Ludwig-Maximilians-Universität München
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Auto oder Fußgänger – Wie wir Objekten mit den Augen folgen

München, 02.10.2008

Wenn sich ein Objekt bewegt, folgen wir mit den Augen: Passend dazu berechnet das Gehirn die Geschwindigkeit des Objektes und passt die Augenbewegung an. Dies allein ist schon eine enorme Leistung, aber unser Gehirn kann noch mehr. Ein Auto beschleunigt oder bremst schneller als etwa ein Fußgänger. Dementsprechend reagiert auch die Steuerung der Augenbewegung sensitiver auf Änderungen in der Geschwindigkeit bei schnellen als bei langsamen Objekten. „Gain Control“ oder Verstärkungskontrolle heißt das seit längerem bekannte Phänomen, das ein Team um Privatdozent Dr. Stefan Glasauer vom Bernstein Zentrum für Computational Neuroscience und der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München erstmals genauer analysiert hat. Die Forscher analysierten, wo im Gehirn die Verstärkungskontrolle berechnet wird, und welche neuronalen Verschaltungen diesem komplexen Prozess zugrunde liegen. Die Ergebnisse wurden in einem mathematischen Modell postuliert, experimentell überprüft – und könnten bei der Diagnose von Augenbewegungsstörungen helfen. (Cerebral Cortex, October 1, 2008)

 

Die Steuerung der Augenbewegung ist kein gänzlich neues Forschungsgebiet. So weiß man bereits, dass verschiedene Regionen des Kortex, der Großhirnrinde also, bei der Entstehung von Augenfolgebewegungen beteiligt sind. Dazu gehören die „Area MST“ und die sogenannten frontalen Augenfelder, kurz FEFs. Nervenzellen in der Area MST spiegeln dabei vor allem die Geschwindigkeit der Augen- oder Zielbewegung wider, wohingegen Zellen der FEFs hauptsächlich auf Änderungen in der Geschwindigkeit reagieren. Diese Erkenntnisse wurden vor allem aus Verhaltensexperimenten am Menschen und neurophysiologischen Studien gewonnen.

Sie sollten nun aber in einem Computermodell zusammengeführt werden, das die Augenbewegungssteuerung erklärt, so das Ziel der Wissenschaftler unter der Leitung von Glasauer, seinem Mitarbeiter Ulrich Nuding sowie Professor Ulrich Büttner von der Neurologischen Klinik.

Das neue Modell simuliert die wichtigsten Verschaltungen, die zur Steuerung der Augenfolgebewegung nötig sind. In der Area MST wird die Geschwindigkeit des Zielobjektes berechnet und mit der momentanen Augengeschwindigkeit verglichen, um diese entsprechend anzupassen. Die FEFs sind der eigentliche Ort der Verstärkungskontrolle: Hier wird die Sensitivität der Augenbewegung für Geschwindigkeitsänderungen festgelegt.

Zur Überprüfung ihres Modells führten die Wissenschaftler zusammen mit Kollegen am University College in London Studien durch: Sie ließen Probanden einen Punkt auf einem Bildschirm mit den Augen verfolgen. Die Aktivität der FEFs wurde dabei kurzzeitig durch sogenannte „Transkraniale Magnetische Stimulation“ gestört. Diese Technologie kann gezielt einzelne Gehirnregionen für wenige Sekunden beeinflussen. Tatsächlich bestätigten die Experimente die Vorhersagen des Modells: So lange sich das beobachtete Objekt mit konstanter Geschwindigkeit bewegte, wirkte sich eine Störung der FEFs kaum auf die Augenbewegungssteuerung aus.

Die Sensitivität der Augenbewegung für Geschwindigkeitsänderungen nahm aber bei gestörten FEFs bei höheren Geschwindigkeiten nicht ausreichend zu. Demnach wird in den FEFs die Verstärkungskontrolle in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Auges oder des Ziels ermittelt. Kurz gesagt: Je schneller sich ein Objekt bewegt, desto größer die Anpassungsfähigkeit. „Damit ist uns erstmals gelungen, den Zweck der parallelen anatomischen Pfade in der neuronalen Verarbeitung zu erklären“, sagt Glasauer. Die Sensitivitätsänderung weist zudem interessante Parallelen zur visuellen Aufmerksamkeitssteuerung auf, bei der die FEFs ebenfalls wichtig sind. Sie kann daher wohl als Aufmerksamkeitsmechanismus im Augenfolgesystem betrachtet werden.

Publikation:

 „TMS evidence for smooth pursuit gain control by the frontal eye fields”

Nuding U., Kalla R., Muggleton N.G., Büttner U., Walsh V. & Glasauer S.;

Cerebral Cortex, advance access published October 1, 2008

„A theory of the dual pathways for smooth pursuit based on dynamic gain control” Nuding U., Ono S., Mustari M.J., Büttner, U. & Glasauer S.;

Journal of Neurophysiology, 2008 Jun;99(6): 2798-808

 

Ansprechpartner:

PD Dr. Stefan Glasauer

Zentrum für Sensomotorik

Neurologische Klinik und Poliklinik der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München

Tel.: 089 / 7095-4839

E-Mail: sglasauer@nefo.med.uni-muenchen.de

Web: www.nefo.med.uni-muenchen.de/~sglasauer/

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