Sehen aus der Sicht des Neurologen Funktion des visuellen Systems, Wahrnehmung und Erkennen

Visuelles System Das Sehsystem liefert mehr Information an das Gehirn als alle anderen Sinne zusammen Der adäquate Reiz ist ein Band elektromagnetischer Wellen zw 400 und 750 nm Photopigmente der Retina absorbieren Photonen Das neuronale System leitet über getrennte Kanäle Informationen über Form, Farbe, räumliche Tiefe und Bewegung an die Sehrinde Die „Sehbahn“ beinhaltet 4 Neuronen von der Retina bis zum visuellen Cortex (Area 17) Neben dem Teilsystem für bewusste Wahrnehmung gibt es 4 weitere Teilsysteme für bestimmte Reflexe

Visuelles System Retino-genikulo-kortikales System (bewusste Wahrnehmung von visuellen Stimuli) Retino-prätektales System (Regulation der Pupillomotorik und Akkomodation) Retino-tektales System (Koordination von Augen- mit Kopf- und Rumpfbewegungen) Akzessorisches optisches System (Okulomotorik) Retino-hypothalamisches System (Hell/dunkel Informationen an zirkadianes System)

Auge und optischer Apparat Kornea Pupille Linse (Inversion des Bildes) Glaskörper Retina Sehnerv Augenmuskeln

Retina - Augenhintergrund Fundus Gelber Fleck (zentrales Sehen) Austritt des Sehnervs (blinder Fleck) Gesichtsfeld: Temporal 90 Nasal 60 Oben/unten 70 grad

Aufbau der Netzhaut 1. Pigmentepithel 2. Neuroepitheliale Schicht (Stäbchen und Zäpfchen) 3. Äußere Grenzschicht 4.Äußerer Körnerschicht 5. äußere plexiforme Schicht 6.innere Körnerschicht 7. innere plexiforme Schicht 8. Ganglienzellschicht 9. Nervenfaserschicht 10. innere Grenzschicht

Verschaltungen der Netzhaut 1. Neuron Stäbchen (s/w) Zapfen (Farbe) 2. Neuron Bipolare Zellen (IB, FB) zapfenspezifisch) Stäbchenbipolare Zellen (SB) 3. Neuron Ganglienzellen (Gp, Gm) -> N. Opticus Interneurone (H, A)

Photorezeptoren der Retina

Photorezeptoren Zäpfchen (Farbsehen) und Stäbchen (hell/dunkel) 110-125 Mio Stäbchen und 5-7 Mio Zapfen Im gelben Fleck nur Zapfen 3 Photopigmente (Jodopsin) mit Absorptionsmaxima für blau (430 nm), grün (530 nm) und rot (560 nm) Stäbchen haben nur ein Photopigment Rhodopsin (Dämmerungssehen)

Phototransduktion Absorption eines Photons Aktivierung von Rhodopsin, Transducin, Phosphodiesterase  cGMP-Spiegel sinkt Lichtenergie  elektrische Energie Verschluss von Natriumkanälen  Hypopolarisation Elektrisches Signal  chemisches Signal  Freisetzung von Glutamat vermindert Kaskade: Absorption eines Photons bewirkt Verschluss mehrer hundert Na-Kanäle und Umkehr der Depolarisation einer Zelle. Die verminderte Glutamat Freisetzung wird von den Bipolarzellen als Signal erkannt Photorezeptoren sind bei Dunkelheit aktiv und werden durch Licht gehemmt

Kanäle der Retina Von jeder Zapfenzelle nimmt ein ON und ein OFF Kanal seinen Ursprung ON-center Kanal Bipolarzellen reagieren auf Licht mit Depolarisation und erregen die ON-Ganglienzellen OFF-center Kanal Hypopolarisation der OFF-Bipolarzelle führt zu Hemmung der OFF-Ganglienzellen Stäbchenkanal Zwischenneurone zw Bipolarzellen und Ganglienzellen des N Opticus Nur Ganglienzellen haben Aktionspotentiale, alle anderen Zellen arbeiten mit gradierten post-synaptischen Potentialen

HERMANN-GITTER

Physiologie der Rezeptoren

Retinale Ganglienzellen Die Axone der retinalen Ganglienzellen (N Opticus) ziehen zum Thalamus (CGL) M-Zellen: schnell leitend, weit verzweigt Gute Bewegungsdetektion, schlechte Ortsauflösung Phasisches Antwortverhalten auf Reiz P-Zellen: Langsam leitend, gering verzweigt Gute Ortsauflösung, schlechte Bewegungsdetektion Form und Farbanalyse Tonisches Antwortverhalten auf Reiz C-Zellen: Dünne Nervenfaser, große Verzweigung Zieht zu visuellen Reflexzentren

Die Sehbahn Projektion des Gesichtsfeldes auf die Netzhaut Äußeres Gesichtsfeld kreuzt Jeweils eine Hälfte des GF projiziert in eine Sehrinde GF Defekte entsprechend dem Läsionsort

Anatomische Verbindungen

Visuelle Verarbeitung Cortex Reizmuster Abbildung des Reizes im CGL Abbildung des Reizes in verschiedenen Zelltypen der Sehrinde

Topographische Projektion des Gesichtsfeldes auf den Cortex

Repräsentation des Gesichtsfeldes

Bildverarbeitung Konvergenz Divergenz/Rekurrenz 1 Neuron erhält ~1000 –10‘000 Impulse pro ms von ~1000 präsynaptischen Neuronen. 1 (Pyramidal)Neuron projiziert auf ~1000Neuronen im nächst höheren Areal und 10‘000 Neuronen im vorhergehenden Areal.

Visuelle Reflexe I Retino-tektales System Unbewusste Augen- und Kopfbewegungen zur Fixation bewegter Objekte Colliculus superior 7 schichtige Struktur, Verknüpfung von Augenmuskelkernen, Halsmark mit retikulären, somatosensorischen und auditorischen Bahnen Funktion: visueller Greifreflex Visueller Cortex sagt: was ist der Stimulus Colliculus superior sagt: wo ist der Stimulus

visuelle Reflexe II Akzessorisch optisches System Registriert relative Eigenbewegungen zu unbewegtem Gegenstand Retino-hypothalamisches System Verbindung zu zirkadianem System, innerer Uhr (Zeit Oscillator, Tag-Nacht Rhythmus)

Visuelle Wahrnehmung Perzeption durch die Netzhaut Leitung von Information über Farbe Helligkeit Ort Bewegung Verschaltung mit anderen Sinnen Repräsentation in der Sehrinde Interpretation des Bildes Erkennen

Überblick visuelle Wahrnehmung

Informationsverarbeitung

Bewegung und Ort / Form und Farbe

Farbe und Bewegung aktivieren verschiedene Hirnareale

Wahrnehmung von Bewegung

Orientierungsspezifität

Mustererkennung Studie zur Differenzierung von sequenziellen Mustern Erkennung von orientierungs-spezifischen Texturen Untersuchung der aktivierten Hirn-Regionen mittels Hirn-Durchblutungs-Messung

Pattern recognition task Kontrollbedingung: Vier Quadranten mit identen Mustern Randomisierte Sequenz im Verhältnis 1:2 Aufgabe: Identifikation eines Quadranten mit Sequenz in umgekehrtem Verhältnis

HMPAO-SPECT SPECT Aktivierung der primären und sekundären visuellen Rinderfelder und des frontalen Augenfeldes sowie des Thalamus

Befunde bei Blinden MRT zeigt Substanzverluste im Sehnerv 33%, der Sehbahn 17%, aber keine Veränderungen in der Sehrinde

Lesen von Blindenschrift Hoher rCBF inferior und superior occipital unter beiden Bedingungen Hoher rCBF im Kleinhirn Hoher rCBF superior temporal li (Sprachzentrum)

Lesen von Blindenschrift Blinde (Worte) Aktivierung von Sehrinde und frontal Keine Aktivierung in sensomotorischer Rinde Sehende (random dots) Aktivierung in sensomotorischer Rinde Gering in Sehrinde Sehende Lehrer Aktivierung frontal und sensomotorische Rinde Keine Aktivierung der Sehrinde

Taktile Vorstellung bei Blinden 1. taktile Präsentation unterschiedlicher Oberflächen (Stoff, Sand, Metall..) 2. Vorstellung der Oberflächenempfindung Blinde: Aktivierung occipital und parietal ohne Lateralisation Sehende: Aktivierung seitendominant, parietal Sehende Blinde

Erkennen Auge: Thalamus: Sehrinde: Temporallappen: Frontalhirn: Extraktion der Information Thalamus: Verknüpfung der Information mit anderen Sinnen Sehrinde: Primäres Rindenfeld: Helligkeit, Farbe, Orientierung, Bewegung Sekundäres Rindenfeld: Bewusste Lokalisierung, Objektbildung Temporallappen: Gedächtnisinhalte, Gesichtererkennung Frontalhirn: Aufmerksamkeit, zielgerichtete Wahrnehmung, Erwartung

Objekterkennen Psychologische Gestaltgesetze Gesetz der Nähe Räumliche und/oder zeitliche Nachbarschaft Ähnlichkeit / Gleichheit Farbe, Helligkeit, Größe, Orientierung, Form Gesetz der Schließung Vollständige Kontur / Innen-Außen / vorne / hinten Zwang zur Kontur Bildung vertrauter Formen

Objekterkennen

Bewegungswahrnehmung Zeitliche Auflösung 20-25 Bilder pro Sekunde  Verschmelzung Räumlich-zeitlicher Sprung Objekt verschwindet an Punkt A Erscheint nach 30 sek an Punkt B Eindruck einer Bewegung zwischen A und B Zeitwahrnehmung relativ spät entwickelt (Piaget)

Bewegungswahrnehmung Spontane Augenbewegungen  bewegtes Bild auf der Netzhaut Bewegtes Objekt  alle Teile des Objekts bewegen sich  Relativgeschwindigkeit zu anderen Objekten  Bewegungsrichtung  räumliches Sehen nicht erforderlich, auch einäugig möglich

Objektkonstanz als Konstruktion des Gehirns Erfahrung Gedächtnis (semantisch, episodisch) Visuelle Vorstellung (Objekt, Raum) Erwartung Bestätigung Zuordnung von Objekt zu Gedächtnis Visuomotorische Koordination

Wahrnehmungsstörungen Gesichtsfelddefekte Visuelle Agnosie Störung im Erkennen Neglect Wahrnehmungsdefizit bei normalem Sehen Orientierungsstörungen Visuospatiale Störungen

Visuelle Agnosie Apperzeptive Agnosie Assoziative Agnosie Unfähigkeit relevante Strukturmerkmale zu analysieren Störung occipito-temporal (ein oder beidseitig) Störung beim Abzeichnen und Erkennen Assoziative Agnosie Korrektes Abzeichnen aber fehlendes Erkennen von Bildern oder Objekten Semantische Sprachstörung (Benennung) oder Störung für den Gebrauch der Objekte Occipito-temporaler Übergang, vorwiegend linkshirnige Läsionen

Neglect (halbseitige Aufmerksamkeitsstörung) Störung in der Wahrnehmung einer Körperhälfte bzw eines Gesichtsfeldes ohne Störung des Sinnesapparates Läsion meist rechts inferior-temporal oder Thalamus

Visuospatiale Störungen Gekennzeichnet durch Störung visuo-motorischer Fähigkeiten Imponiert als konstruktive Apraxie Unfähigkeit Figuren aus Einzelteilen zusammenzusetzen Störung beim Erkennen maskierter Figuren Erkennen von Figuren unter verschiedenen Blickwinkeln gestört Lokalistion rechts parietal

Gesichtsfelddefekte

Visuelle Agnosie bei Demenz

Test für Tiefenwahrnehmung

Stufen der visuellen Informationsverarbeitung Umsetzung der Helligkeitsunterschiede des Sehbildes in Linien, Balken und Endpunkte Rohe Primärskizze in primärer Sehrinde Extraktion von Konturen und relevanten Details von Objekten nach den Regeln der Objektwahrnehmung Zusammenhänge der einzelnen Merkmale eines Objekts erfordert Analyse der räumlichen Tiefe Gibt Auskunft über die räumliche Form und Ausdehnung eines Objekts Information über Lage des Objekts relativ zum Betrachter (unabhängige Verarbeitung in der sekundären Sehrinde) Bewegungsanalyse (für Objekterkennung nicht relevant)

Stufen der visuellen Informationsverarbeitung Erstellen einer zweieinhalb-dimensionalen Skizze Gliederung des Sehbildes in einzelne Objekte und Hintergrund Unabhängig von Bewegung und räumlicher Beziehung zum Betrachter Zuordnung des Objekts im semantischen Gedächtnis (Benennen des Gegenstandes, wissen, was ist, Erkennen)

Stufen der visuellen Informationsverarbeitung Zwei Systeme visueller Wahrnehmung Von der Bildanalyse zum Objekterkennen geht Information über die räumliche Lage der Objekte verloren um das Erkennen von Objekten unabhängig von ihrer Lage zu ermöglichen. (inferior-occipital, temporal) Störung: Sehen aber nicht Erkennen Analyse des räumlichen Bezugs eines Objekts unabhängig von den Charakteristika des Objekts (superior-parietal) Erforderlich für (rasche) motorische Reaktion Störung der rein visuellen Raumwahrnehmung