Forschungsinteressen
Unsere Forschungsinteressen konzentrieren sich zum einen auf die Verarbeitung von sensorischen Informationen im zentralen Nervensystem (ZNS), zum anderen auf die kognitiven Faktoren, die diese Verarbeitung beeinflussen. Als Modellsystem für unsere Forschung dient die bei höheren Primaten hoch entwickelte Fähigkeit, visuelle Bewegungsinformationen zu verarbeiten.
Die Forschung in unserer Abteilung zielt auf ein Verständnis der neuronalen Grundlagen der visuellen Wahrnehmung. Das Sehen ist ein aktiver Prozess, der viel mehr ist als eine passive Widerspiegelung unserer Umwelt. Stattdessen wird visuelle Information auf ihrem Weg von den Augen zum und durch den Cortex stark verändert durch eine Vielzahl von Prozessen, die manche Aspekte verstärken und andere abschwächen. Dies erlaubt uns, ungewollte Informationen zu unterdrücken und die Verarbeitungskapazitäten des Gehirns auf wichtige Informationen zu konzentrieren.
Die präzise Repräsentation von visueller Bewegung in der Umwelt ist eine der wichtigsten Aufgaben des visuellen Systems. Daher konzentriert sich die Abteilung Kognitive Neurowissenschaften auf diese Fähigkeit als ein Modell für sensorische Informationsverarbeitung im Allgemeinen.
Wir verwenden mehrere Forschungstechniken. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Messung der Aktivität von Neuronen im visuellen Cortex von Rhesusaffen und der Bestimmung menschlicher Wahrnehmungsleistungen, aber auch theoretische Ansätze und die funktionelle Bildgebung werden eingesetzt.
Wissenschaftliche Hintergrundinformationen
Das visuelle System des Menschen und anderer hoch entwickelter Lebewesen kann als eine evolutionäre Erfolgsgeschichte angesehen werden. Ungefähr 1,5 Millionen Axone verlassen die Retina von Primaten und liefern dem ZNS eine riesige Menge an detaillierten Informationen über die Beschaffenheit der visuellen Umgebung. Zu einem gegebenen Zeitpunkt ist jedoch das meiste dieser Informationen für unser Verhalten irrelevant. Hätte die Evolution das Nervensystem nicht auch mit Mechanismen zur Regulation dieser Informationsflut ausgestattet, könnten wir nur einen kleinen Bruchteil unserer Verarbeitungskapazitäten den kritischen Aspekten der eintreffenden sensorischen Signale widmen. Die Entwicklung einer Fovea stellt einen solchen Mechanismus dar. Sie ist ein räumlich eng begrenzter Bereich höchster Sehschärfe auf der Retina, dem eine überproportional große kortikale Repräsentation zuteil wird. In Kombination mit der Fähigkeit, schnelle und präzise Augenbewegungen zu machen, um interessante Aspekte der visuellen Umgebung mit der Fovea zu erfassen, ermöglichen sensorische Spezialisierungen dieser Art, in der visuellen Informationsverarbeitung bereits frühzeitig die Spreu vom Weizen zu trennen. In Ergänzung zu diesen sogenannten bottom-up Mechanismen findet Aufmerksamkeit als starker top-down Mechanismus im visuellen System Verwendung, um die Zuteilung von Verarbeitungskapazitäten zu optimieren.
Die Fähigkeit zur Wahrnehmung von Bewegung ist eine der wichtigsten des visuellen Systems. Bewegung auf der Retina vermittelt eine Fülle von Informationen über Raubfeinde und Beute, über die räumliche Struktur und andere Eigenschaften der Umgebung, aber auch über die Eigenbewegung eines Organismus. Oft hängt das Überleben davon ab, wie schnell und wie genau diese Bewegungsinformationen verarbeitet werden. So überrascht es nicht, dass der visuelle Cortex von Primaten Bereiche aufweist, die auf die Repräsentation von visueller Bewegungsinformation spezialisiert sind. Bei Rhesus-Affen ist der medio-temporale Bereich (MT) intensiv untersucht worden. Dieser enthält einen hohen Anteil an richtungsselektiven Neuronen, also Nervenzellen, die die Richtung von Bewegung innerhalb ihres rezeptiven Feldes kodieren.
Unsere Forschung konzentriert sich auf die neuronale Repräsentation von Bewegungsinformation in diesem Areal und darauf, wie Aufmerksamkeit eine solche Repräsentation und damit letztendlich die visuelle Wahrnehmung und Leistung beeinflusst.
Forschungsmethoden
Bisher sind in der Abteilung Kognitive Neurowissenschaften hauptsächlich zwei Techniken eingesetzt worden.
- Kortikale extrazelluläre Einzelzellableitungen, d.h. die Aufzeichnung der Aktivität von Neuronen im visuellen Kortex von Rhesus-Affen, sowie
- Psychophysik, d.h. Bestimmung der menschlichen Wahrnehmungsfähigkeiten aufgrund von beobachtbaren Verhaltensdaten (Reaktionszeiten, Fehlerraten).
Das gegenwärtige und zukünftige Methodenspektrum umfasst auch:
- Computational Neuroscience, d.h Ansätze, die sich auf theoretische Aspekte sensorischer Informationsverarbeitung konzentrieren.
- Funktionelle Bildgebung des Gehirns, d.h. nicht-invasive Verfahren zur Messung der Aktivität verschiedener Gehirnregionen.
Spezielle Forschungsrichtungen
Innerhalb des oben beschriebenen Forschungsfeldes der Abteilung Kognitive Neurowissenschaften stehen folgende spezielle Bereiche im Vordergrund:
- Die Rolle von Aufmerksamkeit bei der Modulation visueller Bewegungsverarbeitung.
» Veröffentlichungen - Sensorische, wahrnehmungs- und aufmerksamkeitsbezogene Aspekte der Verarbeitung transparenter Bewegung.
» Veröffentlichungen - Theoretische, psychophysikalische und physiologische Aspekte der Rekonstruktion der 3-dimensionalen Form von sich bewegenden Objekten ('Structure-from-motion').
» Veröffentlichungen - Die Rolle des Kleinhirns bei der Verarbeitung visueller Bewegungsinformation und Aufmerksamkeitskontrolle.
» Veröffentlichungen - Neuronale Grundlagen und wahrnehmungsbezogene Aspekte der Geschwindigkeitswahrnehmung.
» Veröffentlichungen - Einfluss neurologischer Erkrankungen auf die Fähigkeit, Aufmerksamkeit zu steuern und zu nutzen.
» Veröffentlichungen