Ist die visuelle Maschinerie in Ihrem Gehirn die gleiche wie in meinem?

Jun 18, 2024

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15. August 2023

Lange glaubte man, dass die grundlegende Architektur unseres Gehirns von Mensch zu Mensch auf ähnliche Weise organisiert ist. Wir sind davon ausgegangen, dass sich der visuelle Kortex bei jedem Menschen an einer ähnlichen Position befindet und einen ähnlichen Bereich im Gehirn jedes Menschen einnimmt. Es stellt sich heraus, dass dies nicht der Fall ist.

Professor Marcello Rosa ist Leiter des Neurowissenschaftsprogramms des Monash BDI und Leiter des Labors für Struktur, Funktion und Plastizität der Großhirnrinde. Zusammen mit Dr. Alex Puckett (University of Queensland) ist er Co-Senior-Autor einer Arbeit über die Organisation des Gehirns mit besonderem Fokus auf den visuellen Kortex.

Professor Rosa sagte, dass überraschend wenig darüber bekannt sei, wie variabel das menschliche Gehirn hinsichtlich seiner funktionellen Organisation sei.

„Verfügen alle menschlichen Gehirne über die gleichen Bereiche in der Großhirnrinde – den Teil, der an bewusster Wahrnehmung, geschicktem Handeln und kognitiven Prozessen beteiligt ist? Sind diese Bereiche bei Ihnen und mir gleich organisiert?“ Professor Rosa sagte.

„In dieser Studie haben wir die Darstellungen der Netzhaut im visuellen Kortex – Merkmale, die mithilfe der funktionellen Magnetresonanztomographie präzise quantifiziert werden können – genutzt, um Erkenntnisse zu dieser Frage zu gewinnen“, sagte er.

Der Fokus der Forscher lag auf dem zweiten und dritten visuellen Bereich (auch bekannt als V2 und V3). Diese gehörten zu den ersten visuellen Gebieten, die vor mehr als fünfzig Jahren detailliert kartiert wurden. Seitdem geht man davon aus, dass sie bei allen Individuen stereotyp organisiert sind.

Schematische Darstellung des Gehirns mit den kanonischen Bereichen des visuellen Kortex (V): V1 (Gelb) V2 (Orange) V3 (Blau) Bild: Wikimedia Commons

Es wurde ein unerwartet hoher Grad an Variabilität zwischen den Gehirnen beobachtet. Die Untersuchung ergab, dass die „Lehrbuch“-Ansicht der Organisation von V2 und V3 nur auf ein Drittel der Personen in der Studie zutraf, während die anderen zwei Drittel komplexere geometrische Abbildungen der Netzhaut auf den Kortex zeigten.

Diese Arbeit wirft wichtige Fragen zu den Entwicklungsmechanismen auf, die für die Bildung visueller Karten verantwortlich sind, und weist darauf hin, dass im Gehirn einer gesunden Bevölkerung erhebliche Unterschiede bestehen.

„Das bedeutet, dass die Art und Weise, wie unser Gehirn eine Funktion wie das Sehen aufbaut, von der man annehmen würde, dass sie relativ fest verdrahtet ist – praktisch eine evolutionäre Vorlage ohne große Variationen –, viel stärker von unserer frühen Interaktion mit unserer Umwelt abhängen könnte“, sagt Professor Rosa sagte.

„Wir haben Daten aus der Datenbank des Human Connectome Project (HCP) verwendet. Bemerkenswert ist, dass bei allen Teilnehmern dieser Studie davon ausgegangen wurde, dass sie eine normale Sehfunktion hatten. Sie hätten keine Ahnung, dass ihr Sehweg anders organisiert war. Die visuelle Funktion wird trotzdem erreicht, aber die durchgeführte Gehirnkartierung variiert deutlich von Person zu Person“, sagte er.

Dr. Elizabeth Zavitz, die bis vor kurzem Gruppenleiterin bei Monash BDI war, arbeitete an der Analyse mit der Erstautorin Fernanda Ribeiro (an der University of Queensland ansässig).

„Fernanda verfolgte bei der Analyse einen neuartigen Ansatz und nutzte ein im Bereich des maschinellen Lernens übliches Ähnlichkeitsmaß, um paarweise Vergleiche zwischen den Gehirnen der Teilnehmer anzustellen. Dadurch konnten wir eine Clusteranalyse durchführen und zeigen, dass es im HCP-Datensatz mehr als eine „typische“ Gehirnorganisation gibt“, sagte Dr. Zavitz.

Aus praktischer Sicht wirft die Forschung auch die Frage auf, wie zuverlässig die Lage und interne Organisation von Bereichen auf der Grundlage von Gehirn-„Vorlagen“ (durchschnittlichen Karten, die in der Gehirnforschung häufig verwendet werden) vorhergesagt werden kann.

Der leitende Mitautor Dr. Alex Puckett, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter an der University of Queensland, sagte, dass es für Forscher immer üblicher geworden sei, die Position kortikaler visueller Bereiche mithilfe eines vorlagenbasierten Ansatzes statt empirischer Messungen zu definieren.

„Unsere Arbeit mahnt dabei dringend zur Vorsicht. Um genau zu sein, müssen diese Vorhersagen in der Lage sein, den hohen Grad an Variabilität, den wir entdeckt haben, zu berücksichtigen“, sagte Dr. Puckett.

„Zukünftig befasst sich die medizinische Praxis mit der Entwicklung und Implantation von Gehirn-Computer-Schnittstellengeräten, wie sie beispielsweise von der Bionic Vision Group von Monash entwickelt wurden. Dafür brauchen wir individualisierte Gehirnkarten. „Diese Art von Grundlagenforschung gibt uns einen Einblick in die Variabilität, die wir erwarten können“, sagte Professor Rosa.

Lesen Sie den vollständigen Artikel, veröffentlicht in eLife,Die Variabilität der Gesichtsfeldkarten im frühen extrastriären Kortex des Menschen stellt das kanonische Modell der Organisation von V2 und V3 in Frage.

DOI: 10.7554/eLife.86439

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