Optische Täuschung gibt Einblicke ins Gehirn

Worum genau geht es in deiner Forschung und warum arbeitest du mit Zebra­fi­schen als Modellorganismus?

Im Gehirn gibt es spezielle Nerven­zellen, die Bewegung und deren Richtung verar­beiten. Da es sehr viele von diesen Nerven­zellen gibt, möchte ich heraus­finden, ob sie alle auch für die Wahrnehmung von Bewegungen notwendig sind. Dafür sind die Larven von Zebra­fi­schen ein super Tiermodell – sie sind klein, durch­sichtig und zeigen viele komplexe Verhal­tens­weisen, die wir Menschen auch aufweisen.

Wie bist du auf die Idee gekommen eine optische Illusion für deine Forschung zu nutzen?

Ich wurde durch ein Video inspi­riert, in dem eine Katze versucht, eine optische Täuschung in Form von sich bewegenden Schlangen zu fangen. Ich habe mich gefragt, ob eine Illusion, auf die wir Menschen reagieren, auch bei Zebra­fi­schen funktio­niert. In diesem Fall könnte ich einen Blick ins Gehirn werfen und unter­suchen, welche Nerven­zellen dabei invol­viert sind. Mit der Hilfe meiner Betreuerin Fumi habe ich mich am Ende unter vielen coolen Illusionen für den Bewegungs­nach­effekt entschieden.

Kannst du den Bewegungs­nach­effekt – auch als Wasserfall-Illusion bekannt – erklären?

Der Bewegungs­nach­effekt ist eine sehr alte Illusion, die bereits von Aristo­teles beschrieben wurde. Betrachten wir längere Zeit eine Bewegung, wie die eines Wasser­falls, und fokus­sieren danach ein unbewegtes Objekt, dann sehen wir eine Schein­be­wegung. Es wirkt, als ob sich das Objekt in die entge­gen­ge­setzte Richtung zur davor beobach­teten Bewegung bewegt – im Falle eines Wasser­falls also nach oben. Das Einzig­artige am Bewegungs­nach­effekt ist, dass das Empfinden von Bewegungen nicht durch tatsäch­liche Bewegungen hervor­ge­rufen wird, sondern gänzlich im Gehirn entsteht.

Für viele mag es unerwartet klingen, dass du mit Hilfe des Bewegungs­nach­ef­fekts Einblicke in das Gehirn gewonnen hast – Illusionen werden oft als Fehler des Gehirns angesehen.

Anstatt an einen Fehler zu denken, sind Illusionen für mich eher ein Fenster ins Gehirn. Selbst ohne tiefer­ge­hende Unter­su­chungen geben sie uns bereits einige Hinweise darauf, wie das Gehirn Umwelt­in­for­ma­tionen verar­beitet. Illusionen sind somit nicht nur inter­es­sante Täuschungen, für Wissen­schaftler können sie auch ein sehr hilfreiches Werkzeug sein.

Fische können nicht sagen, was sie sehen. Wie hast du heraus­ge­funden, dass Fische die Wasserfall-Illusion erleben?

Wir haben eine Art »Kino« gebaut: Der Fisch sitzt in der Mitte und betrachtet einen Film aus bewegten Strei­fen­mustern, während wir seine Augen­be­we­gungen aufnehmen. So können wir sehen, ob und in welche Richtung der Fisch Bewegungen wahrnimmt. Auf diese Weise haben wir festge­stellt, dass der Fisch Schwein­be­we­gungen in die entge­gen­ge­setzte Richtung sieht, sobald der Film stoppt.

Nachdem du diesen Versuchs­aufbau entwi­ckelt hattest, was waren deine nächsten Schritte?

Wir haben uns gefragt, welche Gehirn­region für die Illusion verant­wortlich ist. Mit Hilfe der Optoge­netik, einer Methode bei der durch Licht Nerven­zellen an- und ausge­schaltet werden können, haben wir verschiedene Gehirn­re­gionen deakti­viert. So konnten wir nachweisen, dass das Prätektum, eine wichtige Hirnregion für das visuelle System, essen­tiell für die Wahrnehmung der Wasserfall-Illusion ist. Mit dem 2‑Pho­tonen-Mikroskop konnten wir zeigen, dass nur ungefähr die Hälfte der vielen Nerven­zellen, die auf Bewegungen reagieren, während der Illusion aktiv sind. Räumlich gesehen konzen­trieren sich diese Nerven­zellen innerhalb eines Knoten­punktes im Prätektum. Dies gab uns die Möglichkeit diese Nerven­zellen zielge­richtet zu manipu­lieren. Entfernten wir Nerven­zellen in diesem Zentrum waren die Fische erstaun­li­cher­weise bewegungs­blind. Im Gegensatz dazu konnten wir beim Anschalten der Nerven­zellen bewegungs­spe­zi­fische Augen­be­we­gungen auslösen, ohne dass dem Fisch Bewegungen gezeigt wurden.

Was ist die Quint­essenz deiner Studie und warum ist sie so speziell?

Mit Hilfe der Illusion konnten wir die große Anzahl an Nerven­zellen auf eine Handvoll Zellen eingrenzen, die für das Bewegungs­sehen nicht nur notwendig, sondern auch ausrei­chend sind. Diese Erkenntnis eröffnet eine ganz neue Sicht­weise; zuvor wurde angenommen, dass Reaktionen auf Bewegungen von weit verzweigten neuro­nalen Netzwerken abhängen.

Was begeistert dich am meisten an deiner Studie?

Die Illusion – ich freue mich immer wieder, darüber zu sprechen und zu sehen, dass andere meine Begeis­terung teilen. Ebenso ist es spannend darüber nachzu­denken, dass »Sehen nicht gleich Glauben« ist. Illusionen erinnern uns daran, dass unsere Wahrnehmung eine verar­beitete Version der Realität ist. Wir sollten das im Hinterkopf behalten und nicht nur unserer eigenen Wahrnehmung vertrauen.

(Das Interview führte Christina Bielmeier.)

Origi­nal­pu­bli­kation:

Yunmin Wu, Marco dal Maschio, Fumi Kubo, Herwig Baier

An Optical Illusion Pinpoints an Essential Circuit Node for Global Motion Processing

Neuron, online 22. September 2020

DOI: 10.1016/j.neuron.2020.08.027

Textquelle: Dr. Stefanie Merker, Max-Planck-Institut für Neurobiologie

Grafik­quelle: Mit Hilfe der Wasserfall-Illusion konnten Wissen­schaftler in Zebra­fi­schen Nerven­zellen identi­fi­zieren, die für das Bewegungsehen relevant sind. Grafik: MPI für Neuro­bio­logie / Kuhl