Suche

zur Hauptseite

Navigation und Service


Die Netzhaut – ein komplexer neuronaler Filter

Auf den ersten Blick ähnelt unser Auge einer Kamera. Optische Bausteine wie Linse und Iris erzeugen ein Bild unserer Umwelt auf der Netzhaut. Entgegen der landläufigen Meinung erfolgt die Auswertung der visuellen Informationen aber nicht erst im Gehirn. Denn die Netzhaut ist kein einfacher Kamerachip, der das Gesehene 1:1 an das Gehirn weiterreicht. Sie extrahiert aus der visuellen Informationsflut in ihrem komplexen Geflecht aus Nervenzellen, Synapsen und Botenstoffen bereits den Teil, für den sich unser Gehirn interessiert.

Forscher um Prof. Frank Müller vom Jülicher Institut für Zelluläre Biophysik im Institute of Complex Systems arbeiten daran, dieses komplizierte Geflecht und den Informationsfluss in seinem Inneren zu entschlüsseln. Dabei verfolgen sie auch ein ganz praktisches Ziel: Sehhilfen für Blinde zu verbessern.

Erbkrankheit führt zum Erblinden

Die Netzhaut – in der Fachsprache Retina – ist aus mehreren Zellschichten mit verschiedenen Nervenzelltypen aufgebaut. Die bekanntesten Zellen sind dabei die lichtempfindlichen Stäbchen und Zapfen. Diese Lichtrezeptoren sitzen in der äußersten Zellschicht der Netzhaut. 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.

Sterben die Lichtrezeptoren ab, wie bei der erblichen Krankheit Retinitis pigmentosa, wird der Patient blind. Allein in Deutschland gibt es rund 40.000 Betroffene. Das Nervengeflecht der Netzhaut und der Sehnerv bleiben bei dieser Erkrankung erhalten. Das wollen Forscher nutzen, um den Pateinten einen Teil ihrer Sehfähigkeit zurückzugeben.

100 Kilometer Nervenfasern, 10 Milliarden Synapsen

Bezeichnend ist die große Zahl von Verbindungen zwischen den Zellen der Netzhaut, die durch lange Fasern aus Nervenfortsätzen ermöglicht wird. Allein die Fortsätze der Nervenzellen in der Retina haben eine Gesamtlänge von bis zu 100 Kilometern und verfügen über circa 10 Milliarden Synapsen – eine Synapse ist die Kontaktstelle zwischen zwei Nervenzellen. Derzeit unterscheiden Wissenschaftler zudem rund 60 verschiedene Zelltypen in der Netzhaut. Nach neuesten Erkenntnissen gehen die Forscher davon aus, dass es weitere 10 bis 20 Zelltypen in der Retina gibt, deren Form und Funktion bisher noch nicht entschlüsselt ist.

Die Vielzahl der Zellarten und ihre komplexe Verschaltung untereinander lassen darauf schließen, dass die Netzhaut bereits wichtige Interpretationsarbeit leistet. Bei jedem Übertragungsvorgang an einer Synapse wird das Signal neu verrechnet und verändert. Bei zehn Milliarden Synapsen pro Auge kommen so einige Möglichkeiten der Signalmodulation zusammen. Die Netzhaut arbeitet also wie ein neuronaler Filter. Sie verwirft unnötige Informationen 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 Sprache der Nervenzellen verstehen

Zahlreiche Botenstoffe und Ionenkanäle erhöhen nochmals die Komplexität des retinalen Netzwerks. Sie sind die molekularen Grundbausteine der Kommunikation zwischen Nervenzellen. Prof. Frank Müller und sein Team konnten beispielsweise in Stäbchen einen Ionenkanal nachweisen, den die Forscher salopp "Notbremse" nennen. Er schaltet das Signal der Stäbchen bei viel Licht ab. Bei zunehmender Helligkeit, wenn man zum Beispiel aus einem dunklen Raum ins helle Sonnenlicht tritt, wird dieser Ionenkanal aktiviert. "Ohne diesen Kanal wären wir bei bestimmten Beleuchtungssituationen praktisch blind", verdeutlicht Frank Müller. Die Forscher konnten zudem nachweisen, dass verschiedene Nervenzelltypen auf den gleichen Botenstoff ganz unterschiedlich reagieren.

weiße und blaue Quader versetzt auf einer Fläche auf unterschiedlichen "Etagen". Die Etagen sind getrennt durch hellblaue Striche.Kaffeehaustäuschung - die waagerechten Linien sind parallel. Der Eindruck der Krümmung entsteht im Gehirn. Es nimmt die hellblauen Linien im Kontrast zu den leicht versetzten weißen und blauen Quadern nicht als gerade Striche wahr.
Copyright: Seitenplan / Forschungszentrum Jülich

Implantate verbessern

Das Ziel der Forscher ist es, neben dem reinen Erkenntnisgewinn, Patienten mit Retinitis pigmentosa zu helfen. Dafür arbeitet das Team Müller eng mit Medizinern, Ingenieuren und Elektrotechnikern zusammen. Zum Beispiel mit Prof. Peter Walter, Direktor der Universitäts-Augenklinik Aachen oder dem Jülicher Bioelektroniker Prof. Andreas Offenhäusser, Direktor am Peter Grünberg Institut und am Institute of Complex Systems. Sie entwerfen gemeinsam eine neue Generation von Elektroden für Netzhaut-Implantate. Die bisher verfügbaren Retina-Chips stimulieren die Nervenzellen der Netzhaut mit elektrischen Signalen, z.B. aus einer Kamera, die in ein Brillengestell integriert ist. Immerhin können die meisten Betroffenen auf diese Weise starke Kontraste wahrnehmen. Besser wäre ein Chip mit Elektroden, die nicht nur Signale aussenden, um die vorhandenen Nervenzellen zu reizen, sondern auch messen, in welchem Zustand die Netzhaut ist und ob sie die Reize effizient umsetzt. Einen ersten funktionellen Elektroden-Prototypen will die Forschergruppe bis 2018 vorstellen.

 Infografik zur Netzhaut (PDF, 157 kB)

effzett 2 / 2016: "Da schau her - Das menschliche Auge ist ein Supercomputer"

Bioelektronik: An der Schnittstelle zum Leben


Servicemenü

Homepage