Kontextuelle Integration in der primären Sehrinde

Rezeptive Felder und visuelle Stimuli

Einzelne Nervenzellen in sensorischen Hirnrindenarealen reagieren auf Eindrücke aus örtlich begrenzten Ausschnitten der Sinneswelt (rezeptive Felder) mit einer Erhöhung ihrer Aktionspotenzialrate. In der primären Sehrinde werden auf diese Art visuelle Reize in kleinen Feldern mit weniger als 1° Sehwinkel bearbeitet. In höheren Sehrindenarealen vergrößern sich die rezeptiven Felder zunehmend, die bevorzugten Reize werden komplexer, und einzelne Zellen antworten beispielsweise selektiv auf Gesichter. Obwohl in der anatomischen Verbindungsstruktur zwischen den Arealen, die mit dem Sehvorgang befasst sind, ein hierarchischer Aufbau existiert, befindet sich nirgendwo im Hirn ein Sehareal, in welchem die gesamte visuelle Information zusammenläuft. Vielmehr bestehen parallele Verarbeitungspfade, eine ausgeprägte Quervernetzung und rückwärts gerichtete Projektionen (Feedback) nebeneinander. Seit einigen Jahren ist jedoch bekannt, dass Neurone in der primären Sehrinde nicht ausschließlich Zugang zu Reizen innerhalb ihres rezeptiven Feldes haben. Sie besitzen zusätzlich ein modulierendes Umfeld, welches wesentlich größer als ihr klassisches rezeptives Feld ist. Visuelle Stimuli innerhalb dieses Umfeldes allein lösen zwar kein Aktionspotenzial an der betreffenden Nervenzelle aus, können aber die Antwortstärke auf Stimuli, die im klassischen rezeptiven Feld präsentiert werden, modulieren. Da nebeneinander liegende Neurone benachbarte Punkte des Gesichtsfeldes bearbeiten, fließt über unterschwellige Schwankungen des Membranpotenzials der visuelle Kontext so mit ein.

Dieser Bericht handelt von Untersuchungen darüber, in welcher Art Sehreize außerhalb des klassischen rezeptiven Feldes auf der Ebene von Neuronenpopulationen integriert werden und welche neuronalen Schaltkreise für die Weitergabe unterschwelliger Einflüsse verantwortlich sind. Zur Darstellung von Neuronenpopulationen eignet sich die optische Ableitung intrinsischer Signale, das heißt lokaler Schwankungen des Blutsauerstoffgehalts und des Blutdurchflusses, die mit Veränderungen sowohl unter- als auch überschwelliger neuronaler Aktivität korreliert sind [1].

Lokale und globale Richtungsselektivität in der primären Sehrinde – Plaid Stimuli

Nervenzellen in der primären Sehrinde antworten bevorzugt auf lineare Bewegungen von Kontrastgrenzen. Dabei reagieren sie selektiv auf die Orientierung des jeweiligen Liniensegments und meist auch auf eine der beiden dazu orthogonal verlaufenden Bewegungsrichtungen. Aufgrund ihres kleinen „klassischen“ rezeptiven Feldes ist für die Nervenzellen aber die globale physikalische Bewegungsrichtung einer geraden Linie unterspezifiziert. Eine ganze Familie von Bewegungsrichtungen, welche nicht orthogonal zur Kontrastgrenze verlaufen, ist für einen lokalen Bewegungsdetektor nicht von den orthogonal verlaufenden zu unterscheiden. Schaut man beispielsweise durch ein Schlüsselloch, vor dem sich eine lange Linie parallel zu ihrer Orientierung bewegt, nimmt der Beobachter in diesem Extremfall sogar gar keine Bewegung mehr war, solange nicht ein Ende des Liniensegmentes die Öffnung passiert.

Lange Zeit ging man daher davon aus, dass Zellen in primären Sehrindenarealen aufgrund dieser Einschränkung die echte Bewegungsrichtung eines komplexen Musters oder Objektes nicht anzeigen können, und dies wurde auch mehrfach durch Einzelzellableitungen bei Primaten und Katzen bestätigt. Es wurde ein Zweistufenmodell für Bewegungserkennung aufgestellt, nach dem in frühen Sehrindenarealen zunächst die Bewegungsrichtungen lokaler Komponenten ausgewertet werden, um dann in höheren Arealen mit größeren rezeptiven Feldern die globale Bewegungsrichtung des Gesamtobjekts zu rekonstruieren. Der visuelle Stimulus, der entwickelt wurde, um lokale und globale Bewegungsrichtung gegeneinander abzuwägen, besteht aus zwei übereinander gelegten Balkengittern, die sich in zwei verschiedene Richtungen bewegen (Abb. 1). Durch Variation des Kontrastes an den jeweiligen Schnittstellen der beiden Gitter nimmt der Betrachter entweder tatsächlich zwei sich übereinander schiebende Gitter wahr oder aber nur ein einziges Karomuster (Plaid), welches sich in diejenige Richtung bewegt, die genau zwischen den Bewegungsrichtungen der beiden Gitterkomponenten liegt. Die Varianten können besonders bei niedrigem Kontrast auch miteinander abwechseln, obwohl physikalisch derselbe Reiz dargeboten wird [2].

Im primären visuellen Kortex anästhesierter Katzen wurde untersucht, ob sich die intrinsischen Aktivitätsverteilungen durch Plaid-Stimulation bei verschiedenen Schnittstellenkontrasten unterscheiden. Es stellte sich heraus, dass Plaids, welche in der Regel die Wahrnehmung eines sich in eine einzige Richtung bewegenden Karomusters hervorrufen, Aktivitätsverteilungen erzeugen, die denjenigen ähneln, die durch ein einziges in die Musterrichtung bewegtes Balkengitter erzeugt werden, obwohl sich die Plaid-Komponenten in ganz andere Richtungen bewegen. Plaid Stimuli hingegen, die so konstruiert sind, dass bevorzugt zwei sich übereinander schiebende Ebenen wahrgenommen werden, erzeugen Aktivitätsverteilungen, die denen der einzelnen Komponentengitter gleich kommen (Abb. 1). Daraus lässt sich schließen, dass schon in der primären Sehrinde zwischen globaler Musterrichtung und lokalen Bewegungskomponenten auf Populationsebene unterschieden wird. Dies ist sehr bemerkenswert, da rezeptive Felder auf dieser Verarbeitungsebene in der Regel nur ein Liniensegment abdecken. Da bei Einzelzellableitungen hier Muster-richtungsselektive Neurone meist nicht oder nur vereinzelt in wachen Tieren beobachtet wurden, sprechen unsere Ergebnisse dafür, dass die Musterinformation in der unterschwelligen Aktivität von außerhalb des klassischen rezeptiven Feldes enthalten ist [3].

Der Einfluss von Feedback auf globale Richtungsselektivität

Muster-richtungsselektive Neurone fand man häufiger in einem höheren visuellen Areal des parietalen Pfades, der auf die Verarbeitung von Bewegungsinformation spezialisiert ist. Bei der Katze liegt dieses Areal im postero-medialen suprasylvischen Sulkus (pMS). Tatsächlich weist pMS große richtungsselektive Felder auf und projiziert stark zurück in die primären Sehrindeareale (Area 17/18). Um die Herkunft der Muster-richtungsselektiven Aktivität in der primären Sehrinde zu untersuchen, wurde dieses Areal während der Plaid-Stimulation durch Kühlung reversibel ausgeschaltet. Es zeigte sich, dass bei Deaktivierung der Feedbackprojektionen aus pMS die Unterscheidung zwischen Musterrichtung und lokaler Komponentenrichtung in der primären Sehrinde (Area17) verloren geht. Die Muster-richtungsselektiven Aktivierungen, die durch das kontrastreiche Plaid hervorgerufen wurden, gleichen nun denjenigen, die durch die kontrastarme 2-Ebenen-Variante hervorgerufen werden und nicht mehr der durch das in die Musterrichtung bewegte Balkengitter hervorgerufenen Populationsantwort (Abb. 2). Dies ist der erste experimentelle Hinweis darauf, dass globale Richtungsselektivität durch Feedback an die primäre Sehrinde vermittelt werden könnte [4].

Modulation unterschwelliger Orientierungsselektivität durch Feedback

Die durch einen örtlich begrenzten Sehreiz hervorgerufene Modulation des intrinsischen Signals nimmt einen Kortexbereich ein, der um ein Vielfaches größer ist als der Bereich, der mit einer Erhöhung der Aktionspotenzialrate, also überschwellig, reagiert. Dabei besitzt die unterschwellig durch den Kontext modulierte Aktivität die gleiche Orientierungsselektivität wie die Aktionspotenziale im Zentrum der überschwellig gereizten Region. Das führt dazu, dass räumlich komplementäre Reize bei optischer Ableitung überlappende Erregungsmuster produzieren (Abb. 3). Ein Teil der orientierungsselektiven Domänen, die durch Stimulation mit einem bewegten Balkengitter mit einer zentralen Lücke (Umfeldstimulus) angesprochen werden, antwortet auch auf ein kleines Balkengitter in der Größe der Lücke (Feldstimulus), obwohl die beiden Sehreize selbst nicht überlappen.

Lange Zeit wurden nahezu ausschließlich die langen Horizontalverbindungen innerhalb der primären Sehrinde mit diesen Beobachtungen in Verbindung gebracht, weil sie Nervenzellen ähnlicher Orientierungsselektivität miteinander verknüpfen. Aber auch die Topographie der Feedbackverbindungen ermöglicht eine spezifische laterale Ausbreitung unterschwelliger Erregung. So stellte sich bei Ausschaltung der Feedbackverbindungen von pMS heraus, dass die von Umfeld- und Feldstimulus modulierten Kortexbereiche schrumpfen, besonders in den überlappend antwortenden Regionen und insbesondere für den mehr Kontext einschließenden Umfeldstimulus. Dies deutet darauf hin, dass Feedbackprojektionen einen stabilisierenden Effekt auf räumliche Stimulusrepräsentationen haben [5]. Zusammen mit den Ergebnissen zur globalen Richtungsselektivität liegt die Vermutung nahe, dass globale Stimuluseigenschaften in höheren Seharealen integriert und als unterschwellige Aktivität von außerhalb des klassischen rezeptiven Feldes an primäre Sehareale zurückgesendet werden.

Modulation unterschwelliger Orientierungsselektivität durch callosale Verbindungen

Es gibt keinen der reversiblen Kortexkühlung vergleichbaren Ansatz, die Horizontalverbindungen innerhalb eines Areals auszuschalten. Es ist jedoch anzunehmen, dass Verbindungen zwischen homologen Arealen in den beiden Hirnhälften ähnliche Aufgaben erfüllen müssen wie die Horizontalverbindungen. Das Gesichtsfeld wird an der vertikalen Mittellinie geteilt und je eine Hälfte in die gegenüberliegende Sehrinde gesandt. Die beiden Sehrinden sind durch einen dicken Faserstrang, das Corpus Callosum, miteinander verbunden. Nervenzellen mit rezeptiven Feldern direkt an der Mittellinie beziehen oft den ipsilateralen Anteil ihres Feldes über callosale Verbindungen. Die Fasern sind aber keineswegs auf die kortikale Repräsentation der Mittellinie, welche typischerweise an den Arealgrenzen lokalisiert ist, beschränkt, sondern finden sich dort nur in ihrer größten Dichte. In der Nachwuchsgruppe wurde der Einfluss callosaler Verbindungen auf die von Feld- und Umfeldstimulus hervorgerufenen kortikalen Aktivierungen in den beiden frühen Sehrindenarealen 17 und 18 getestet. Es stellte sich heraus, dass bei Kühlung des gleichen Gebiets in der gegenüberliegenden Hirnhälfte zusätzlich zu einem unspezifischen Abfall der Antwortselektivität die Stimulus-modulierten Kortexbereiche schrumpfen (Abb. 4), und zwar umso stärker, je näher der visuelle Reiz an die vertikale Mittellinie heranreicht. Dabei ist auch hier in der Regel der größere Umfeld-Stimulus stärker betroffen [6].

Dies wird auch durch Messungen unterschwelliger lokaler Feldpotenziale gestützt, die ebenfalls auf eine Rolle callosaler Verbindungen bei großen und räumlich summierenden Reizen hinweisen [7].
Zukünftige elektrophysiologische Untersuchungen sollten darauf abzielen, die verschiedenen Projektionen, die in die Vermittlung des Kontextes involviert sind, aufgrund ihrer Dynamik zu entschlüsseln.