Schaltzentrale des scharfen Sehens kartiert: Erstes Konnektom der menschlichen Fovea
Die Fovea enthält über 50 Typen von Neuronen. Ein internationales Team hat nun mithilfe KI-basierter Methoden erstmals ein vollständiges Konnektom der menschlichen Fovea erstellt –und dabei über 300.000 Synapsen zwischen rund 3.000 Neuronen kartiert. Ergebnis: Statt vieler paralleler Schaltkreise nutzt die Fovea nur drei effiziente Hauptbahnen. Die frei zugängliche Ressource liefert neue Einblicke ins Farbsehen und einen Bauplan für die Netzhautdiagnostik von morgen.
Eine neue, in Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) publizierte Studie liefert eine äußerst detaillierte Karte der Schaltkreise der Fovea. Die Karte, ein sogenanntes Konnektom, beschreibt die Lage aller Zellen und Verbindungen zwischen den Zellen innerhalb der Fovea. Das Konnektom stellt damit die erste vollständige Erfassung der Zelltypen sowie die erste Konnektivitätsmatrix einer Struktur des menschlichen Zentralnervensystems dar.
Für dieses Projekt hat ein internationales, interdisziplinäres Team aus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern renommierter Institutionen zusammengearbeitet. Die Studienleitung lag bei Dennis M. Dacey, Professor für Neurobiologie und Biophysik an der University of Washington in Seattle, einem der weltweit führenden Netzhautforscher. Als Ko-Autorin beteiligt war Christine A. Curcio, Professorin für Augenheilkunde an der University of Alabama at Birmingham und eine der einflussreichsten Forscherinnen auf dem Gebiet der altersbedingten Makuladegeneration. Auch PD Dr. Andreas Pollreisz, Universitätsklinik für Augenheilkunde und Optometrie der Medizinischen Universität Wien, war Teil des Autorenteams.
Echter Durchbruch
„Ein solches Konnektom stand erst vor kurzem für das Gehirn der Fruchtfliege zur Verfügung", sagte Seniorautor Dennis M. Dacey. „Die für das winzige Fruchtfliegengehirn entwickelten Methoden ermöglichten es uns und anderen Labors, uns an Teile größerer Säugetiergehirne heranzuwagen. Der Übergang zum menschlichen Zentralnervensystem war dann ein echter Durchbruch – für uns und für das Verständnis, wie das menschliche Sehen beginnt."
Die Fovea enthält eine enorme Anzahl von Neuronen, die ein detailliertes, hochauflösendes Farbsehen ermöglichen. Obwohl die Fovea nur einen winzigen Teil der Netzhaut ausmacht, machen ihre Signale den Löwenanteil dessen aus, was die Sehzentren des Gehirns erreicht.
Mehr als 300.000 Verbindungen zwischen 3.000 Neuronen
Um ihre Karte zu erstellen, rekonstruierten die Forscherinnen und Forscher mehr als 300.000 Verbindungen zwischen rund 3.000 Neuronen in einer menschlichen Fovea und verfolgten genau, wie jeder Neuronentyp mit allen anderen Neuronen verknüpft ist. Anschließend verglichen sie diese Konnektivitätsmatrix mit ähnlichen Rekonstruktionen von Affen, die eine dem Menschen ähnliche Fovea besitzen, und von Mäusen, denen eine Fovea vollständig fehlt, sowie mit Daten von den äußeren Randbereichen der menschlichen Netzhaut, wo das Sehen deutlich weniger scharf ist.
Der Vergleich brachte etwas Bemerkenswertes zutage: In den meisten Bereichen der menschlichen Netzhaut, und auch bei den anderen untersuchten Arten, läuft die visuelle Information durch viele verschiedene, sich überlappende Schaltkreise. In der menschlichen Fovea hingegen scheint die Evolution alles auf nur drei Hauptbahnen reduziert zu haben.
3 hocheffiziente Kanäle
„Statt vieler paralleler Routen bündelt die Fovea die Information in eine kleine Anzahl hocheffizienter Kanäle – etwas wie eine direkte Schnellstraße statt eines Gewirrs von Nebenstraßen", erklärte Erstautorin Yeon Jin Kim, Research Scientist für Neurobiologie und Biophysik.
Die Forscher vermuten, dass diese optimierte Vernetzung es dem Menschen ermöglicht, die Anforderungen des bewussten, detaillierten Sehens und der davon abhängigen komplexen Verhaltensweisen zu bewältigen, wie zum Beispiel das Lesen einer Buchseite oder die Einschätzung von Entfernungen beim Autofahren. Dies könnte ein entscheidender Faktor sein, der das menschliche Sehen von dem anderer Tierarten unterscheidet.
In der Studie wurden die Synapsen der Photorezeptoren der Fovea kartiert: kurzwellige Zapfen (blau)
sowie lang- und mittelwellige Zapfen (gelb) für Tageslicht; außerdem sind Stäbchen für schwaches Licht (rot) vorhanden.
Eine solche Straffung könnte auch in anderen Strukturen des Gehirns stattgefunden haben und möglicherweise Unterschiede in der menschlichen Kognition erklären, so Kim. „Die Netzhaut ist ein Teil des Gehirns, daher zeigt unsere Analyse möglicherweise charakteristische Merkmale ihrer neuronalen Schaltkreise auf. Diese Karte erlaubt es uns, konkurrierende Vorstellungen darüber zu testen, wie diese Schaltkreise Berechnungen durchführen."
Über seine Bedeutung für das Verständnis des Gehirns hinaus liefert das neue Konnektom einen detaillierten Bauplan der Verschaltung einer gesunden Fovea. Dieser Bauplan könnte sich als wertvolle Ressource für Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erweisen, die an der Therapie von zur Erblindung führenden Erkrankungen arbeiten. Viele dieser Erkrankungen schädigen die Fovea. Die Wiederherstellung des Sehvermögens wird voraussichtlich den Wiederaufbau dieser komplexen Schaltkreise erfordern – oder das Arbeiten um sie herum.
„Die Fovea ist für das menschliche Sehen und die Lebensqualität immens wichtig", sagte Ko-Autorin Christine Curcio. „Das Konnektom ist eine enorme Ressource für die Interpretation der auf Zellebene verfügbaren Informationen in den diagnostischen Geräten, die von Augenärztinnen und Augenärzten verwendet werden."
Das Konnektom ist hier online als Community-Ressource für Forscher verfügbar.
Y.J. Kim,O. Packer,T. Macrina,A. Pollreisz,C.A. Curcio,K. Lee,N. Kemnitz,D. Ih,T. Nguyen,R. Lu,S. Popovych,A. Halageri,J.A. Bae,J. Strout,S. Gerhard,R.G. Smith,P.R. Martin,U. Grünert, & D.M. Dacey, Approaching a connectome of the human foveal retina, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 123 (33) e2603286123, https://doi.org/10.1073/pnas.2603286123 (2026).
Quelle: University of Washington