Was das Mäuseauge dem Mäusegehirn erzählt

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Pressemitteilung der Universität Tübingen vom 06.01.2016

Tübinger Neurowissenschaftler zeigen, wie die Netzhaut Informationen ans Gehirn sendet: Bilder werden bereits im Auge ausführlicher interpretiert als bislang angenommen

Bilder werden im Auge wesentlich umfassender verarbeitet und interpretiert als bisher bekannt. Tübinger Wissenschaftler haben in einer Studie die Kanäle untersucht, über die Informationen aus dem Auge ins Gehirn geleitet werden. Dabei identifizierten sie zahlreiche neue Zelltypen und stellten zudem fest, dass die Netzhaut über bis zu 40 verschiedene Kanäle ins Gehirn verfügen dürfte – doppelt so viele wie bislang angenommen. Die Ergebnisse werden im renommierten Fachjournal „Nature“ veröffentlicht. DOI: 10.1038/nature16468

„Was das Froschauge dem Froschgehirn erzählt“ überschrieb 1959 der Kognitionswissenschaftler Jerome Lettvin einen bahnbrechenden Aufsatz. Seine Annahme: Das Gesehene wird nicht erst im Gehirn, sondern bereits im Auge verarbeitet. Lettvin konnte zeigen, dass das Auge nicht nur wie eine Kamera Bilder aufnimmt und ungefiltert ins Gehirn weiterleitet. Vielmehr werden bereits im Auge wichtige Informationen gewonnen, beispielsweise im Falle des Frosches: „Dort ist etwas Kleines, Dunkles, vielleicht eine Fliege“. Seine Thesen waren so revolutionär, dass Lettvin zunächst ausgelacht wurde. Mittlerweile aber gilt sein vielzitierter Aufsatz als Meilenstein, die damals gestellten Fragen beschäftigen die Wissenschaft noch heute.

So auch das Tübinger Forscherteam um Professor Thomas Euler und Professor Matthias Bethge vom Werner Reichardt Centrum für Integrative Neurowissenschaften der Universität Tübingen, dem Bernstein Center for Computational Neuroscience und dem Forschungsinstitut für Augenheilkunde des Universitätsklinikums Tübingen: Die Neurowissenschaftler wollten wissen, welche Informationen über die Welt die Retina (Netzhaut) vom Auge ins Gehirn sendet. Dazu untersuchten sie in einer großangelegten Studie über 11.000 einzelne Netzhaut-Zellen in Mäusen. Die bisher größte Studie dieser Art hatte ca. 450 Zellen umfasst.

Durch eine Kombination modernster experimenteller Methoden untersuchten die Forscher sogenannte retinale Ganglienzellen (retinal ganglion cells, RGCs): Sie nutzten Elektroporation, eine Färbetechnik, durch die man ganze Populationen von Nervenzellen unter dem Mikroskop sichtbar machen und dann einzelnen Zellen in Echtzeit „bei der Arbeit“ zusehen kann. Dazu kamen neue Verfahren zur Analyse der großen Datenmengen. Die Wissenschaftler interessierten sich dabei vor allem für die verschiedenen Funktionen der Zellen: Unterschiedliche Ganglienzellen reagieren auf unterschiedliche Eigenschaften der gesehenen Bilder und schicken diese Informationen über getrennte Kanäle ans Gehirn, die jeweils für Kontrast, Farbe, Bewegungsrichtung, die Lage von Kanten und ihrer Orientierung etc. zuständig sind. Aus diesen Informationskanälen baut das Gehirn dann unser Bild von der Welt. Die Wissenschaftler testeten Nervenzellreaktionen auf verschiedene einfache Bilder und bewegte optische Reize.

Das Forscherteam konnte anhand dieser funktionalen Unterscheidung bis zu 40 verschiedene Typen von Ganglienzellen in der Netzhaut zuordnen, die sehr wahrscheinlich ebenso viele Informationskanäle repräsentieren. Bislang war man von maximal 20 Typen ausgegangen. Die Ergebnisse aus dem Mausmodell lassen sich zwar nicht eins zu eins auf den Menschen übertragen – die Retina ist aber bei allen Säugetieren sehr ähnlich aufgebaut.

Die Vielzahl an Informationskanälen weist darauf hin, dass die Netzhaut die aufgenommenen Lichtsignale nicht nur in Nervenzellsignale umwandelt, sondern bereits wichtige Interpretationsarbeit leistet. Mit ihrer grundlegenden Arbeit sind die Tübinger Wissenschaftler dem Verständnis, wie die Interpretation von Bildern im Gehirn erfolgt, einen Schritt näher gekommen. Da viele Erkrankungen, die den Sehsinn einschränken, nur bestimmte Zelltypen in der Retina oder bestimmte Informationskanäle betreffen, können die Erkenntnisse auch dazu beitragen, gezielte Therapien zu entwickeln. Auch die – gerade in Tübingen – seit einigen Jahren voranschreitende Forschung an prothetischer Implantattechnologie (Retina-Implantat), die eines Tages Blinde sehend machen könnte, kann derartige Beobachtungen nutzen. Bisherige Modelle stimulieren die Netzhaut relativ unspezifisch, mit Hilfe der neuen Erkenntnisse könnten künftige Versionen gezielt visuelle Informationen in die passenden Kanäle einspeisen.

Publikation:
Tom Baden, Philipp Berens, Katrin Franke, Miroslav Román Rosón, Matthias Bethge, Thomas Euler: “The Functional Diversity of Retinal Ganglion Cells in the Mouse.” Nature (im Druck). Januar 2016. DOI: 10.1038/nature16468

Externer Link: www.uni-tuebingen.de

technologiewerte.de – MOOCblick Januar 2016

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Spannende Themen, herausragende Dozenten und flexible Lernmöglichkeiten tragen zum wachsenden Erfolg der Massively Open Online Courses (MOOCs) bei – offene, internetgestützte Kurse mit einer Vielzahl an Teilnehmern rund um den Globus.

Folgender Kurs – zu finden auf der MOOC-Plattform edX – sollte einen Blick wert sein:

Becoming an Entrepreneur
Laurie Stach (MIT)
Start: 25.01.2016 / Arbeitsaufwand: 6-18 Stunden

Externer Link: www.edx.org

Werkzeuge für den Trinkwasserschutz

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Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 04.01.2016

An die Qualität des Trinkwassers stellen wir hohe Anforderungen: Würden Krankheitserreger und Giftstoffe ins Leitungsnetz gelangen, könnten sie rasch viele Menschen infizieren und schädigen. Daher muss dieses Risiko gering gehalten werden. Experten haben Technologien für ein umfassendes Monitoring, Frühwarn- und Notfallmanagement-System entwickelt.

Trinkwasser ist für jeden Menschen unverzichtbar. Stadtwerke und Wasserbetriebe müssen die Versorgungsnetze vor Verunreinigungen, aber auch vor möglichen Manipulationen schützen. Täglich entnehmen sie Proben und untersuchen die Qualität des Trinkwassers. Doch die Analyse im Labor ist zeitaufwendig. Für die fortlaufende Überwachung sind Methoden und Tools erforderlich, die vorbeugen, Kontaminationen schnell erkennen und auch unerwartete toxische Substanzen erfassen. Schon wenige Tropfen können verheerende Folgen haben: Giftstoffe, die ins Trinkwasser gelangen, erreichen innerhalb weniger Stunden Millionen Verbraucher. »Um die Bevölkerung zu schützen, muss man die Gefahrenstoffe möglichst schnell entdecken und wissen, wie sie sich ausbreiten«, erklärt Dr. Thomas Bernard, Spezialist für Strömungsmodelle am Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB in Karlsruhe. Im deutsch-französischen Projekt »SMaRT-OnlineWDN« (Online Security Management and Reliability Toolkit for Water Distribution Networks) haben der Wissenschaftler und sein Team gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung Werkzeuge entwickelt, die Wasserversorger in die Lage versetzen, rasch zu reagieren und im Notfall Gegenmaßnahmen zum Schutz der Bevölkerung einzuleiten. Das Vorhaben wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF und der französischen L‘Agence Nationale de la Recherche ANR gefördert. Koordinator waren die Berliner Wasserbetriebe.

Online-Simulation berechnet Weg des Wassers

Ein mathematisches Modell zur Simulation der Hydraulik des Trinkwasserversorgungsnetzes und der Ausbreitung von Qualitätsparametern im Rohrleitungssystem übernimmt gleich mehrere Aufgaben: Auf Basis zahlreicher Simulationen lässt sich ermitteln, wo Sensoren optimalerweise platziert werden, um Verschmutzungen frühzeitig zu erkennen. Darüber hinaus hilft das Online-Simulationsmodell bei einem Alarm, die die Quelle der Verunreinigung einzugrenzen. Hierfür entwickelten die Forscher einen Algorithmus, der die Quelle der Kontamination lokalisiert und ermittelt, wohin sich die Verunreinigung in den nächsten Stunden ausbreiten wird. Doch den Weg des Wassers und somit den Weg der toxischen Stoffe zu berechnen und vorherzusagen, war auch für den Fraunhofer-Experten Bernard eine diffizile Aufgabe: In einem Trinkwassernetz ist die Strömung nicht überall gleich: »Sie ändert sich abhängig vom Druck in den Leitungen, dem Durchmesser und der Geometrie der Rohre sowie der Zahl der Verbraucher. Dort, wo sich das Leitungssystem verzweigt, bilden sich häufig Turbulenzen und chaotische Strömungen.«

Tests im Technologiezentrum Wasser TZW in Dresden, wo ein komplexes Leitungsnetz aus Plexiglas aufgebaut ist, halfen Bernard und seinen französischen Partnern, ein lernfähiges Detektionsmodul zu etablieren. Im Dresdner Zentrum registrieren Sensoren die Bewegung des Wassers. Mit Hilfe der Messwerte konnte der Physiker seine Computersimulationen optimieren. Das Ziel: die Bewegung des Wassers im Leitungssystem ganzer Städte zu berechnen – in Echtzeit. »Nur wenn solche Simulationen präzise und schnell genug sind, helfen sie den Versorgungsunternehmen, im Notfall die richtigen Entscheidungen zu treffen«, so der Leiter der Gruppe.

Alarm nur im Notfall

Eine lernfähige Software berücksichtigt aktuelle Messwerte wie die Trübung, die Temperatur, den Druck, den Chlor- und Sauerstoffgehalt, den pH-Wert und die bakterielle Belastung des Wassers. Werden kritische Werte erreicht, schlägt das System nicht sofort Alarm, sondern sucht zuerst nach möglichen Ursachen: Wurde gerade eine andere Wasserquelle angezapft? Eine Pumpe geöffnet oder heruntergefahren? »Mehr als 90 Prozent aller Anomalien gehen auf veränderte Betriebszustände zurück und sind kein Grund zur Beunruhigung«, erläutert Bernard.

Das neue System ist in Straßburg bereits im Einsatz und überwacht in Echtzeit die Wasserqualität im Netz. Die Datenbasis liefern hydraulische und Wasserqualitätssensoren im Leitungsnetz, die erfassten Daten werden an ein Leitsystem gesendet. Im Notfall lassen sich Gegenmaßnahmen ableiten, wie das Ausspülen von kontaminiertem Wasser oder das Absperren von Teilen des Versorgungsnetzes.

Kontrolle durch Monitoring-Plattform

Künftige Modelle sollen noch mehr können: Im deutsch-französichen Projekt »ResiWater« arbeiten die Forscher vom IOSB an einer besseren IT-Sicherheit von Trinkwassersystemen und an einem verbesserten Alarmgenerierungs-Modul. Künftig soll es neben den Straßburger auch die Pariser Trinkwasserleitungen kontrollieren. Den Fokus legen die Projektpartner darüber hinaus auf eine Monitoring-Plattform, die die unzähligen Sensordaten übersichtlich darstellt, visualisiert, speichert und automatisierte Reports generiert, sodass beispielsweise Schwankungen der Wasserqualität regelmäßig zusammengefasst werden.

Auch die Weiterentwicklung von Sensoren treiben die Partner im Projekt ResiWater voran. Hier bringt etwa das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB sein Know-how ein: Die Stuttgarter Forscher arbeiten seit vielen Jahren an einem Biosensor AquaBioTox aus lebenden Zellen, die fluoreszieren. Bei Kontakt mit toxischen Stoffen verringern die Bakterien die Intensität der Fluoreszenz. Im Projekt ResiWater soll der AquaBioTox-Prototyp vollautomatisiert werden.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Oberflächenphysik: Wie das Wasser tanzen lernt

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Presseaussendung der TU Wien vom 21.12.2015

Wassermoleküle, die im Kreis tanzen – an der TU Wien wurden die komplizierten Vorgänge auf der Oberfläche einer wichtigen Materialsorte entschlüsselt.

Perowskite sind Materialien, die in Batterien, in Brennstoffzellen oder auch in elektronischen Bauteilen verwendet werden, aber auch in der Natur als Mineral vorkommen. Obwohl sie technologisch so wichtig sind, weiß man über das chemische Verhalten ihrer Oberfläche bis heute sehr wenig. Dem Team von Prof. Ulrike Diebold (Institut für Angewandte Physik, TU Wien) gelang es nun allerdings mit Hilfe von Rastertunnelmikroskopen und Computerberechnungen eine alte Frage zu klären: Wie verhalten sich Wassermoleküle, die sich auf den Perowskit-Oberflächen anlagern? Nicht nur die äußersten Atome an der Oberfläche, sondern auch tieferliegende Strukturen spielen dabei eine wichtige Rolle. Die Ergebnisse wurden nun im Fachjournal „Nature Materials“ veröffentlicht.

Perowskit zerlegt Wassermoleküle

„Wir studierten Strontium-Ruthenat, einen ganz typischen Vertreter aus der Materialklasse der Perowskite“, sagt Ulrike Diebold. Es handelt sich um eine Kristallstruktur aus Sauerstoff, Strontium und Ruthenium. Die äußerste Schicht wird (wenn man den Kristall in der richtigen Richtung spaltet) nur von Strontium und Sauerstoff-Atomen gebildet, das Ruthenium befindet sich darunter, eingesperrt in eine Box aus Sauerstoff-Atomen.

Wassermoleküle, die auf diese Oberfläche auftreffen, werden in zwei Teile zerlegt: Eines der der Wasserstoffatome wird dem Molekül entrissen und von einem Sauerstoffatom der Kristalloberfläche festgehalten. Übrig bleibt eine OH-Gruppe, die durch eine sogenannte Wasserstoff-Brückenbindung an das entrissene Wasserstoffatom gebunden bleibt.

Genau diese Bindung ist die Ursache für einen merkwürdigen Effekt: Die OH-Gruppe kann sich nicht frei bewegen. Sie hüpft rund um das Wasserstoffatom herum, von Atom zu Atom, wie ein Tänzer, der mit einem Bein immer am selben Ort bleiben muss und bloß mit dem anderen verschiedene Schritte ausprobiert. „Aufgrund von theoretischen Berechnungen wurde dieser Effekt schon vor einigen Jahren vorhergesagt, wir sind nun die ersten, die das experimentell bestätigen konnten“, sagt Ulrike Diebold. Sie und ihr Team verfügen über langjährige Erfahrung im Abbilden atomarer Prozesse mit Rastertunnelmikroskopen. Wenn man eine bestimmte Region der Kristalloberfläche über längere Zeit immer wieder abbildet, kann man den Tanz der Atome auf der Oberfläche tatsächlich mitfilmen.

Musterbildung: Vom Einzeltänzer über Paarbindung zur Polonaise

Wenn man mehr Wasser auf die Oberfläche aufbringt kann es passieren, dass zwei Tänzer aufeinandertreffen. Dann müssen die OH-Gruppen ihren Tanzschritt ändern: „Die OH-Gruppe kann sich nur dann ungehindert im Kreis bewegen, wenn keiner der unmittelbar benachbarten Plätze besetzt ist“, sagt Florian Mittendorfer, der die Rechnungen gemeinsam mit seinem Dissertanten Wernfried Mayr-Schmölzer durchgeführt hat. Wenn man ein zweites Wassermolekül danebensetzt, hört die Bewegung auf – so als würden einander zwei Tanzpartner treffen und plötzlich eng umschlugen am selben Ort bleiben.

Solche Paare bilden sich allerdings nur an ganz bestimmten Stellen der Oberfläche – und das obwohl die oberste Schicht aus regelmäßig, symmetrisch angeordneten Sauerstoff und Strontium-Atomen besteht und somit alle Stellen gleichwertig sein sollten. Der Grund liegt an der Struktur unmittelbar unterhalb der Oberfläche: hier verbergen sich Oktaeder aus Sauerstoffatomen mit einem Ruthenium-Atom in der Mitte. Diese Oktaeder sind jedoch nicht alle gleich ausgerichtet, sondern ein bisschen zueinander verdreht – abwechselnd im und gegen den Uhrzeigersinn. Dadurch wird die Symmetrie der Oberfläche gebrochen und bestimmte Stellen für die Paarbildung bevorzugt. „Zunächst bilden sich Paare, dann entstehen ganze Ketten, die immer dichter werden, bis fast die ganze Oberfläche bedeckt ist.“ Was als Einzeltanz begann und zu Paarbindung führte endet bei zunehmender Konzentration von Wassermolekülen als große, geordnete Struktur, vergleichbar mit einer Polonaise, bei der viele Tanzpaare wohlgeordnet hintereinander aufgereiht sind.

Allerdings muss auch bei diesem Prozess an irgendeinem Punkt Schluss sein: Wenn alle Plätze besetzt sind, kann kein zusätzlicher Tänzer mehr auf der Tanzfläche untergebracht werden. „Wenn ein Wassermolekül auf eine Stelle trifft, an der ringsherum bereits alle Plätze von dissoziiertem Wasser besetzt sind, dann kann dieses neue Molekül nicht auch noch von der Oberfläche dissoziiert werden“, erklären die Forscher. Das Wassermolekül bleibt dann ganz, es adsorbiert molekular.

Die neuen Methoden, die vom Forschungsteam an der TU Wien entwickelt und angewandt werden, haben die Oberflächenforschung entscheidend verändert. War man früher auf indirekte Messungen angewiesen, kann man heute – mit dem nötigen Know-How – das Verhalten der einzelnen Atome auf der Oberfläche direkt abbilden und beobachten. Für die moderne Materialforschung eröffnet das ganz neue Möglichkeiten, beispielsweise für die Entwicklung und Verbesserung von Katalysatoren. (Florian Aigner)

Originalpaper:
Adsorption of Water at the SrO Surface of Ruthenates, Nature Materials

Externer Link: www.tuwien.ac.at