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The role of depth perception during prey capture in the mouse

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Studie zum Beuteverhalten verrät mehr über die Tiefenwahrnehmung

In einem wegweisenden Experiment zur virtuellen Realität konnte ein Forschungsteams Wissen darüber erlangen, wie das Gehirn genau mit der Tiefenwahrnehmung umgeht.

Grundlagenforschung

Die Feststellung, ob sich ein Objekt in der Nähe oder Ferne befindet, erfolgt intuitiv. Darüber denken wir in der Regel nicht nach. „Wenn wir aus dem Fenster sehen, ist uns sofort klar, dass die Straße im Vordergrund näher ist als die Wolken am Himmel“, sagt Mark Hübener, Koordinator des Projekts MouseDepthPrey und Forschungsgruppenleiter in der Abteilung Synapsen – Schaltkreise – Plastizität am Max-Planck-Institut für Neurobiologie in Deutschland. „Das visuelle System unseres Gehirns macht das automatisch. Das mag zwar mühelos erscheinen, möglich machen dies jedoch viele zugrunde liegende neuronale Prozesse.“ Licht wird von der Netzhaut unserer Augen in neuronale Signale umgewandelt. Diese Signale werden dann in Informationen verarbeitet, damit wir unter anderem einschätzen können, wie weit ein Objekt entfernt ist. „Wir wissen relativ viel darüber, wie es diese Quellen für Tiefeninformationen vom Auge zum Gehirn schaffen“, so Hübener. „Worüber wir weniger wissen, ist, wie diese Signale kombiniert und so verarbeitet werden, dass wir nur durch Hinsehen eine sofortige Tiefenwahrnehmung haben.“

Untersuchung der Tiefenwahrnehmung

Das MouseDepthPrey-Projekt, das mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen durchgeführt wurde, sollte klären, wie verschiedene Tiefeninformationen im Gehirn verarbeitet werden. „Um diese Frage zu beantworten, nahmen wir die Maus zu Hilfe“, erklärt Drago Guggiana Nilo, der Postdoktorand, der an dem Projekt arbeitete. „Wir suchten nach einer Möglichkeit, wie wir sie fragen konnten, wie weit Objekte ihrer Ansicht nach entfernt sind.“ Dazu machte sich das Forschungsteam ein ausgeprägtes natürliches Verhalten zunutze: den Beutefang. Mäuse jagen problemlos Grillen und andere Insekten als Nahrung. Dabei verlassen sie sich besonders auf ihr Sehvermögen und aller Wahrscheinlichkeit nach auch auf die Tiefenwahrnehmung. Die Position der Maus in einer „Arena“ wurde mithilfe eines Hochgeschwindigkeitsvideosystems mit zwölf Kameras bestimmt. Anhand dieser Information wurde eine virtuelle visuelle Umgebung aus Sicht der Maus geschaffen. Mit Software, die für Spiele entwickelt wurde, wurde die Umgebung so verfeinert, dass sie so realistisch wie möglich ist. Ein professioneller Animator wurde mit der Erstellung einer detailgenauen Grille beauftragt, die als virtuelle Beute dienen sollte. Die Hirnaktivität der Maus während des Beutefangs wurde mithilfe eines am Kopf befestigten Mikroskops im Miniaturformat aufgezeichnet.

Prozesse im Gehirn aufgedeckt

Durch dieses innovative Experiment zur virtuellen Realität konnte das Team eine unglaublich detaillierte Charakterisierung des Beutefangverhaltens erzielen. „Wir haben gelernt, dass Mäuse, obwohl der Beutefang ein angeborenes Verhalten ist, ihre Leistung trotzdem von Tag zu Tag verbessern“, sagt Guggiana Nilo. „Die detaillierte Analyse Hunderter Jagdsequenzen zeigte, dass Mäuse nach einem überraschend stereotypen Muster vorgehen. Daraus lässt sich schließen, dass sie Erfolg haben, weil sie die Grille ermüden.“ Obwohl die Daten vorläufig sind, deuten sie darauf hin, dass die Informationen zur Entfernung der Grille im Bereich des primären visuellen Kortex verarbeitet werden – der ersten Hirnregion, die Informationen aus beiden Augen kombiniert. Darüber hinaus scheinen diese Informationen eher eine Eigenschaft der Vernetzung zu sein als etwas, das in bestimmten Neuronen vorhanden ist. „Wir wollen nun das Hauptziel des Projekts erreichen, also die Wahrnehmung des Tiefensignals durch die Maus verstehen“, merkt Hübener an. „Dazu werden wir unter anderem eine 3D-Mausbrille entwickeln, die beide Augen unabhängig voneinander stimuliert. Im Grunde ist das dieselbe Technik, mit der wir auch Tiefen in 3D-Kinofilmen wahrnehmen können.“ Hübeners Ansicht nach wird das Wissen um die Tiefenwahrnehmung nicht nur Einblick in ein biologisches Phänomen gewähren, sondern auch zahlreichen anderen neu entstehenden Forschungsfeldern zugutekommen. Dazu zählt zum Beispiel die standortunabhängige Zusammenarbeit, bei der sich Technologien für die virtuelle und erweiterte Realität bereits als essenziell erwiesen haben. „Wir sind zuversichtlich, dass durch biologische Verbesserungen aktuelle Mängel dieser Technologie beseitigt werden können“, fügt er hinzu.

Schlüsselbegriffe

MouseDepthPrey, Gehirn, visuell, neuronal, Netzhaut, Tiefe, Licht, visueller Kortex, 3D, virtuelle Realität, erweiterte Realität

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