobiologe der Duke University. 

„Wenn man diese Frage für jedes Bild beantworten kann, dann weiß man, wie man die [Prothese] elektrisch stimulieren muss, um dieses Muster zu erzeugen.“ 

Bewegung im Dunkeln 

Die Zusammensetzung eines visuellen Bildes ist ein extrem komplizierter Prozess. Die Zellen in der Netzhaut müssen dafür eine große Menge an Daten über Kontrast, Farbe, Bewegung und Orientierung aufnehmen. Wenn die Informationen von den jeweiligen Zelltypen erkannt werden, werden sie zum Gehirn weitergeleitet, das parallel große Mengen an Daten verarbeitet, um eine kohärente Szene zu erzeugen – sprichwörtlich in nur einem Augenblick.  

Field und sein Team wollten herausfinden, wie sich diese Prozesse bei wechselnden Lichtverhältnissen verändern. Insbesondere wollten sie untersuchen, wie eine bestimmte Gruppe bewegungsempfindlicher Zellen sich bei unterschiedlicher Lichtintensität verhält. 

Im Normalfall würden die Wissenschaftler dabei so vorgehen, dass sie die Netzhaut der Mäuse entfernen und sie über einer Elektrodenanordnung platzieren. Diese zeichnet dann auf, welche Zellen durch diverse visuelle Stimuli aktiviert werden. In einer Petrischale können die Netzhäute von Mäusen stundenlang überleben und reagieren auf visuellen Input normal. Das Team setzt die Netzhäute dann einer Reihe von Filmen aus, während die Lichtverhältnisse sich verändern, und sucht nach Unterschieden in den Aktivierungsmustern. 

„Das ist so, als würde man dabei zusehen können, was die eigene Netzhaut macht, wenn man sich einen Film ansieht. Das liebe ich einfach“, sagt Fields. „Das ist irgendwie unheimlich. [...] Im Grunde machen sie mit dem Sehen einfach weiter.“ 

Für ihr Experiment ließen Field und seine Kollegen die Mäuse im Vorhinein allerdings etwa zwölf Stunden lang im Dunkeln, damit ihre Netzhäute sich bestmöglich auf die lichtarmen Verhältnisse vorbereiten konnten. Um diese Anpassung dann nicht zu ruinieren, entfernten die Wissenschaftler die Netzhäute im Dunkeln, während sie Nachtsichtgeräte trugen. 

Im Anschluss legten sie die Netzhäute in die Petrischalen, spielten ihnen Filme vor und hellten die Umgebung ganz langsam auf. Dabei verfolgten sie, welche Zellen unter welchen Lichtverhältnissen auf Bewegungen reagierten. Da entdeckte der Student Xiaoyang Yao, dass Zellen, die unter normalen Lichtverhältnissen nur auf aufwärtsgerichtete Bewegungen reagieren, in der Dunkelheit nicht mehr so wählerisch sind. Dann reagierten sie nämlich auf Bewegungen nach oben, unten, links und rechts. 

„Bei schwacher Beleuchtung ist es eine echte Herausforderung, Bewegungen zu bemerken“, so Field. „Das System scheint die Feinabstimmung dieses Zelltyps also deutlich zu erweitern, sodass er mehr Bewegungen wahrnehmen kann.“ 

Die richtige Balance 

Auf diese Weise hält das visuelle System ein Gleichgewicht zwischen der bestmöglichen Bewegungserkennung und der Fähigkeit, die Bewegungsrichtung zu erkennen. Es würde einer Maus nicht viel nützen, nur zu wissen, dass eine Eule auf sie zugeflogen kommt, wenn sie die Richtung nicht erkennen kann, aus der der Angriff erfolgt. Wenn nur eine Gruppe dieser bewegungsempfindlichen Zelltypen ihr Repertoire erweitert, scheint das für ein ideales Gleichgewicht zu sorgen, wie Field vermutet. 

Er und seine Kollegen sind sich noch nicht ganz sicher, warum das nur die Zellen für Aufwärtsbewegungen tun. Aber weitere Forschungsarbeiten in ihrem Labor deuteten darauf hin, dass es etwas mit der Vernetzung dieser spezifischen Zellen zu tun hat, die sich von der Vernetzung der drei anderen bewegungsempfindlichen Zelltypen unterscheidet. 

„Sie sind miteinander elektrisch gekoppelt“, so Field. „Dadurch können sie sich flexibel auf unterschiedliche Lichtverhältnisse abstimmen.“ 

Die Ergebnisse seien recht spannend, findet der Neurobiologe Andrew Huberman von der Stanford University. Der spezifische Zelltyp erhielt seinen wissenschaftlichen Namen, weil man bisher annahm, dass er nur auf Aufwärtsbewegungen reagieren würde. 

„Die Ergebnisse von Field et al werden uns überdenken lassen müssen, wie wir Zellen benennen, [...] und dafür sorgen, dass wir Neuronen, die wir zu verstehen glauben, in einem größeren Spektrum an Kontexten bewerten müssen“, sagt er. „Wir müssen mit unseren Konzepten von Zelltypen einfach vorsichtig sein und sichergehen, dass uns die Benennung nicht davon abhält, auch andere, umfassendere Funktionsweise in Betracht zu ziehen. Diese Studie demonstriert das ganz ausgezeichnet.“ 

Der Artikel wurde ursprünglich in englischer Sprache auf NationalGeographic.com veröffentlicht.

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