Die acht Augen: Enthüllen des Oktopus-Sehens mithilfe neuronaler Karten

Zusammenfassung: Die Forscher kartierten die neuronale Aktivität im visuellen System des Oktopus und zeigten verblüffende Ähnlichkeiten mit denen des Menschen.

Das Team beobachtete neuronale Reaktionen auf die hellen und dunklen Punkte und kartierte so, was der Organisation des menschlichen Gehirns ähnelt. Interessanterweise hatten Kraken und Menschen vor etwa 500 Millionen Jahren den letzten gemeinsamen Vorfahren, was auf eine unabhängige Entwicklung solch komplexer visueller Systeme schließen lässt.

Diese Erkenntnisse tragen erheblich zu unserem Verständnis des Sehvermögens und der Gehirnstruktur von Kopffüßern bei.

Wichtige Fakten:

1. Ungefähr 70 % des Gehirns eines Oktopus sind dem Sehen gewidmet. Diese Forschung ist die erste ihrer Art, die die neuronale Aktivität in ihrem visuellen System kartiert und Erkenntnisse darüber liefert, wie diese Meeresbewohner ihre Welt wahrnehmen.
2. Obwohl Kraken und Menschen vor 500 Millionen Jahren einen gemeinsamen Vorfahren hatten, entwickelten sie ähnliche neuronale Karten für die visuelle Wahrnehmung.
3. Die Studie ergab, dass Oktopus-Neuronen stark auf kleine helle und große dunkle Flecken reagieren, die sich vom menschlichen visuellen System unterscheiden. Dies ist wahrscheinlich auf die Besonderheiten der Unterwasserumgebung zurückzuführen.

Quelle: Universität von Oregon

Ein Oktopus widmet etwa 70 Prozent seines Gehirns dem Sehen. Doch bis vor Kurzem hatten Wissenschaftler nur ein vages Verständnis davon, wie diese Meerestiere ihre Unterwasserwelt sehen. Eine neue Studie der University of Oregon beleuchtet die Sichtweise des Oktopus.

Zum ersten Mal haben Neurowissenschaftler die neuronale Aktivität des visuellen Systems eines Oktopus aufgezeichnet. Sie erstellten eine Karte des Gesichtsfeldes des Oktopus, indem sie die neuronale Aktivität im Gehirn des Tieres als Reaktion auf helle und dunkle Flecken an verschiedenen Stellen direkt beobachteten.

Diese Karte der neuronalen Aktivität im visuellen System eines Oktopus ist dem, was wir im menschlichen Gehirn sehen, sehr ähnlich – obwohl Kraken und Menschen vor etwa 500 Millionen Jahren einen gemeinsamen Vorfahren hatten, entwickelten Kraken ihr komplexes Nervensystem unabhängig voneinander.

Der Neurowissenschaftler Christopher Neale und sein Team berichten über ihre Ergebnisse in einem Artikel, der am 20. Juni in der Zeitschrift Neuroscientist Christopher Neale veröffentlicht wurde. Aktuelle Biologie.

„Niemand hat bisher tatsächlich Aufnahmen vom zentralen visuellen System eines Kopffüßers gemacht“, sagte Neal. Kraken und andere Kopffüßer werden normalerweise nicht als Modelle für das Verständnis des Sehens verwendet, aber Neals Team ist von ihren ungewöhnlichen Gehirnen fasziniert.

In einem verwandten Artikel, der letztes Jahr in veröffentlicht wurde Aktuelle BiologieDas Labor identifizierte verschiedene Klassen von Neuronen im Sehlappen eines Oktopus, einem Teil des Gehirns, der für das Sehen zuständig ist. „Zusammengenommen bieten diese Arbeiten eine gute Grundlage, indem sie die verschiedenen Arten von Neuronen und ihre Reaktion zeigen – zwei Schlüsselaspekte, die wir wissen wollen, um ein neues visuelles System zu verstehen“, sagte Neal.

In der neuen Studie haben die Forscher gemessen, wie Neuronen im visuellen System des Oktopus auf dunkle und helle Punkte reagieren, die sich über einen Bildschirm bewegen. Mithilfe der Fluoreszenzmikroskopie können Forscher die Aktivität von Neuronen während ihrer Reaktion beobachten, um zu sehen, wie Neuronen unterschiedlich reagieren, je nachdem, wo die Flecken erscheinen.

„Wir konnten sehen, dass jede Stelle im Sehlappen auf eine einzelne Stelle auf dem Bildschirm vor dem Tier reagierte“, sagte Neal. „Wenn wir uns irgendwohin bewegen, bewegt sich die Reaktion im Gehirn.“

Diese Art individueller Karten findet sich im menschlichen Gehirn für mehrere Sinne wie Sehen und Fühlen. Neurowissenschaftler haben den Ort bestimmter Empfindungen mit bestimmten Stellen im Gehirn in Verbindung gebracht.

Eine bekannte Darstellung der Berührung ist der Homunkulus, eine cartoonartige menschliche Figur, bei der die Körperteile im Verhältnis zum Gehirnraum gezeichnet sind, der dort für die Verarbeitung sensorischer Eingaben zur Verfügung steht.

Hochsensible Stellen wie Finger und Zehen erscheinen riesig, da von diesen Körperteilen viel Hirninput ausgeht, während weniger empfindliche Bereiche viel kleiner sind.

Aber eine geordnete Verbindung zwischen der visuellen Szene und dem Gehirn des Oktopus zu finden, war weit davon entfernt. Es handelt sich um eine ziemlich komplexe evolutionäre Innovation, und einige Tiere wie Reptilien verfügen nicht über diese Art von Karte. Frühere Studien haben außerdem darauf hingewiesen, dass Kraken keine Homunkulus-ähnliche Karte verschiedener Körperteile haben.

„Wir hofften, dass die visuelle Karte da wäre, aber niemand hatte sie vorher direkt bemerkt“, sagte Neal.

Die Forscher stellten außerdem fest, dass Neuronen im Oktopus besonders stark sowohl auf kleine helle Flecken als auch auf große dunkle Flecken reagierten – ein deutlicher Unterschied zum menschlichen visuellen System. Neals Team vermutet, dass dies auf spezifische Eigenschaften der Unterwasserumgebung zurückzuführen sein könnte, in der sich die Kraken bewegen müssen. Auftauchende Raubtiere können als große dunkle Schatten erscheinen, während in der Nähe befindliche Objekte wie Lebensmittel als kleine helle Punkte erscheinen können.

Als nächstes hoffen die Forscher zu verstehen, wie das Gehirn des Oktopus auf komplexere Bilder reagiert, beispielsweise solche, die bereits in seiner natürlichen Umgebung vorkommen. Ihr ultimatives Ziel ist es, den Weg dieser visuellen Eingaben tiefer in das Gehirn des Oktopus zu verfolgen, um zu verstehen, wie der Oktopus seine Welt sieht und mit ihr interagiert.

Über diese Forschung in Visual Neuroscience News

Autor: Molly Blancett
Quelle: Universität von Oregon
Kommunikation: Molly Blancett – Universität von Oregon
Bild: Bildquelle: Neuroscience News

Ursprüngliche Suche: offener Zugang.
„Funktionelle Regulierung visueller Reaktionen im Sehlappen eines OktopusGeschrieben von Christopher Neal et al. Aktuelle Biologie

eine Zusammenfassung

Funktionelle Regulierung visueller Reaktionen im Sehlappen eines Oktopus

Höhepunkte

• Die funktionelle Organisation des visuellen Systems von Kopffüßern ist weitgehend unbekannt
• Mithilfe der Kalziumbildgebung haben wir visuelle Reaktionen im Sehlappen des Oktopus kartiert
• Wir identifizierten räumlich lokalisierte Empfangsfelder mit Netzhautorganisation
• Die Ein- und Aus-Pfade waren unterschiedlich und hatten einzigartige größenselektive Eigenschaften

Zusammenfassung

Kopffüßer sind sehr visuelle Tiere mit kameraähnlichen Augen, großen Gehirnen und einem reichen Repertoire an visuell gesteuerten Verhaltensweisen. Das Gehirn von Kopffüßern entwickelte sich jedoch unabhängig vom Gehirn anderer Arten mit hohem Sehvermögen, wie beispielsweise Wirbeltieren. Daher sind die neuronalen Schaltkreise, die sensorische Informationen verarbeiten, sehr unterschiedlich.

Es ist weitgehend unbekannt, wie ihr einzigartig leistungsfähiges visuelles System funktioniert, da es keine direkten neurologischen Messungen der visuellen Reaktionen im Gehirn von Kopffüßern gibt.

In dieser Studie verwendeten wir Zwei-Photonen-Kalzium-Bildgebung, um visuell hervorgerufene Reaktionen im primären visuellen Verarbeitungszentrum des Zentralhirns des Oktopus, dem Sehlappen, aufzuzeichnen, um zu bestimmen, wie grundlegende Merkmale der visuellen Szene dargestellt und organisiert werden.

Wir fanden räumlich lokalisierte Empfangsdomänen für helle (AN) und dunkle (AUS) Reize, die über den gesamten Sehlappen retinal organisiert waren, was das Kennzeichen der Organisation des visuellen Systems zeigt, das vielen Arten gemeinsam ist.

Die Untersuchung dieser Reaktionen ergab Verschiebungen in der visuellen Darstellung über Schichten des Sehlappens hinweg, einschließlich der Entstehung des OFF-Signalwegs und einer erhöhten Größenselektivität.

Wir haben auch Asymmetrien in der räumlichen Verarbeitung von Ein- und Ausschaltreizen identifiziert, die auf einzigartige Schaltkreismechanismen für die Modellverarbeitung schließen lassen, die möglicherweise entwickelt wurden, um den spezifischen Anforderungen der Verarbeitung einer visuellen Unterwasserszene gerecht zu werden.

Diese Studie liefert Einblicke in die neuronale Verarbeitung und funktionelle Organisation des visuellen Systems des Oktopus, hebt sowohl gemeinsame als auch einzigartige Aspekte hervor und legt den Grundstein für zukünftige Studien der neuronalen Schaltkreise, die die visuelle Verarbeitung und das Verhalten bei Kopffüßern vermitteln.