Entstehung rezeptiver Felder

Entstehung rezeptiver Felder
30.1.2006
http://www.uni-oldenburg.de/sinnesphysiologie/
Vorlesungsprogramm
17.10.05
24.10.05
31.10.05
07.11.05
14.11.05
21.11.05
28.11.05
05.12.05
12.12.05
08.01.06
16.01.06
23.01.06
30.01.06
06.02.06
Motivation
Passive Eigenschaften von Neuronen
Räumliche Struktur von Neuronen
Aktive Eigenschaften von Neuronen
Das Hodgkin-Huxley Modell
Kodierung sensorischer Reize + Modellsimulation
Analysemethoden und Kodierungsprinzipien
Variabilität neuronaler Antworten
Stimulusschätzung und Informationstheorie
Zwei Modelle retinaler Verarbeitung
Synaptische Verschaltung
Künstliche Neuronale Netze
Entstehung rezeptiver Felder
Lernen in natürlichen und künstlichen Netzwerken
Programm für heute
Entstehung rezeptiver Felder in der Retina:
Netzwerkinteraktionen für Bipolarzellen
dendritische Verarbeitung für Ganglienzellen
Entstehung rezeptiver Felder im visuellen
Cortex
durch Netzwerkinteraktionen
durch dendritische Verarbeitung
Grundlegende
Verschaltungsmuster
Divergenz
präsynaptisch
postsynaptisch
präsynaptisch
+
-
+
-
Vorzeichenumkehr
präsynaptisch
+
postsynaptisch
Konvergenz
-
+
postsynaptisch
+- +-
Rekurrenz
Hausaufgabe
Durch welche Verschaltungsmuster können
rezeptive Felder mit Zentrum-Umfeld
Organisation entstehen?
On- und Off-Center
Retinale Ganglienzellen
Niedrigen Feuerrate bei
diffuser Beleuchtung bei Onund Off-Center RGCs
Bei zentraler Lichtreizung wird
die Aktivität von On-Center
RGCS erhöht und von OffCenter RGCs erniedrigt
Bei peripherer Lichtreizung ist
es umgekehrt
Je größer der stimulierte
Bereich, desto stärker die
Abweichung von der Spontanaktivität
Kandel et al., 2000
Einfachste Lösung: Laterale
Inhibition durch Konvergenz
präsynaptisch
postsynaptisch
+++
ON -
Das Problem ist durch ein einschichtiges Netzwerk lösbar
“Mexican hat” Struktur der postsynaptischen rezeptiven
Felder kann durch verschiedene synaptische Gewichte
erreicht werden
Aber: eine postsynaptische Zelle reicht nicht
Laterale Inhibition durch
Konvergenz und Divergenz
Laterale Inhibition durch
eine Kombination aus
Divergenz und Konvergenz
führt zu einer Verstärkung
von Kanten
Für die Population
resultiert eine “Mexican
hat” Struktur
Reichert, 1990
Problem: Sowohl
excitatorische als auch
inhibitorsche Synapsen
nötig
Laterale Inhibition durch
Konvergenz und Divergenz
präsynaptisch
postsynaptisch
+
+
+
- ON --
+- --++
+ OFF
ON- als auch OFF-center Zellen haben die gleichen
präsynaptischen Eingänge
Allerdings müssen die präsynaptischen Zellen auf den
einen Typ erregend und auf den anderen hemmend wirken
Laterale Inhibition durch
Konvergenz und Vorzeichenumkehr
präsynaptisch
+
+
+
+
Interneurone
postsynaptisch
+++
ON -
Die Vorzeichenumkehr kann durch eine Schicht von
Interneuronen geleistet werden
Um On- und Off-Center Zellen zu erhalten, muss jedem
präsynaptischen Neuron ein Interneuron nachgeschaltet
sein, um Signale sowohl mit gleichem als auch mit
umgekehrtem Vorzeichen zu übertragen
Vorzeichenumkehr in der Retina?
Ja, aber ungwöhnlich!
Off-center Bipolarzellen behalten das Vorzeichen der Photorezeptoraktivität bei (ionotrope
Glutatmatrezeptoren)
ON-center Bipolarzellen kehren
das Vorzeichen um (metabotrope
Glutamatrezeptoren)
Divergenz: Jeder Photorezeptor
hat zwei nachgeschaltete Bipolarzellen
Kandel et al., 2000
Konvergenz: Jede Ganglienzelle
hat mehrere vorgeschaltete
Bipolarzellen
Konvergenz und Divergenz
in der Retina?
Ja!
Reichert, 1990
Divergenz:
ein Zapfen => zwei
Bipolarzellen =>
mehrere Amakrinzellen
Konvergenz:
ca 15-50 Stäbchen
=> eine Bipolarzelle
mehrere Bipolarzellen und mehrere
Amakrinzellen =>
eine Ganglienzelle
Konvergenz auf RGCs
Die Größe des rezeptiven
Feldes hängt von der
Lage der Ganglienzelle ab
Die Größe des Dendritenbaums entspricht der
Größe des rezeptiven
Feldes
In der Fovea und der
Peripherie konvergiert
ungefähr die gleiche
Anzahl Bipolarzellen auf
eine Ganglienzelle
Koch, 1999
Sieht so das retinale
Netzwerk aus?
Photorezeptoren
Bipolarzellen
Ganglienzellen
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
OFF ON OFF ON OFF ON OFF ON OFF ON OFF ON OFF ON
OFF
ON
Ja:
So sehen die (vereinfachten) Feed-forward
Verbindungen für Zapfen der Fovea aus
Nein:
Die Quer- und Feedback-verbindungen fehlen!
Querverbindungen in der Retina
Horizontalzellen
Amakrinzellen
Zentrum-Umfeld Organisation
bei Bipolarzellen
Nicht erst Ganglienzellen, sondern schon
Bipolarzellen haben
rezeptive Felder mit
Zentrum und Umfeld
Das Membranpotential
wird je nach Lage
eines Lichtpunkts
graduiert in beide
Richtungen verändert
Möglichkeiten für die Entstehung
rezeptiver Felder von Bipolarzellen
Direkte
Konvergenz
Photorezeptoren
Horizontalzellen
Bipolarzellen
Feedforward
Inhibition
+
+ -+
ON
Nein!
Zumindest in
der Fovea 1:1
Verschaltung
Photorezeptor
-> Bipolarzelle
+
+ -+
ON
Umfeld wird
durch direkten
HorizontalzellInput gebildet
noch unklar!
Feedback
Inhibition
+
- -
+
-
ON
Umfeld entsteht
durch Hemmung
des Photorezeptors durch
Horizontalzellen
gefunden
Horizontalzell-Feedback
Horizontalzellen reagieren mit
Hyperpolarisation, wenn ihre
präsynaptischen Photorezeptoren hyperpolarisieren
Bei manchen Arten ist
Feedback nachgewiesen
Wenn ein Photorezeptor erregt
wird, hyperpolarisiert die
Horizontalzelle und
depolarisiert dadurch die
umliegenden Photorezeptoren
Kandel et al., 2000
Horizontalzell-Feedback
Photorezeptoren hyperpolarisieren umso mehr, je
größer die Intensität eines
kleinen Lichtreizes ist
Bei großen Lichtreizen
erfolgt zunächst eine
identische Antwort
Bei länger andauernder
Reizung mit einem großen
Lichtpunkt depolarisiert der
Photorezeptor aufgrund des
Horizontalzell-Feedbacks
http://webvision.med.utah.edu/
Die Rolle von Horizontalzellen
Horizontalzellen modifizieren die Synapse Photorezeptor ->
Bipolarzelle (und verbinden Stäbchen und Zapfen)
Feedback auf Photorezeptor bei manchen Arten nachgewiesen
Wenig Hinweise auf direkte Synapse Horizontalzelle ->
Bipolarzelle
http://webvision.med.utah.edu/
Die Rolle von Horizontalzellen
Horizontalzellen sind
untereinander elektrisch
gekoppelt
deshalb besitzen sie ein
rezeptives Feld das größer
als der durch die Dendriten
abgedeckte Bereich ist
Die Kopplung ist abhängig
von der Lichtintensität
http://webvision.med.utah.edu/
Horizontalzellen spielen bei
Adaptation eine große Rolle
Amakrinzellen
Es gibt viele verschiedene
Typen von Amakrinzellen
Die Funktion der meisten
Amakrinzellen ist unklar
Amakrinzellen bekommen
Input von Bipolarzellen und
anderen Amakrinzellen
Die meisten Amakrinzellen
wirken inhibitorisch auf
Ganglienzellen und auf
Biplarzellen
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Disinhibition des Zentrums rezeptiver
Felder von RGCs wird diskutiert
Häufig chemische und
elektrische Synapsen
Einfluss von Querverbindungen
Das physiologisch definierte
rezeptive Feld von RGCs
(Änderung der Feuerrate bei
Stimulation eines Bereichs
von Photorezeptoren) ist
größer als das anatomisch
definierte (Bereich von Photorezeptoren, zu dem über
Bipolarzellen Kontakt besteht)
Koch, 1999
Diese Kontexteffekte werden
durch Querverbindungen der
Horizontal- und Amakrinzellen
bewirkt
Die räumliche Struktur von Neuronen
wirkt sich auf ihre Aktivität aus
EPSPs sind umso größer, je feiner
der Ast ist, in dem sie erzeugt
werden (kleinere Kapazität, größerer
Widerstand)
Bei der passiven Weiterleitung wird
das EPSP abgeflacht
Je näher ein EPSP am Soma
ausgelöst wird, desto größer ist
seine Amplitude und desto schneller
ist sein Zeitverlauf am Soma
Stuart et al., 1999
Die räumliche Struktur von Neuronen
wirkt sich auf ihre Aktivität aus
Differenz zu
nur 1. EPSP
Differenz zu
nur 1. EPSP in a)
Dendriten machen den Zeitverlauf
von EPSPs am Soma schneller
EPSPs, die Dendriten passieren,
werden dort gefiltert und dadurch
langsamer. Dadurch erhöht sich die
zeitliche Summation am Soma
Die EPSPs addieren sich
nichtlinear, je näher die Synapsen
zusammen liegen, desto kleiner ist
die Summe
Stuart et al., 1999
Die räumliche Struktur von Neuronen
wirkt sich auf ihre Aktivität aus
Differenz zu EPSPs
ohne Inhibition
Wenn Excitation mit shunting
Inhibition kombininiert wird, ist das
resultierende EPSP verkleinert
Shunting Inhibition wirkt sich auf
diejenigen EPSPs aus, die an oder
distal zur inhibitorischen Synapse
ausgelöst werden
EPSPs von anderen Dendritenästen
sind kaum oder nicht beeinflusst
Stuart et al., 1999
Die räumliche Struktur von Neuronen
wirkt sich auf ihre Aktivität aus
Die Auswirkung der räumlichen
Struktur von Neuronen und der
dadurch bedingten Integration
synpatischer Eingangssignale ist
experimentell kaum analysierbar
Als Methode werden Compartmental
Models verwendet, die die räumliche
Struktur eines Neurons als
Kabelmodell nachbilden
Compartmental Models können um
aktive Prozesse erweitert werden
Stuart et al., 1999
Inhibition durch Amakrinzellen
könnte Integration beeinflussen
Shunting Inhibition durch
Amakrinzellen kann die Wirkung
excitatorischer Eingänge von
Bipolarzellen vermindern
Reduktion der
EPSP Amplitude
Entscheidend für die Stärke des
Effekts sind
die Lage (EPSP distal zu
Inhibition)
die zeitliche Abfolge (ungefähr
zeitgleich)
der synaptischen Eingänge relativ
zueinander
Modellstudie, experimentell unklar
Koch, 1999
Hypothese: And-Not Logik durch
shunting Inhibition
Koch, 1999
Durch die räumliche Anordnung von
excitatorischen und shunting
Inhibition Synapsen lassen sich
Operationen entsprechen der
Boolschen Logik imlementieren
z.B. in A)
e3 AND-NOT (i1 OR i2 OR i3) OR
[e2 AND-NOT (i1 OR i2)] OR
(e1 AND-NOT i1)
und in B)
(e1 AND-NOT i1) OR (e2 AND-NOT i2)
OR {[(e3 AND-NOT i3) OR (e4 ANDNOT i4) OR (e5 AND-NOT i5) OR (e6
AND-NOT i6)] AND-NOT i7}
Retinales Netzwerk für RGCs mit
Zentrum-Umfeld Organisation
http://webvision.med.utah.edu/
Rezeptive Felder von
Bipolarzellen:
Zentrum: direkt von
Photorezeptor
Umfeld: vermittelt durch
Horizontalzelle
Aufteilung in ON- und OFFPathway bei Bipolarzellen
Ganglienzelle integriert
mehrere Bipolarzellen
Die Rolle von Amakrinzellen
ist unklar, sie könnten
nichtlineare Effekte
bewirken
Weiterleitung
visueller Information
Kandel et al., 2000
Retinale Ganglienzellen leiten Information zum LGN (laterales
Geniculatum im Thalamus)
Nur geringe Konvergenz
Rezeptive Felder im LGN entsprechen etwa denen von RGCs
(Zentrum-Umfeld, ähnliche Größe)
LGN leitet Information zum primären visuellen Cortex (VI)
Simple Cells in V1
Im primären visuellen
Cortex (VI) werden
vorwiegend simple cells
direkt durch Projektionen
aus dem LGN erregt
Simple cells haben meist
keine Zentrum-Umfeld
Organisation
Simple cells reagieren
typischerweise am besten
auf längliche Lichtreize
(Kanten) einer bestimmten
Orientierung
Kandel et al., 2000
Simple Cells in V1
Hubel und Wiesel haben
die rezeptiven Felder von
simple cells durch
Konvergenz von Zellen mit
gleicher Zentrum-Umfeld
Organisation erklärt
Heute weiss man, dass ON
und OFF-center Zellen auf
eine simple cell konvergieren
Kandel et al., 2000
Complex Cells in V1
Kandel et al., 2000
Complex cells reagieren ebenfalls auf Kanten einer bestimmten
Orientierung
Wo in ihrem rezeptiven Feld sich diese Kante befindet, ist aber
relativ unerheblich
Es gibt keine Aufteilung des rezeptiven Feldes in erregenden
und hemmenden Bereich
Complex Cells in V1
Kandel et al., 2000
Hubel und Wiesel haben die rezeptiven Felder von complex cells
durch Konvergenz von simple cells mit gleicher bevorzugter
Orientierung erklärt
Vermutlich spielen aber auch lokale Interneurone eine wichtige
Rolle bei der Entstehung der rezeptiven Felder
Grundlegende Zelltypen in V1
Pyramidenzellen:
Eingang und Ausgang
excitatorisch
Interneurone:
lokale Verarbeitung
inhibitorisch
http://webvision.med.utah.edu/
Kontexteinflüsse auf V1 Neurone
Pyramidenzellen in V1 mit
gleicher bevorzugter
Orientierung sind
Kolumnen-übergreifend
gekoppelt
Deshalb werden die
Zellantworten auch durch
die visuelle Umgebung
rund um das rezeptive
Feld beeinflusst
Kandel et al., 2000
Aktive Prozesse in Dendriten
Bei Pyramidenzellen (und anderen
Neurone) gibt es dendritische
spannungsabhängige Kanäle
Dendritische Spikes sind recht
variabel in ihrer Größe und Form
Dendritische Spikes können
somatische auslösen
Durch aktive Prozesse verstärkte
EPSPs können größere Distanzen
überbrücken
Stuart et al, 1999
Zurückpropagierte somatische
Spikes interagieren mit
dendritischen
Aktive Prozesse in Dendriten
Stuart, 1999
Durch aktive Prozesse werden schwache Eingangssignale
unterdrückt und starke verstärkt, die Integration erfolgt also
nichtlinear
Durch starke Nichtlinearität bedingte Schwellen sind die
Grundlage für Boolsche Operationen
Dendritische Verarbeitung
ermöglicht Koinzidenzdetektion
Koch, 1999
Bei der
dendritischen
Integration
synaptischer
Eingangssignale
ist die zeitliche
Abfolge des
Eintreffens
entscheidend
Aktive Prozesse werden
nur bei Koinzidenz von
EPSPs ausgelöst
Rezeptive Felder entstehen durch
dendritische Verarbeitung
Modell: komplexe
Eigenschaften
rezeptiver Felder
(Kontexteffekte,
optische Täuschungen, Aufmerksamkeitseffekte)
durch nichtlineare
dendritische Integration erklärbar
Stuart, 1999
Lokale Verarbeitung
ermöglicht mehrere
Berechnungen
gleichzeitig
Rezeptive Felder im
visuellen System
Zelle
Photorezeptor
Bipolarzelle
Ganglienzelle
LGNProjektionsneurone
simple cell
complex cell
Rezeptives Feld
homogen
Helligkeit
Zentrum-Umfeld,
Kontrast
Zentrum-Umfeld,
Kontrast
Zentrum-Umfeld,
Kontrast
langgestreckt
Kanten
ortsunabhängig
Kanten
teilweise Konvergenz
Horizontalzellvernetzung
Konvergenz
Amakrinzell-Modifikation?
leichte Konvergenz
Feedbackeinflüsse?
Konvergenz
Interneuronen-Einflüsse?
Konvergenz
Interneuronen- und
Feedback Einflüsse?
Zusammenfassung
Rezeptive Felder entstehen durch dendritische Integration
synaptischer Eingangssignale
Lokale, nichtlineare Verrechnung ermöglicht die Bildung
komplexer Strukturen
Auf Netzwerkebene spielt neben Konvergenz und Divergenz
laterale Inhibition eine wichtige Rolle bei der Entstehung
rezeptiver Felder
Hemmung wird häufig durch Feedback-Schleifen vermittelt
Im visuellen System ist die Rolle von Interneuronen und von
dendritischer Integration für die Entstehung rezeptiver Felder
noch weitgehend unklar