Neurobiologische Untersuchungen im Praetectum von ... · In den Vertebratenklassen Mammalia, Aves,...

Neurobiologische Untersuchungen im Praetectum

von Knochenfischen

Dissertation zur Erlangung des Grades

eines Doktors der Naturwissenschaften

der Fakultät für Biologie

der Ruhr- Universität Bochum

angefertigt am

Lehrstuhl für Allgemeine Zoologie und Neurobiologie

vorgelegt von

Matthias Klar

aus

Dortmund

Bochum 2004

Dissertation eingereicht am: 02. Februar 2004

Betreuer: Prof. Dr. K.-P. Hoffmann

(Lehrstuhl Allgemeine Zoologie und Neurobiologie, Fakultät Biologie)

Koreferent: Prof. Dr. W. H. Kirchner

(AG Verhaltensbiologie und Didaktik der Biologie, Fakultät Biologie)

Dekan: Prof. Dr. Dr. H. Hatt

(Lehrstuhl Zellphysiologie, Fakultät Biologie)

Inhaltsverzeichnis I. Elektrophysiologische Einzelzellableitungen im Praetectum

von Salmo gairdneri und Esox lucius

1. Einleitung .................................................................................................. 1

1.1 Das Praetectum als Ort richtungsselektiver Neurone ...................................................1

2. Material und Methoden ........................................................................... 6

2.1 Versuchstiere ................................................................................................................6

2.2 Fischhälterung ..............................................................................................................6

2.3 Anästhesie, Präparation und Fixierung .........................................................................7

2.4 Elektrophysiologischer Versuchsaufbau ......................................................................8

2.4.1 Der Ableitstand .......................................................................................................8

2.4.2 Visuelle Stimulation .............................................................................................10

2.4.3 Stimulussteuerung und elektrophysiologische Datenregistrierung ......................11

2.5 Erstellen des Penetrationsrasters ................................................................................11

2.6 Bestimmung der rezeptiven Felder .............................................................................13

2.7 Datenanalyse und Auswertung ...................................................................................13

2.7.1 Statistische Verfahren ...........................................................................................14

2.7.2 Histologie und Verifizierung des Ableitortes .......................................................14

3. Ergebnisse ................................................................................................16

3.1 Lokalisation richtungsselektiver Neurone im Praetectum von Salmo gairdneri

und Esox lucius ...........................................................................................................16

3.2 Praetectale richtungsselektive Neurone ......................................................................19

3.3 Untersuchungen zum Vorkommen weiterer richtungsselektiver Neurone .................24

3.4 Verteilung der Vorzugsrichtungsverteilung aller abgeleiteter Neurone .....................29

3.5 Entscheidet die Anzahl richtungsselektiver Neurone über eine Symmetrie bzw.

Asymmetrie des monokularen horizontalen Reflexes? ...............................................32

3.6 Populationsantwort .....................................................................................................33

3.7 Weitere Charakterisierungen der prätektalen Neuronen von Salmo gairdneri

und Esox lucius ...........................................................................................................34

3.7.1 Neuronale Aktivität in Abhängigkeit von der Reizgeschwindigkeit.....................34

3.7.2 Analyse der Latenzzeit .........................................................................................36

3.7.3 Größe und Verteilung der rezeptiven Felder richtungsselektiver Neurone...........37

3.8 Rekonstruktion des Ableitortes richtungsselektiver Neurone im Praetectum

von Salmo gairdneri und Esox lucius .........................................................................39

3.8.1 Histologische Lokalisation der praetectalen richtungsselektiven Neurone ..........39

3.8.2 Existiert eine topographische Ordnung? ...............................................................41

4. Diskussion ................................................................................................45 4.1 Auswahl der Versuchstiere und die Wahl der Methode..............................................45

4.2 Elektrophysiologische Ableitungen im Praetectum ...................................................46

4.2.1 Richtungsselektive Neurone .................................................................................47

4.2.2 Fanden die ersten Ableitungen tatsächlich im Praetectum statt? . ........................48

4.3 Richtungspräferenz der richtungsselektiven Neurone ................................................51

4.4 Praetectale richtungsselektive Neurone und optokinetisches Verhalten .....................54

4.5 Geschwindigkeitsverhalten der richtungsselektiven Neurone ....................................56

4.6 Lage der richtungsselektiven Neurone im Praetectum ...............................................57

4.7 Topographische Organisation der Vorzugsrichtungen ...............................................59

II. Verhaltensexperimente zum visuomotorischen System an

Salmo gairdneri 1. Einleitung .................................................................................................60

2. Material und Methoden ..........................................................................63 2.1 Versuchstiere ..............................................................................................................63

2.2 Verhaltensexperimente ...............................................................................................63

2.2.1 Kälte - Immobilisierung und Fixation ..................................................................63

2.2.2 Versuchsaufbau für die Verhaltensexperimente zum optokinetischen

und vestibulo-okulären Reflex .................................................................................64

2.2.3 Reizmodalitäten ....................................................................................................66

2.2.3.1 Vertikaler optokinetischer Reflex ...................................................................66

2.2.3.2 Kompensatorische Augenbewegungen des vestibulo-okulären Reflexes ......66

2.2.3.3 Monokularer, horizontaler optokinetischer Reflex im Läsionsexperiment ....66

2.2.4 Messdatenerfassung, Analyse und Auswertung ...................................................67

2.2.4.1 Vertikaler und horizontaler optokinetischer Reflex .......................................68

2.2.4.2 Vestibulo-okulärer Reflex ..............................................................................68

2.2.5 Statistische Verfahren zur Signifikanzbestimmung .............................................69

2.2.5.1 Vestibulo-okulärer Reflex ..............................................................................69

2.2.5.2 Läsionsexperiment ..........................................................................................70

2.3 Elektrophysiologisches Läsionsexperiment ...............................................................70

2.3.1 Fischanästhesie und Präparation ...........................................................................70

2.3.2 Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung ........................................................71

2.3.3 Bestimmung der neuronalen Richtungscharakteristik ..........................................71

2.3.4 Histologische Lokalisation des Läsionsortes ........................................................71

3. Ergebnisse ................................................................................................72

3.1 Untersuchungen zum vertikalen optokinetischen Reflex an Salmo gairdneri ...........72

3.2 Visueller Einfluss auf die kompensatorischen Augenbewegungen beim

vestibulo- okulären Reflex .........................................................................................76

3.2.1 Der vertikale vestibulo- okuläre Reflex ...............................................................76

3.2.2 Der horizontale vestibulo- okuläre Reflex ............................................................84

3.2.3 Der vertikale und der horizontale vestibulo- okuläre Reflex im Dunklen ...........86

3.3 Optokinetische Augenbewegungen vor und nach Läsion des dorsalen

Praetectums .................................................................................................................89

3.3.1 Elektrophysiologische Läsionsexperiment ...........................................................89

3.3.2 Verhaltensbeobachtung nach Läsion dorsalen Praetectums .................................91

3.3.3 Der monokulare horizontale optokinetische Reflex nach der Läsion ...................91

3.3.4 Analyse der Augenfolgebewegungsereignisse während der

Stimulationsphasen ...............................................................................................94

3.3.4.1 Anzahl der Augenfolgebewegungen ..............................................................94

3.3.4.2 Amplitude der Augenfolgebewegungen .........................................................96

3.3.4.3. Geschwindigkeit der Augenfolgebewegung ..................................................98

3.3.5 Spontane Augenbewegungen .............................................................................100

3.3.7 Histologische Lokalisation des Läsionsortes ......................................................101

4. Diskussion ..............................................................................................104

4.1 Der vertikale optokinetische Reflex bei Salmo gairdneri ........................................104

4.1.2 Gründe für das Ausbleiben des vertikalen optokinetischen Reflexes ................105

4.1.2.1 Anordnung der extraokulären Muskeln ........................................................105

4.1.2.2 Die Wahl des adäquaten visuellen Reizes ....................................................106

4.1.2.3 Anpassung an das Habitat .............................................................................107

4.2 Der visuelle Einfluss auf das vestibulo- okuläre System .........................................108

4.2.1 Der vertikale vestibulo- okuläre Reflex .............................................................108

4.2.2 Der horizontale vestibulo-okuläre Reflex ...........................................................112

4.3.3 Die Kopplung des optokinetischen und vestibulo-okulären Systems ................113

4.3 Auswirkungen einer unilateralen praetectalen Läsion auf den

optokinetischen Reflex .............................................................................................115

4.3.1 Die Voruntersuchung zum mhOKR und das Läsionsexperiment ......................115

4.3.2 Verhaltensbeobachtung nach der praetctalen Läsion .........................................116

4.3.3 Der monokulare horizontale optokinetische Nystagmus nach

der Inaktivierung ................................................................................................117

4.3.4 Welche Anteile des horizontalen optokinetischen Reflexes sind

während der visuellen Stimulation betroffen ......................................................118

4.3.5 Das Model der optokinetischen Projektion für das echte Konochenfische ........119

III. Zusammenfassung ........................................................................121

IV. Literaturverzeichnis ..................................................................... 125

V. Abkürzungen ..................................................................................... 143

I. Elektrophysiologie 1. Einleitung

I. Elektrophysiologische Einzelzellableitungen im

Praetectum von Salmo gairdneri und Esox lucius

1. Einleitung Mit der Entwicklung von Augen, die ein scharfes Abbild der Umwelt auf einer Schicht von

Sehzellen entwerfen, besitzen Tiere ein wichtiges Fernsinnesorgan, das es ihnen erlaubt,

Objekte in ihrer Umgebung zu erkennen. Da die meisten dieser Tier auch die Fähigkeit

entwickelt haben, sich in ihrem Lebensraum oder ihre Augen zu bewegen, entsteht ein

Problem. Das Abbild der Umwelt bewegt sich dabei auf der Sinneszellschicht, es

„verwackelt“. Daher haben diese Tiere Reflexe für die Ausführung kompensatorischer

Augenbewegungen entwickelt, die das retinale Bild stabilisieren. Man nimmt sogar an,

dass bei Vertebraten der Evolutionsdruck für die Ausbildung eines effektiven Augen-

bewegungsapparates in der Notwendigkeit der Blickstabilisierung bestand. Alle

Vertebraten mit Augen haben sechs Augenmuskel, die durch komplexe neuronale

Schaltkreise angesteuert werden. Dieses okulomotorische System wird durch die

Sinnesorgane Auge und Gleichgewichtssystem über Eigenbewegungen des Tieres

informiert und erzeugt die kompensatorische Aktion der Augenmuskeln damit das Bild auf

der Retina stabil bleibt. Der über die visuelle Information gesteuerte Reflex wird

optokinetischer Reflex (OKR), der über vestibuläre Information gesteuerte Reflex wird

vetibulo-okulärer Reflex (VOR) genannt.

1.1 Das Praetectum als Ort richtungsselektiver Neurone In den Vertebratenklassen Mammalia, Aves, Reptilia und Amphibia wurden weitreichende,

neuroanatomische, cytoarchitektonische und elektrophysiologische Untersuchungen zur

genauen Lokalisation und Charakterisierung praetectaler richtungsselektiver Neurone

durchgeführt, die maßgeblich an der langsamen Augenfolgephase des horizontalen

optokinetischen Reflexes (hOKR) beteiligt sind.

Solche Neurone liegen bei Säugern im Nukleus des optischen Traktes (Nucleus tractus

optici, NOT) und bei Aves, Reptilia und Amphibia im Nucleus lentiformis mesencephali

(nLM) (Amphibia: Katte & Hoffmann, 1980; Fite, 1985; Montgomery et al., 1985;

1


Reptilia: Schröder, 1981; Aves: Wylie & Forst, 1990; Mammalia: Collewijn, 1975;

Hoffmann & Schoppmann, 1975). Klassenübergreifend zeigen Neurone innerhalb dieses

Kerngebietes typische Antworteigenschaften.

Die visuelle Information erreicht diese Kerne, abhängig vom Dekussationsgrad der

Sehnerven vorwiegend von der kontralateralen Retina. Die Stärke des ipsilateralen

Eingangs variiert mit der Lage der Augen im Kopf und der retinalen Foveation (Tauber &

Atkin, 1968; Hoffmann, 1985).

Generell wird die Information einer Bildverschiebung im Gesichtsfeld nach links von den

Ganglienzellen der rechten Retina registriert, monosynaptisch zu den Neuronen des linken

NOT bzw. nLM übertragen und dort weiter verarbeitet. Bildverschiebungsneurone des

NOT und nLM sind charakteristischerweise richtungsselektiv.

Große rezeptive Felder werden benötigt, um langsame Augenfolgebewegungen ohne

Abbruch durchzuführen. Bei Detektion kleiner Objekte während der langsamen

Augenfolgephase, die sich in einer von der Hintergrundbewegung entgegengesetzten

Richtung bewegen, könnten zu einem Abbruch des OKRs führen. Damit würde das System

fehlerhaft arbeiten, weil unter natürlichen Bedingungen sicherlich keine konstanten

visuellen Bedingungen vorherrschen.

Ein weiteres, wichtiges Charakteristikum ist die Abhängigkeit der neuronalen Antwort in

diesen Kernen von der Geschwindigkeit des präsentierten visuellen Reizes. Um einer

retinalen Bildverschiebung entgegenzuwirken, muss nicht nur die Richtung der

Reizbewegung detektiert werden, sondern auch deren Geschwindigkeit. Dies wird von den

richtungsselektiven Neuronen über eine Erniedrigung oder Erhöhung der Aktivität erreicht,

die letztendlich zur Ausführung der Augenbewegung mit der richtigen Geschwindigkeit

führt.

Der optokinetische Reflex kann nicht nur in horizontaler Bewegungsrichtung ausgeführt

werden. Visuelle Richtungsinformationen über vertikale Bildverschiebungen werden

primär von Kernen des akzessorischen optischen Systems (AOS) im Mesencephalon

verarbeitet. Bei Säugern sind dies der laterale terminale Nukleus (LTN) und der mediale

terminale Nukleus (MTN).

Bei Aves, Reptilia und Amphibia wurde der „Nucleus of the basal optic root“ (nBOR) im

Mesencephalon als dem LTN und MTN der Mammalia vergleichbares Areal identifiziert.

2


Im nBOR wurden richtungsselektive Neurone gefunden, die neben vertikalen

Bildverschiebungen auch eine horizontale kontraversive Stimulusrichtung kodieren. Der

nBOR enthält also drei Neuronenpopulationen mit unterschiedlichen Vorzugsrichtungen.

Die rezeptiven Feldeigenschaften wie Richtungs- und Geschwindigkeitsselektivität dieser

Neuronenpopulationen gleichen denen des NOT und nLM.

Die Bildverschiebungsneurone des NOT und nLM sind das visuomotorische Bindeglied im

Schaltkreis für den horizontalen OKR (hOKR) und VOR. Anatomisch konnten zwei

Projektionswege im optokinetischen System identifiziert werden.

Die für die langsame Folgephase des hOKR verantwortliche Projektion zieht ipsilateral in

den Hirnstamm zum Nucleus praepositus hypoglossi (NPH) und / oder zum Nucleus

reticularis tegmenti pontis (NRTP) (Maekawa et al., 1981; Cazin et al., 1980, 1982, 1984;

Magnin et al., 1983, 1989; Fuchs et al., 1992; Watanabe et al., 1993; Mustari et al., 1994).

Diese Kerne projizieren ihrerseits zu den kontralateralen Vestibulariskernen. Von den

Vestibulariskernen verläuft der Projektionsweg zu den Augenmuskelkernen, die

schliesslich die entsprechenden äußeren Augenmuskeln innervieren.

Außerdem projizieren Neurone des NOT zur ipsilateralen Oliva inferior (IO); von dort

ziehen Kletterfasern zum Kleinhirn und den cerebellären Kernen. Diese Projektion dient

der Rekalibirierung des vestibulo - okulären Reflexes (Ito et al., 1974; Ito, 1982, 1993).

In ersten Verhaltensuntersuchungen fand Easter (1972) heraus, dass der OKR des

Goldfisches (Carassius auratus) mit dem anderer Vertebraten vergleichbar ist. Mit

anterograden Markierungstechniken identifizierten Finger und Karten (1978) am Goldfisch

zwei praetectale Bereiche. Die Autoren gaben ihnen die Bezeichnung P1 und P2 und sahen

diese als homologe Struktur des AOS der Mammalia, Aves, Reptilia und Amphibia an. In

späteren Arbeiten wurden diese verwirrenden anatomischen Bezeichnungen praetectaler

Areale revidiert. Den Autoren Vanegas und Ito (1983) und Fite (1985) gelang es, sechs

primäre visuelle Kerne im Praetectum von Knochenfischen anatomisch zu identifizieren.

Die Abbildung I. 1.1 zeigt diese praetectalen Kerngebiete an einem schematisierten

Frontalschnitt durch das Gehirn eines Knochenfisches.

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Abb. I. 1.1:

TeO = Tectum

Diese Kern

Nucleus co

lateralis (NG

Spezies aus

Kerne NPT

und Ausprä

nachgewies

Experiment

praetectale

die Area

okulomotor

Kerngebiete

Diese anato

und diente

Homologisi

echten Kn

charakterisi

Funktionell

das neurona

Lokalisation der sechs visuellen praetectalen Kerngebiete eines generalisierten Teleosteers.

opticum, V3 = dritter Vertrikel. Quelle: Fite, 1985.

Retina

TeO

NDL

NPT

NCP

NC

NGL

APT

V3

gebiete sind der Nucleus praetectalis (NPT), Nucleus dorsolateralis (NDL),

mmissurae posterioris (NCP), Nucleus corticalis (NC), Nucleus geniculatus

L) und die Area praetectalis (APT). In Untersuchungen an unterschiedlichen

den Familien Cyprinidea und Percidea konnte das konstante Vorkommen der

, NDL, NCP, APT gezeigt, aber auch eine große Variabilität in Vorkommen

gung der praetectalen Kerngebiete NC und NP zwischen den Fischfamilien

en werden (Vanegas & Ito, 1983; Ito & Murakami, 1984). In weiterführenden

en wurden die Projektionen der sechs praetectalen Kerne untersucht. Zwei

Kerngebiete, der NPT und NCP, projizieren zum Cerebellum. Ein Kerngebiet,

praetectalis (APT) projiziert ebenfalls zum Cerebellum und zu den

ischen Kernen. Aufgrund dieser Projektionswege werden diese drei

(NPT, NCP, APT) anatomisch zum AOS der Teleostei gezählt.

mischen Untersuchungen wurden an verschiedenen Fischspezies durchgeführt

n neben der Lokalisation visueller Areale auch dem Versuch einer

erung zu den anderen Vertebratenklassen. Dies gestaltete sich schwierig, da die

ochenfische (Teleostei) durch sehr hohe Spezialisierung und Divergenz

ert sind.

konnte mit elektrophysiologischen Methoden in der Überordnung Teleostei

le Korrelat zur Generierung der langsamen Folgephase des hOKRs bisher nicht

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nachgewiesen werden. Aus diesem Grund werden in diesem ersten Kapitel folgende

Fragestellungen untersucht:

- Existieren richtungsselektive Neurone im Praetectum von Forelle (Salmo gairdneri)

und Hecht (Esox lucius)?

- Wenn ja, welche weiteren Antworteigenschaften besitzen diese richtungsselektiven

Neurone?

- Können Vergleiche zu Befunden aus den anderen Vertebratenklassen gezogen

werden?

- Wie kann eine funktionelle Beteiligung solcher richtungsselektiver Neurone am

OKR gezeigt werden?

5

I. Elektrophysiologie 2. Material & Methoden

2. Material und Methoden

2.1 Versuchstiere Die elektrophysiologischen Experimente und Verhaltensuntersuchungen in dieser Arbeit

wurden an weiblichen und männlichen Regenbogenforellen (Salmo gairdneri) und Hechten

(Esox lucius) durchgeführt. Die Versuchstiere hatten ein Alter von einem bis zweieinhalb

Jahren und wogen 140 g bis 380 g. Die Regenbogenforellen stammten aus der Fischzucht

Gebr. Viedt, Am Masling 54, 58456 Witten, die Hechte aus der Fischzucht Peschkes,

Beckrather Str. 115, 41119 Mönchengladbach.

Alle Fische waren ohne Krankheitsbefall, agil und zeigten keine auffälligen Defizite in

ihrem Verhalten. Die Versuche wurden von den lokalen Behörden und der Ethikkommission

genehmigt. Ihre Durchführung erfolgte gemäß dem deutschen Tierschutzgesetz und den

europäischen Richtlinien (S6 609 EEC) sowie den NIH Richtlinien zur Durchführung von

Tierversuchen.

Die elektrophysiologischen Untersuchungen wurden an 24 Salmo gairdneri und 8 Esox

lucius durchgeführt.

2.2 Fischhälterung Die Fische wurden in Aquarien mit der Größe 180 cm x 60 cm x 40 cm gehältert. Pro

Hälterungsbecken wurden maximal vier Tiere eingesetzt, um innerartlichen Stress

aufgrund eines Überbesatzes zu vermeiden.

In den Aquarien von Salmo gairdneri wurden größere Steine eingebracht, eine ständige

Wasserströmung erzeugt und für eine zusätzliche Luftzufuhr gesorgt.

Wegen des bekannten Kannibalismus in der Familie Esocidae wurden die Hechte einzeln

gehältert. Jedem Tier stand ein Areal von 45 cm x 60 cm x 40 cm zur Verfügung.

Die Wassertemperatur betrug stets 12°C (+/- 1°C). Die Fische waren auf einen Tag/Nacht

Rhythmus von 12 Stunden eingestellt.

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2.3 Anästhesie, Präparation und Fixierung Die initiale Anästhesie aller Fische, die in den elektrophysiologischen Experimenten

eingesetzt wurden, erfolgte mit MS-222 (3-Aminobenzoid-Acid-Ethyl-Ester-

Methanesulfonate, Sigma). In einem 15 l fassenden Styroporbehälter wurde eine 0,5 %- ige

MS-222 Lösung mit Eiswasser (4°C) angesetzt. Die Versuchstiere befanden sich ca. 15

Minuten lang in diesem Narkosebad, bis eine vollständige Anästhesie eintrat. Als

Kontrolle diente das Ausbleiben der kompensatorischen Augenbewegungen bei Drehung

des Fisches um seine Körperlängsachse, die Reduktion der Kiemenschlagfrequenz und die

Relaxation der gesamten Rumpfmuskulatur.

Im Anschluss wurden die anästhesierten Fische mit Ausnahme von Kopf und

Kiemenregion in feuchtes Zellulosepapier gehüllt, um einer vermehrten Schleimbildung

durch physiologischen Stress während des elektrophysiologischen Experimentes

entgegenzuwirken. Die Fische wurden dann in eine Fixationshalterung eingesetzt. Diese

bestand aus einer Plexiglasgrundplatte (2 cm x 30 cm x 1 cm) mit zwei verschiebbaren

Seitenhalterungen (5 cm x 25 cm), die für jede untersuchte Fischart individuell an die

Rumpfform angepasst war. Sie reichten beidseitig eng anliegend von der Schwanzflosse

bis kurz hinter die Kiemenregion. An der Grundplatte war eine Maulhalterung befestigt, in

der ein Tubus integriert war. Dieser wurde den Fischen in das Maul eingeführt und war an

die Form der Gaumenplatte der untersuchten Fischart angepasst.

Die fixierten Fische wurden dann in ein Präparationsbecken (20 cm x 30 cm x 20 cm)

überführt. Umgehend wurde das eisgekühlte Narkosewasser bis zum dorsalen Rand der

Augen in das Becken eingefüllt, so dass die Kiemen im Wasser waren und der dorsale

Kopfbereich aus dem MS-222 Narkosewasser ragte.

Durch den Tubus wurde den Kiemen sauerstoffangereichertes Narkosewasser zugeführt.

Zur Vermeidung unwillkürlicher Körper- und Augenbewegungen während der Präparation

und des elektrophysiologischen Experiments wurde den Versuchstieren 0,6 ml

Alcuroniumchlorid (Alloferin®, 1 mg/ml, ICN) i. m. appliziert. Die Injektionsorte waren

beidseitig der Körpermittellinie in der rostralen, medialen und caudalen Rumpfregion. Mit

dieser Menge konnte eine anhaltende Immobilisierung über 15 bis 20 Stunden erreicht

werden. Je nach Versuchsdauer (bis zu 40 Stunden) wurde 0,3 ml Alloferin® nachinjiziert.

Vor der Kraniotomie und alle 2 – 3 Stunden während des elektrophysiologischen

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Experiments wurde 0,1 ml Prilocainhydrochlorid–Lösung (Xylonest®, 5 mg/ml, ASTRA)

im Wundbereich verabreicht, um eine zusätzliche Lokalanästhesie zu erreichen.

Die Kraniotomie begann mit der Markierung eines 1 cm x 1 cm Hautbereichs im dorsalen

Kopfbereich oberhalb der linken Gehirnhemisphäre. In diesem Bereich wurde die Haut und

das darrunterliegende Muskelgewebe entfernt und mit Hilfe eines Zahnarztbohrers

(Chiyoda, Etelna) der Schädelknochen im Bereich des darunter befindlichen Tectum

opticum (TeO) abgetragen. Anschließend konnte die Dura mater und das Fettgewebe,

welches das Gehirn umgibt, im dorsalen Bereich entfernt werden, so dass der rostrale

Bereich des linken und Teilbereiche des rechten Tectum opticum frei zugänglich vorlag.

Mit einem Plexiglasstab (∅ = 0,5 cm, Länge 3 cm), der von der linken Seite horizontal auf

dem Nasale mit Sekundenkleber befestigt wurde, wurde der Kopf des Versuchstieres

fixiert. Anschließend wurde das präparierte Versuchstier in der Fixationshalterung in den

Ableitstand in der Plexiglashalbkugel überführt.

2.4 Elektrophysiologischer Versuchsaufbau Die Beschreibung des elektrophysiologischen experimentellen Versuchsaufbaus wird in

drei Bereiche gegliedert:

- Ableitstand

- visuelle Stimulation

- Stimulussteuerung und Datenregistrierung

2.4.1 Der Ableitstand Die in der Fischhalterung fixierten Versuchstiere wurden über einen Halter, der mit dem

Rahmengestell der Plexiglashalbkugel verbunden war, mit dem rechten Auge zentriert in

die Plexiglashalbkugel eingesetzt. Dieser Verbund, das Versuchstier in der

Fixationshalterung und die Ableithalterung, an der sich in drei Raumachsen (X, Y, Z)

angeordnete Mikromanipulatoren (Mikochima) und ein Mikrofeinvortrieb (Burleigh, PZ

550) befanden, wurde genau um 45° in der Körperlängsachse des Fisches nach rechts

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geneigt. Dadurch befand sich die rechte Kopfhälfte im und die linke Kopfhälfte außerhalb

des Wassers. Der Abstand des rechten Auges zur opaken (undurchsichtigen) Oberfläche

der Plexiglashalbkugel betrug allseits 20 cm. Mit dieser Anordnung war es möglich, die

elektrophysiologischen Ableitungen in der linken Gehirnhemisphäre durchzuführen und

einen möglichst großen Bereich des rechten Gesichtsfelds homogen mit einem

Zufallspunktemuster, das mit einem Planetarium auf die Innenseite der Plexiglashalbkugel

projiziert wurde, visuell zu stimulieren. (Abb. I. 2.1).

10 cm

20 cm

10 cmcwccw

0°

90°

270°315°

135° 45°

225°

180° nasal

nasal-unten

nasal-obenoben

unten

temporal

temporal-unten

temporal-oben

CCW CWPause Pause

2 s 3 s 2 s 3 s

Verlauf der visuellen Stimulation

A B

Wasserlinie

Grundplatte der Fixationshalterung

Beatmungstubus

Nasenhalterung zur Kopffixierung

Ableitelektrode

Abb. I. 2.1: In der Teilabbildung A ist eine schematische Darstellung des elektrophysiologischen

Ableitstandes mit der Position des Fisches in der Plexiglashalbkugel, der Position des Planetariums und

dessen Drehrichtung (cw im Uhrzeigersinn, ccw gegen den Uhrzeigersinn) sowie die Rotationsachse, aus der

sich die acht Stimulationsrichtungen ergeben, gezeigt. Die Teilabbildung B zeigt eine Frontalansicht des

Versuchtieres in der Fixationshalterung im Plexiglasbecken.

Die Wasserstandregulierung in der Plexiglashalbkugel erfolgte durch den Wasserabfluss

aus der Plexiglashalbkugel und Weiterleitung zu einem Kryostaten. Das Gerät regelte die

Wassertemperatur auf konstante 12°C. Das Wasser wurde mittels Druckluft mit Sauerstoff

angereichert. Die abgeflossene Wassermenge wurde wieder aufbereitet und den

Versuchstieren über den im Maul befindlichen Tubus erneut zugeleitet (Salmo gairdneri =

300 ml/min, Esox lucius = 185 ml/min).

Die mit glasisolierten Wolfrahmdrahtelektroden (Impedanz 2,5 bis 3,5 MΩ, Eigenbau des

Instituts für Allg. Zoologie und Neurobiologie, Herr H. Korbmacher) registrierten

neuronalen Signale wurden über einen Vorverstärker (200 bis 400 - fache Verstärkung)

digitalisiert mit einem Glasfaserkabel zu einem Ableitendverstärker (2000 - fache Ver-

stärkung) weitergeleitet. Vor der Endverstärkung wurde das digitale Signal in ein analoges

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Signal zurückgewandelt (beide Geräte sind Eigenbau des Institut für Allg. Zoologie und

Neurobiologie). Das Ausgangssignal des Verstärkers wurde zu einem Oszillographen mit

integriertem Differenzverstärker und Filtereinheit (Tektronix, 5103N) und zu einem

Window - Diskriminator (W-P Instruments Inc., Model 120) weitergleitet. Der

Oszillograph stellte die abgeleitete neuronale Aktivität und die Schwellwert-Einstellung

des Window - Diskriminators zur Detektion der Aktionspotentiale (Spikes) der

Einzelzellableitungen dar. Das diskriminierte TTL – Signal wurde zu einem Flip/Flop (1

ms Auflösungsvermögen) Interface geleitet, das mit dem Computer zur Datenaufnahme

verbunden war. Zusätzlich wurden die gefilterten Ableitsignale der Elektrode und die

detektierten Spikes der Einzelzellableitung getrennt über Aktivlautsprecher (BOEKER,

25W) hörbar gemacht.

2.4.2 Visuelle Stimulation Die visuelle Großfeldstimulation erfolgte mit einem Planetarium. Mit einer Lichtquelle

innerhalb einer hohlen, zufällig durchlöcherten Metallkugel konnte ein

Zufallspunktemuster durch das Wasser auf die Innenseite der opaken Plexiglashalbkugel

projiziert werden. Der Abstand zwischen dem Kopf der Tiere und dem Planetarium betrug

10 cm. Die projizierten Lichtpunkte hatten auf der Oberfläche der Plexiglashalbkugel einen

Durchmesser von 1 cm. Über eine Ansteuerungseinheit konnte das Planetarium im und

gegen den Uhrzeigersinn gedreht werden. Zusätzlich konnte es vier unterschiedliche

Rotationspositionen einnehmen. Daraus ergaben sich acht visuelle Stimulusrichtungen, in

denen das rechte Auge des Versuchstiers zur Bestimmung der Richtungsempfindlichkeit

(Tuning-Kurven) stimuliert wurde: temporal ↔ nasal (180°↔0°), oben ↔ unten

(90°↔270°), nasal - oben ↔ temporal - unten (45°↔225°) und temporal - oben ↔ nasal -

unten (135°↔315°).

Eine einzelne Stimulationsphase (10 Sekunden) bestand aus: 2 Sekunden stationäres

Zufallspunktemuster, 3 Sekunden Bewegungsrichtung im Uhrzeigersinn, 2 Sekunden

stationäres Zufallspunktemuster und 3 Sekunden Bewegungsrichtung gegen den

Uhrzeigersinn (siehe Abb. I. 2.1). Dieses wurde zehn Mal pro Rotationsposition

(Stimulusrichtung) wiederholt. Die Stimulusgeschwindigkeit betrug konstant 10°/s.

10


Zur Untersuchung des geschwindigkeitsabhängigen Verhaltens der richtungsselektiven

Neurone wurde die Reizgeschwindigkeit von 0°/s bis 80°/s in jeweils 10°/s Schritten

variiert. Die Stimulationsdauer betrug acht Sekunden. Die Stimulusrichtung entsprach der

Vorzugsrichtung des jeweiligen Neurons.

2.4.3 Stimulussteuerung und elektrophysiologische Datenregistrierung Die zentrale Kontrolle der Ansteuerungseinheit des Planetariums zur visuellen Stimulation

und die Datenregistrierung der neuronalen Aktivität wurden von einem Computer (MW-

SOFT, Celeron 330 MHz) mit einer Multi I/O Karte (Computerboard, PIO 24-DAS 16,

Plug - In) geleistet. Für die elektrophysiologischen Untersuchungen wurde eine neue

Aufnahme- Software CORTEX (NIH, Version 5.3) etabliert.

Über programmierte Steuerungsfiles in CORTEX wurde zufallsgeneriert nacheinander eine

der vier Rotationspositionen des Planetariums mit Hilfe von Infrarot-Lichtschranken

angefahren. Zu jeder Rotationsposition erfolgte die visuelle Stimulation mit gleichzeitiger

Registrierung der vom Flip/Flop-Interface bereitgestellten TTL-Spikeaktivität in CORTEX

- Datenfiles. Gleichzeitig wurden Triggerdaten zu Beginn und Ende der Registrierung und

vom Anfang bis zum Ende der stationären Phasen, sowie der Stimulationsphasen in das

Datenfile zur späteren Analyse mit aufgenommen.

Das System bot eine Online-Darstellung des Stimulusverlaufs auf dem Computermonitor

(EIZO, 570A) und die zeitgleiche Darstellung der Spikeaktivität in Form von Rasterplots

und PSTH.

2.5 Erstellen des Penetrationsrasters Um eine möglichst hohe Erfolgsrate in der Lokalisation praetectaler richtungsselektiver

Neurone zu erzielen, wurden zwei Methoden kombiniert.

Mit Hilfe der drei Mikromanipulatoren (X-, Y-, Z-Achse) konnte mit der Ableitelektrode

ein Penetrationsraster in 200 µm Schritten im rostralen Bereich des linken Tectum opticum

11


(TeO) abgefahren werden, um elektrophysiologische Ableitungen im ventral unterhalb des

TeO gelegenen Praetectum durchzuführen.

Als Ursprungskoordinate mit der Position anterior / posterior = 0/0 µm diente der rostrale

Pol des Tectum opticum. Die medio - laterale Position = 0/0 µm war der Torus

longitudinalis, der sich zwischen den beiden Tectum opticum Hälften befindet (Abb. I.

2.2).

TeO

posterior

m/l = 0

lateral a/p > 0

TeO

a/p = 0

m/l > 0 anterior

Abb. I. 2.2: Schematische Darstellung des verwendeten Penetrationsrasters. Dorsalansicht des linken

Tectum opticum (TeO). Abkürzungen: m/l = medial / lateral; a/p = anterior / posterior.

Zusätzlich wurden an jedem Penetrationsort die rezeptiven Feldgrenzen visuell erregbarer

Neuronen des retinotop organisierten TeOs auf der Außenseite der Plexiglashalbkugel

markiert.

In Vorexperimenten wurde festgestellt, dass die Gehirne der untersuchten Fischarten eine

gleichbleibende Größe aufwiesen, so dass sowohl die Koordinaten der

Mikromanipulatoren, als auch die Lage der tectalen rezeptiven Felder zu einer genauen

Lokalisation des praetectalen Areals beitrugen.

12


2.6 Bestimmung der rezeptiven Felder Die Bestimmung der Grenzen der visuellen rezeptiven Felder wurde mit einem variablen

weißen Lichtpunkt (1° - 25° Sehwinkel) aus einer Handlampe durchgeführt. Änderungen

der Spikeaktivität, die durch wechselnde Lichtintensitäten an den Grenzen der rezeptiven

Felder ausgelöst wurden, wurden am linken und rechten Azimut sowie an der oberen und

unteren Elevation mit einem Filzstift (Edding 3000) an der Außenseite der

Plexiglashalbkugel markiert. Nach Beendigung des Experiments wurden mit Hilfe eines

Laserpointer unterstützten Winkelmessers, dessen Rotationsachse sich exakt an der

Position des rechten, stimulierten Auges befand, die zuvor markierten Feldgrenzen

ausgemessen und protokolliert. Die kartesische Darstellung der Verteilung rezeptiver

Felder im rechten Gesichtsfeld der Versuchstiere wurde mit Sigma Plot© (SPSS Inc.,

Version 6.0) durchgeführt.

2.7 Datenanalyse und Auswertung Die CORTEX - Datenfiles wurden mit programmierten MATLAB (The MathWorks, inc;

Version 5.3.1 (R11.1)) Funktionen quantitativ analysiert.

Die Darstellung der Rasterplots und PSTHs (Peri – Stimulus – Time - Histogram) in 40 ms

bin - Breite erfolgte exakt mit den Triggersignalen zu den Stimulusphasen Anfang-Ende

der Aufzeichnung, Dauer der stationären Phase und Dauer der Bewegungsphasen.

Als Grundlage zur Bestimmung von Richtungsempfindlichkeitskurven (Tuning - Kurven)

richtungsselektiver Zellen wurde die mittlere Spikerate in jeder der acht untersuchten

Stimulusrichtungen über zehn Trials ermittelt. Die Berechnung der Richtungsvektoren

erfolgte durch Vektoraddition mit Hilfe der trigonometrischen Funktionen und der

mittleren Spikerate zur jeweiligen Stimulationsrichtung.

13


2.7.1 Statistische Verfahren Die Berechnung der statistisch signifikanten Vorzugsrichtung richtungsselektiver

Nervenzellen wurde mit Hilfe der zirkulären Statistik durchgeführt. Dieses Verfahren

beruht auf der Umrechung der mittleren Spikerate pro Stimulationsphase (3000 ms) in die

Frequenz in einer der Stimulusrichtungen (Angabe in Winkelgrad). Diese Umrechnung

wurde für alle acht Stimulusrichtungen und pro Stimulationsphase durchgeführt.

Anschließend wurden die Frequenzdaten zu den entsprechenden Winkeln gruppiert. Durch

Bildung eines Vertrauensintervall zu p = 95 % wurden die Daten mit dem t-Test auf

Signifikanz überprüft. Die abschließende Überprüfung der als signifikant ermittelten Daten

auf ihre Vorzugsrichtung basiert auf dem zirkulären statistischen Verfahren von Rayleigh

Moore (Batschelet, 1981).

Die Verteilungsbestimmung auf signifikante Unterschiede in der Anzahl von

richtungsselektiven Neuronen, die eine horizontale-vertikale bzw. horizontal nach nasal

oder nach temporal verlaufende Stimulusrichtung kodieren, wurde mit dem nicht -

parametrischen χ2-Tests durchgeführt. Das statistische Verfahren beruht auf dem Vergleich

zweier Häufigkeitsverteilungen.

Die Latenzzeitanalyse erfolgte, indem 500 ms vor dem Einsetzen des Bewegungsreizes in

der Vorzugsrichtung die Standardabweichung der mittleren Spontanaktivitätsrate in 10 ms

bin-Breite berechnet wurde. Zum Zeitpunkt der Aktivierung musste die reizgetriebene

Aktivität um die dreifache Standardabweichung über der Spontanaktivitätsrate liegen, um

einen signifikanten Wert (t-Test) zu erreichen, der den Zeitpunkt der Aktivierung

bestimmt.

2.7.2 Histologie und Rekonstruktion des Ableitortes Am Ende der elektrophysiologischen Untersuchungen wurden die Fische mit einer

Überdosis MS-222 (2,5%) eingeschläfert. Anschließend wurden die Tiere mit einer 0,9% -

igen NaCl-Lösung (300 ml), gefolgt von einer 4% -igen Paraformaldehyd - Phosphatpuffer

(0,1 M, pH 7,4) - Lösung mit 20% Sucrose (250 ml) transcardial perfundiert.

Das Gehirn der Fische wurde aus der Schädelkapsel herauspräpariert und die Dura mater

entfernt. Das isolierte Gehirn wurde dann für 24 Stunden in derselben Fixierlösung

14


belassen. Danach folgte für 12 Stunden ein Gefrierschutz der Gehirne in einer 30 % - igen

Sucrose - Phosphatpuffer (0,1 M, pH 7,4) Lösung.

Die Gehirne wurden in Einbettkammern in Hühnereiweiß-Gelatine-Medium eingebettet,

über Nacht nachfixiert (10 % Paraformaldehyd in Phosphatpuffer mit 30 % Sucrose) und

anschließend in Isopentan bei –70°C schockgefroren. Mit einem Gefriermikrotom (Microm

HM 500 OM) wurden 50 µm dicke Frontalschnitte von rostral nach caudal angefertigt. Die

Schnittserien wurden auf gelatinierte Objektträger aufgezogen und für mehrere Tage in

einen Trockenschrank aufbewahrt. Anschließend erfolgte das Färben der Schnittserien

nach Klüver - Barrea und / oder Nissl und das Eindeckeln mit Depex.

Die Bestimmung der Läsionsorte erfolgte mit dem Lichtmikroskop (Zeiss, Axioskop FS).

Ausgehend von dem ersten Schnitt der Serie, auf dem zweifelsfrei der rostrale Pol des TeO

zu erkennen war, wurden die Schnitte bis zum Läsionsort gezählt. Daraus ergab sich die

Distanz vom rostralen Pol des TeOs zum Läsionsort. Schrumpfungsfaktoren aufgrund der

verwendeten Fixierlösungen wurden nicht berücksichtigt.

15

I. Elektrophysiologie 3. Ergebnisse

3. Ergebnisse

3.1 Lokalisation richtungsselektiver Neurone im Praetectum

von Salmo gairdneri und Esox lucius Nach der Vorgabe des gewählten Penetrationsrasters (Abb. I. 3.1 und I. 2.5) wurden

systematisch elektrophysiologische Ableitungen im Bereich des linken Praetectums von

Salmo gairdneri und Esox lucius durchgeführt. Dabei stand neuronale

Richtungsselektivität im Praetectum, ausgelöst durch die visuelle Stimulation des rechten

Auges mit dem aus dem Planetarium generierten, großflächigen Zufallspunktemuster, als

Suchkriterium im Vordergrund.

Zum Auffinden der richtungsselektiven Neurone wurde ein in seinem Durchmesser

variabler, weißer Lichtpunkt aus einer Handlampe auf die opake Oberfläche der

Plexiglashalbkugel projiziert und damit das rechte Gesichtsfeld kontinuierlich in allen

Raumrichtungen stimuliert und abgesucht.

Nach der Lokalisation visueller Aktivität wurden folgende Charakterisierungen

durchgeführt:

- Lage und Größenbestimmung der rezeptiven Felder mit dem Lichtpunkt aus der

Handlampe.

- ON, OFF, ON/OFF Eigenschaften: getestet durch wechselnde Lichtintensitäten mit der

Handlampe bzw. Raumhelligkeit innerhalb des rezeptiven Felds.

- Richtungsselektivität: getestet durch das sich in acht Stimulusrichtungen bewegende

großflächige Zufallspunktemuster des Planetariums.

In der Abbildung I. 3.1 ist in dorsaler Ansicht das Penetrationsraster mit der Lage des

Tectum opticum (TeO) von Salmo gairdneri schematisch dargestellt. Die Ableitungen

fanden in der linken Gehirnhemisphäre statt und wurden von dorsal nach ventral durch das

TeO und das darunter befindliche gesamte Praetectum durchgeführt. Die

Farbmarkierungen zeigen die Rasterpositionen mit visueller neuronaler Aktivität. Die

unterschiedlichen Farben kodieren die abgeleiteten Antworteigenschaften.

16


anterior

Abb. I.

verwen

Neuron

nur auf

Unter

visuel

abgele

Die n

Zellei

Tabelle

charakt

grosses

Versu

Salmo

Esox

Die r

unters

Felddu

a/p (µm) = 0

0 = m

/l (µm

)

posterior

TeO TeO

400

800

120016002000

lateral

400

800

120020

0016

00

richtungsselektiv

ON oder OFF

kleiner Lichtpunkt

grosser Lichtpunkt

3.1: Schematische Darstellung des TeO von Salmo gairdneri in dorsaler Ansicht mit dem

deten Penetrationsraster. Die Farbmarkierungen im Raster geben die Charakteristika abgeleiteter

en an. Blau = ON oder OFF-Neurone, rot = richtungsselektive Neurone, grün = großes RF, reagiert

einzelnen kleinen Lichtpunkt, gelb = reagiert auf großen Lichtpunkt.

diesen experimentellen Bedingungen konnten im linken Praetectum insgesamt 184

l erregbare Zellen bei 24 Salmo gairdneri und 82 Neurone bei 8 Esox lucius

itet und analysiert werden.

achfolgende Tabelle 1 zeigt eine qualitative Klassifizierung charakteristischer

genschaften der abgeleiteten Neurone.

1: Klassifizierung abgeleiteter Neurone von Salmo gairdneri und Esox lucius nach ihren

eristischen Eigenschaften. n = Anzahl abgeleiteter Neurone, OFF = OFF-Zelle, ON = ON-Zelle, KL =

RF kleiner Lichtpunkt, GL = grosses RF grosser Lichtpunkt, RS = richtungsselektiv.

chstiere n diffus OFF ON KL GL RS

gairdneri 184 16 25 42 15 14 72

lucius 82 12 5 4 8 4 57

ezeptiven Felder der abgeleiteten praetectalen Neurone befanden sich an

chiedlichen Positionen des rechten Gesichtsfeldes. Ihr mittlerer rezeptiver

rchmesser betrug mindestens 35°. Aus diesem Grund konnten die rezeptiven Felder

17


der praetectalen Neurone eindeutig von denen der visuellen Neurone im TeO mit RF

Größen von 2° bis 15° unterschieden werden. Außerdem waren sie anhand der Ableittiefe

eindeutig von visuellen Neuronen des TeO, das eine Schichtdicke von ca. 530 µm aufwies,

zu trennen. Auch sind letztere eindeutig retinotop organisiert.

Als diffus visuell wurden Zellen charakterisiert, die auf Veränderung der Lichtintensität im

Raum reagierten, aber keine eindeutig bestimmbaren rezeptiven Feldgrenzen besaßen und

auch nicht auf Bewegung des Zufallspunktemusters oder auf Bewegung von kleinen und

großen Lichtpunkten aus der Handlampe mit Aktivitätsveränderung reagierten.

Mit einer OFF Eigenschaft konnten 25 Neurone bei Salmo gairdneri und 5 bei Esox lucius

abgeleitet werden. Diese Neurone zeigten ihre höchsten tonischen oder auch phasisch /

tonischen Entladungsraten bei völliger Abdunkelung des Raumes.

Die Anzahl von Neuronen mit einer ON Eigenschaft betrug bei Salmo gairdneri 42 und bei

Esox lucius 4. Ihre maximale tonische oder phasisch/tonische Reaktion erfolgte bei

Belichtung des RFs oder der Plexiglashalbkugel.

Visuelle Neurone mit einem RF, das annähernd dem gesamten rechten Gesichtsfeld

entsprach, und die nur auf einen kleinen (ca. 1° Sehwinkel) bewegten Lichtpunkt mit und

ohne Präsentation des Zufallspunktemuster reagierten, waren etwas seltener (Salmo

gairdneri: n = 14, Esox lucius: n = 8 ).

Außerdem konnten Zellen mit einem großen RF abgeleitet werden, die nur auf

einen großen Lichtpunkt (ca. 5° Sehwinkel) reagierten (Salmo gairdneri: n = 14,

Esox lucius: n = 4).

Die Anzahl dieser klassifizierten Neurone entspricht nicht der tatsächlichen

Ableithäufigkeit. Genauere Angaben sind nicht möglich, da im Verlauf der

elektrophysiologischen Untersuchungen solche Zellen nicht weiter konsequent untersucht

wurden. Die Begründung dafür ist, dass diese Neurone typischerweise im Laufe der

Versuche wiederholt bei verschiedenen Tieren an den gleichen Positionen abgeleitet

wurden und deshalb als Leitstrukturen zum Auffinden des praetectalen Areals mit

richtungsselektiven Neuronen (RS) dienten.

18


3.2 Praetectale richtungsselektive Neurone An einer mittleren Elektrodenposition 800 µm posterior vom rostralen Pol des linken TeO

und 1000 µm lateral des Torus longitudinalis konnten in einer Ableittiefe von 1960 µm

richtungsselektive Neuronen im Praetectum von Salmo gairdneri abgeleitet werden. In

nachfolgenden Ableitungen wurde das Penetrationsraster in diesem Bereich auf 100 µm -

Abstände verkleinert. An einem an o.a. Position abgeleiteten Beispielneuron von Salmo

gairdneri, das eine ON Charakteristik aufwies und auf die Bewegung des

Zufallspunktemuster mit einer Veränderung der Entladungsraten reagierte, soll die

eindeutige Richtungsselektivität gezeigt werden.

In der Abbildung I. 3.2 ist die Aktivität dieses Neurons bei visueller Stimulation mit der

Handlampe dargestellt. Die Zelle reagierte bei Beleuchtung des rezeptiven Feldes (RF) mit

einer kurzen Erhöhung der Entladungsrate (phasisch). Unterbrechung des Lichtstrahls

führte zu keiner Veränderung der Spikerate. Damit konnte dieses Neuron als ON Zelle

charakterisiert werden.

Abb. I. 3.2: B

Nachweis erf

zeigen den Ze

Lichtstrahls an

Im Anschlu

Planetarium

In der Abbi

PSTH mit e

eispiel eines praetectalen Neurons von Salmo gairdneri mit einer ON Charakteristik. Der

olgte durch einen Lichtpunkt aus der Handlampe im rezeptiven Feld. Die schwarzen Pfeile

itpunkt an, an dem das Licht eingeschaltet wurde, der graue Pfeile gibt das Abdunkeln des

.

ss wurde dieses Neuron mit dem großflächigen Zufallspunktemuster des

s in horizontaler Bewegungsrichtung untersucht.

ldung I. 3.3 sind die registrierten Spikeraten dieses Neurons als Rasterplot und

iner Binbreite von 40 ms dargestellt.

19


Fo4c1_1.1

Abb. I. 3.3: Rasterplot und PSTH (Spikerate [Hz] in Abhängigkeit der Stimulationsdauer [ms]) eines

richtungsspezifischen Neurons von Salmo gairdneri. Von 0 ms bis 2000 ms stationäres Reizmuster, 2000 ms

bis 5000 ms temporo - nasale Stimulusrichtung, 5000 ms bis 7000 ms stationäres Reizmuster, 7000 ms bis

10000 ms naso - temporale Stimulusrichtung. Die Binbreite des PSTHs betrug 40 ms.

Während der stationären Stimulusphase (0 - 2000 ms) konnte eine geringe Spontan-

aktivitätsrate von 1,4 Hz registriert werden. Mit Einsetzen des Bewegungsreizes in

temporo-nasaler Richtung (ipsiversiv zum Ableitort) reagierte dieses Neuron mit einer

tonischen Aktivierung von ca. 75,8 Hz (2000 - 5000 ms). Es folgte eine zweite stationäre

Stimulusphase (5000 - 7000 ms) mit einer wiederum geringen Spontanaktivitätsrate von

4,5 Hz. In naso-temporaler Reizrichtung (kontraversiv zum Ableitort) von 7000 bis10000

ms betrug die mittlere Entladungsrate 4 Hz.

Mit Einsetzen der Reizbewegung in eine der beiden horizontalen Stimulusrichtungen

reagierte diese Zelle jeweils mit einer kurzzeitigen (Dauer = 120 ms) hohen Entladungsrate

(160 Hz nasal bzw. 59 Hz temporal). Anschließend sank die Spikerate auf 49 % (78,4 Hz)

bzw. 6 % (4,5 Hz) ab und verlief tonisch weiter.

Die Latenzzeit zwischen Einsetzen der Bewegung und der ausgelösten neuronalen

Aktivität betrug 120 ms. Genauere Latenzzeitanalysen folgen später in dieser Arbeit.

Zusammengefasst zeigt dieses praetectale Neuron von Salmo gairdneri bei horizontaler

Reizrichtung eine eindeutige Richtungsspezifität nach nasal.

Zur genaueren Bestimmung der Richtungspräferenz wurden neben dem horizontalen

Stimulusverlauf sechs weitere Reizrichtungen untersucht: vertikal oben ↔ unten (90° ↔

270°), sowie nasal - oben ↔ temporal - unten (45° ↔ 225°) und nasal - unten ↔

temporal - oben (315° ↔ 135°).

20


Die neuronale Aktivität unter diesen Stimulationsbedingungen ist in der Abbildung I. 3.4

als Rasterplot und PSTH mit 40 ms Binweite dargestellt.

Abb. I. 3.4: Neuronale Aktivität eines richtungsselektiven Neurons von Salmo gairdneri während visueller

Stimulation mit dem Planetarium als Rasterplot und PSTH mit einer Binweite von 40 ms. Stimulation in den

acht getesteten Stimulusrichtungen mit jeweils zehn Trials pro Stimulationsrichtung und einer

Reizgeschwindigkeit von 10 °/s.

Fo4c1_1.1

Das Zentrum der Abbildung I. 3.4 repräsentiert die Lage des rechten, visuell stimulierten

Auges und die Position des Versuchstieres relativ zur Stimulusrichtung. Die acht

Rasterplots und PSTHs sind nach dem Stimuluszeitverlauf (2000 ms stationäres

Reizmuster, 3000 ms bewegtes Reizmuster) und den acht Stimulationsrichtungen

angeordnet.

Mit dieser Darstellung kann deutlich gezeigt werden, dass horizontale Bewegung des

Zufallspunktemusters nach nasal in einem Bereich von 45° bis 315° die höchsten

Spikeraten auslöst. In entgegengesetzter Reizrichtung (135° bis 225°) nach temporal sind

die Spikeraten signifikant (ANOVA: p < 0,05) niedriger. In den 2000 ms andauernden

stationären Stimulationsphasen sind sie am niedrigsten.

21


Im Praetectum von Esox lucius konnten an der Ableitposition 600 µm posterior vom

rostralen Pol des TeO und 900 µm lateral vom Torus longitudinalis und in einer Ableittiefe

von 1140 µm ebenfalls richtungsselektive Neurone abgeleitet werden. Dieser Ableitort

befindet sich im Vergleich zu Salmo gairdneri 200 µm weiter anterior und lateral. In der

Abbildung I. 3.5 ist das Aktivitätsprofil einer solchen Zelle während horizontaler

Stimulation als Rasterplot und PSTH mit 40 ms Binweite dargestellt.

He4c6_1.1

Abb. I. 3.5: Rasterplots und PSTHs (Binweite 40 ms) des richtungsselektiven Neurons von Esox lucius.

Von 0-2000 ms stationäres Reizmuster, 2000 - 5000 ms naso - temporale Stimulusrichtung, 5000 - 7000 ms

stationär, 7000 - 10000 ms temporo - nasale Stimulusrichtung.

Während der stationären Stimulusphase (0 bis 2000 ms) zeigt dieses Beispielneuron von

Esox lucius eine Spontanaktivitätsrate von 10 Hz. Die stärkste reizgetriebene Aktivität

konnte in einer Reizrichtung nach nasal (ipsiversiv zum Ableitort) von 2000 bis 5000 ms

mit 53 Hz registriert werden. In der anschließenden stationären Stimulusphase (5000 -

7000 ms) sank die Entladungsrate auf 10,3 Hz ab. In der Reizrichtung nach temporal trat

von 7000 - 10000 ms eine Inhibition auf, die neuronale Aktivität sank auf 5 Hz ab. Das mit

der Reizmusterbewegung in nasaler und temporaler Richtung einsetzende phasisch -

tonische Aktivitätsverhalten dieses Neurons ähnelt dem des zuvor beschriebenen

richtungsspezifischen Neurons von Salmo gairdneri. Die Latenzzeit zwischen Einsetzen

der Bewegung und neuronaler Aktivierung betrug 120 ms.

Auch hier wurden neben der horizontalen Stimulationsebene die sechs weiteren

Stimulusrichtungen untersucht. Die in acht Stimulationsrichtungen ausgelöste neuronale

Aktivität ist in der Abbildung I. 3.6 als Rasterplot und PSTH dargestellt.

22


He4c6_1.1

Abb. I. 3.6: Neuronale Aktivität einer richtungsselektiven Zelle von Esox lucius mit Rasterplot und PSTH

(Binweite 40 ms) bei acht getesteten Stimulusrichtungen mit jeweils zehn Trials und einer

Reizgeschwindigkeit von 10 °/s. Die vertikalen Linien zu den Zeitpunkten 0 ms, 2000 ms, 5000 ms und 7000

ms geben den Zeitpunkt der Stimulationsänderung an.

Die Darstellung der neuronalen Aktivität in der Abbildung I. 3.6 zeigt, dass diese

praetectale Zelle von Esox lucius eine horizontale, nach nasal verlaufende

Stimulationsrichtung (ipsiversiv zum Ableitort) in einem Bereich von 45° bis 270° mit

einer hohen Spikerate (75Hz) deutlich bevorzugt. In entgegengesetzter Stimulusrichtung,

der Nullrichtung, kann eine Inhibition der neuronalen Aktivität beobachtet werden. Dieses

Funktionsprinzip wird als push-pull bezeichnet. Das phasisch-/-tonische Antwortverhalten

mit Einsetzen und Fortführung der Bewegungsphase ist in allen Reizrichtungen gegeben.

Mit diesen zwei Beispielneuronen kann gezeigt werden, dass im Praetectum beider

Fischarten visuelle, richtungsselektive Zellen existieren, die einen horizontalen nach nasal

verlaufenden visuellen Stimulus (ipsiversiv zum Ableitort) bevorzugen.

Bei beiden Fischarten tritt ein phasisches „movement onset“ Verhalten der

richtungsselektiven Neuronen mit Beginn der Stimulusbewegung auf. Unterschiede zeigen

sich in der Antwortcharakteristik. Die richtungsselektiven Neurone von Salmo gairdneri

zeigen stets geringe bis gar keine Spontanaktivität und reagieren mit Aktivitätserhöhung

23


im Bereich ihrer Vorzugsrichtung. Die Neurone von Esox lucius sind immer spontanaktiv,

reagieren ebenfalls mit Aktivitätserhöhung auf Reizung in ihrer Vorzugsrichtung, aber mit

Aktivitätserniedrigung auf Reizung in der Nullrichtung (push - pull Prinzip).

Zusammengefasst deuten diese bisherigen Befunde bei beiden Fischarten auf ein

praetectales Areal hin, dass möglicherweise dem NOT und dem nLM der anderen

Vertebratenklassen entspricht.

3.3 Untersuchungen zum Vorkommen weiterer richtungs-

selektiver Neurone In weiteren Experimenten wurde in einem Bereich von ca. 300 µm anterior / posterior und

200 µm medial / lateral relativ zu den ersten Penetrationsorten (siehe I. 3.1) in größeren

Ableittiefen (ca. + 400 µm) Neurone lokalisiert, deren Vorzugsrichtung nicht

ausschließlich ipsiversiv zum Ableitort war.

Zur genauen Bestimmung der Richtungspräferenz wurden Richtungsempfindlichkeits-

kurven (Tuning - Kurven) und die jeweilige Vorzugsrichtung über trigonometrische

Funktionen als Richtungsvektors berechnet.

Der Mittelpunkt der nachfolgend dargestellten Polarplots repräsentiert die Lage des

rechten, visuell stimulierten Auges. Eine Stimulusrichtung nach nasal entspricht 0° in

Polarkoordinaten, eine temporale Reizrichtung 180°, eine vertikale Bewegung nach oben

90°, nach unten 270°, sowie die Bewegungsrichtungen nasal - oben 45°, temporal - unten

225° und temporal - oben 135°, nasal - unten 315°.

Die Tuning-Kurven der richtungsselektiven Neurone ergaben sich aus der Berechnung der

mittleren Spikerate während des 3000 ms andauernden Bewegungsreizes über zehn

Einzeltrials in jeder der acht untersuchten Stimulusrichtungen. Die Radien der Polarplots

geben die mittlere Spikerate pro Sekunde an. Die Position des Richtungsvektors, der die

Vorzugsrichtung des analysierten Neurons anzeigt, wurde mit trigonometrischen

Funktionen berechnet und auf das Radienmaximum normiert. Er repräsentiert nicht die

berechnete Entladungsrate in der Vorzugsrichtung.

Abbildung I. 3.7 A zeigt die Tuning-Kurve mit der Vorzugsrichtung von 353° des oben

beschriebenen, die nasale Reizrichtung (ipsiversiv zum Ableitort) kodierenden Neurons

24


von Salmo gairdneri (Abb. I. 3.4). Die Abb. I. 3.7 B zeigt ein weiteres richtungsselektives

Neuron mit einer temporalen Vorzugsrichtung (kontraversiv zum Ableitort) von 189°.

BA

0 20 40 60 800

20

40

60

80

0204060800

20

40

60

80

0°

45°

90°

135°

225°

270°

315°

180°0 20 40 60 80

0

20

40

60

80

0204060800

20

40

60

80

0°

45°

90°

135°

180°

225°

270°

315°

temporal

temporal-oben

temporal-unten nasal-unten

nasal

nasal-oben

unten

oben

Abb. I. 3.7: Tuning - Kurve und Richtungsvektor zweier richtungsselektiver Neurone von Salmo gairdneri

in Polarkoordinaten. In A das zuvor beschriebene Neuron (vgl. Abb. I. 3.4), in B ein weiteres Neuron, das

eine horizontale kontraversive Stimulusrichtung kodiert.

Neben Neuronen, die eine ipsiversive (nach nasal) Stimulusrichtung kodieren, konnten

richtungsselektive Neurone mit einer genau entgegengesetzten, also kontraversiven

Vorzugsrichtung (nach temporal) abgeleitet werden.

Das bedeutet, dass in einem räumlich begrenzten Ableitbereich Zellen mit

unterschiedlichen Vorzugsrichtungen vorkommen.

Die Abbildung I. 3.8 zeigt exemplarisch die Tuning - Kurven und Vorzugsrichtungen

weiterer richtungsselektiver Neurone, die spezifisch für eine der sechs weiteren

Stimulusrichtungen sind.

25


0 20 40 60 800

20

40

60

80

0204060800

20

40

60

80

0°

45°

90°

135°

180°

225°

270°

315°

B

0 20 40 60 800

20

40

60

80

0204060800

20

40

60

80

0°

45°

90°

135°

180°

225°

270°

315°

0 20 40 60 800

20

40

60

80

0204060800

20

40

60

80

0°

45°

90°

135°

180°

225°

270°

315°

0 20 40 60 800

20

40

60

80

0204060800

20

40

60

80

0°

45°

90°

135°

180°

225°

270°

315°

0 20 40 60 800

20

40

60

80

0204060800

20

40

60

80

0°

45°

90°

135°

180°

225°

270°

315°

0 20 40 60 800

20

40

60

80

0204060800

20

40

60

80

0°

45°

90°

135°

180°

270°

315°

E F

C D

temporal-oben

temporal

nasal-unten

nasal

nasal-oben

unten

oben A

225°temporal-unten

Abb. I. 3.8: Tuning - Kurven und Richtungsvektoren in Polarkoordinaten. Die Polarplots A und B zeigen

Neurone, die eine vertikal nach oben und nach unten verlaufende Stimulusrichtung kodieren. C bis F:

Neurone mit Vorzugsrichtungen nach nasal - oben, temporal - unten, sowie nach temporal - oben und nasal -

unten.

Diese Zellen zeigen eine breite Richtungsempfindlichkeit. Dies kann durch die

Halbwertsbreite belegt werden (Hoffmann & Schoppmann, 1981). Halbmaximale

26


Entladungsraten werden noch bei Winkelrichtungen, die +/- 45° von der jeweiligen

Vorzugsrichtung abweichen, erreicht.

Im Praetectum von Esox lucius wurden ebenfalls Neurone mit beiden horizontalen

Vorzugsrichtungen abgeleitet, die in der Abbildung I. 3.9 A und B in Polarkoordinaten mit

ihrer Richtungsempfindlichkeitskurve und Richtungsvektor dargestellt sind.

0 20 40 60 800

20

40

60

80

0204060800

20

40

60

80

0°

45°

90°

135°

180°

225°

270°

315°

0 20 40 60 800

20

40

60

80

0204060800

20

40

60

80

0°

45°

90°

135°

180°

225°

270°

315°

A

temporal


nasal

unten

Bnasal-oben

oben

temporal-oben

Abb. I. 3.9: Tuning - Kurve und Richtungsvektor von richtungsselektiven Neuronen aus dem Praetectum

von Esox lucius. A: ipsiversiv, B: kontraversiv kodierendes Neuron.

Wie bei Salmo gairdneri konnten auch bei Esox lucius in dem untersuchten Areal Neurone

mit vertikalen und schrägen Vorzugsrichtungen abgeleitet werden. Abbildung I. 3.10 zeigt

die Richtungsempfindlichkeitskurven und Richtungsvektoren solcher Neurone.

27


0 20 40 60 800

20

40

60

80

0204060800

20

40

60

80

0°

45°

90°

135°

180°

225°

270°

315°

oben

unten

nasal-oben

nasal

nasal-untentemporal-unten

temporal

temporal-oben

0 20 40 60 800

20

40

60

80

0204060800

20

40

60

80

0°

45°

90°

135°

180°

225°

270°

315°

0 20 40 60 800

20

40

60

80

0204060800

20

40

60

80

0°

45°

90°

135°

180°

225°

270°

315°

0 20 40 60 800

20

40

60

80

0204060800

20

40

60

80

0°

45°

90°

135°

180°

225°

270°

315°

0 20 40 60 800

20

40

60

80

0204060800

20

40

60

80

0°

45°

90°

135°

180°

225°

270°

315°

0 20 40 60 800

20

40

60

80

0204060800

20

40

60

80

0°

45°

90°

135°

180°

225°

270°

315°

F

D

E

C

A B

Abb. I. 3.10: Tuning - Kurven und Richtungsvektoren in Polarkoordinaten. Die Polarplots A und B zeigen

Neurone, die eine vertikal nach oben und nach unten verlaufende Stimulusrichtung kodieren. C bis F:

Neurone mit Vorzugsrichtungen nach nasal - oben, temporal - unten, sowie nach temporal - oben und nasal -

unten.

28


Die Vorzugsrichtungen entsprechen auch bei Esox lucius den untersuchten acht

Stimulationsrichtungen. Das Tuning der Richtungsempfindlichkeit gleicht dem von Salmo

gairdneri, d.h. halbmaximale Entladungsraten werden noch in einem Winkelbereich +/-

45° um die Vorzugsrichtung erreicht. Auch hier zeigt sich die Inhibition dieser Neurone in

der Nullrichtung, womit das „push - pull“ Prinzip auch für die anderen Richtungen

bestätigt.

Bei beiden untersuchten Spezies liegen in einem begrenzten Areal des Praetectums

richtungsselektive Neurone, die spezifisch auf eine von den acht untersuchten

Stimulusrichtungen reagieren. Diese Zellen weisen ein breites Richtungstuning auf.

3.4 Verteilung der Vorzugsrichtungen aller richtungsselektiven

Neurone Insgesamt wurden 72 richtungsspezifische Neurone bei Salmo gairdneri und 63

richtungsspezifische Neuronen bei Esox lucius abgeleitet. Dabei fiel auf, dass die

Vorzugsrichtungen dieser Zellen sich nicht nur auf eine der acht untersuchten

Stimulusrichtungen beschränkten, sondern unterschiedlich verteilt waren.

Um zu testen, ob alle richtungsselektiven Neurone ausschließlich vom rechten Auge

aktiviert wurden, wurde bei jeder Einzelzelle auch das linke Auge durch eine Veränderung

der Raumhelligkeit und eine direkte Beleuchtung mit der Handlampe gereizt. Eine

Veränderung der Luminanz auf der Retina hätte eine veränderte Entladungsrate des

abgeleiteten praetektalen Neurons bewirken müssen. Keine der untersuchten

richtungsspezifischen Zellen konnte vom linken Auge (ipsilateral) beeinflußt werden. Dies

deutet auf eine totale Überkreuzung des Nervus opticus am Chiasma opticum und keine

Verbindung zwischen den Hirnhälften bei diesen Neuronen hin.

Aufgrund der Vorzugsrichtungsverteilung und des breiten Tunings (Halbwertsbreite > 90°)

wurde mit zirkulärer Statistik die Richtungsselektivität eindeutig bestimmt.

Von den 72 Neuronen der Regenbogenforelle konnten 63 Neurone mit einer statistisch

signifikanten Richtungsselektivität (p < 0,001) ermittelt werden. Von ursprünglich 57

Neuronen des Hechtes sind nach dem zirkulären statistischen Verfahren 45 als signifikant

29


richtungsselektiv einzuordnen. Ein Vergleich der Vorzugsrichtungen aus den

trigonometrischen Berechnungen mit denen aus der zirkulären Statistik ergab keinen

Unterschied für die eindeutig richtungsselektiven Neurone.

In der Abbildung I. 3.11 sind in Polarkoordinaten die Vorzugsrichtungen der signifikant

richtungsspezifischen Neurone von Salmo gairdneri und Esox lucius dargestellt.

0°

45°

90°

135°

180°

225°

270°

315°

0°

45°

90°

135°

0°

225°

270°

315°

unten

oben

18

temporal-oben

temporal


nasal

nasal-oben

Esox lucius Salmo gairdneri

Abb. I. 3.11: Verteilung der Vorzugsrichtungen signifikant richtungsspezifischer praetectaler Zellen

(p < 0,001) von Salmo gairdneri (n = 63) und Esox lucius (n = 45) in Polarkoordinaten.

Ob die Vorzugsrichtungen der 63 Neurone von Salmo gairdneri und der 45 Neurone von

Esox lucius im Polarkoordinatensystem gleich verteilt sind, soll im Weiteren untersucht

werden.

Die Lage der acht gewählten Stimulusrichtungen im Polarkoordinatensystem erlaubt eine

Einteilung in jeweils zwei horizontale und vertikale Winkelbereiche: in nasaler Richtung

45° bis 315°, in temporaler Richtung 135° bis 225°, nach oben 45° bis 135° und nach

unten 225° bis 315°.

Die Legitimation zu dieser Einteilung liegt in dem breiten Tuning dieser Neurone und

darin, dass im NOT und nLM der anderen Vertebratenklassen durchaus Neurone

vorkommen, die eine Tuningbreite in diesem Winkelbereich besitzen. Demnach ergeben

sich in der Summe für Salmo gairdneri 39 Neurone, die eine horizontale Stimulusrichtung

30


kodieren (nach nasal = 21, nach temporal = 18) gegenüber 24 Neurone, die eine vertikale

Vorzugsrichtung besitzen (nach oben = 13, nach unten = 11).

In der horizontalen Stimulusebene beträgt die Summe der Neurone für Esox lucius 32

(nach nasal = 18, nach temporal = 14), für die vertikalen Stimulusrichtungen 13 Neurone

(nach oben = 6, nach unten = 7).

Tabelle 2: Verteilung der Vorzugsrichtungen richtungsselektiver Neurone von Salmo gairdneri und Esox

lucius in den vier Kardinalrichtungen.

horizontal vertikal

Versuchstier n Temporal nasal oben unten

Salmo gairdneri 63 18 21 13 11

Esox lucius 45 14 18 6 7

Die Analyse bezüglich einer Ungleich- bzw. Gleichverteilung der Vorzugsrichtungen von

horizontal und vertikal kodierenden Neurone im Polarkoordinatensystem wurde mit einem

nichtparametrischen Test durchgeführt. Das statistische Verfahren des χ2-Tests beruht auf

dem Vergleich zweier Häufigkeitsverteilungen (hier: Zahl der horizontal und Zahl der

vertikal kodierenden Neurone).

Mit einem Wert von p = 0,720 kann kein signifikanter Unterschied zwischen der Zahl

horizontaler und vertikaler Bewegungsrichtung kodierender Neurone bei Salmo gairdneri

festgestellt werden. Ein signifikanter Unterschied (p < 0,05) tritt bei Esox lucius auf. Die

Anzahl der Neurone, die eine horizontale Stimulusbewegung kodieren, ist hier größer als

die Anzahl von Neuronen, die eine vertikale Stimulusbewegung kodieren.

Dieses Analyse zeigt eine Gleichverteilung der Vorzugsrichtungen für horizontal und

vertikal verlaufende visuelle Stimuli bei Salmo gairdneri und eine Ungleichverteilung bei

Esox lucius mit einer horizontalen Präferenz.

Zusammenfassend wird belegt, dass in einem begrenzten praetectalen Areal beider

untersuchten Fischarten horizontale und vertikale Richtungen retinaler Bildverschiebungen

kodiert werden. Es findet keine Segregation von Neuronen statt, die horizontal - und

vertikal verlaufende visuelle Stimuli kodieren, wie sie in den anderen Vertebratenklassen

im nLM und NOT und nBOR und MTN / LTN gezeigt wurde.

31


3.5 Entscheidet die Anzahl richtungsselektiver Neurone über

eine Symmetrie bzw. Asymmetrie des monokularen

horizontalen optokinetischen Reflexes? Mit den bisher gewonnenen Erkenntnissen drängt sich die Frage auf, ob es möglich ist, aus

der Richtungspräferenz der praetectalen richtungsspezifischen Neuronenpopulation beider

Fischarten Rückschlüsse auf eine Asymmetrie des monokularen horizontalen

optokinetischen Reflexes (mhOKR) zu ziehen.

Zur Klärung dieser Fragestellung wurden nur die in der horizontalen Stimulusebene

kodierenden Neuronen beider Fischarten in die Analyse einbezogen. In die Auswertung für

Salmo gairdneri gingen insgesamt 39 Zellen ein, wovon 21 eine nasale und 18 Neuronen

eine temporale Reizrichtung bevorzugten.

Für Esox lucius waren es insgesamt 32 Neuronen, 18 Neuronen kodierten eine nasale

Stimulusrichtung und 14 Neuronen eine temporale Reizrichtung.

In der Abbildung I. 3.12 ist die Verteilung der Neurone von Salmo gairdneri und Esox

lucius in Polarkoordinaten dargestellt.

airdneriSalmo g

0°

45°

90°

135°

180°

225°

270°

315°

0°

45°

90°

135°

180°

225°

270°

315°

temporal-oben

temporal


nasal

nasal-oben

unten

oben

Esox lucius

Abb. I. 3.12: Verteilung der horizontalen nasalen und temporalen Vorzugsrichtungen praetectaler Zellen von

Salmo gairdneri (n = 39) und Esox lucius (n = 32) in Polarkoordinaten.

32


Der Test auf eine Gleich- bzw. Ungleichverteilung der Neurone auf die beiden

horizontalen Stimulusrichtungen wurde mit dem χ2-Test durchgeführt.

Das Ergebnis zeigte weder für Salmo gairdneri (p = 0,172) noch für Esox lucius

(p = 0,389) einen signifikanten Unterschied in der Anzahl von Neuronen, die einen in

nasaler oder temporaler Reizrichtung verlaufenen Stimulus kodieren. Damit ist eine

Asymmetrie des OKR aus der Verteilung der Vorzugsrichtung der Neurone nicht

abzuleiten.

3.6 Populationsantwort Eine weitere Analysemöglichkeit zur Charakterisierung des richtungsselektiven Areals in

bezug auf den mhOKR bietet die Untersuchung der Aktivität der gesamten

Neuronenpopulation. Dazu wurde durch Summation der Tuning - Kurven aller signifikant

richtungsselektiven Neuronen die Populationsantwort berechnet. Die Ergebnisse sind für

beide untersuchten Fischarten in der Abbildung I. 3.13 dargestellt.

n = 63

20 40 60 80

20

40

60

80

20406080

20

40

60

80

0°

45°

90°

135°

180°

225°

270°

315°

n = 45

20 40 60 80

20

40

60

80

20406080

20

40

60

80

0°

45°

90°

135°

180°

225°

270°

315°

temporal-oben

temporal


nasal

nasal-oben

unten

oben

Salmo gairdneri Esox lucius

Abb. I. 3.13: Richtungscharakteristik der Neuronenpopulation von Salmo gairdneri (n = 63) und Esox lucius

(n= 45). Die Radien geben die mittlere Spikerate der Neuronenpopulation an.

33


Die Richtungscharakteristik der Population zeigt keine Präferenz für eine der vier

Kardinalrichtungen (horizontal: nasal-temporal und vertikal: oben-unten) bei Salmo

gairdneri und bei Esox lucius.

Das deutet auf eine Gleichverteilung der Vorzugsrichtungen im visuellen Raum hin. Eine

Asymmetrie des mhOKRs lässt sich dadurch nicht erklären.

3.7 Weitere Charakterisierung praetectaler richtungsselektiver

Neurone von Salmo gairdneri und Esox lucius Anhand der bisher gewonnenen Ergebnisse kann die Qualität des mhOKR (Klar 1999)

nicht erklärt werden. Aus diesem Grund wurden die signifikant richtungsselektiven

Neuronen von Salmo gairdneri und Esox lucius weiter analysiert. Diese Ergebnisse sollen

zusätzlichen Aufschluss über die Rolle der richtungsselektiven Neurone im

optokinetischen System geben.

3.7.1 Neuronale Aktivität in Abhängigkeit von der Reizgeschwindigkeit Das optokinetische System ist so konzipiert, dass es einer retinalen Bildverschiebung

entgegenwirkt. Dazu muss diesem visuomotorischen System die Richtung, wie auch die

Reizgeschwindigkeit bekannt sein, damit die Augenmuskeln die Augen entsprechend

auslenken können. Die Bestimmung der Bildverschiebungsrichtung kann von den

praetectalen richtungsselektiven Neuronen beider Fischarten geleistet werden. Es stellt sich

nun die Frage, wie diese Zellen auf unterschiedliche Geschwindigkeiten des präsentierten

Zufallspunktemuster reagieren.

Während des elektrophysiologischen Experiments konnte akustisch und mit dem

Aufzeichnungsprogramm CORTEX, das eine Online- Darstellung der Spikeraten

ermöglichte, eine der acht untersuchten Stimulusrichtungen als Vorzugsrichtung sofort

bestimmt werden. In dieser Richtung wurden Geschwindigkeiten des Zufallspunktemusters

von 0 °/s bis 80 °/s in jeweils 10 °/s Schritten bei Salmo gairdneri untersucht. Eine

Reizgeschwindigkeit von 5 °/s wurde bei Esox lucius zusätzlich gemessen, da es sich

34


während der Experimente abzeichnete, dass diese Neurone sehr empfindlich auf geringste

Geschwindigkeitsänderungen reagierten.

16 Neurone von Salmo gairdneri und 11 Neurone von Esox lucius wurden untersucht. Für

jedes Neuron wurde die mittlere Spikerate während der 8000 ms andauernden Stimulation

pro untersuchter Reizgeschwindigkeit berechnet und der Median dieser Spikeraten von

allen Neuronen bestimmt.

Die Analyse erfolgte für beide Fischarten getrennt und ist in der Abb.: I. 3.14 dargestellt.

Esox lucius

Stimulusgeschwindigkeit [°/s]

0 5 10 20 30 40 50 60 70 80

Spi

kera

te [H

z]

0

10

20

30

40

50

60Salmo gairdneri

Stimulusgeschwindigkeit [°/s]

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Spi

kera

te [H

z]

0

10

20

30

40

50

60

Abb. I. 3.14: Median der Spikeraten [Hz] in Abhängigkeit von der Stimulusgeschwindigkeit bei Salmo

gairdneri und Esox lucius.

Mit Erhöhung der Stimulusgeschwindigkeit nahm die Spikerate der Neurone von Salmo

gairdneri kontinuierlich bis auf eine maximale Entladungsrate von 52 Hz zu, die bei einer

Reizgeschwindigkeit von 70 °/s erreicht wurde. Eine weitere Erhöhung der

Reizgeschwindigkeit auf 80 °/s bewirkte eine Abnahme der Spikeraten auf 38 Hz.

Die 11 untersuchten Neurone des Hechtes hingegen zeigten ihre maximale Entladungsrate

von 25 Hz bei einer Stimulusgeschwindigkeit von 20 °/s. Höhere Reizgeschwindigkeiten

bis 30 °/s bewirkten eine Abnahme der Spikefrequenz auf 19 Hz. Ab dieser

Reizgeschwindigkeit traten die Entladungsraten in eine Sättigungsbereich ein, der sich bis

zur maximalen Stimulusgeschwindigkeit von 80 °/s statistisch nicht signifikant (p > 0,05)

änderte. Mit diesen Ergebnissen kann gezeigt werden, dass die richtungsselektiven

Neuronen von Salmo gairdneri Reizgeschwindigkeitsänderungen bis 70 °/s mit einer

Zunahme der Spikefrequenz kodieren. Die richtungsselektiven Neuronen von Esox lucius

35


hingegen erreichen bei langsamen Reizgeschwindigkeiten bis 20 °/s ihre maximale

Entladungsrate.

3.7.2 Analyse der Latenzzeit Weiteren Aufschluss über eine mögliche Rolle der richtungsspezifischen Neurone im

optokinetischen System soll die Analyse der visuellen Latenzzeit ergeben.

Das zur visuellen Stimulation verwendete Zufallspunktemuster wurde durch ein

Planetarium generiert. Dabei handelt es sich um ein gekoppeltes elektronisches /

mechanisches System. Zwischen dem Steuerimpuls zum Auslösen der Drehbewegung des

Planetariums und dem Einsetzen der visuellen Stimulation trat aufgrund der mechanischen

Trägheit eine Verzögerungszeit von 72 ms auf. Diese Verzögerungszeit des mechanischen

Systems wurde als Konstante bei der Berechnung der neuronalen Latenzzeit von den

ermittelten Werten abgezogen.

Abb. I. 3.15: Visuelle Latenzzeiten der richtungsselektiven Neurone von Salmo gairdneri und Esox lucius bei

Stimulation in Vorzugsrichtung. Die Ordinate gibt die Neuronenzahl an, die Abzisse die Latenzzeit in ms.

Esox lucius

50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

Anza

l der

Neu

rone

0

5

10

15

20

25

30

35Salmo gairdneri

Latenzzeit [ms]50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

Anz

al d

er

0

5

10

15

20

25

30

35

n = 63 n = 45

Neu

rone

Die Latenzzeitanalyse zeigt für beide Fischarten, dass die Neurone innerhalb von 70 ms bis

120 ms nach Reizbeginn auf den visuellen Reiz reagieren. Von den 63 richtungsselektiven

Neuronen der Regenbogenforelle hatten 6,2 % (n = 4) eine kurze Latenzzeit von 70 ms.

Die meisten Neuronen (49,2 %, n = 31) hatten eine Latenzzeit von 80 ms und 7,9 % (n = 5)

wiesen lange Latenzzeiten von 120 ms auf.

36


Eine kurze Latenzzeit hatten 4,4 % (n = 2) von insgesamt 45 untersuchten Neuronen des

Hechtes. Die meisten Neurone (46,7 %, n = 21) hatten eine Latenzzeit von 90 ms. Die

längsten Latenzzeiten von 110 ms konnten an 6,7 % (n = 3) bestimmt werden.

Der Median der Latenzzeit beträgt für Salmo gairdneri 80 ms und für Esox lucius 90 ms.

3.7.3 Größe und Verteilung der rezeptiven Felder richtungsselektiver

Neurone

Ein weiteres Kriterium zur Charakterisierung der richtungsselektiven Zellen ist die Größe

der rezeptiven Felder und ihre Lage im Gesichtsfeld.

Klassenunabhängig konnten den richtungsselektiven Neurone des NOT und des nLM stets

großflächige, meist im Bereich des zentralen Gesichtsfelds gelegene rezeptive Felder

zugeordnet werden.

In der vorliegenden Arbeit wurden die Grenzen der rezeptiven Felder mit einem

Lichtpunkt aus der Handlampe bestimmt.

Alle ermittelten rezeptiven Felder der eindeutig richtungsselektiven Neurone hatten eine

Mindestausdehnung im Azimut von 30° und von 25° in der Elevation. Die maximalen

Feldausdehnungen betrugen 135° im Azimut und 90° in der Elevation.

In der Abbildung I. 3.16 sind für die Forelle und in der Abb. I. 3.17 für den Hecht

exemplarisch aus jeweils einer Penetration die ermittelten rezeptiven Felder abgeleiteter

Neurone gezeigt.

37


Salmo gairdneri

Azimut in Grad [°]

-30 30 60 90 120 150 180

Ele

vatio

n in

Gra

d [°

]

-90

-60

-30

30

60

90

Abb. I. 3.16: Verteilung von rezeptiven Feldern im rechten Gesichtsfeld von Salmo gairdneri entlang einer

Penetration zum Praetectum. In schwarz ausgefüllt, ein visuelles Neuron aus dem TeO. Die farbigen und

gestrichelten Linien geben RF von vier richtungsselektiven Neuronen an.

Esox lucius

Azimut in Grad [°]

-30 30 60 90 120 150 180

Ele

vatio

n in

Gra

d [°

]

-90

-60

-30

30

60

90

Abb. I. 3.17: Verteilung von rezeptiven Feldern im rechten Gesichtsfeld von Esox lucius entlang einer

Penetration zum Praetectum. In schwarz ausgefüllt, ein visuelles Neuron aus dem TeO. Die farbigen Linien

geben RF von drei richtungsselektiven Neuronen an.

38


Die RF der richtungsselektiven Neurone waren bei beiden Fischarten deutlich größer als

die RF der visuellen Neurone aus dem TeO (schwarz ausgefüllt).

Die gezeigten tektalen rezeptiven Felder geben exakt den Penetrationsort an, bei dem die

Ableitung im Praetectum zur Lokalisation richtungsselektiver Neuronen führte:

Salmo gairdneri = 87° Azimut und 42° Elevation.

Esox lucius = 28° Azimut und 48° Elevation.

Die Mittelpunkte der RF praetectaler richtungsselektiver Neurone befinden sich zu 82 % in

einem Bereich des frontalen Gesichtsfeldes zwischen -20° und 45° Azimut bei Salmo

gairdneri und zu 72,3 % zwischen 12° und 54° Azimut bei Esox lucius.

3.8 Rekonstruktion des Ableitortes richtungsselektiver Neurone

im Praetectum von Salmo gairdneri und Esox lucius

3.8.1 Histologische Lokalisation der praetectalen richtungsselektiven

Neurone Die bisherige Charakterisierung der richtungsspezifischen Neurone lässt durchaus die

Vermutung zu, dass diese an der Generierung des OKR beteiligt sind. Nachfolgend soll mit

der histologischen Rekonstruktion das Areal der richtungsspezifischen Neurone im

Praetectum beider Fischarten genauer bestimmt werden. Nach Beendigung der

elektrophysiologischen Experimente wurden Ableitorte richtungsselektiver Neurone durch

eine Mikroläsion markiert. Nach der histologischen Aufarbeitung der Gehirne konnte dann

lichtmikroskopisch die Lage des markierten Areals genauer bestimmt und mit den

Elektrodenpositionen im Ableitschema verglichen werden.

Alle Fischgehirne wurden frontal von rostral nach caudal in 50 µm dicke Schnitte

geschnitten und anschließend Nissl gefärbt.

39


d

Abb. I .3.18: Sch

der linken Gehir

PG = Praeglom

ventraler Thalam

Abbildung I

Frontalschnitt

diesem Expe

Penetration z

richtungsselek

Tiefe von 190

letzte neurona

Dieses Areal

lateral zum do

Die Abbildu

Frontalschnitt

TeO

PG

L

L

1 mm

Thv

Ve Psp

TeO

PG

L

L

TeO

PG

L

L

1 mm

Thd

Ve Psp

m l

v

warz - weiß Fotografie eines 50 µm dicken, Nissl - gefärbten praetektalen Frontalschnittes

nhemisphäre von Salmo gairdneri. d = dorsal, v = ventral, l =lateral, TeO = Tectum opticum,

erulus, Ve = 3. Ventrikel, Psp = Nucleus praetectalis superficialis parvocellularis, Thd =

us, L = Läsion. Schnitt in frontaler Ansicht.

. 3.18 zeigt eine Schwarz - Weissfotografie eines 50 µm dicken

es von Salmo gairdneri 900 µm caudal vom rostralen Pol des TeOs. In

riment wurden zur dorsalen und ventralen Arealabgrenzung in einer

wei Mikroläsionen an den Ableitorten des ersten und des letzten

tiven Neurons durchgeführt. Damit kann ein dorsaler Arealbeginn in einer

0 µm unterhalb der TeO – Oberfläche gezeigt werden. 500 µm tiefer war die

le Richtungsselektivität bestimmbar.

befindet sich zentral im dorsalen Praetectum, dorsal zum Praeglomerulus und

rsalen Thalamus.

ng I. 3.19 zeigt eine Schwarz-Weissfotografie eines 50 µm dicken

es von Esox lucius mit einer Läsion.

40


L

OT

Ve

TeO

1 mm

m l

v

d

Abb. I. 3.19: Schwarz - weiß Fotografie eines 50 µm dicken, Nissl - gefärbten Frontalschnittes der linken

Gehirnhemisphäre im Paetectum von Esox lucius. d = dorsal, v = ventral, l =lateral, TeO = Tectum opticum,

OT = optischer Trakt, L = Läsion, Ve = 3.Ventrikel. Schnitt in frontaler Ansicht.

Der Läsionsort befindet sich an der am weitesten rostral gelegenen Position (650 µm

posterior zum rostralen Pol des TeO), an der richtungsselektive Neurone abgeleitet werden

konnten. 2000 µm unter der Oberfläche des TeO und 1500 µm lateral vom 3. Ventrikel

befindet sich die ca. 400 µm grosse läsionsbedingte Gewebezerstörung.

Damit ist gezeigt, dass sich das Areal richtungsselektiver Neurone auch bei Esox lucius im

dorsalen Praetectum befindet.

Die histologischen Rekonstruktion der Läsionsorte in den Gehirnpräparaten bestätigt die

Angaben zu Elektrodenposition und Ableittiefen aus den Penetrationsschemata.

Damit kann gezeigt werden, dass bei Salmo gairdneri in einer

* Ableittiefe von 1900 bis 2500 µm unter der TeO - Oberfläche,

* anterior / posterior Position von -900 bis -1400 µm posterior des TeO - Vorderrandes,

* medio / lateralen Position von -1200 bis -1500 µm

richtungsselektive Neurone lokalisiert sind.

41


Bei Esox lucius konnte in einer

* Ableittiefe von 1140 bis 1900 µm unter der TeO - Oberfläche,

* anterior / posterior Position von -500 bis - 1400 µm posterior des TeO - Vorderrandes,

* medio / lateralen Position - 1500 von bis - 1700 µm

das Areal der richtungsselektiven Neurone eingegrenzt werden.

3.8.2 Existiert eine topographische Ordnung? An vier weiteren Salmo gairdneri wurden Experimente mit der Fragestellung nach einer

topographischen Ordnung der richtungsselektiven Neurone innerhalb dieses praetectalen

Areals durchgeführt.

Dazu wurden in jeweils unterschiedlichen rostro - caudalen Bereichen des richtungs-

selektiven Areals im Praetectum die Zellaktivitäten aufgezeichnet, die entlang einer

Penetration während visueller Reizung mit dem Zufallspunktemuster ausgelöst werden

konnten.

Die ermittelten Vorzugsrichtungen wurden horizontalen (nach nasal, nach temporal) und

vertikalen (nach oben, nach unten) Bereichen, entsprechend der vorangegangenen

Untersuchungen, zugeordnet. Anschließend wurden die Ableitpositionen mit einer

Mikroläsion markiert.

Mit der histologischen Rekonstruktion des Ableitortes und der Auswertung der

elektrophysiologisch gewonnenen Daten sollte ein Bezug der Vorzugsrichtung eines

Neurons zum jeweiligen Ableitort hergestellt werden. Abbildung I. 3.20 zeigt von den vier

untersuchten Versuchstieren Frontalschnitte mit Läsionen in unterschiedlichen Bereichen

des Praetectums in einer Anordnung von caudal nach rostral.

42


1 mm

D PG

TeO

C

TeO

OTPG

B Psp

TeO

PG

A

TeO

PG

rostral

caudal

temporo-nasal naso-temporal vertikal nach oben vertikal nach unten

P

Abb. I. 3.20: Frontale Hirnschnitte von vier unterschiedlichen Salmo gairdneri, angeordnet in caudo-rostraler

Richtung. Zusammen repräsentieren sie einen rostro - caudalen Bereich von 300 µm. TeO = Tectum

optikum, OT = optischer Trakt, PG = Praeglomerulus, Psp = Nucleus praetectalis superfiscialis

parvocellularis. Die Schnitte werden von vorn betrachtet.

Die schwarzen vertikalen Linien geben die Penetrationsspur an, die schwarzen Punkte den

Läsionsort. Zusätzlich repräsentieren die farbigen Symbole abgeleitete Neurone mit

horizontalen und vertikalen Vorzugsrichtungen. Alle eingetragenen Zellen waren

signifikant (p < 0,001) richtungsselektiv. In der Tabelle 3 sind zur Übersicht die

Ableittiefen der richtungsselektiven Neurone mit ihrer Vorzugsrichtung in einer der vier

Kardinalrichtungen dargestellt. Die in A angegebenen zwei Penetrationen sind mit einem

seitlichen Abstand von 100 µm durchgeführt worden. Anhand der rezeptiven Felder und

Vorzugsrichtungen kann davon ausgegangen werden, dass nicht die gleichen Zellen

abgeleitet wurde.

43


Tabelle 3: Verteilung der Vorzugsrichtungen in einer Penetrationsspur an vier unterschiedlichen caudo -

rostralen Ableitorten.

Salmo gairdneri Penetrationsort caudal medial rostral

Ableittiefe [µm] A A B C D

1900

1980

2100

2400

Das Ergebnis zeigt, dass eine Korrelation zwischen dem Ableitort und der Vorzugsrichtung

richtungsselektiver Neuronen besteht. Entlang einer Penetrationsspur konnten drei bis

maximal vier richtungsselektive Neuronen abgeleitet werden.

Im caudalen Bereich des Areals (A) konnten Neurone lokalisiert werden, die alle vier

Kardinalsrichtungen kodieren. In der horizontalen Stimulusebene kodieren jeweils zwei

Neurone eine naso - temporale und eine temporo - nasale Richtung.

Im Mittleren Region (medial) des Areals wurden vier Neurone mit einer temporo - nalser

und ein Neuron mit einer naso - temporalen Vorzugsrichtung abgeleitet.

In der rostralen Region (D) konnten zwei richtungsselektive Neurone mit einer temporo -

nasalen Vorzugsrichtung abgeleitet werden.

Für die vertikalen Richtungen wurde eine solche Unterscheidung nicht gefunden.

Damit kann gezeigt werden, dass eine räumliche Segregation der horizontalen

Stimulusrichtungen T-N und N-T vorliegen könnte.

44

I. Elektrophysiologie 4. Diskussion

4. Diskussion

4.1 Auswahl der Versuchstiere und die Wahl der Methode Die elektrophysiologische Suche nach dem neuronalen Substrat zur Ausführung der

langsamen Augenfolgephase des hOKNs wurde an zwei Süßwasser - Teleosteern, Salmo

gairdneri und Esox lucius durchgeführt. Die Wahl fiel auf diese echten Knochenfischarten,

da beide Prädatoren sind und in Bächen, Flussoberläufen (Salmo gairdneri) und in Seen

(Esox lucius) beheimatet sind. Die Detektion und das Schlagen von Beute wird von beiden

Fischarten vorwiegend visuell geführt (New et al., 2000). Aus diesem Grund sollten beide

Arten über ein gut entwickeltes visuelles System verfügen.

In meiner Diplomarbeit habe ich neuroanatomische Untersuchungen am visuellen System

und Verhaltensexperimente zum OKN an diesen beiden Fischarten durchgeführt (Polyak,

1968; Bathelt, 1970; Klar, 1999). Die Ergebnisse dieser Arbeiten belegen das gut

entwickelte visuelle System und die Fähigkeit zu horizontalen optokinetischen

Augenbewegungen bei diesen Spezies.

Um die elektrophysiologischen Untersuchungen im Praetectum an beiden Versuchstieren

durchzuführen, musste eine vollständig neue Versuchsapparatur aufgebaut werden. Eine

wichtige Voraussetzung war die homogene visuelle Stimulation des gesamten

Gesichtsfeldes. Das monokulare Gesichtsfeld von Salmo gairdneri hat eine Ausdehnung

von ca. 205° im Azimut und von ca.180° in der Elevation. Annähernd gleich groß ist das

monokulare Gesichtsfeld von Esox lucius (Azimut ca. 225°, Elevation ca. 180°)

(Scheuring, 1920; Kahmann, 1934, 1936). Die Ganzfeldstimulation wurde erreicht, indem

das Versuchtier mit seiner Fixationshalterung und den Mikromanipulatoren samt

Elektrodenvortrieb in der Plexiglashalbkugel um 45° in seiner Körperlängsachse nach

rechts geneigt wurde. Dabei tauchte das zu stimulierende rechte Auge vollständig in das

Wasser. Das obere Drittel des rechten dorsalen Gesichtsfeldes konnte nicht innerhalb des

Wassers stimuliert werden.

Bisherige Untersuchungen zum optokinetischen System der Fische wurden an Tieren in

horizontaler Schwimmlage durchgeführt. (Easter, 1972; Easter & Schmidt, 1977; Kunkel,

1988; Dieringer et al., 1992; Keng & Anastasio, 1997; Easter & Nicola, 1997; Fritsches &

45


Marschall, 2002). Diese Untersuchungsmethode birgt Nachteile. Die limitierenden

Faktoren sind die Grenzfläche zwischen den Medien Wasser und Luft (Wasseroberfläche),

sowie die Glaskanten der Aquarien, die eine homogene Ganzfeldreizung stören können.

An der Wasseroberfläche und den Glaskanten der kubusförmigen Aquarien werden die

Lichtstrahlen der optischen Stimulation gebrochen. Dadurch erfährt an dieser Grenzfläche

das Reizmuster diskontinuierliche Geschwindigkeiten.

Um eine möglichst hohe Erfolgsrate der elektrophysiologischen Experimente zu erreichen,

mussten die Ableitorte reproduzierbar sein. Das Fehlen einer stereotaktischen Apparatur

für Fische und eines Gehirnatlanten wurde durch die Tatsache, dass bei den adulten

Versuchstieren eine altersunabhängige Größenkonstanz der Gehirne auftrat, kompensiert.

Aufgrund der Retinotopie des TeOs konnten die RF der ON/OFF Zellen aus dem Stratum

opticum als zusätzliche Orientierungshilfe zur Lokalisation richtungsselektiver Neurone

genutzt werden.

4.2 Elektrophysiologische Ableitungen im Praetectum Mit elektrophysiologischen Untersuchungsmethoden sollte in der vorliegenden Arbeit der

Fragestellung nachgegangen werden, ob es im Praetectum zweier verschiedener Teleostei -

Arten Neurone gibt, die eine Richtungsselektivität für großflächige, horizontal bewegte

visuelle Stimuli besitzen und ob diese Neurone an der Generierung der langsamen

Folgephase der Augen während des horizontalen OKNs beteiligt sein könnten.

Mindestens zwei wichtige funktionelle Kriterien müssen dafür erfüllt sein:

- Richtungsselektivität von Neuronen ist dadurch definiert, dass ein Neuron mit einer

starken, anhaltenden Entladung reagiert, wenn ein Reiz in einer bestimmten Richtung

durch sein rezeptives Feld bewegt wird (Vorzugsrichtung). In entgegengesetzter

Reizrichtung (Nullrichtung) kann nur eine geringe oder keine reizabhängige Aktivität

ausgelöst werden kann (Barlow et al., 1964; Barlow & Levick, 1965).

- Große rezeptive Felder der richtungsselektiven Neurone sind notwendig, um

ausschliesslich auf großflächige Bildverschiebungen reagieren zu können. Störeinflüsse,

wie z.B. die Bewegung von kleinen Objekten, müssen unterdrückt werden, da sie sonst den

46


Stabilisierungsvorgang des visuomotorischen Systems erheblich unterbrechen würden

(Howard, 1993).

Diese Charakteristika dienten anfangs als Suchkriterien, mit denen die

elektrophysiologischen Untersuchungen im Praetectum von Salmo gairdneri und Esox

lucius zum Auffinden richtungsselektiver Neurone durchgeführt wurden.

4.2.1 Richtungsselektive Neurone Zu Beginn der elektrophysiologischen Untersuchungen wurden mit Hilfe eines

Penetrationsrasters Ableitungen im Praetectum durchgeführt. Dabei wurden im rostro -

medialen Bereich Zellen lokalisiert, die eine ON- bzw. OFF- Charakteristik und rezeptive

Felder von 6 bis 12° Sehwinkel Durchmesser im frontalen Gesichtsfeld aufwiesen. In

angrenzenden Ableitbereichen konnten Neurone mit grossen RF, die auf bewegte kleine

und grosse Lichtpunkte reagierten lokalisiert, werden. Diese Neurone waren alle nicht

richtungsselektiv. Eine genaue Zuordnung zu bekannten visuellen praetectalen

Kerngebieten gestaltete sich aufgrund widersprüchlicher Neuroanatomie als schwierig

(Finger, & Karten, 1978; Allum et al., 1981; Vanegas & Ito, 1983; Ito & Murakami, 1984;

Fite, 1985; Butler et, al., 1991; Rupp et al., 1996). Diese anfänglichen Befunde wurde in

weiteren Experimenten bestätigt und dienten als zusätzliche Orientierungshilfe zum

Auffinden der richtungsselektiven Neurone.

Die weiteren Ergebnisse belegen eindeutig die Existenz visueller richtungsselektiver

Zellen im Praetectum beider untersuchten Fischarten. Diese wurden zunächst mit

horizontalen Bewegungsreizen identifiziert. Das im Ergebnisteil I. 3.2 als Beispiel

vorgestellte richtungsselektive Neuron von Salmo gairdneri war sehr gering bis gar nicht

spontanaktiv (< 4 Hz). Mit einer nach nasal verlaufenden Stimulationsrichtung konnte zu

Beginn eine kurzzeitige, phasische (40 – 80 ms) Antwort gefolgt von einer über die

verbleibende Stimulationsphase tonischen Reizreaktion auf den präsentierten visuellen

Stimulus ausgelöst werden (Vorzugsrichtung). In einer nach temporal verlaufenden

Stimulusrichtung hingegen entsprachen die Entladungsraten der jeweiligen

Spontanaktivität (Nullrichtung). Die kurzzeitige phasische Komponente mit Einsetzen der

Bewegung trat auch in dieser Reizrichtung auf (Abb. I. 3.4).

47


Im Vergleich dazu zeigten die richtungsselektiven Neurone von Esox lucius stets eine

höhere Spontanaktivität (> 10 Hz). In der Vorzugsrichtung nach nasal wurden

erwartungsgemäß die höchsten Entladungsraten registriert. Wie bei Salmo gairdneri folgte

einer kurzzeitigen phasischen Entladung eine tonische Antwort. Dieses „movement onset“-

Verhalten mit Einsetzen des visuellen Bewegungsreizes ist bei beiden Fischarten gleich.

Bei visueller Stimulation in Nullrichtung trat bei Esox im Unterschied zu Salmo gairdneri

eine Inhibition auf (Abb. I. 3.6). Die Arbeitsweise dieses Neurons erfolgt also nach dem

„push-pull“ Prinzip. Beide Aktivierungsformen, rein exzitatorisch (Salmo gairdneri) und

„push-pull“ (Esox lucius), ermöglichen die Detektion einer Stimulusrichtung. Das „push-

pull“ Prinzip ermöglicht zusätzliche Modulationsmöglichkeiten der neuronalen Antwort

für nachgeschaltete Strukturen. Sie sind bei allen Vertebratenklassen in verschiedenen

Gehirnarealen, die der Analyse von Bewegungsrichtung im Raum dienen, zu finden, wie

z. B. im NOT und im nLM (Mammalia: Collewijn, 1975; Hoffmann & Schoppmann, 1975;

Hoffmann, 1985; Kato et al., 1986; Ibbotson, 2001; Amphibia: Katte & Hoffmann, 1980;

Montgomery et al., 1982; Lazar et al., 1983; Reptilia: Ariel, 1997; Ariel & Kogo, 2001;

Aves: Winterson & Brauth, 1985; Wylie & Frost, 1990).

4.2.2 Fanden die ersten Ableitungen tatsächlich im Praetectum statt? Die elektrophysiologischen Ableitungen im Praetectum erfolgten stets nach einer

Penetration durch das Tectum opticum. Für die Teleostei ist das TeO eine wichtige

neuronale Struktur. Sie ist retinotop organisiert, dient der photopischen und skotopischen

Wahrnehmung, der Analyse von Formen und Objekten und ist unter anderem auch an der

Visuomotorik beteiligt (Bathelt, 1970; Guthrie & Sharma, 1979; Douglas & Djamgoz,

1990; Herrero et al., 1998, 1999). Das retinotope Ordnungsprinzip zeigt sich bei den

Neuronen im Stratum opticum und Stratum griseum fibrosum et superficiale des TeOs.

Diese tektalen Zellen erhalten einen direkten Eingang von den Ganglienzellen der

kontralateralen Retina. Bei den meisten Teleosteern findet eine totale Überkreuzung des

Nervus opticus am Chiasma opticum statt. Ausnahmen stellen Osteoglossomorpha und

Clupeomorpha da (Repérant et al., 1982). Bei den Elopomorpha und den Euteleostei, zu

denen Salmo gairdneri und Esox lucius gehören, existieren nur wenige bilaterale

48


retinofugale Projektionen zum Gehirn. Die Terminalen der ipsilateralen Projektion liegen

im praeoptischen Areal oder ipsilateralen Bereichen des Thalamus und des TeO.

Allerdings existieren zu diesem Befund widersprüchliche Daten (Sas & Maler, 1986;

Wilms & Fritzsch, 1990, 1992).

Die Repräsentation der visuellen Welt auf der Retina erfährt auf dem Projektionsweg zum

TeO eine Drehung um 180°:

- ventrale Retinabereiche (dorsales Gesichtsfeld) werden im medialen Bereich,

- dorsale Retinabereiche (ventrales Gesichtsfeld) im lateralen Bereich,

- temporale Retinabereiche (nasales Gesichtsfeld) im rostralen Bereich und

- nasale Retinabereiche (temporales Gesichtsfeld) im caudalen Bereich des TeO

repräsentiert.

Die rezeptiven Felder (RF) der tektalen Neurone, sind abhängig von der Exzentrizität,

klein (< 1° Sehwinkel) bis mittelgroß (bis ca. 15° Sehwinkel). Kleine RF befinden sich in

den Bereichen der Retina mit hohen Ganglienzelldichte wie z.B. im horizontalen Streak,

der Area centralis oder der Fovea. Die mittelgroßen bis großen RFs sind mehr in den

peripheren Bereichen der Retina zu finden (Schwassmann, 1968; Schwassmann & Krüger,

1970).

Mit Elektrostimulationen im TeO können schnelle und langsame, konvergente und

divergente Augenbewegungen, sowie unterschiedlich stark ausgeprägte

Schwimmbewegungen und eine Kombination aus Augen- und Rumpfbewegung ausgelöst

werden. Selbst komplexe Verhaltensmuster wie der Fluchtreflex können mit dieser

Methode erzeugt werden (Guthrie & Banks, 1978; Salas et al., 1997; Herrero et al., 1998).

Das Auslösen von Augen- und Rumpfbewegungen ist abhängig von der verwendeten

Stromstärke, der Impulsdauer und dem Stimulationsort im TeO. Der tektale Penetrationsort

befand sich bei Salmo gairdneri und Esox lucius in einem ca. 500 µm x 500 µm großen

Bereich im medio - rostralen TeO. Elektrostimulationen am Goldfisch würden in diesem

Bereich kontraversive Augenbewegungen auslösen (Herrero et al., 1999). Besteht die

Möglichkeit, dass im TeO abgeleitet wurde? Wie kann das Praetectum neurophysiologisch

vom TeO abgegrenzt werden? An dem Ableitort, an dem die richtungsselektiven Neurone

von Salmo gairdneri gefunden wurden, befanden sich die RF im darrüberliegenden TeO in

einem Azimutbereich von 80° bis 90° und einer Elevation von 35° bis 45° bezogen auf die

verlängerte Körperlängsachse.

49


Die RF von Esox lucius befanden sich mehr im frontalen Gesichtsfeld, nämlich bei 35° bis

45° Azimut und 20° bis 30° Elevation. Für beide Fischarten konnte eine RF - Größe von

ca. 3,5° Sehwinkel bestimmt werden. Die RF - Größen der richtungsselektiven Zellen von

Salmo gairdneri und Esox lucius hingegen waren mit > 20° Sehwinkel erheblich größer

und unterscheiden sich damit deutlich von den RF des TeO. Sie gleichen in ihrer RF -

Grösse und der Verteilung im Gesichtsfeld den NOT und nLM Neuronen der anderen

Vertebratenklassen (Mammali: Collewijn, 1975; Ballas & Hoffmann, 1985; Aves: Gioanni

et al., 1983; Reptilia: Ariel & Kogo, 2001; Amphibia: Katte & Hoffmann, 1980).

Es ist daher auszuschliessen, dass die Ableitungen der richtungsselektiven Neurone im

TeO erfolgten. Zusätzlich darf nicht ausser Acht gelassen werden, dass sich die optische

Schicht des TeOs in einer Ableittiefe von 250 µm bis 400 µm befand, während die

Ableitungen der richtungsselektiven Neurone in Tiefen von 1600 µm bis 2400 µm

erfolgten. Ein endgültiger Beweis ist das nicht, da das Tectum opticum beim Fisch

halbkreisförmig ist und gerade im rostralen Bereich die optische Schicht kreisförmig

verläuft. Einen genauen Aufschluss über den Ableitort liefert die anatomische

Rekonstruktion mit Hilfe von Mikroläsionen an Ableitstellen richtungsselektiver Neurone.

Die Mikroläsionen befanden sich bei Salmo gairdneri im medio - dorsalen Bereich des

Praetectums. Weiter rostral befanden sich die Läsionen bei Esox lucius. Die Position der

Läsion bei beiden Fischarten war eindeutig nicht im TeO. Damit wird gezeigt, dass die

Ableitungen im Praetectum stattfanden.

Diese ersten Ergebnisse verdeutlichen, dass sich die horizontal richtungsselektiven Zellen

von Salmo gairdneri und Esox lucius im Praetectum befanden und grundsätzlich die

Fähigkeit besitzen, visuelle Stimuli in einer Reizrichtung von temporal nach nasal

(ipsiversiv zum Ableitort) eindeutig zu selektieren. Damit würden diese Neurone von

Salmo gairdneri und Esox lucius die erste und zweite Anforderung zur

Richtungsselektivität sowie zur Größe und Lage der rezeptiven Felder erfüllen.

50


4.3 Richtungspräferenz richtungsselektiver Neurone Richtungsselektive Neurone des NOT und nLM, die an der Ausführung der langsamen

Augenfolgebewegung des OKNs, dem OKR beteiligt sind, besitzen keineswegs

ausschließlich horizontale Richtungspräferenzen (Fan et al., 1995). Das

Richtungsverhalten solcher Neurone kann mit Einführung weiterer Stimulationsrichtungen

näher untersucht werden. Die Verwendung von sechs zusätzlichen Stimulusrichtungen

(oben ↔ unten (90°↔270°), sowie nasal - oben ↔ temporal - unten (45°↔225°) und

nasal - unten ↔ temporal - oben (315°↔135°)), ermöglichte die Bestimmung der

Richtungspräferenz dieser Neurone in Form von Tuning - Kurven, sowie den

Vorzugsrichtungsvektoren. Für die gezeigten Beispielzellen beider Fischarten ergab sich

eine horizontale, nach nasal verlaufende Richtungspräferenz in einem Winkelbereich von

45° bis 315°. Aufgrund dieser Vorzugsrichtung (ipsiversiv zum Ableitort) sind diese

Neurone vergleichbar mit richtungsselektiven Zellen im optokinetischen System der

anderen Vertebratenklassen und zwar mit dem nLM der Amphibia, Reptilia, und Aves und

mit dem NOT der Mammalia (Aves: Winterson & Brauth, 1985; Reptilia: Schröder, 1981;

Amphibia: Cochran et al., 1984; Katte & Hoffmann, 1980; Montgomery et al., 1985;

Mammalia: Collewijn, 1975; Hoffmann & Schoppmann, 1975; Mustari & Fuschs, 1990).

In beiden Kerngebieten konnte klassenübergreifend genau diese ipsiversive

Vorzugsrichtung der richtungsselektiven Neurone gezeigt werden, die an der langsamen

horizontalen Augenfolgephase beim horizontalen optokinetischen Reflex (hOKR) beteiligt

sind. Der NOT und der nLM sind die primären visuomotorischen Schaltstationen im

horizontalen optokinetischen System.

Damit stehen die anfänglichen Befunde von Salmo gairdneri und Esox lucius im Einklang

mit den Ergebnissen an anderen Vertebratenklassen und erhöhen die Wahrscheinlichkeit,

dass diese richtungsselektiven Neurone zum primären neuronalen Schaltkreis des OKR der

Knochenfische gehören. Insgesamt konnten 72 Neurone von Salmo gairdneri und 49

Neurone von Esox lucius während der elektrophysiologischen Untersuchungen im

Praetectum abgeleitet werden, die eine Richtungsselektivität aufwiesen. Diese wurden mit

der zuvor angewendeten Auswertungsmethode, der Tuning – Kurven - Berechnung und der

Vorzugsrichtungsbestimmung näher quantifiziert. Die Ergebnisse zeigen, dass nicht nur

ein horizontal ipsiversiv verlaufender visueller Stimulus von diesen richtungsselektiven

51


Neuronen beider Fischarten kodiert wird, sondern mindestens alle acht präsentierten

Stimulusrichtungen.

Weiterführend stellte sich die Frage nach dem präzisen Tuning dieser Zellen. Die

signifikanten Ergebnisse aus der zirkulären Statistik (p < 0,001) belegen eindeutig für 63

der ursprünglich 72 Neurone von Salmo gairdneri und 43 von 49 Neurone von Esox lucius,

dass alle Raumrichtungen von diesen richtungsselektiven Neuronen kodiert werden

können. Damit wurde gezeigt, dass innerhalb eines begrenzten praetectalen Areals

richtungsselektive Zellen lokalisiert sind, die horizontale und vertikale

Stimulationsrichtungen kodieren.

Dies ist ein überraschendes Resultat, da in allen bisher untersuchten Vertebratenklassen

eine Segregation der Vorzugsrichtungen richtungsselektiver Neurone, die an der

Ausführung des OKRs beteiligt sind, in verschiedene Kerngebiete des Praetectums und des

AOS nachgewiesen wurde. Bei Amphibia, Reptilia und Aves wurde, wie bereits erwähnt,

der praetectale nLM identifiziert. Die richtungsselektiven Neurone dieses Kerngebietes

kodieren eine ipsiversive Stimulusrichtung, d. h., ein dem rechten Auge präsentiertes

großflächiges Reizmuster, das nach links verläuft, aktiviert die richtungsspezifischen

Zellen im linken nLM. Ein nach rechts bewegtes Reizmuster aktiviert den rechten nLM.

Damit sind die zwei horizontalen Raumrichtungen im linken und rechten nLM

repräsentiert (Winterson & Brauth, 1985; Natal & Britto, 1987; Kogo et al., 1998).

Die Bedeutung des nLM für die Ausführung des OKR dokumentieren Untersuchungen an

Amphibien (Rana spec.) unter vergleichbaren visuellen Stimulationsbedingen, wie sie auch

in dieser Arbeit verwendet wurden (Katte & Hoffmann, 1980; Fite et al., 1989).

Weitere Unterstützung fanden diese Befunde durch Studien, in denen die Auswirkung von

Läsionen auf die langsame Augenfolgephase des hOKR untersucht wurde. Frösche führen

im allgemeinen eher Kopfbewegungen als Augenbewegungen aus. Tiere mit nLM – Läsion

zeigten spontane Kopfbewegungen kontraversiv zum Läsionsort. Auffällige Defizite bei

der Präsentation vertikaler visueller Reize konnten nicht registriert werden (Montgomery et

al., 1982; Lázár et al., 1983). Entsprechende Resultate ergaben elektrophysiologische

Experimente am nLM bei Reptilia (Fan et al., 1995) und Aves ( Gioanni et al.,1983;

Winterson & Brauth, 1985; Wylie & Frost, 1990; Wylie et al., 1996; Fu et al., 1997).

52


Der nLM wird aufgrund seiner Lage im Praetectum und der funktionellen Eigenschaften

seiner Neurone als vergleichbare Struktur zum praetectalen NOT der Mammalia

angesehen. Bei Säugern beeinflussen zusätzlich Efferenzen des visuellen Cortex die

Bildverschiebungsneurone des NOT (Hoffmann & Schoppmann, 1975; Pereira et al.,

2000; Hoffmann & Fischer, 2001, Distler et al., 2002). An verschiedenen Säugerspezies

(Kaninchen, Ratte, Frettchen, Katze, Affe) wurden Richtungsselektivität, Richtungstuning

und Aktivitätsprofil der NOT Neurone untersucht (Collewijn, 1975; Hoffmann &

Schoppmann, 1975; Hoffmann, 1985; Kato et al., 1986; Schiff et al., 1990; Soodak &

Simpson, 1988). Die Befunde dieser Studien deuten auf eine große Konstanz dieser

visuomotorischen Struktur hin.

Vertikale optokinetische Augenbewegungen werden über die visuellen Arealen des

akzessorischen optischen Systems (AOS) ausgelöst. Dazu gehören der im Mesencephalon

lokalisierte Nucleus of the basal optic root (nBOR) in den Klassen Amphibien, Reptilien

und Vögeln und der mediale terminale Nukleus (MTN) und der laterale terminale Nukleus

(LTN) der Mammalia (Tan et al., 1993; Van der Togt et al., 1993; Schmidt et al., 1998),

die wie nLM und NOT retinalen Eingang vom kontralateralen Auge erhalten. Im nBOR

gelang es, Zellen zu identifizieren, die selektiv auf vertikale Reizbewegungen reagieren

(Cochran et al., 1984; Katte & Hoffmann, 1980; Lazar et al., 1983). In diesen Arbeiten

konnte weiterhin gezeigt werden, dass die im nBOR lokalisierten, horizontale Bewegungen

kodierenden, richtungsselektiven Neurone keinen bzw. sehr geringen Einfluss auf den

horizontalen OKN haben. Diese Ergebnisse wurden durch Läsionen im nBOR mit

anschliessenden Verhaltensexperimenten bestätigt (Lazar, 1989). Vielmehr scheinen die

horizontal kodierenden Neurone im nBOR einen modulatorischen Einfluss auf die

richtungsselektiven Neurone des nLM zu besitzen (Montgomery et al., 1982; Fite et al.,

1989).

Bei den Reptilien und Vögeln wurden die richtungsselektiven Eigenschaften der nBOR

Neurone bestätigt (Reptilia: Ariel et al., 2001; Fan et al., 1995; Kogo et al., 1998; Bruns &

Wallmann, 1981, Aves: Wylie & Frost, 1990; Wylie, 2001). In der Populationsanalyse

konnten in diesen Studien drei kartesische Richtungen gezeigt werden, die von diesen

Neuronen kodiert werden: vertikal nach oben, vertikal nach unten sowie eine horizontal

kontraversive Richtung. Damit stellt der nBOR eine Mischform der Säugeräquivalente

NOT und MTN / LTN dar. Trotzdem wird der nBOR als eine dem MTN und dem LTN der

53


Säuger vergleichbare Struktur angesehen. Innerhalb des MTN / LTN konnten jedoch nur

richtungselektive Zellen für vertikale Reizbewegung lokalisiert werden (Soodak &

Simpson, 1988; Matsuo & Cohen, 1984), die aber sonst in ihren charakteristischen

Eigenschaften mit den richtungsselektiven Neuronen des nBOR vergleichbar sind. Bei den

Säugern tritt eine Trennung der visuellen Informationsverarbeitung für horizontale (NOT)

und vertikale (MTN / LTN) Stimuli im visuomotorischen System auf (Grasse & Cynader,

1988).

Werden die unterschiedlichen Raumrichtungen von einer unterschiedlichen Anzahl

richtungsselektiver Neurone bei den von mir untersuchten Fischarten kodiert? Das

Ergebnis dieser Untersuchung ergab für Salmo gairdneri ein eindeutiges Nein. Mit einem

p = 0,154 konnte mit Hilfe des Chi2-Testes keine signifikante Ungleichverteilung in der

Anzahl horizontal und vertikal kodierender Neurone festgestellt werden.

Für Esox lucius hingegen wurde ein Wert von p < 0,05 ermittelt. Hier kodieren mehr

Neurone die horizontale Stimulusrichtung als die vertikale.

4.4 Praetectale richtungsselektive Neurone und optokinetisches

Verhalten Wie können aus den bisher gewonnenen Erkenntnissen Rückschlüsse auf die

Eigenschaften des monokularen horizontalen optokinetischen Reflexes (mhOKR) gezogen

werden, bzw. kann anhand der Verteilung der Vorzugsrichtungen der praetectalen Neurone

eine Symmetrie bzw. Asymmetrie des mhOKR erklärt werden?

Unter Laborbedingungen kann durch visuelle Ganzgesichtsfeldstimulation der horizontale

optokinetische Nystagmus (hOKN) ausgelöst werden. Dieser besteht aus zwei Phasen in

alternierender Abfolge. Einer langsamen Phase in der die Augen der retinalen

Bildverschiebung folgen (OKR) und einer zweiten Phase mit einer Rückstellsakkade

(schnelle Augenbewegungen), die die langsame Augenfolgephase unterbricht und die

Augen zur Startposition zurückführt. Unter binokularen Stimulationsbedingungen zeigen

die meisten der bis jetzt untersuchten Spezies einen symmetrischen hOKR, d.h. die Güte

bzw. das gain (Quotient der Augenfolgegeschwindigkeit durch die Reizgeschwindigkeit)

54


der langsamen Augenfolgephase ist in temporo - nasaler (T-N) und naso - temporaler

(N-T) Richtung gleich. Bei monokularer Stimulation tritt bei vielen untersuchten Tierarten

(z. B. Kanninchen, Maus, Ratte) ein asymmetrischer hOKR auf. Das gain des OKRs ist in

temporo - nasaler Reizrichtung höher als in naso - temporaler. Diese Befunde können mit

den Theorien von Tauber & Adkins (1968) und Van Hof-Van Duin (1976) erklärt werden.

Für einen symmetrischen OKR ist ein grosses binokulares Gesichtsfeld, eine Foveation

und der Dekussationgrad des Nervus opticus relevant. Je mehr Fasern des Nervus opticus

kreuzen umso asymmetrischer wird der OKR.

Fische können optokinetische Augenbewegungen ausführen, die denen der Säuger und der

anderen Vertebratenklassen durchaus vergleichbar sind (Easter, 1972; Kunkel, 1988;

Dieringer et al., 1992; Klar, 1999; Fritschtes & Marshall, 2002).

Entsprechende Untersuchungen an Salmo gairdneri und Esox lucius zum mhOKN wurden

von mir in meiner Diplomarbeit (1999) durchgeführt. In dieser Arbeit konnte gezeigt

werden, dass Salmo gairdneri einen fast symmetrischen mhOKR bei niedrigen

Stimulusgeschwindigkeiten (< 14 °/s) zeigt. Mit zunehmender Reizgeschwindigkeit

(> 14 °/s) stellte sich eine Asymmetrie mit temporo - nasaler Vorzugsrichtung ein. Der

mhOKR von Esox lucius zeigte stets eine Asymmetrie mit naso - temporaler

Vorzugsrichtung.

Diese Verhaltensergebnisse stehen nicht im Einklang mit der oben genannten Theorie. Es

müssen andere Mechanismen greifen, wie z. B. die Anzahl der richtungsselektiven

Neurone die eine T-N oder N-T Richtung kodieren.

Für die Beantwortung der oben angeführten Fragestellung kamen nur richtungsselektive

Zellen in Betracht, die innerhalb von +/- 45° zur horizontalen Stimulationsrichtung eine

nach nasal (ipsiversiv) verlaufende Reizrichtung (45° bis 315°) oder eine nach temporal

(kontraversiv) verlaufende Reizrichtung (135° bis 225°) kodieren. Die Gruppenanalyse des

Chi2-Tests (ipsiversiv versus kontraversiv) ergab keinen signifikanten Unterschied für die

beiden horizontalen Stimulusrichtungen beider Versuchstiere. Dies steht im Einklang mit

den Ergebnissen aus den Verhaltensexperimenten für Salmo gairdneri, aber nicht für Esox

lucius. Eine naso - temporale Vorzugsrichtung des mOKRs kann anhand der Verteilung

richtungsselektiver Neurone nicht gezeigt werden. Von daher ist anzunehmen, dass nicht

nur die Verteilung der Neurone das alleinige Kriterium ist, um eine Symmetrie bzw.

Asymmetrie zu erklären.

55


Wenn nicht die Anzahl der Neuronen über eine Vorzugsrichtung des mhOKN entscheidet,

dann vielleicht die Aktivierungsstärke der abgeleiteten Neuronenpopulation. Die

Populationsantwort wurde durch Aufsummierung der Tuning - Kurven untersucht. Die

Tuningkurve zeigt den Richtungsbereich, durch den ein Neuron aktiviert wird. In der

Summe sollten sich daher eventuell bevorzugte Raumrichtungen der Neuronenpopulation

zeigen. Das Ergebnis zeigt für beide untersuchten Fischarten keine eindeutige

Bevorzugung einer Raumrichtung.

Eine Erklärungsmöglichkeit für diesen Befund besteht darin, dass, wie oben erwähnt, nicht

alle praetectalen richtungsselektiven Neurone zu den okulomotorischen Kernen projizieren

und damit auch nicht in ihrer Gesamtanzahl an der Generierung des OKR beteiligt sein

müssen. Mögliche weiterführende Projektionen könnten zum Beispiel zu der dorsalen

Kappe der Oliva inferior, zum Cerebellum, oder zu den Vestibulariskernen ziehen. Diese

Projektionen können dann zur Kalibrierung des vestibulo - okulären Reflex (VOR) genutzt

werden. Die Existenz solcher neuronalen Verbindungen wurde mannigfaltig in

entsprechenden Vertebratenklassen nachgewiesen und wird im zweiten Kapitel dieser

Arbeit detailliert diskutiert.

Eine genaue Klärung dieser Projektionswege an den untersuchten Fischarten kann nur eine

Methode erbringen, in der einzelne richtungsselektive Neurone markiert werden (z.B. mit

Neurobiotin), um die Lage der Terminalen im Gehirn genau bestimmen zu können (Pastor

et al., 1991; Suwa et al., 1999).

4.5 Geschwindigkeitsverhalten der richtungsselektiven Neurone

Bisher wurden nur die Bewegungsrichtungen mit einer konstanten Reizgeschwindigkeit

untersucht. Der verwendete Stimulus beinhaltet zwei Komponenten, die

Bewegungsrichtung und die Geschwindigkeit. Entscheidend für die Ausführung der

langsamen Augenfolgebewegung ist das Geschwindigkeitsverhalten der

richtungsselektiven Zellen, da visuelle Reize auch in natürlicher Umgebung

unterschiedlich schnell sein können. Die Reizgeschwindigkeit wird von

richtungsselektiven Neuronen des optokinetischen Systems über die Spikerate kodiert

(Collewijn, 1975; Hoffmann, 1985; Wylie & Frost, 1990; Winterson & Brauth, 1985).

56


Der Median von 16 richtungsselektiven Neuronen bei Salmo gairdneri zeigt ein

kontinuierliches Ansteigen der Spikerate bis zu einem Maximalwert bei einer

Stimulusgeschwindigkeit von 70°/s. Danach nimmt die Entladungsrate der Zellen stetig ab.

Die 11 untersuchten richtungsselektiven Neurone von Esox lucius erreichen ihre maximale

Spikerate bei einer Reizgeschwindigkeit von 20 °/s. Es folgt eine Abnahme der Rate bis

30 °/s Stimulusgeschwindigkeit. Diese Spikerate bleibt bis zur maximal getesteten

Reizgeschwindigkeit von 80°/s konstant.

Mit diesen Ergebnissen können zwei Gruppen von richtungsselektiven Neuronen gebildet

werden: bei Salmo gairdneri richtungsselektive Neurone, die hohe Geschwindigkeiten bis

60°/s kodieren können, und bei Esox lucius richtungsselektive Neurone, die auf geringe

Geschwindigkeitsänderungen mit einer starken neuronalen Aktivität reagieren. Beide

Gruppen sowie ihre Interaktionen wurden auch in den anderen Vertebratenklassen

beschrieben (Kogo et al., 1998; Ariel & Kogo, 2001).

Von besonderer Bedeutung scheint dies bei den niederen Vertebraten im Zusammenspiel

des nLM und nBOR unter Einbeziehung der richtungsselektiven retinalen Ganglienzellen

zu sein. Im nLM finden sich sog. „langsame“ richtungsselektive Neurone, im nBOR

„schnelle“ richtungsselektive Neurone (Wylie & Crowder, 2000. Die Modulation erfolgt

von nBOR Zellen inhibitorisch auf die Neurone des nLM und bezieht sich nicht nur auf

das Geschwindigkeitsverhalten der nLN Neurone sondern auch auf ihr Tuning – Verhalten.

Interessanterweise konnte das bei Esox lucius beschriebene „Push-Pull“ Prinzip an den

nLM und nBOR Neuronen nachgewiesen werden (Ariel & Kogo, 1998, 2001). Im Rahmen

dieser Untersuchungen wurde auch festgestellt, dass die Latenzzeiten der

richtungsselektiven Neurone mit 80 ms relativ lang sind. In diesem Zeitbereich lag auch

der Median der Latenzzeiten von Salmo gairdneri und Esox lucius. Mit diesem Ergebnis

kann kein direkter retinaler Eingang bewiesen werden, ist aber vergleichbar mit

Latenzzeiten anderer Vertebraten (Cochran et al., 1984; Klauer et al., 1990).

4.6 Lage der richtungsselektiven Neurone im Praetectum Die anatomische Rekonstruktion des Ableitortes ergab eine dorsale Position im medialen

Praetectum von Salmo gairdneri und Esox lucius, wobei sich das Areal von Esox lucius

57


ca. 300 µm weiter rostral im Praetectum befand. Dieser Ableitort kann mit

neuroanatomischen Untersuchungen an anderen Fischarten (Goldfisch, Zebrafisch,

Flussbarsch), sowie an Salmo gairdneri und an Esox lucius selbst nicht in Einklang

gebracht werden. Diese befanden sich im lateralen Bereich des Praetectums (Finger &

Karten, 1978; Fite, 1985; Butler et al., 1991).

Analog zu den Untersuchungen am optokinetischen System bei Säugern, Reptilien, Vögeln

und Amphibien wurden in der Überordnung Teleostei der Klasse Osteichthyes ebenfalls

zahlreiche Untersuchungen zur neuroanatomischen Identifizierung der beteiligten

Hirnstrukturen durchgeführt. Dies Studien dienten auch dem Versuch einer

Homologisierung von Hirnarealen einschließlich Praetectum und AOS zu anderen

Vertebratenklassen. Hauptsächlich wurden dazu Arten aus der Familie Cyprinidea

(Carassius auratus, Cyprinus carpio) und perciforme Arten untersucht.

Finger und Karten versuchten 1978, das AOS von Carassius auratus und Ictalurus

punctatus näher zu beschreiben und mit dem nLM bzw. nBOR anderer Vertebratenklassen

zu homologisieren. Dabei wurde ein großer Bereich des Praetectums zu einer Region

zusammengefasst, die von ihnen mit Areal P1/P2 bezeichnet wurde. Der Hauptgrund dafür

sind die Projektionen von P1 zum Cerebellum und den okulomotorischen Kernen.

Vanegas und Ito (1983) versuchten, das Areal P1 weiter zu differenzieren, und fanden

heraus, dass sich innerhalb des Areals P1 Zellen mit unterschiedlichen Morphologien

befinden. Dabei ordneten sie eine Neuronenpopulation mit großem Soma am anterioren

Pol von P1 der Area praetectalis zu, von der ebenfalls Projektionen zum Cerebellum und

zu den okulomotorischen Kernen führen. Sie beschreiben diesen Bereich des

Knochenfischgehirns als äquivalent zum akzessorischen optischen System anderer

Vertebraten. In weiteren Untersuchungen wurde diese eindeutige Zuordnung nicht bestätigt

(Sharma, 1972; Springer & Gaffney, 1981).

In neuroanatomischen Arbeiten, die sich auf das Praetectum und das AOS von Salmo

gairdneri und Esox lucius beschränken, ergaben sich erhebliche Unterschiede in der

Positionsangabe der Area praetectalis, sowie den Angaben zur Morphologie und den

efferenten Projektionen (Repérant et al., 1976; Fite, 1985; Butler et al., 1991). Eine genaue

Zuordnung der Kerne des AOS erweist sich als sehr schwierig und wird bis heute

kontrovers diskutiert.

58


Dies zeigt, dass mit neuroanatomischen Untersuchungen allein eine exakte Zuordnung von

Zellpopulationen bzw. Kerngebieten äußerst schwierig ist. Daraus begründet sich die

Vorgehensweise, mit elektrophysiologischen Methoden nach den neuronalen Grundlagen

optokinetischer Augenbewegungen im Praetectum und AOS von Salmo gairdneri und

Esox lucius zu suchen.

4.7 Topographische Organisation der Vorzugsrichtungen Die Hypothese einer möglichen topographischen Ordnung in dem dorsalen praetectalen

Areal ist nicht unbegründet. Dieses grundlegende Ordnungsprinzip findet sich in vielen

visuellen Arealen des Gehirns wie z. B. im Tectum opticum (Schwassmann, 1968;

Schwassmann & Krüger, 1970; Guthrie & Banks; 1978, Grover & Sharma, 1979).

Die Untersuchung wurde an vier Salmo gairdneri in vier unterschiedlichen caudo -

rostralen Positionen des richtungsselektiven Zellbereichs durchgeführt. Entlang der

Penetrationsspur wurden alle richtungsselektiven Neuronen analysiert, sowie ihre

Ableittiefe und Vorzugsrichtung bestimmt. Anschließend wurden Ableitort und

Vorzugsrichtung miteinander in Bezug gesetzt.

Das Ergebnis dieser Untersuchung stellt sich wie folgt dar:

Im rostralen Bereich des richtungsselektiven Areals wurden neben vertikalen Richtungen

kodierenden Neuronen nur Zellen mit einer temporo - nasalen Vorzugsrichtung gefunden.

Im mittleren Bereich des richtungsselektiven Areals wurden Neurone mit einer nasalen

oder temporalen Vorzugsrichtung abgeleitet. Im caudalen Bereich überwog die Anzahl von

Neuronen, die eine naso - temporale Reizrichtung bevorzugen.

Diese Befunde deuten auf eine räumliche Trennung von Neuronen unterschiedlicher

Vorzugsrichtung in diesem Kerngebiet hin. Falls der anteriore und der posteriore Teil des

Kerngebietes unterschiedliche Projektionen aufweisen, ließe sich damit möglicherweise

auch die Symmetrie bzw. Asymmetrie des mhOKR erklären.

Weitere Untersuchungen zu diesem Befund werden in II. Verhaltensexperimente dieser

Arbeit vorgestellt.

59

II. Verhaltensuntersuchungen 1. Einleitung

II. Verhaltensexperimente zum visuomotorischen

System von Salmo gairdneri

1. Einleitung Die elektrophysiologischen Experimente zur Identifizierung des neuronalen Substrats des

OKR an Salmo gairdneri und Esox lucius haben eindeutig gezeigt, dass bei den

Salmoniden neben horizontal verlaufenden, visuellen Stimuli auch vertikale Reize von den

richtungsselektiven Neuronen im dorsalen Praetectum kodiert werden.

Bei den Säugern werden horizontal bewegte optokinetische Stimuli im NOT, vertikal

bewegte Reize dagegen im LTN und MTN verarbeitet (Grasse & Cynander, 1988; Mustari

& Fuchs, 1989).

Auch Vögel, Reptilien und Amphibien besitzen zwei neuronale Strukturen für die

Verarbeitung verschiedener Stimulusrichtungen, nämlich den praetectalen Nucleus

lentiformis mesencephali (nLM), der eine horizontale ipsiversive Reizrichtung kodiert und

den Nucleus of the basal optic root (nBOR). Der nBOR beinhaltet richtungsselektive

Neuronenpopulationen, die neben vertikal verlaufenden Stimuli auch horizontale

kontraversive Reizrichtungen kodieren (Reptilia: Ariel, 1997; Amphibia: Katte &

Hoffmann, 1980; Aves: Wylie & Forst, 1990).

In Verhaltensexperimenten mit vertikal bewegten visuellen Reizmustern wurde bei allen

bisher untersuchten Tierarten eine Asymmetrie in der Güte der langsamen Phase des

vertikalen OKR nachgewiesen (Mammalia: Matsuo & Cohen, 1984; Bohmer & Baloh,

1990; Borel & Lacour, 1992; Fuchs, 1989).

Bei Menschen, Affen und Katzen wird eine aufwärts gerichtete Stimulusrichtung besser

kompensiert (Grasse & Cynander, 1988; Fuchs, 1989), während z.B. beim Huhn

abwärtsverlaufende Reize besser kompensiert werden (Wallman & Velez, 1985).

In der Überordnung Teleostei wurden bisher keine Verhaltensuntersuchungen zum

vertikalen OKR durchgeführt, obgleich dieser bei Bewohnern einer dreidimensionalen

Unterwasserwelt nicht unbedeutend seien dürfte. Eine vertikale Stimulationsrichtung

würde einer Rollbewegung über die Körperlängsachse des Fisches entsprechen.

60


Eine weitere Möglichkeit, einer retinalen Bildverschiebung entgegenzuwirken, wird von

dem vestibulo - okulären System bereitgestellt. Es dient der Detektion von translatorischen

Beschleunigungen und Drehbeschleunigungen des Kopfes bzw. des Körpers Ausgehend

von den drei Bogengängen im Innenohr, dem Canalis semicircularis lateralis, C.s. anterior

und dem C.s. posterior werden über nur drei synaptische Verbindungen die Augenmuskeln

angesteuert. Die Projektion führt von den Bogengängen ausgehend über den VIII.

Gehirnnerv (Nervus statoacusticus) zu den Vestibulariskernen, von dort weiter zu den

Augenmuskelkernen und anschließend zu den Augenmuskeln. Dieses System ist bei allen

Vertebraten inklusive der Teleostei (Graf et al., 1997, 2001) nachgewiesen.

Das vestibulo - okuläre und das optokinetische System interagieren miteinander, um eine

Optimierung der Bildstabilisierung auf der Retina bei unterschiedlichen Reizeinflüssen zu

erzielen. Der visuelle Weg führt, ausgehend von den Kernen des AOS, zur ipsilateralen

dorsalen Kappe der Oliva inferior und von dort über die Kletterfasern zum Cerebellum. Er

dient der Kalibrierung des vestibulo - okulären Reflexes (Ito et al., 1974; Ito, 1982). Ein

weiterer Pfad führt vom AOS zum Nucleus praepositus hypoglossi, der den visuellen

Eingang für die Vestibulariskerne liefert. Dies sind die zentralnervösen Bereiche, in denen

beide sensorischen Informationen, retinale und vestibuläre, miteinander verrechnet werden.

Untersuchungen am vestibulo - okulären System echter Knochenfische wurden

hauptsächlich am Goldfisch (Carassius auratus) mit und ohne visuelle Stimulation

ausschließlich in horizontaler Richtung durchgeführt (Schairer & Bennett, 1986; Pastor et

al., 1992; Graf et al., 1997; Mc Elligott et al., 1998). In diesen Verhaltensuntersuchungen

konnte stets eine Verbesserung des gains kompensatorischer Augenbewegungen des VOR

durch visuelle Stimulation gezeigt werden (Mc Elligott, 1988).

Über die Anordnung der Bogengänge werden alle Raumrichtungen kodiert. Das Ziel dieses

Teils der Arbeit ist die Untersuchung vertikaler Augenbewegungen an Salmo gairdneri, da

auch vertikale Bewegungen kodierende richtungsselektive Neuronen im Praetectum

identifiziert wurden.

Bei diesem komplexen sensomotorischen System drängt sich außderdem die Frage auf,

welche Folgen eine Teilzerstörung des praetectalen, richtungsselektiven Areals hat.

61


Mit unilateralen reversiblen Inaktivierungen oder Läsionen des NOT bzw. nLM konnten in

den unterschiedlichen Vertebratenklassen Veränderungen im optokinetischen Verhalten

aufgezeigt werden. Typischerweise zeigten Versuchstiere mit einer solchen Inaktivierung

Spontannystagmus, wobei die langsame Folgephase vom Läsionsort weggerichtet ist

(Mammalia: Hoffmann & Fischer; 2001). Bei Fröschen können zusätzlich Kopfnystagmen

beobachtet werden (Katte & Hoffmann, 1980; Fite, 1985). Bei visueller Stimulation sind

die Augenfolgebewegungen in ihrer Geschwindigkeit stark beeinträchtigt. Vergleichbare

Experimente wurden bei Knochenfischen bislang nicht durchgeführt.

Daraus ergeben sich folgende Fragestellungen, die an der Regenbogenforelle (Salmo

gairdneri) untersucht wurden.

1. Kann ein vertikaler OKR, der einer Rollbewegung um die Körperlängsachse

kompensiert, bei Salmo gairdneri ausgelöst werden?

2. Wie wirken sich unterschiedliche visuelle Reizbedingungen auf die kompensatorischen

Augenbewegungen des vestibulo - okulären Reflexes in vertikaler Stimulusrichtung

aus?

3. Welche Defizite beim mhOKR sind nach unilateraler Zerstörung des dorsalen

praetectalen Areals richtungsselektiver Zellen feststellbar?

62

II. Verhaltensuntersuchungen 2. Material & Methoden

2. Material und Methoden

2.1 Versuchstiere Die Verhaltensuntersuchungen wurden an insgesamt 17 Salmo gairdneri beiderlei

Geschlechts durchgeführt. Ihr Körpergewicht lag zwischen 180 bis 350 g. Die Herkunft der

Tiere und die Hälterungsbedingungen entsprechen den Angaben aus dem ersten Teil dieser

Arbeit. Die Untersuchungen zum vertikalen OKR wurden an drei Salmo gairdneri

durchgeführt. Ihr Alter betrug 15 bis 23 Monate. An acht weiteren Fischen in einem Alter

von 9 bis 14 Monaten fanden die Experimente zum vestibulo-okulären Reflex (VOR) statt.

Weitere sechs Tiere wurden in den Läsionsexperimenten untersucht.

2.2 Verhaltensexperimente

2.2.1 Kälte - Immobilisierung und Fixation Die Fische wurden in einen 15 Liter fassenden Styroporbehälter, der mit 4°C kaltem

Wasser gefüllt war, eingesetzt. Aufgrund der Poikilothermie trat die Kälteimmobilisierung

von Salmo gairdneri nach 30 bis 50 Minuten ein. Um Verletzungen der Fischschleimhaut

zu vermeiden, wurden die Fische anschließend bis auf die Kopf- und Kiemenregion mit

einem feuchten Zellulosepapier ummantelt und in eine Plexiglas - Fixationshalterung

eingesetzt.

Diese bestand aus einer Grundplatte (30 cm x 10 cm), an deren vorderem Ende sich eine

Maulhalterung mit einem integrierten Tubus befand. Die Maulhalterung diente der

Vermeidung von Kopfbewegungen während des Experiments. Über den Tubus wurde

sauerstoffangereichertes und temperiertes Wasser (12°C) mit einem Durchflussvolumen

von 300 ml pro Minute in das Maul der Fische zugeführt. Zwei bewegliche

Seitenhalterungen waren innenseitig mit Schaumstoff ausgekleidet und dienten der

Fixierung des Rumpfs, so dass die Fische in der Halterung bewegungsunfähig blieben.

63


2.2.2 Versuchsaufbau für die Verhaltensexperimente zum

optokinetischen und vestibulo - okulären Reflex Bei der Messapparatur zur Erfassung optokinetischer und vestibulo - okulärer

Augenpositionsänderungen handelte es sich um ein elektrisches Wechselmagnetfeld, das in

Anlehnung an Robinson (1963) nach dem Prinzip der Erzeugung einer Induktionsspannung

arbeitet. Im Inneren eines Kubus waren zwei Feldspulenpaare orthogonal zueinander

angeordnet und erzeugten ein annähernd homogenes, horizontales Wechselmagnetfeld mit

einer Frequenz von 35 kHz und ein vertikales Wechselmagnetfeld mit einer Frequenz von

17,5 kHz. Mit dieser Versuchsanordnung wird das Prinzip der magnetischen Induktion

genutzt, indem eine Messspule (Augenmessspule) in das Wechselmagnetfeldes eingebracht

wird, in dereine Induktionswechselspannung UInd(t) erzeugt wird.

dttBdBAAn

Ind tU )]([)),(cos()( •Φ••=

In der Gleichung steht B(t) für die mit der Trägerfrequenz modulierende, zeitabhängige

Größe des magnetischen Wechselfeldes, A(t) ist die Fläche der Spule, n die Zahl der

Spulenwindungen. Φ(A,B) bezeichnet den Winkel zwischen den Feldlinien des

Magnetfeldes und der Flächennormalen der Spule.

Zwei Spulensysteme unterschiedlicher Größe wurden verwendet.

A. Großes Spulensysteme mit den Maßen 80 x 80 x 80 cm (vOKR und mhOKR)

In den Kubus des Wechselmagnetfeldes wurde die opake Plexiglashalbbkugel (siehe

elektrophysiologisches Experiment) eingesetzt. Das Versuchstier befand sich in der

Fixationshalterung mit dem rechten Auge zentriert in der wassergefüllten Halbkugel.

Das in einem Abstand von 10 cm über dem Kopf zentrierte Planetarium projizierte ein

Zufallspunktemuster durch das Wasser auf die opake innere Oberfläche der

Plexiglashalbkugel. Zwischen dem Kopf des Versuchstieres und dem Planetarium

wurde eine Sichtblende eingesetzt, um visuelle Irritationen zu vermeiden.

In das gleiche Wechselmagnetfeld konnte auch eine Reiztrommel mit einem

Durchmesser von 70 cm und einer Höhe von 30 cm eingesetzt werden. Innenseitig war

diese mit einem schwarz-weißen Zufallspunktemuster ausgekleidet. Der Innenraum

wurde mit einer Glühbirne künstlich ausgeleuchtet. Das Versuchstier befand sich in

64


seiner Fixationshalterung, mit den Augen zentriert in der Mitte der Apparatur innerhalb

eines durchsichtigen wassergefüllten Plexiglasbeckens (Klar 1999).

B. Kleines Spulensystem mit den Maßen 30 x 30 x 30 cm (VOR)

Der Kubus des Spulensystems war über eine zentrierte Achse vertikal und horizontal

drehbar. Über eine durch einen Elektromotor angetriebene Exzenterscheibe, die mit

dem Magnetfeld verbunden war, konnten vertikale und horizontale sinusoidale

Drehbewegungen mit Auslenkungsamplituden von +/- 10° bei einer Frequenz von 0,1

Hz ausgeführt werden. Die Versuchstiere befanden sich kopfzentriert innerhalb des

Wechselmagnetfelds in einer mit der Drehachse verbundenen Fixationshalterung in

einer vollständig wassergefüllten Glasglocke. Um die Glasglocke herum befand sich

ein Zylinder, der innenseitig mit einem schwarz-weißen Zufallspunktemuster

ausgekleidet war und mit Kunstlicht beleuchtet werden konnte.

Der Aufbau wurde vervollständigt durch eine externe Wasseraufbereitungsanlage

bestehend aus einem Kryostaten, der eine gleichbleibende Wassertemperatur (12° C)

erzeugte, einer Membranpumpe zur Sauerstoffanreicherung des Wassers und einer

Wasserpumpe, die das aufbereitete Wasser wieder mit einer Flussrate von 300 ml/min über

den Tubus in das Maul der Versuchstiere zurückführte.

HFS2

VFS1

VFS2

HFS1

BA

Abb. II. 2.1: Schematische Darstellung der zwei Versuchsapparaturen zur Erfassung von Augenbewegungen.

In A ist das Wechselmagnetfeld zur OKR - Stimulation, in B das Wechselmagnetfeld zur VOR - Stimulation

dargestellt. HFS1 und HFS2 = horizontale Feldspulen, VFS1 und VFS2 = vertikale Feldspulen, PI =

Plexiglashalbkugel, P = Planitarium.

65


2.2.3 Reizmodalitäten

2.2.3.1 Vertikaler optokinetischer Reflex

Diese Verhaltensexperimente fanden in der Plexiglashalbkugel mit dem durch das

Planetarium generierten Zufallspunktemuster im großen Wechselmagnetfeld statt.

Untersucht wurden monokulare, horizontale optokinetische Augenbewegungen

(Kontrollexperiment) und monokulare / binokulare, vertikale optokinetische

Augenbewegungen. Die Stimulusgeschwindigkeiten betrugen 5, 10, 15, 20, 25 und 30 °/s.

Horizontal wurde in temporo - nasaler (T-N) und naso - temporaler (N-T) Richtung

stimuliert, die vertikale Reizung erfolgte nach oben und unten mit den gleichen

Reizgeschwindigkeiten.

2.2.3.2 Kompensatorische Augenbewegungen des vestibulo - okulären Reflexes

Die sinusförmige Drehbewegungen des Magnetfeldkubus mit dem Fisch in seiner

Fixationshalterung hatten in der vertikalen und horizontalen Stimulationsebene eine

Amplitude von +/- 10° bei einer Frequenz von 0,1 Hz.

Drei Stimulationsparadigmen wurden in beiden Stimulationsebenen untersucht:

A) Das Reizmuster drehte sich mit exakt der gleichen Geschwindigkeit in die gleiche

Richtung wie das Versuchstier, so dass keine Relativbewegung zwischen

Fischhalterung und Reiztrommel auftrat.

B) Das Reizmuster blieb stationär im Raum, während das Versuchstier sinusoidal

gedreht wurde.

C) Das Reizmuster drehte mit exakt der gleichen Geschwindigkeit gegen die

sinusoidale Drehrichtung des Versuchstieres, so dass die relative Bewegung von

Fisch und Reiztrommel eine Amplitude von 20° hatte.

Zum Vergleich wurden Experimente im Dunkeln mit Drehbewegungen in vertikaler und

horizontaler Stimulationsebene durchgeführt.

2.2.3.3 Monokularer horizontaler optokinetischer Reflex im Läsionsexperiment

Mit der Reiztrommel wurde der mhOKR untersucht. Das rechte Auge wurde mit einem

schwarz-weißen Zufallspunktemuster stimuliert. Dabei wurden Reizgeschwindigkeiten von

4, 9, 14, 18, 24, 28 und 32 °/s in naso - temporaler (N-T) und temporo - nasaler (T-N)

66


Richtung verwendet. Die Positionen des visuell stimulierten und des abgedeckten Auges

wurden aufgezeichnet.

Die Aufzeichnungsdauer in allen Verhaltensexperimenten betrug 30 Sekunden in der

steady – state - Phase der Stimulation. Die Abfolge der Geschwindigkeiten war stets

zufällig gewählt.

2.2.4 Messdatenerfassung, Analyse und Auswertung Den Versuchstieren wurde irritationsfrei eine Augenmessspule (∅ = 2 mm, 40 Windungen,

Eigenbau) mit einer parallelen Ausrichtung zu den horizontalen bzw. vertikalen

Magnetfeldlinien auf das Augenlid geklebt (Sekundenkleber, Patex).

Augenpositionsänderungen bewirkten eine Veränderungen der Induktionsspannung in der

Augenspule. Die Induktionsspannungsänderung wurde abgegriffen und in zwei LOCK - IN

Verstärker für die horizontale und die vertikale Komponente geleitet (Princeton Applied

Resarch, Model 128 A). Mit Hilfe der Referenzsignale der magnetischen Wechselfelder

wurde die Amplitude des Trägersignals aus dem induzierten Augenspulensignal

elektronisch bestimmt. Die unmodulierten Augenpositionssignale wurden dann über einen

parallel geschalteten Zweikanal-Kontrolloszillographen zu einem Computer (MAX DATA

386) mit einer A/D Wandlerkarte weitergeleitet. Mit der Computersoftware EYEMOVE

wurden die horizontalen und vertikalen Augenpositionssignale mit einer Rate von 100 Hz

aufgezeichnet. Die graphische Online-Darstellung der beiden Augenpositionssignale

erfolgte auf einem Monitor als Spannung (V) gegen die Zeit (ms).

Alle verwendeten Augenspulen wurden entsprechend der Versuchsbedingungen der

Verhaltensexperimente für das rechte und das linke Auge kalibriert. Dazu wurden die

Augenspulen an die exakte Augenposition der Versuchstiere innerhalb der

Wechselmagnetfeld - Messapparaturen gebracht. Für die OKR - Kalibrierungen wurden

die Augenspulen an einem Goniometer angebracht und nacheinander exakt in eine 10°

nasale - und 10° temporale horizontale Richtung, sowie in vertikaler Richtung 10° nach

oben und 10° nach unten gedreht. Zur Erstellung der VOR Kalibrierungssignale wurde die

67


Augenspule an der Fixationshalterung befestigt und der Kubus in vertikaler und

horizontaler Richtung gedreht. Diese Kalibrationsmessungen wurden mit EYEMOVE

aufgezeichnet und dienten als Berechnungsgrundlage der Augenpositionssignale.

2.2.4.1 Vertikaler und horizontaler optokinetischer Reflex

Eine in MATLAB (The MathWorks, Inc., Version 5.3.1 (R11.1)) programmierte

Analysesoftware errechnete aus den aufgezeichneten Augenpositionssignalen

entsprechende Geschwindigkeitssignale. Sakkadische Augenbewegungen zeichnen sich

durch ihre hohen Geschwindigkeiten aus. Sie konnten durch eine variable

Geschwindigkeitsschwelle detektiert und eliminiert werden. Durch Integration wurde das

bearbeitete Augengeschwindigkeitssignal ohne die Sakkaden zurück in Positionssignale

transformiert. Über die Kalibrationsmessung der Augenspulen (+/- 10° Auslenkung)

erfolgte die Umrechnung der Augenpositionssignale in Grad (°).

Mit einer zeitlich seriellen Bearbeitung der Datenfiles wurden die Anfangs- und

Endzeitpunkte der Augenfolgebewegungen bestimmt, sowie die Anfangs- und Endwerte

der Augenpositionsamplituden (Grad). Damit konnten die Geschwindigkeiten aller

langsamen Augefolgephasen innerhalb der 30 s Aufzeichnungen berechnet und deren

Median ermittelt werden. Aus dem Geschwindigkeitsmedian und der entsprechenden

Reizgeschwindigkeit wurde durch Quotientenbildung das gain berechnet.

Weiterhin erstellte das Programm Daten über die Anzahl der Augenfolgebewegungen

innerhalb der 30 s Aufzeichnungen und den Median der Amplituden dieser

Augenfolgebewegungen.

2.2.4.2 Vestibulo-okulärer Reflex

Die quantitative Berechnung des gains der kompensatorischen Augenbewegungen während

des VORs wurde gleichfalls mit einer in MATLAB programmierten Routine durchgeführt.

Im ersten Schritt der Analyse wurde aus der ersten Ableitung der sinusförmigen

Augenpositionssignale das Geschwindigkeitssignal berechnet (d.h. ein Cosinus). Durch

eine anschließende schnelle Fourier-Transformation (FFT) wurden die

Geschwindigkeitssignale auf ihre Energie, Frequenzspektrum und Phasenverschiebung hin

untersucht.

68


Das periodische Leistungssignal sP(t) nimmt in einem endlichen Zeitintervall (0s bis 30s

Aufzeichnungsdauer) hohe Werte an. Damit hat das Signal eine ∞ hohe Energie E.

∫∞

∞−

∞⇒= dttsE P2)(

In der Spektralanalyse (die Signalaufzeichnungsrate betrug 100 Hz) wurde ein Bereich von

0 Hz bis 50 Hz in 0,1 Hz Schritten analysiert Die maximale Energiedichte trat bei 0,1 Hz

auf. Damit trat keine Frequenzverschiebung gegenüber der Stimulationsfrequenz auf.

Aufgetretene Seitenenergien +/- 0,1 Hz sind auf ein Signalrauschen zurückzuführen. Der

sakkadische Anteil befindet sich wegen seines hohen Geschwindigkeitsanteils in einem

Frequenzbereich > 50 Hz.

Die Energie des Maximums bei 0,1 Hz wurde in die Amplitude der zugehörigen

Schwingung umgerechnet (Quadratwurzel) und dann mit der Stimulusgeschwindigkeit

zum gain verrechnet.

Durch das Kontrollexperiment mit den paralysierten Versuchstieren wurde der apparative

Fehler des Messsystems bestimmt. Dieser Wert wurde von dem VOR - gain der

Augenbewegungen abgezogen. Die Normierung des gains erfolgte durch die Werte der

Kalibrierungsdatei, die einem gain - Wert von 1 entsprechen.

2.2.5 Statistische Verfahren zur Signifikanzbestimmung

2.2.5.1 Vestibulo - okulärer Reflex

Für die Ergebnisse der einzelnen Tiere wurde aus fünf Einzeltrials (je 30 s) eines

Stimulationsparadigmas der Mittelwert errechnet. Die Mittelwerte der jeweiligen

untersuchten Stimulationsparadigmen wurden mit dem parametrischen t-Test auf

signifikante Unterschiede überprüft. In die Gruppenanalyse gingen die Mittelwerte aller

untersuchten Tiere zu einem Stimulationsparadigma ein. Anschließend wurde mit Hilfe der

Ein – Wege - ANOVA (p < 0,05) auf signifikante Unterschiede der untersuchten

Stimulationsparadigmen einer Versuchsreihe getestet.

69


2.2.5.2 Läsionsexperiment

Veränderungen des gains der Augenfolgebewegungen in Bezug auf die

Stimulationsrichtungen wurden auf signifikante Unterschiede mit der Einwege - ANOVA

(p < 0,05) untersucht. Gleiches gilt für die Anzahl und Amplitudengrößen der

Augenfolgebewegungen.

Die statistischen Analysen erfolgten mit der Computersoftware SigmaStat© (SPSS Inc.,

Version 2.03).

2.3 Elektrophysiologisches Läsionsexpriment

2.3.1 Fischanästhesie und Präparation Die Anästhesie und Präparation der sechs untersuchten Salmo gairdneri entsprachen der in

I. 2.3 beschriebenen Vorgehensweise. Ein Unterschied bestand in dem nicht vollständigen

Entfernen des Haut - Muskelgewebes im Kopfbereich. Es blieb über den Zeitraum des

elektrophysiologischen Experiments an der lateralen Seite erhalten.

Im Anschluss an die elektrophysiologische Lokalisation des praetectalen Areals und die

Läsion wurde die Schädelöffnung wieder verschlossen. Ein genau auf die Öffnung

angepasstes steriles Stück Paraplast wurde mit Gewebekleber (Braun) am Knochen plan

und möglichst wasserdicht aufgeklebt. Anschließend wurde das zu Versuchsbeginn

erhaltene Haut-Muskelgewebe wieder in die Wundöffnung eingesetzt. Der vollständige

und wasserabweisende Verschluss der Wunde erfolgte abschließend mit Gewebekleber.

Die Wunde wurde mit Lokalanästhetikum Xylonest® versorgt. Anschließend erfolgte das

Ausleiten der MS-222 Narkose. Die unterstützende Beatmung wurde erst eingestellt,

nachdem der Fisch selbständig und gleichmäßig Kiemenbewegungen ausführte. Dies

geschah ca. 3 - 4 Stunden nach dem Wundverschluss.

70


2.3.2 Versuchaufbau und Versuchsdurchführung Der Versuchsaufbau zur Lokalisation praetectaler richtungsselektiver Neurone und der

visuelle Stimulationsmodus entsprach den in I. 2. 4 beschriebenen Bedingungen.

Die elektrolytischen Mikroläsionen erfolgten mit den glasisolierten Wolframdraht-

Ableitelektroden. Über eine netzunabhängige Stromversorgung (A-M Systems, Model

2100) wurde 30 Sekunden lang ein Strom von 10 µA (Elektrodenspitze positiv) erzeugt.

2.3.3 Bestimmung der neuronalen Richtungscharakteristik Die Auswertung der Tuning - Kurven richtungsselektiver Zellen und die statistische

Berechnung der Richtungsvektoren erfolgte mit MATLAB (I. 2.7).

2.3.4 Histologische Lokalisation des Läsionsortes Die Fische wurden mit einer Überdosis MS-222 (5%) eingeschläfert. Danach wurden die

Tiere mit 4% Formol in 0,1 M Phosphatpuffer transcardial perfundiert. Von den Gehirnen

wurden 50 µm dicke Gefrierschnitte angefertigt. Nach der Nissl - Färbung wurden die

Läsionsorte mit einem Zeiss Mikroskop (AXIOSKOP) lokalisiert und mit einer Zeiss

Digitalkamera (Axiocam color, 412-312) fotografiert.

71

II. Verhaltensuntersuchungen 3. Ergebnisse

3. Ergebnisse

3.1 Untersuchungen zum vertikalen optokinetischen Reflex an

Salmo garidneri Zu Beginn dieser Verhaltensuntersuchungen wurde der monokulare horizontale

optokinetische Reflex (mhOKR) zur Überprüfung der Messapparatur und des gewählten

visuellen Stimulus untersucht. Hierzu wurde den Versuchstieren das vom Planetarium

generierte Zufallspunktemuster innerhalb der opaken Plexiglashalbkugel in tempero -

nasaler (T-N) und naso - temporaler (N-T) Stimulusrichtung mit den Reiz-

geschwindigkeiten 5, 10, 15, 20, 25, 30 und 35 °/s monokular (rechtes Auge) präsentiert.

Die Abbildung II. 3.1 zeigt exemplarisch den mhOKN während der steady – state - Phase

von Sg 2 in temporo - nasaler Reizrichtung. Dargestellt sind die Amplituden der

zeitabhängigen Augenpositionsveränderung in Grad. Die horizontalen Augenbewegungen

(schwarz) bestehen in alternierender Abfolge aus langsamen Augenfolgephasen und

schnellen Rückstellsakkaden. In rot ist das zeitgleich aufgezeichnete, vertikale

Augenpositionssignal gezeigt. Stimuliert wurde mit einer konstanten Geschwindigkeit von

10 °/s, die Aufzeichnungsdauer betrug 30 Sekunden.

T-N N-T

Abb. II. 3.1: Horizontales und vertikales Augenpositionssignal des rechten Auges von Versuchtier Sg 2. Nur

das rechte Auge wurde visuell mit einer Reizgeschwindigkeit von 10 °/s in T-N Reizrichtung stimuliert.

Aufgetragen ist die Amplitude der horizontalen (schwarz) und vertikalen (rot) Augenpositionsänderung in

Grad gegen die Aufzeichnungsdauer in Sekunden.

72


Innerhalb der 30 Sekunden dauernden Aufzeichnung traten 29 horizontale

Augenfolgebewegungen auf, deren Geschwindigkeit im Median 9,2 °/s betrug. Das

vertikale Augenpositionssignal zeigte eine geringe Amplitudenveränderung von < 0,6°.

In der Abbildung II. 3.2 ist das gain von Sg 1, Sg 2 und Sg 3 in Abhängigkeit von der

untersuchten Reizgeschwindigkeit und Stimulusrichtung dargestellt.

monokularer horizontaler OKR

Stimulusgeschw indigkeit [°/s] und Reizrichtung

35 30 25 20 15 10 5 0 5 10 15 20 25 30 35

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0 Sg1Sg2Sg3

gain

naso-temporaltemporo-nasal

Abb. II. 3.2: Das gain des mhOKRs als Funktion der Stimulusgeschwindigkeit in T-N und N-T Reizrichtung

bei den Versuchtieren Sg 1, Sg 2 und Sg 3.

In temporo-nasaler Reizrichtung nimmt das gain von Sg 2 und Sg 3 bei einer

Reizgeschwindigkeitserhöhunh von 5 °/s nach 10 °/s zu. Die Werte steigen von 0,83 auf

0,92 bzw. von 0,81 auf 0,87. Mit weiterer Zunahme der Reizgeschwindigkeit fällt das gain

bis auf 0 bei 30 °/s ab. Sg 1 zeigt eine stetige Abnahme des gains mit Erhöhung der

Reizgeschwindigkeit.

In naso - temporaler Stimulusrichtung nimmt das gain für alle Versuchstiere von ca. 0,74

bei einer Reizgeschwindigkeit von 5 °/s kontinuierlich bis auf einen Wert von 0 bei 30 °/s

ab.

Mit diesem Ergebnis kann eindeutig gezeigt werden, dass an den drei untersuchten Salmo

gairdneri ein mhOKN auslösbar ist. Weiter kann die fehlerfreie Funktion der

Messapparatur und die Wahl eines adäquaten visuellen Reizes, der auch im

elektrophysiologischen Teil Verwendung fand, belegt werden.

73


Im Anschluss wurde an den gleichen Versuchstieren (Sg 1 bis Sg 3) der vertikale OKR

untersucht. Die visuelle Reizung erfolgte nach oben (CCW) und nach unten (CW) mit

Reizgeschwindigkeiten von 5 °/s bis 40 °/s in 5 °/s Schritten in zufälliger Reihenfolge.

Die Ergebnisse dieser Untersuchung erbrachten überraschende Befunde. In der Abbildung

II. 3.3 sind exemplarisch die ausgelösten Augenbewegungen des Versuchstiers Sg 3 bei

acht unterschiedlichen visuellen Stimulationsbedingungen dargestellt.

binokular CW 15°/s

monokular CW 5°/s monokular CCW 5°/s

monokular CW 10°/s

monokular CW 15°/s

binokular CCW 15°/s

monokular CCW 15°/s

monokular CCW 10°/s

Abb. II. 3.3: Beispiele vertikaler (rot) und horizontaler (schwarz) Augenpositionssignale des Versuchtieres

Sg 3 bei CW und CCW Stimulusrichtung, bei monokularer Stimulation (des rechten Auges) mit

Reizgeschwindigkeiten von 5, 10 und 15 °/s und binokularer Stimulation mit einer Reizgeschwindigkeit von

15 °/s.

74


Gezeigt werden drei Reizgeschwindigkeiten (5 °/s, 10 °/s, und 15 °/s) bei monokularer

Reizung in beiden Reizrichtungen. Die horizontalen (schwarz) und vertikalen (rot)

Augenpositionssignale in Grad sind gegen den Zeitverlauf in Sekunden aufgetragen.

Zusätzlich werden zwei binokuare Stimulationen in CW und CCW Richtung gezeigt.

Die visuellen Stimulationen mit 5 °/s, 10 °/s und 15 °/s Reizgeschwindigkeit führen in

beiden vertikalen Stimulusrichtungen zu keinem für den optokinetischen Reflex typischen

Sägezahnmuster, wie er in Abb. II. 3.1 für den mhOKR gezeigt wurde.

Das vertikale Augenpositionssignal des rechten Auges verändert im Mittel seine Lage um

1,4° ohne langsame Augenfolgephase und Rückstellsakkaden, wie es für nystagmische

Augenbewegungen typisch wäre.

In den horizontalen Augenpositionssignalen können Lageveränderungen des Auges mit

Amplituden von 2,3 bis 3,4° bei vertikaler Stimulation registriert werden, die durch

sakkadische Augenpositionsänderungen erreicht werden.

In einem weiteren Beispiel (Abb. II. 3.3 letzte Zeile) werden Augenpositionssignale

gezeigt, die bei binokularer Stimulation mit einer Reizgeschwindigkeit von 15°/s in CW

und CCW Stimulusrichtung beobachtet wurden. Auch in diesen Beispielen können keine

vertikalen nystagmischen Augenbewegungen registriert werden. Der Anteil vertikaler

Augenpositionsänderungen ist vergleichbar mit den zuvor gezeigten monokularen

Beispielen.

Die auftretenden horizontalen Positionsveränderungen des Auges mit Amplituden bis zu

7,8° in CW und 8,2° in CCW Stimulusrichtung gleichen spontanen Augenbewegungen mit

einem hohen sakkadischen Anteil.

Diese Ergebnisse belegen, dass Salmo gairdneri unter den hier verwendeten

experimentellen Bedingungen keinen vertikalen OKN ausführen kann.

75


3.2 Visueller Einfluss auf die kompensatorischen Augen -

bewegungen beim vestibulo - okulären Reflex Da kein vertikaler OKR ausgelöst werden kann, führt das Ergebnis aus dem

elektrophysiologischen Teil dieser Arbeit, in dem gezeigt werden konnte, dass die

praetektalen richtungsselektiven Neurone alle Raumrichtungen kodieren, zu folgender

neuer Hypothese: Die visuelle Information der richtungsselektiven Zellen im dorsalen

Praetectum, die einen vertikale retinale Bildverschiebung kodieren, wird zur Verbesserung

kompensatorischer Augenbewegungen beim vestibulo - okulären Reflex (VOR) genutzt.

3.2.1 Der vertikale vestibulo-okuläre Reflex An acht Salmo gairdneri (Sg 4 bis Sg 11) wurden Verhaltensuntersuchungen durchgeführt,

um qualitativ und quantitativ bestimmen zu können, inwieweit das visuelle System einen

Beitrag zur Verbesserung der vestibulär ausgelösten vertikalen kompensatorischen

Augenbewegungen leisten kann.

Dazu wurden drei Stimulationsparadigmen gewählt, in denen die Versuchstiere eine

sinusförmige Drehbewegung erfahren, die einer Rollbewegung um die Körperlängsachse

entsprechen:

A: Das visuelle Stimulusmuster dreht sich exakt mit der vertikalen sinusförmigen

Drehbewegung um die Körperlängsachse des Fisches mit.

B: Das visuelle Stimulusmuster bleibt stationär im Raum, der Fisch erfährt eine

vertikale sinusförmige Drehbewegung um seine Körperlängsachse.

C: Das visuelle Stimulusmuster dreht sich exakt mit der gleichen Geschwindigkeit

entgegen der vertikalen sinusförmigen Drehbewegung des Fisches.

Die Arbeitshypothese lautet:

Wenn richtungsselektive Zellen aus der praetectalen Neuronenpopulation mit vertikaler

Vorzugsrichtung Einfluss auf die Güte vestibulo - okulärer kompensatorischer Augen-

bewegungen haben, sollte sich dies in den Werten des VOR - gains widerspiegeln.

76


Zur quantitativen Erfassung der Augenpositionssignale wurde für jede verwendete

Augenspule eine Kalibrierung durchgeführt. In der Abbildung II. 3.4 a ist ein

aufgezeichnetes Kalibrierungssignal der verwendeten Augenspule des Versuchstieres Sg 9

gezeigt.

Abb. II.3.4: In a: Kalibrierungssignal der Augenspule des Versuchstieres Sg 9. Rot: vertikales

Augenspulenpositionssignal mit einer Amplitudenauslenkung von +/- 10°, schwarz: das zeitgleich

aufgenommene horizontale Signal, Stimulationsfrequenz 0,1 Hz. In b: ist das Stimulationsparadigma A

gezeigt, in dem das visuelles Reizmuster sich mit dem Fisch bewegt. In c: das Reizmuster bleibt stationär, der

Fisch dreht sich. In d: dreht sich das Reizmuster entgegen der Drehrichtung des Fisches. Die schwarzen

Pfeile in B markieren Beispiele aufgetretener Rückstellsakkaden.

b

c B: Das visuelle Reizmuster ist stationär, der Fisch dreht sich

d C: Das visuelle Reizmuster dreht gegen die Drehrichtung des

A: Das visuelle Reizmuster dreht sich mit dem Fisch

Kalibrierungssignal a

77


Die Kalibrierung erfolgte mit der stationären Augenmessspule exakt an der genauen

Position des gemessenen rechten Auges der Fische mit einer vertikalen sinusoidalen

Auslenkung von +/- 10° des Wechselmagnetfeldes um die Augenspule mit einer

Stimulationsfrequenz von 0,1 Hz und einer Aufzeichnungsdauer von 30 s. Anhand dieser

Kalibrierung war es möglich, aus den aufgezeichneten Augenpositionssignale der

Versuchstiere das VOR gain quantitativ zu bestimmen.

Weiter in der Abbildung II. 3.4 sind am Beispiel der Regenbogenforelle Sg 9 die

Augenpositionssignale für die drei Stimulationsparadigmen A, B und C dargestellt. In rot

ist jeweils das vertikale, in schwarz das horizontale Augenpositionssignal zu sehen.

Folgende qualitative Feststellungen können anhand dieser drei Beispiele von Sg 9 (Abb. II.

3.4 b bis d) getroffen werden:

1. In den Stimulationsparadigmen A, B, C können vertikale vestibulo - okuläre

kompensatorische Augenbewegungen ausgelöst werden, deren Amplituden von A nach C

zunehmen und deren maximale Amplitude nicht die der Kalibrierung von +/- 10° in a

erreichen.

2. Während der Ausführung vertikaler kompensatorischer Augenbewegungen werden von

dem Versuchstier unterschiedlich häufig Sakkaden entgegen der Drehrichtung ausgeführt

(Pfeile in Abb. II. 3.4 c).

3. Das horizontale Augenpositionssignal bleibt in seiner Lage relativ konstant. Es treten

vereinzelt horizontale Sakkanden, gefolgt von sehr langsamen Augenbewegungen zum

Ausgangspunkt, auf.

78


Am Ende einer Verhaltensuntersuchung wurden die Fische paralysiert. Es folgten

Kontrollaufzeichnungen, wovon eine, die des Versuchtieres Sg 9, in der Abbildung II. 3.5

gezeigt ist. Diese Kontrollmessungen dienten der Bestimmung des apparativen Fehlers des

Systems mit dem Fisch in der Stimulationsbedingung.

Paralysiert

Abb. II. 3.5: Kontrollmessung des paralysierten Fisches Sg 6 zur Erfassung des apparativen Fehlers mit

Fisch. Rot: vertikales, schwarz: horizontales Augenpositionssignal.

In diesem Beispiel betrug die vertikale Auslenkung +/- 0,3° und die horizontale

Auslenkung +/- 0,1°.

Mit Hilfe der schnellen Fourier - Transformation (FFT), die eine Umformung von

periodischen Signalen mit einem Zeitpunkt und Abtastwert (Augenpositionssignal der

Messspule) in eine Darstellung von Frequenzanteil, Amplitude und Phase ermöglicht,

wurden die aufgezeichneten Kalibrierungs- und Kontrollmessungen der paralysierten

Tiere, sowie die Augenpositionssignale der acht Versuchstiere bei den drei

Stimulationsparadigmen quantitativ analysiert.

Die Abbildung II. 3.6 zeigt am Beispiel des Versuchstieres Sg 9 das FFT - transformierte

Kalibrierungssignal der verwendeten Augenspule und das Augenpositionssignal des

paralysierten Tieres.

79


Paralysiert

Kalibrierung

Abb. II. 3. 6: Darstellung des Fourier - transformierten Messspulensignals aus der Kalibrierung und des

Augenpositionssignals des paralysierten Versuchtieres Sg 9. Auf der Abszisse ist die Frequenz in Hertz

angegeben, die Ordinate zeigt den Energiewert an.

Die Fourier - Transformation des Kalibrierungssignals zeigt, dass exakt bei einer Frequenz

von 0,1 Hz, die der experimentellen sinusförmigen Stimulusdrehfrequenz entspricht, ein

maximaler Amplitudenwert mit der Energie von 10257 erreicht wird.

Die Transformation der Kontrollaufzeichnung (paralysierter Fisch) zeigt eine maximale

Energie von 137 bei 0,1 Hz. Dieser Fehlerwert wurde in der weiteren Analyse des vVORs

durch Subtraktion mit einbezogen. In der Abbildung II. 3.7 sind in A, B, C exemplarisch

die FFT - transformierten Augenpositionssignale von Sg 9 in den gleichnamigen

Stimulationsparadigmen unter Einbeziehung des Fehlerwertes dargestellt. In allen drei

untersuchten Paradigmen befinden sich die maximalen Amplitudenwerte bei einer

Frequenz von 0,1 Hz (rot). In A (Reizmuster dreht mit) besitzt die maximale Amplitude

einen Energiewert von 3879. Die Energie der maximalen Amplitude in B (Muster

stationär) hat einen höheren Wert von 5786. Die größte Amplitude mit einem Energiewert

von 7430 wird in C (Reizmuster dreht gegen) erreicht.

Aufgetretene Sakkadischeaugenbewegungen befinden sich aufgrund ihrer hohen

Geschwindigkeit ausserhalb des untersuchten Frequenzspektrum von 0 bis 1 Hz.

80


Reizmuster dreht gegen

Reizmuster stationär

Reizmuster dreht mit

C

B

A

Abb. II. 3. 7: Energiespektren in Abhängigkeit von der Frequenz der Fourier - transformierten

Augenpositionssignale des Versuchtiers Sg 9 in den Versuchsparadigmen: A (Reizmuster dreht mit), B

(Reizmuster stationär), C (Reizmuster dreht gegen). In rot ist das vertikale und in schwarz das horizontale

transformierte Augenpositionssignal dargestellt.

Der Anteil horizontaler Augenbewegungen die während der Stimulationsphasen

stattfanden, sind in den Energiebalken schwarz dargestellt. Der niedrige und

unregelmäßige Energiewert zeigt den geringen Anteil horizontaler Augenbewegungen.

81


Die Normierung der FFT Augenpositionssignale zur Einzelanalyse der Versuchstiere

erfolgte, indem der Energiewert der maximalen Amplituden aus den Kalibrierungsdateien

einem gain von 1 gleichgesetzt wurden.

VersuchstiereSg4 Sg5 Sg6 Sg7 Sg8 Sg9 Sg10 Sg11

gain

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0A: Reizmuster dreht mitB: Reizmuster stationärC: Reizmuster dreht gegen

Abb. II. 3.8: Dargestellt ist das gain kompensatorischer Augenbewegungen des vVORs der Versuchstiere

Sg 4 bis Sg 11 in Abhängigkeit von den drei untersuchten Stimulationsparadigmen.

Die Einzelanalyse zeigt, dass kein Versuchtier die Fähigkeit besitzt, in einem der drei

untersuchten Stimulationsparadigmen kompensatorische Augenbewegungen mit einem

gain von 1 auszuführen. Ausserdem gilt folgendes:

- Im Stimulationsparadigma A sollte das visuelle System die Information einer

unveränderten Position im Raum erhalten, während das vestibuläre System die

Drehbeschleunigung der sinusförmigen Stimulation registriert. Hier wird ein minimales

gain von 0,28 (Sg 8) und ein maximales gain von 0,38 (Sg 9) erreicht.

- Im Stimulationsparadigma B erhält das visuelle System die Information über eine

Lageveränderung im Raum. Das gain ist bei allen Versuchstieren größer als in Paradigma

A. Das minimale gain beträgt bei dieser Untersuchung 0,42 (Sg 7), das maximale gain 0,54

(Sg 9).

- In Stimulationsparadigma C besteht ebenfalls eine visuelle Ortsveränderung, jedoch

entgegengesetzt zur sinusförmigen Drehbewegung des Tieres. Die retinale

Bildverschiebungsgeschwindigkeit erhöht sich. Das gain aller Versuchstiere ist in

82


Paradigma C größer als in Paradigma B. Es wird ein minimales gain von 0.57 (Sg 10) und

ein maximales gain von 0,72 (Sg 11) erreicht.

Dieses Ergebnis belegt für jedes einzeln untersuchte Versuchstier einen signifikanten

Unterschied (ANOVA: p < 0,001) zwischen den Stimulationsparadigmen A und B, sowie

zwischen B und C.

Mit der Gruppenanalyse aller acht untersuchten Regenbogenforellen bei den jeweiligen

Stimulationsparadigmen (A, B, C) kann gezeigt werden, dass mit der zusätzlichen

visuellen Information über eine Lageveränderung im Raum eine signifikante (ANOVA,

Tukey: p < 0,001) Erhöhung des gains stattfindet (Abb. II. 3.9).

StimulationsparadigmenMuster dreht mit Muster stationär Muster dreht gegen

gain

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

*

*

A B C

Abb. II. 3.9: Gruppenanalyse des gains kompensatorischer Augenbewegungen des vVORs durch

Mittelwertbildung mit Standardfehler der acht untersuchten Regenbogenforellen in Bezug auf die

Stimulationsparadigmen A, B, C.

Im Stimulationsparadigma A (Reizmuster dreht mit) wird ein mittleres gain von 0,31

erreicht. Im Stimulationsparadigma B (das Reizmuster ist stationär, der Fisch dreht sich) ist

der Mittelwert des gains 0,48, und im Stimulationsparadigma C (das Reizmuster dreht

gegen die Drehrichtung des Fisches) erreicht das gain einen Mittelwert von 0,67.

Damit kann ein Vergrößerungsfaktor des gains von A nach B mit 1,55 und von B nach C

mit 1,4 beziffert werden.

83


Dieses Ergebnis belegt den visuellen Einfluss auf die Ausführung vertikaler

kompensatorischer Augenbewegungen des vestibulo - oculären Reflexes.

3.2.2 Der horizontale vestibulo-okuläre Reflex

Entsprechend den vertikalen VOR Stimulationsparadigmen (A, B, C) wurde an drei

Versuchstieren (Sg 9, Sg 10, Sg 11) zusätzlich der horizontale VOR untersucht. In der

horizontalen Stimulationsebene betrug die maximale sinusförmige Auslenkung +/- 10°, die

Reizfrequenz 0,1 Hz.

Die Einzelanalyse (Abbildung II. 3.10) zeigt, dass keines der drei Versuchstiere einen

gain - Wert von 1 in den drei untersuchten Stimulationsparadigmen erreicht.

VersuchstiereSg9 Sg10 Sg11

gain

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0A: Reizmuster dreht mitB: Reizmuster stationärC: Reizmuster dreht gegen

Abb. II. 3.10: Dargestellt ist das gain kompensatorischer Augenbewegungen des hVORs der drei

untersuchten Regenbogenforellen Sg 9, Sg 10 und Sg 11 in Abhängigkeit von den drei

Stimulationsparadigmen.

Unter Stimulationsparadigma A wird von Sg 10 ein minimales gain des hVORs von 0,49

erreicht. Einen maximalen gain - Wert von 0,59 zeigt das Versuchstier Sg 9.Signifikant

größere hVOR gain - Werte werden im Stimulationsparadigma B von allen Versuchstieren

mit einem Minimalwert von 0,68 (Sg 11) und einem Maximalwert von 0,73 (Sg 10)

erreicht.

84


Das gain der horizontalen kompensatorischen Augenbewegungen im

Stimulationsparadigma C ist bei den Versuchstieren Sg 9, Sg 10 und Sg11 signifikant

höher als bei Stimulationsparadigma B. Unter der Stimulationsbedingung C werden die

größten gain-Werte dieser Untersuchungsreihe erreicht. Den minimalen Wert von 0,81

zeigt das Versuchstier Sg 11, das maximale gain von 0,87 wird von Sg 9 erzielt.

Zusammengefasst ergibt die Gruppenanalyse der drei untersuchten Tiere folgendes

Ergebnis (Abb. II. 3. 11).

Stimulationsparadigmen

Muster dreht mit Muster stationär Muster dreht gegen

gain

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

**

A B C

Abb. II. 3. 11: Gruppenanalyse des gains kompensatorischer Augenbewegungen des hVORs durch

Mittelwertbildung mit Standardfehler der drei untersuchten Regenbogenforellen in Bezug auf die

Stimulationsparadigmen A, B, C

Im Stimulationsparadigma A beträgt das mittlere gain 0,55, in B 0,69 und in C 0,84. Die

Erhöhung des gains der horizontalen kompensatorischen Augenbewegungen zwischen

Paradigma A und B, sowie zwischen B und C ist statistisch signifikant (ANOVA, Tukey:

p < 0,05). Die Erhöhung des mittleren gains von A nach B nimmt um einen Faktor von

1,25 und von B nach C um 1,22 zu.

Dieses Ergebnis belegt den visuellen Einfluss auf das vestibulo - okuläre System auch

unter horizontalen Stimulationsbedingungen. Das gain des hVOR ist im Vergleich zum

vVOR aus der vorherigen Untersuchung (II. 3.2.9) bei allen Stimulationsparadigmen stets

größer.

85


3.2.3 Vertikaler und horizontaler vestibulo - okulärer Reflex im Dunkeln Aufgrund der o.g. Befunde zum vOKR und hOKR stellt sich die Frage, wie sich das

vestibulo - okuläre System verhält, wenn keine visuelle Information zur Verfügung steht.

Die bisherigen Untersuchungen zum vVOR und hVOR erfolgten stets im Hellen. Um eine

vollständige Entkopplung des visuellen und des vestibulären Systems zu erreichen, wurde

an vier Salmo gairdneri (Sg 8, Sg 9, Sg 10 und Sg 11) der vertikale und der horizontale

VOR in Dunkelheit untersucht. An diesen vier Versuchstieren wurden zuvor die

Experimente zum vertikalen und horizontalen VOR durchgeführt. Die Amplitude der

sinusförmigen Drehbeschleunigung, die Stimulationsfrequenz und die Aufzeichnungszeit

entsprachen exakt den experimentellen Bedingungen zum vVOR und hVOR.

hVOR

VersuchstiereSg8 Sg9 Sg10 Sg11

gain

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

vVOR

VersuchstiereSg8 Sg9 Sg10 Sg11

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

gain

Abb. II. 3.12: Das gain des vertikalen und horizontalen VORs der Versuchstiere Sg 8 bis Sg 11 im

Dunkeln.

Die vVOR Stimulation im Dunklen ergab ein minimales gain von 0,17 (Sg 9) und ein

maximales gain von 0,29 (Sg 8).

Die hVOR Stimulation im Dunklen ergab einen minimalen Wert von 0,32 (Sg 8) und einen

maximalen Wert von 0,39 (Sg 10).

86


Auch hier ist das gain bei horizontaler Stimulation höher als bei vertikaler Reizung. Eine

Ausnahme bildet das Versuchstier Sg 8, bei dem das gain bei vertikaler Reizung um 0,03

höher ist als bei horizontaler Stimulation. Abbildung II. 3.13 zeigt die Gruppenanalyse

(vertikal vs. horizontal).

vOKR-dunkel hOKR-dunkel

gain

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

gain vertikaler vs. horizontaler VOR im dunklen

*

Abb. II. 3. 13: Dargestellt ist das gain kompensatorischer Augenbewegungen des VORs bei vertikaler und

horizontaler Stimulation im Dunkeln.

Das gain der kompensatorischen Augenbewegungen bei horizontaler Reizung ist mit einem

Faktor von 1,37 signifikant (t-Test: p < 0,05) größer als bei vertikaler Reizung.

Der Vergleich des gains aller untersuchten Paradigmen (A, B, C) und bei

Dunkelstimulation, zwischen vertikaler und horizontaler Stimulusrichtung zeigt signifikant

(ANOVA, Tukey: p < 0,05) die Dominanz in der horizontalen Reizrichtung (Abb. II. 3.14).

87


Abb. II. 3.14: Ver

der Stimulationspar

Neben dieser h

Eingang den VO

bei mitbewegtem

StimulationsparadigmenA B C dunkel

gain

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0 vertikal horizontal

* *

*

*

gleich des VOR gains für die vertikale und horizontale Stimulusrichtung in Abhängigkeit

adigmen, A: Muster dreht mit, B: Muster stationär, C: Muster dreht gegen und dunkel.

orizontalen Präferenz wurde ausserdem festgestellt, dass der visuelle

R nur leicht modulieren kann. Eine komplette Unterdrückung des VORs

Reizmuster trat nicht auf.

88


3.3 Optokinetische Augenbewegungen vor und nach Läsion des

dorsalen Praetectums Mit Hilfe elektrolytischer Mikroläsionen wurde untersucht, ob die im

elektrophysiologischen Teil dieser Arbeit beschriebenen praetectalen richtungsselektiven

Neurone von Salmo gairdneri an der Generierung der langsamen Augenfolgephase des

hOKRs essentiell beteiligt sind und somit das neuronale Substrat für optokinetische

Augenbewegungen in der Überordnung Teleostei stellen können.

Zu Beginn dieser Experimentreihe wurden sechs Salmo gairdneri (Sg 12 bis Sg 17) auf die

Auslösbarkeit ihres mhOKRs hin untersucht. Auch diese sechs Versuchstiere konnten vor

dem Läsionsexperiment einen mhOKR bei Reizgeschwindigkeiten von 4 °/s, 9 °/s, 14 °/s

und 18 °/s in beiden Stimulusrichtungen (T-N und N-T) ausführen (siehe Abb. II. 3.15).

3.3.1 Elektrophysiologisches Läsionsexperiment Zur Lokalisation des praetectalen Areals richtungsselektiver Neurone wurden

elektrophysiologische Ableitungen an den zuvor in den Verhaltenstests untersuchten, sechs

Regenbogenforellen durchgeführt. An je einem Ableitort eindeutig richtungsselektiver

Neurone erfolgten bei fünf Fischen (Sg 12 bis Sg 16) elektrolytische Mikroläsionen. Das

sechste Versuchstier (Sg 17) diente als Kontrolle. An ihm wurden nur

elektrophysiologische Ableitungen im peripheren Bereich des richtungsselektiven Areals

in vergleichbaren Ableittiefen durchgeführt.

In der Abbildung II. 3.15 sind in Polarkoordinaten die Tuning-Kurven und

Vorzugsrichtungen signifikant richtungsselektiver Neurone gezeigt, die vor der Läsion bei

den fünf Versuchstieren abgeleitet wurden. Der Mittelpunkt des Polarplots repräsentiert die

Lage des rechten, stimulierten Auges. Die Radien geben die Spikerate pro Sekunde an.

89


Abb. II. 3.15: Tuning - Kurven und Richtungsvektoren fünf richtungsselektiver Neurone der Versuchstiere

Sg 12 bis Sg 16 vor der Läsion. Die Radien geben die Aktivität in Spikes / Sekunde an.

0 20 40 60 800

20

40

60

80

0204060800

20

40

60

80

0°

45°

90°

135°

180°

225°

270°

315°

0 20 40 60 800

20

40

60

80

0204060800

20

40

60

80

0°

45°

90°

135°

180°

225°

270°

315°

Sg 15

Sg 14

0 20 40 60 800

20

40

60

80

0204060800

20

40

60

80

0°

45°

90°

135°

180°

270°

315°

nasal-unten

temporal-oben

temporal

unten

oben

nasal

nasal-oben

Sg 12

225°

temporal-unten

0 20 40 60 800

20

40

60

80

0204060800

20

40

60

80

0°

45°

90°

135°

180°

225°

270°

315°

0 20 40 60 800

20

40

60

80

0204060800

20

40

60

80

0°

45°

90°

135°

180°

225°

270°

315°

0 20 40 60 800

20

40

60

80

0204060800

20

40

60

80

0°

45°

90°

135°

180°

225°

270°

315°

Sg 16

Sg 14

Sg 13

Im Praetectum der fünf Versuchstiere konnten vor der Läsion folgende richtungsselektive

Neurone abgeleitet werden:

- Sg 12 nasal, 9,5°

- Sg 13 unten, 261°

- Sg 14 nasal - oben, 38° und nasal - unten, 309°

- Sg 15 temporal - oben, 121°

- Sg 16 temporal, 169°

Nach erfolgter Läsion konnte während des Zurückziehens der Ableitelektrode bei keinem

der fünf Versuchstiere neuronale Aktivität innerhalb eines Bereiches von 200 – 350 µm

oberhalb des Läsionsortes registriert werden. Die genaue histologische Rekonstruktion der

Läsionsorte erfolgte nach Beendigung der anschließenden Verhaltensexperimente zum

mhOKR.

90


3.3.2 Verhaltensbeobachtung nach Läsion des dorsalen Praetectums Im Anschluss an das Läsionsexperiment und nach eindeutig abgeklungener

Narkosewirkung konnten folgende Verhaltensbeobachtungen im Hälterungsbecken der

getrennt gehaltenen Versuchstiere gemacht werden.

Alle fünf Fische mit einem lädiertem Praetectum zeigten eine starke Einschränkung in

ihrer Mobilität. Sie vermieden es, im Becken frei umher zu schwimmen, wie es für Salmo

gairdneri charakteristisch wäre. Vielmehr verweilten sie häufig mit einer leichten Neigung

um ihre Körperlängsachse nach links auf ihre Brustflossen gestützt am Boden des

Hälterungsbeckens. In den wenigen beobachteten Aktivitätsphasen wurden überwiegend

Schwimmrichtungen entgegen dem Uhrzeigersinn (ipsiversiv zur Läsion) registriert. Mit

einem weißen Stock (∅ = 2 cm), der im frontalen Gesichtsfeld horizontal bewegt wurde,

konnten die Fische zum Schwimmen animiert werden. Die bevorzugte Schwimmrichtung

entgegen dem Uhrzeigersinn behielten alle fünf Versuchstiere aber bei.

Ein völlig anderes Verhalten zeigte der Kontrollfisch im gleichen postoperativen Zeitraum.

Eine Einschränkung der Mobilität wurde nicht beobachtet. Der Fisch schwamm stetig im

Hälterungsbecken umher. Ebenso war kein Unterschied zwischen den Schwimmrichtungen

entgegen dem Uhrzeigersinn (ipsiversiv zum Ableitort) oder im Uhrzeigersinn

(kontraversiv zum Ableitort) festzustellen. Dieses Kontrolltier zeigte ein arttypisches

Aktivitätsverhalten.

3.3.3 Der monokulare horizontale optokinetische Reflex nach der Läsion Im Anschluss an die elektrolytische Läsion durften sich die Fische acht bis maximal zwölf

Stunden erholen, um zu gewährleisten, dass der Einfluss der verwendeten Narkotika

vollständig abgeklungen war.

Danach wurde den Versuchstieren wie vor der Läsion der visuelle Stimulus monokular,

rechtes Auge sehend, bei den gleichen Geschwindigkeiten und in den gleichen

Stimulusrichtungen (T-N und N-T) präsentiert.

91


Sg 12

18 14 9 4 0 4 9 14 18

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Sg 15

18 14 9 4 0 4 9 14 18

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Sg 16

18 14 9 4 0 4 9 14 18

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Sg 17 (Kontrolle)

18 14 9 4 0 4 9 14 18

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Sg 13

18 14 9 4 0 4 9 14 18

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Sg 14

Stimulusgeschwindigkeit [°/s] und Reizrichtung

18 14 9 4 0 4 9 14 18

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

naso - temporaltemporo - nasal

gain

Sg 12

18 14 9 4 0 4 9 14 18

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Sg 15

18 14 9 4 0 4 9 14 18

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Sg 16

18 14 9 4 0 4 9 14 18

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Sg 17 (Kontrolle)

18 14 9 4 0 4 9 14 18

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Sg 13

18 14 9 4 0 4 9 14 18

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Sg 14

Stimulusgeschwindigkeit [°/s] und Reizrichtung

18 14 9 4 0 4 9 14 18

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

naso - temporaltemporo - nasal

gain

Abb. II. 3.16: Vergleich des gains von Sg 12 bis Sg 17 als Funktion von Stimulusgeschwindigkeit und

Reizrichtung vor (schwarz) und nach Läsion bzw. Ableitung (Sg 17) (rot).

Die Reizgeschwindigkeiten aus der Voruntersuchung wurden gewählt, da bei diesen

Geschwindigkeiten erwartungsgemäß das größte gain erzielt wird und damit auftretende

Veränderungen der Augenfolgebewegung am deutlichsten nachweisbar sein sollten.

92


In der Abbildung II. 3.16 ist für jedes Versuchstier (Sg 12 bis Sg 17) das gain als Funktion

der Stimulusgeschwindigkeit und Reizrichtung vor (schwarz) und nach (rot) Läsion bzw.

Ableitung des linken Praetectums gezeigt. Die Versuchstiere Sg 12, Sg 13 und Sg 16

zeigen im Vergleich zur Voruntersuchung eine deutliche Abnahme der Geschwindigkeit

der Augenfolgereaktion des mhOKRs in temporo - nasaler Stimulusrichtung (ipsiversiv).

Schon bei 4 °/s Reizgeschwindigkeit reduziert sich das gain um 80 % auf einen Wert von

< 0,2. Bei höheren Reizgeschwindigkeiten nimmt das gain weiter ab, so dass ab einer

Reizgeschwindigkeit von 14 °/s die gain - Werte unterhalb von 0,05 lagen. Das gain in

naso - temporaler Stimulusrichtung ist weniger stark reduziert als in temporo - nasaler

Stimulusrichtung bei gleichen Stimulusgeschwindigkeiten. Es verringert sich für alle drei

Tiere im Vergleich zur Voruntersuchung um ca. 30 %.

Das Versuchstier Sg 14 zeigt bei einer Reizgeschwindigkeit von 4 °/s eine starke

Reduktion des gains um 87 % in naso - temporaler Stimulusrichtung. Ab einer Reiz-

geschwindigkeit von 14 °/s war das gain kleiner als 0,05. Kaum beeinträchtigt hingegen ist

die temporo - nasale Stimulusrichtung, bei der das gain um 10 % (4 °/s) bis 23 % (18 °/s)

abnahm.

Eine Verringerung des gains in beiden Stimulusrichtungen im Vergleich zur

Voruntersuchung tritt bei Versuchstier Sg 15 auf. Hier kommt es zu einer Reduktion um

82 % in temporo - nasaler und um 91 % in naso - temporaler Stimulusrichtung.

Das Kontrolltier Sg 17 (sham - Operation) zeigte nach dem Ableitexperiment über den

gesamten untersuchten Geschwindigkeitsbereich und für beiden Stimulusrichtungen ein

gain, das ähnlich (Reduktion zwischen 2 % und 8 %) zu den vor dem Experiment

gemessenen Werten war. Mit dieser Kontrolle kann belegt werden, dass die Operation und

die Penetrationen mit der Mikroelektrode durch das Tectum opticum nicht zu

Beeinträchtigungen der langsamen Augenfolgephase des mhOKR führen.

Diese Ergebnisse zeigen, dass die irreversible Inaktivierung des Areals richtungsselektiver

Neurone im Praetectum Auswirkungen auf die Geschwindigkeit der langsamen

Augenfolgephase des mhOKRs hat. Zusätzlich wird deutlich, dass die Reduktion des gains

nicht auf eine der untersuchten Stimulusrichtungen beschränkt sein muss.

93


3.3.4 Analyse der Augenfolgebewegungen während der

Stimulationsphasen Als Augenfolgebewegungsereignisse werden Veränderungen, die während der

monokularen visuellen Stimulationsphasen innerhalb der 30 s Aufzeichnungsdauer

registriert wurden, definiert. Dazu gehören die Anzahl der Augenfolgebewegungen, also

die Frequenz, sowie die Amplituden der Augenpositionsveränderung des abgedeckten

linken und des stimulierten rechten Auges vor und nach der Läsion.

3.3.4.1 Anzahl der Augenfolgebewegungen

In der Abbildung II. 3.17 ist von allen Versuchstieren die absolute Anzahl aufgetretener

Augenfolgephasen (ohne Berücksichtigung ihrer Folgegeschwindigkeit) pro 30 Sekunden

Aufzeichnungsdauer gezeigt. Das Versuchstier Sg 12 steht aufgrund der vergleichbaren

Reduktion des gains in temporo-nasaler Reizrichtung repräsentativ auch für die

Regenbogenforellen Sg 13 und Sg 16.

Bei keinem der Tiere zeigte sich vor der praetectalen Läsion ein signifikanter Unterschied

in der Anzahl der Augenfolgebewegungen des linken und des rechten Auges. Signifikante

Unterschiede treten erst nach der Läsion bei den Tieren Sg 12 bis Sg 16 auf.

Die Anzahl der Augenfolgebewegungen in N-T Stimulusrichtung von Versuchstier Sg 12

ist nach der Läsion für das linke Auge im Mittel um 14,8%, für das rechte Auge um 18,6

% gegenüber dem präoperativen Werten reduziert. In T-N Stimulusrichtung tritt dagegen

eine signifikante Reduktion um 66,7 % für das linke und um 74,5% für das rechte Auge

gegenüber der Anzahl von Augenfolgebewegungen beim intakten Tier auf (p < 0,05).

94


Sg12 Sg15

AbbStimPaa

Die

Ab

66,

Au

18 14 9 4 0 4 9 14 18

10

20

30

40

50

18 14 9 4 0 4 9 14 18

10

20

30

40

50

Sg13

18 14 9 4 0 4 9 14 18

10

20

30

40

50

Sg14

18 14 9 4 0 4 9 14 18

10

20

30

40

50

N-TT-N

Reizgeschwindigkeit [°/s]

Anzahl

Sg16

18 14 9 4 0 4 9 14 18

10

20

30

40

50

Sg17 (Kontolle)

18 14 9 4 0 4 9 14 18

10

20

30

40

50

linkes Augelinkes Auge nach der Läsionrechtes Augerechtes Auge nach der Läsion

. II. 3.17: Anzahl der Augenfolgebewegungen in Abhängigkeit von der Reizgeschwindigkeit und ulationsrichtung vor und nach der Läsion für alle Versuchstiere. Aufzeichnungsdauer 30 Sekunden.

rweise Darstellung des linken Auges und des rechten Auges vor und nach der Läsion bzw. Ableitung.

Regenbogenforelle Sg 14 zeigte in der N-T Stimulusrichtung für beide Augen eine

nahme der Anzahl von Augenfolgebewegungen im Mittel um 68,9 % links und um

3 % rechts. In der umgekehrten Reizrichtung (T-N) nimmt die Anzahl für das linke

ge um 35,1 %, für das rechte Auge um 26,6 % ab.

95


Eine deutliche, läsionsbedingte Herabsetzung der Anzahl der Augenfolgebewegungen in

beiden Stimulusrichtungen wird von Versuchstier Sg 15 gezeigt. In der N-T

Stimulusrichtung nimmt die Anzahl um 71,8 % für das linke Auge und um 67,2 % für das

rechte Auge ab, in der T-N Reizrichtung um 57,4 % für das linke Auge und um 67,2 % für

das rechte Auge.

Das Kontrolltier Sg 17 zeigt eine Abnahme in der Anzahl von Augenfolgephasen nach

dem Ableitexperiment um 10,9 % für das linke und um 14,9 % für das rechte Auge in T-N

Reizrichtung und um 11,2 % (linkes Auge) bzw. 17,8 % (rechtes Auge) in N-T Richtung.

Die Unterschiede in der Anzahl der Bewegungen der beiden Augen zeigen die

Entkopplung des linken und des rechten Auges.

3.3.4.2 Amplituden der Augenfolgebewegungen

Die Bestimmung der Amplituden der Augenfolgebewegungen in Abhängigkeit von den

untersuchten Reizgeschwindigkeiten und Stimulusrichtungen vor und nach Läsion des

Praetectums soll weiteren Aufschluss über den Reduktionsfaktor des gains der

Augenfolgebewegung geben.

Hierzu wurde die Augenposition zu Beginn und am Ende jeder aufgetretenen langsamen

Augenfolgephase innerhalb der 30 Sekunden Stimulusphase bestimmt und deren Median

berechnet. Wie in der Untersuchung zuvor repräsentiert das Versuchstier Sg 12 auch die

Ergebnisse von Sg 13 und Sg 16.

Vor der Läsion des Praetectums lag bei allen Versuchstieren, unabhängig von Reizrichtung

und Geschwindigkeit, der Median der Augenfolgebewegungsamplituden zwischen 3,2°

(Sg 12) und 7,9° (Sg 15).

96


ARAu

bb. II.3.18: Darstellung der Mediane der Amplituden der Augenfolgebewegungen in Abhängigkeit von der eizgeschwindigkeit und Stimulationsrichtung vor und nach der Läsion aller Versuchstiere. ufzeichnungsdauer pro Trial 30 Sekunden. Paarweise Darstellung des linken und dem rechten Auge vor nd nach der Läsion.

Sg 12

18 14 9 4 0 4 9 14 18

2

4

6

8

10

Sg 13

18 14 9 4 0 4 9 14 18

2

4

6

8

10

Sg 15

18 14 9 4 0 4 9 14 18

2

4

6

8

10

Sg16

18 14 9 4 0 4 9 14 18

2

4

6

8

10

linkes Auge

linkes Auge nach der Läsion

rechtes Auge

rechtes Auge nach der Läsion

Sg 14

18 14 9 4 0 4 9 14 18

2

4

6

8

10 N-TT-N

Reizgeschwindigkeit [°/s]

Grad [°]

Sg 17 (Kontrolle)

18 14 9 4 0 4 9 14 18

2

4

6

8

10

97


Nach dem Läsionsexperiment sind bei allen Versuchtieren die Amplituden der

Augenfolgebewegung beider Augen signifikant (ANOVA: p < 0,05) verringert (Abb.

III.3.18).

Das Tier Sg 12, wie auch Sg 13 und Sg 16, zeigt signifikant kleinere Amplituden der

Folgebewegung des rechten und des linken Auges in T-N im Vergleich zur N-T Reizung.

In N-T Reizrichtung findet sich eine signifikante Abnahme der Amplituden bei

Versuchstier Sg 14.

Das Versuchstier Sg 15 zeigt nach Läsion in beiden Stimulusrichtungen geringere

Amplituden der Augenfolgebewegung.

Das Kontrolltier Sg 17 zeigt nach dem Ableitexperiment eine geringe Abnahme in der

Amplitude der Augenfolgebewegungen. Es besteht kein signifikanter Unterschied in der

Amplitude zwischen der T-N und N-T Stimulusrichtung.

3.3.4.3 Geschwindigkeit der Augenfolgebewegung

Mit dem direkten Vergleich der drei Parameter Augenfolgegeschwindigkeit, Amplitude der

Augenfolgebewegung und Frequenz der Augenfolgebewegungen soll das durch die Läsion

ausgelöste Defizit näher charakterisiert werden.

In Tabelle 3 sind diese Werte für alle untersuchten Versuchstiere nach den

Stimulusrichtungen und Geschwindigkeiten aufgeschlüsselt. Zusätzlich wurde das Produkt

aus Amplitude und Frequenz der Augenfolgebewegung berechnet. Diese Werte stimmen

erwartungsgemäss grösstenteils mit den gemessenen Geschwindigkeiten der

Augenfolgebewegungen überein.

98


Tabelle 3: Wertetabelle für die Versuchstiere Sg 12 bis Sg 17, geordnet nach Stimulusrichtung (T-N und N-

T), untersuchter Reizgeschwindigkeit 4 °/s, 9 °/s, 14 °/s und 18 °/s. Gezeigt wird Augenfolgegeschwindigkeit

(Grad/Sekunde), Amplitude der Augenfolgebewegungen (Grad), Frequenz der Augenfolgebewegungen

(Herz) und das Produkt aus Amplitude und Frequenz der Augenfolgebewegung (Grad*Herz).

Versuchstier Reizrichtung Reizgeschw. gain Geschw. Amplitude Frequnez AxF Sg1 T-N 4 0.07 0.26 0.38 0.27 0.10

9 0.06 0.54 0.48 0.43 0.21 14 0.03 0.45 0.10 0.37 0.04 18 0.01 0.26 0.90 0.20 0.18

Sg1 N-T 4 0.30 1.21 1.93 0.53 1.03 9 0.16 1.46 2.20 0.57 1.24 14 0.08 1.06 1.75 0.57 0.99 18 0.04 0.66 0.95 0.67 0.64

Sg2 T-N 4 0.09 0.81 0.94 0.73 0.69 9 0.04 0.51 0.47 0.87 0.41 14 0.03 0.63 0.88 0.63 0.56 18 0.03 0.63 0.79 0.70 0.56

Sg2 N-T 4 0.64 2.85 1.92 1.07 2.05 9 0.30 2.71 1.88 1.07 2.01 14 0.20 2.87 2.22 1.07 2.37 18 0.17 3.06 2.06 1.00 2.06

Sg3 T-N 4 0.45 1.77 1.74 0.53 0.93 9 0.21 1.95 1.76 0.80 1.41 14 0.19 2.69 2.25 0.83 1.88 18 0.09 1.73 1.48 0.77 1.13

Sg3 N-T 4 0.13 0.54 1.09 0.53 0.58 9 0.07 0.68 1.11 0.57 0.63 14 0.04 0.65 0.89 0.67 0.59 18 0.06 0.87 1.06 0.70 0.74

Sg4 T-N 4 0.13 0.51 1.04 0.47 0.48 9 0.01 0.12 1.25 0.10 0.13 14 0.03 0.48 1.13 0.40 0.45 18 0.03 0.49 0.65 0.50 0.33

Sg4 N-T 4 0.10 0.42 0.68 0.57 0.38 9 0.09 0.80 0.99 0.67 0.66 14 0.12 1.69 1.50 0.93 1.40 18 0.08 1.45 1.45 0.80 1.16

Sg5 T-N 4 0.07 1.33 1.24 0.63 0.79 9 0.06 0.77 0.83 0.70 0.58 14 0.03 0.83 0.79 0.30 0.24 18 0.01 0.69 0.57 0.67 0.38

Sg5 N-T 4 0.71 2.35 2.57 0.93 2.40 9 0.56 2.77 2.16 1.00 2.16 14 0.28 3.14 2.24 1.00 2.24 18 0.14 2.99 1.94 0.97 1.88

Sg6 T-N 4 0.85 4.27 3.95 0.83 3.29 9 0.54 5.02 3.71 0.97 3.58 14 0.41 5.68 4.62 0.90 4.15 18 0.35 6.25 3.55 1.13 4.02

Sg6 N-T 4 0.84 3.36 2.32 1.03 2.39 9 0.60 4.66 2.62 1.20 3.14 14 0.38 4.90 2.13 1.40 2.98 18 0.23 3.90 2.38 1.13 2.70

99


3.3.5 Spontane Augenbewegungen Zwischen den visuellen Stimulationsphasen wurden während der Verhaltensexperimente

auch spontane Augenbewegungen bei Licht vor und nach der Läsion aufgezeichnet.

Ausgewertet wurden von jedem Versuchtier drei Aufzeichnungen mit einer Dauer von

jeweils 30 Sekunden. In die Analyse ging die Anzahl der Sakkaden (aller

Positionsveränderungen) beider Augen im Uhrzeigersinn (CW) und gegen dem

Uhrzeigersinn (CCW) ein (Abb. II. 3.19).

Sg 12

30

20

10

0

10

20

30 L L R R

Sg 15

Anza

hl d

er s

pont

anen

Aug

enbe

weg

unge

n

30

20

10

0

10

20

30 L L R

prae post

RCW

CCW

Sg 14

30

20

10

0

10

20

30 L L R R

Sg 17 (Kontrolle)

30

20

10

0

10

20

30 L L R R

Abb. II. 3.19: Anzahl spontaner Augenbewegungen des linken (L) und rechten (R) Auges in

Uhrzeigerrichtung (CW) und gegen der Uhrzeigerrichtung (CCW) der Versuchstiere Sg 12, Sg 14, Sg 15 und

Sg 17 (Kontrolle) vor (prae) und nach (post) dem Inaktivierungsexperiment.

Vor der Läsion (prae) konnte bei keinem der Versuchstiere ein signifikanter Unterschied

(Chi2- Test) zwischen Sakkaden in CW und CCW am rechten und linken Auge festgestellt

werden.

Nach der Läsion zeigte keines der Versuchstiere einen Spontannystagmus (Abb. II. 3.19).

Auffallend hingegen ist die signifikante (Chi2- Test, p < 0,05) Herabsetzung der Anzahl

aufgetretener Sakkaden beider Augen in beiden Richtungen bei allen Versuchstieren.

100


Unterschiede in der Anzahl von Sakkaden für das rechte und linke Auge in CW bzw. CCW

Richtung können nicht gezeigt werden.

3.3.6 Histologische Lokalisation des Läsionsortes Nach Abschluss der Experimente wurden die Versuchstiere eingeschläfert, transcardial

perfundiert, die Gehirne entnommen und histologisch aufgearbeitet. In den 50 µm dicken

Nissl-gefärben Frontalschnitten konnte anschließend der Läsionsort näher identifiziert

werden.

Im Praetectum der Versuchstiere Sg 12, Sg 13, Sg 16 lagen die Läsionen ca. 900 µm

posterior vom rostralen Pol des Tectum opticum und ca. 1900 µm unter der tectalen

Oberfläche. Bei Sg 15 lag die Läsion ca. 1150 µm hinter dem rostralen Pol des TeO und

2250 µm unter seiner Oberfläche.

Mit einem Abstand von 1400 µm zum TeO – Pol und einer Tiefe von 2600 µm lag der

Läsionsort von Sg 14 am weitesten posterior.

Abbildung II. 3.20 zeigt Mikrofotografien der frontalen Gehirnschnitte von den

Versuchstieren Sg 12 (A), Sg 15 (B), Sg 14 (C) und dem Kontrolltier Sg 17 (D bis F) in

rostro-caudaler Richtung. Die Distanz zwischen den Läsionsorten in Abb. II. 3.20 A

(Sg 12, Sg 13, Sg 16) und C (Sg14) beträgt ca. 350 µm, die mittlere Tiefe unter der

tektalen Oberfläche 2350µm. Mit diesen Koordinaten kann die Lage des Areals

richtungsselektiver Neuronen im Praetectum der Regenbogenforelle beschrieben werden.

101


Abb. II. 3.20: Frontale Nissl - gefärbte 50 µm dicke Serienschnitte der Fischgehirne Sg 12 (A), Sg 15 (B), Sg

14 (C) von caudal nach rostral und in gleicher Ausrichtung Sg 17 (D bis F). Maßstab entspricht 500µm. L =

Läsion, Psp = Nucleus praetectalis superfiscialis parvocellularis, Ve = Ventrikel, TeO = Tectum opticum, OT

= optischer Trakt, Thd = Thalamus dorsalis, d = dorsal, v = ventral, l = lateral, m = medial. Schnitte in

frontaler Ansicht.

102


Die Schnittserie D bis F des Kontrolltieres Sg 17 in der Abb. II. 3.20 zeigt einen

vergleichbaren praetectalen Bereich wie A, B und C. Diese Schnittserie veranschaulicht,

dass in Folge des Ableitsexperiments keine sichtbaren Gewebeschädigungen im

Praetectum aufgetreten sind.

Eine Korrelation zwischen den Vorzugsrichtungen der abgeleiteten Neurone (Abb. II.

3.14) und den aufgetretenen Defiziten bei den optokinetischen Augenbewegungen beider

untersuchten Stimulusrichtungen kann belegt werden.

Läsionen im

- caudalen Bereich (Sg 12, Vorzugsrichtung nasal; Sg 13, Vorzugrichtung unten;

Sg16, Vorzugsrichtung temporal) bewirken eine Einschränkung in N-T

Stimulusrichtung,

- im mittleren Bereich des Areals (Sg 15, Vorzugsrichtung temporal - oben)

bewirken eine Einschränkung in beiden Stimulusrichtungen,

- rostralen Bereich (Sg 14, Vorzugsrichtung nasal) bewirken eine Einschränkung in

N-T Stimulusrichtung.

Mit den Untersuchungsergebnissen des Kontrolltieres Sg 17 kann weiter belegt werden,

dass nicht die Penetrationen mit der Mikroelektrode, die immer durch das TeO geführt

haben und dabei zu Verletzungen des tektalen Gewebes führten, diese Defizite in der

Ausführung des OKR hervorrufen.

103

II. Verhaltensuntersuchungen 4. Diskussion

4. Diskussion

4.1 Der vertikale optokinetische Reflex bei Salmo gairdneri Die Verhaltensuntersuchungen zum vertikalen optokinetischen Reflex (vOKR) an Salmo

gairdneri wurden aufgrund der Ergebnisse der elektrophysiologischen Experimente

durchgeführt. Danach existiert in einem begrenzten Areal im dorsalen Praetectum eine

Population von Neuronen, von denen jedes durch Bewegung großflächiger visueller

Stimuli in eine bestimmte Richtung aktiviert wird. In dieser Population wurden damit auch

richtungsselektive Zellen lokalisiert, die einen vertikalen visuellen Stimulus kodieren.

Diese visuelle Bewegung entspricht einer Rollbewegung um die Körperlängsachse.

Aufgrund der charakteristischen Antworteigenschaften und der Richtungsselektivität für

vertikal verlaufende Stimuli erfüllen diese Neurone die Grundvoraussetzung, den OKR in

vertikaler Richtung auszulösen. Die Untersuchungsergebnisse an Salmo gairdneri zum

vertikalen optokinetischen Reflex (vOKR) haben unerwartete Resultate ergeben.

Entgegen aller Erwartungen war es bei keinem der drei untersuchten Versuchstiere

möglich, vertikale Augenbewegungen auszulösen, die einem optokinetischen Nystagmus,

d.h. einer alternierenden Abfolge von langsamen Augenfolgebewegungen und

Rückstellsakkaden, entsprachen. Eine Analyse der OKR - Symmetrie war deshalb nicht

möglich.

Unter der monokularen Stimulationsbedingung während der steady-state-Phase wichen die

vertikalen Augenpositionen nur unregelmäßig und selten von ihrer horizontalen Lage mit

Amplituden von +/- 0,8° ab. Vereinzelt konnten horizontale Augenpositionsveränderungen

registriert werden, deren Amplituden bis zu 3,4° betrugen und nicht mit den vertikalen

Bewegungsrichtungen korrelierten.

Binokulare Stimulation löste maximal fünf vertikale Augenpositionsveränderungen (im

Mittel +/- 0,7°) aus. Diese folgten nicht dem Sägezahnmuster eines optokinetischen

Nystagmus. Eine Korrelation zwischen Augenbewegungsrichtung und

Stimulationsrichtung war nicht gegeben. Die zeitgleichen Aufzeichnungen der

horizontalen Augenpositionsveränderungen ergaben eine Zunahme der Amplituden von

4,9° im Vergleich zur monokularen Stimulation. Horizontale und vertikale

Augenbewegungen waren wiederum nicht gekoppelt.

104


4.1.2 Gründe für das Ausbleiben des vertikalen optokinetischen Reflexes

4.1.2.1 Anordnung der extraokulären Muskeln

Untersuchungen an den extraokulären Muskeln der Teleostei haben gezeigt, dass zwei

schräg verlaufende Muskeln (M. obliquus inferior, M. obliquus superior) nasal zum

anterioren Myodom verlaufen. Vier gerade Muskeln, nämlich der M. rectus inferior, M.

rectus superior, M. rectus posterior und M. rectus anterior ziehen in das posteriore

Myodom, das an der ventralen Schädelbasis anliegt. Trotz dieses gegenüber den anderen

Vertebratenklassen unterschiedlichen Verlaufes der Augenmuskeln befähigen diese sechs

äußeren Augenmuskeln die Teleostei, ihre Augen in alle Raumrichtungen zu bewegen.

Horizontale Augenbewegungen in temporale Richtung werden durch die Kontraktion des

M. rectus posterior ausgeführt, in nasale Richtung durch Kontraktion des M. rectus

anterior. Vertikale Augenbewegungen nach oben erfolgen durch die Kontraktion des M.

obliquus superior und M. rectus superior. Nach unten gerichtete Augenbewegungen

werden durch den M. obliquus inferior und den M. rectus inferior bewirkt (Starck, 1982;

Band 3; Bauchot et al., 1989).

Graf und McGurck (1985) haben unter dem Aspekt der vergleichenden Kinematik die

extraokulären Muskeln des Goldfisches (Carassius auratus) mit denen anderer Vertebraten

mit lateralständigen Augen verglichen. In ihrer Studie zeigten sie, dass trotz veränderter

Ansätze der Augenmuskeln am Bulbus (dorso - ventral abgeflacht) und veränderten

Verlaufes im Schädelbereich (siehe oben) die kinematische Charakteristik der Goldfisch-

Augenmuskulatur qualitativ mit anderen Tieren (z.B. Kaninchen, Ratte) mit lateralen

Augen im Einklang steht (Ezure & Graf, 1984; Simpson & Graf, 1981). Institutseigene

Untersuchungen an Salmo gairdneri ergaben vergleichbare Befunde über Ansatz und

Verlauf der Augenmuskeln im Schädel. Unterschiede zum Goldfisch konnten in der Länge

des M. rectus posterior und des M. rectus anterior aufgezeigt werden. Diese sind bei Salmo

gairdneri im Verhältnis zum Goldfisch um ca. 1/3 länger und verlaufen bis zum

posterioren Ende des posterioren Myodoms, wo sie über eine kurze Sehne am

Schädelknochen ansetzen. Die Stärke und Länge der Augenmuskeln zur Ausführung

vertikaler Augenbewegungen sind bei Regenbogenforelle und Goldfisch annähernd gleich.

Demnach besitzt Salmo gairdneri die anatomische Grundlage für vertikale

105


Augenbewegungen (Ergebnisse in dieser Arbeit nicht gezeigt), die sie auch unter VOR-

Stimulation zeigt.

Zusammengefasst weisen diese Ergebnisse auf eine Dominanz horizontaler

Augenbewegungen hin. Unterstützung findet diese Annahme in der Beobachtung

spontaner Augenbewegungen. Diese wurden ausschließlich in der horizontalen

Bewegungsrichtung ausgeführt. Das bedeutet aber nicht, dass vertikale Augenbewegungen

nicht möglich sind, wie die VOR - Ergebnisse belegen.

4.1.2.2 Die Wahl des adäquaten visuellen Reizes

Das Auslösen des OKRs ist abhängig von der Wahl des visuellen Stimulus. Wichtige

Reizparameter sind:

- die Wahl des Reizmusters (z. B. schwarz - weißes Streifenmuster, schwarz-weißes

Zufallspunktemuster, weiße Lichtpunkte, die durch ein Planetarium erzeugt

werden)

- die Größe des Reizmusters (von >1° Sehwinkel bis 20° Sehwinkel)

- Luminanz und Kontrastverhältnisse

Diese Parameter müssen an das zu untersuchende Versuchstier mit seinen individuellen

optischen Eigenschaften optimal angepasst sein (Schor & Narayan 1981; Flandrin et al.,

1990).

Unter Verwendung zweier unterschiedlicher Reizmuster konnten Maioli und Precht (1984)

in Untersuchungen zum OKR an der Katze zeigen, dass das gain der Augenfolgebewegung

mit einem Zufallspunktemuster größer ist als mit einem Streifenmuster. Allerdings galt

dies nur für höhere Reizgeschwindigkeiten. Eine Erklärung dieses Befundes liegt in der

niedrigeren räumlichen Frequenz des Zufallspunktemusters gegenüber dem verwendeten

Streifenmuster.

Ein nicht optimales Reizmuster kann zu großen Fehleinschätzungen führen. Ein Beispiel

dafür ist der optokinetische Reflex von Albinoratten, der mit einem Streifenmuster nicht

ausgelöst werden kann (Precht & Cazin, 1979). Wählt man allerdings andere

Reizparameter (veränderte Lichtintensitäten, Zufallspunktemuster statt Streifen), so läßt

sich ein OKR auch bei albinotischen Ratten auslösen (Sirkin et al., 1985).

106


In dem in der vorliegenden Arbeit durchgeführtem Verhaltensexperiment zum

monokularen horizontalen optokinetischen Reflex (mhOKR), das der Überprüfung der

Messmethode und des verwendeten visuellen Stimulus diente, konnte eindeutig gezeigt

werden, dass das vom Planetarium erzeugte Zufallspunktemuster einen adäquaten Stimulus

darstellt, um bei Salmo gairdneri monokulare, horizontale optokinetische

Augenbewegungen auszulösen. Entsprechend sollte man mit diesem Reizmuster auch

vertikale Augenbewegungen auslösen können. Dieses Kontrollexperiment bestätigt

außerdem die Ergebnisse zum mhOKR an Salmo gairdneri aus meiner Diplomarbeit. In

diesen Verhaltensexperimenten wurde mit einer Reiztrommel, die innenseitig mit einem

schwarz-weißen Zufallspunktemuster ausgekleidet war, unter künstlicher Beleuchtung

visuell stimuliert.

Die Untersuchungsergebnisse zum vOKR gelten nur für Salmo gairdneri. Vergleichsdaten

aus der Literatur an Salmo gairdneri oder an anderen Knochenfischenarten liegen nicht

vor. Bisher noch unveröffentlichte Beobachtungen zum optokinetischen System an

Serranus cabrilla zeigen jedoch, dass dieser Knochenfisch durchaus die Fähigkeit besitzt,

einen vertikalen OKR auszuführen (Ergebnisse sind in dieser Arbeit nicht gezeigt).

4.1.2.3 Anpassung an das Habitat

Hinweise für eine Anpassung des optokinetischen Systems an das Habitat liefert die Studie

von Dieringer, Graf und Reichenberger (1992), die hOKR und hVOR an unterschiedlichen

Süßwasser- und marinen Knochenfischarten aus den Familien Cyprinidae, Percidae,

Osteoglossidae, Scorpaenidae, Batrachoididae, Siluridae und Characidae durchführten.

Ihre Befunde zeigen einen Bezug zwischen der Besiedlung verschiedener Habitate und der

Visuomotorik beim OKR und VOR und damit verbunden die große Variabilität, die in der

Überordnung Teleostei existiert. Untersuchungen des optokinetischen- und vestibulo-

okulären Reflexes bei Goldfisch (Carassius auratus) und Austernfisch (Opsanus tau)

zeigen zwei unterschiedliche Funktionsprinzipien. Während der Goldfisch bei beiden

Stimulationen (OKR und VOR) stets regelmäßige Augenbewegungen ausführte, waren die

Augenbewegungen des Austernfisches unregelmäßig und hatten stets ein niedrigeres gain.

Auch der optokinetische Nachnystagmus hielt am Goldfisch mit 10 bis 12 s fünf Mal

107


länger an. Dies weist auf das Fehlen eines neuronalen Geschwindigkeitsspeichers im

optokinetischen Systems des Austernfisches hin.

Der Goldfisch ist, wie alle Cypriniden, ein aktiver Schwimmer. Dadurch bedingte

Ortsveränderungen der Umwelt auf der Retina werden durch Augenbewegungen

kompensiert. Im Gegensatz dazu ist der Austernfisch in seinem Lebensraum relativ

ortskonstant. Die Anpassung besteht aus einer perfekten Tarnung. Unbeweglich lauert er

am Boden auf Beutefische, die er bei zu nahem Vorbeischwimmen schlägt. Er vermeidet

ein ununterbrochenes Umherschwimmen und damit Augenbewegungen (Dieringer et al.,

1992).

Salmo gairdneri wird den Strömungsfischen zugeordnet. Ihr bevorzugtes Habitat sind

Flussoberläufe oder Flüsse sowie strömungsreiche Seen. Eine Hypothese über das

Ausbleiben des vOKR könnte darin begründet sein, dass die anatomische Lage der

Schwimmblase den Fisch aufrecht im Wasser hält. Zusätzlich stabilisiert sich der Körper

des Tieres selbst, durch das ständige Schwimmen gegen die Strömungrichtung des

Wasseres. Weitere Strömungsschwankungen des Wassers, die eine instabile Schwimmlage

bewirken können, werden durch Gleichgewichtsorgan und das Seitenlinienorgan detektiert

und zentralnervöse weiter verarbeitet (Bleckmann et al., 1989). Dadurch wird eine

aufrechte Schwimmlage des Fisches im Wasser ermöglicht und ein Rollen um die

Körperlängsachse vermieden. Aktive Schwimmrichtungsveränderungen erfolgen in der

horizintalen oder in „Pitch“ – Richtung, das einer vertikalen Aufwärts- bzw. Abwärts-

Schwimmrichtung entspricht und zur Bildstabilisierung Torsionsbewegung des Auges zur

Folge hat. Die auftretenden retinale Bildverschiebung werden über den optokinetischen

Reflex (OKR) und vestibulo - okulären Reflex (VOR) kompensiert.

4.2 Der visuelle Einfluss auf das vestibulo-okuläre System

4.2.1 Der vertikale vestibulo-okuläre Reflex Die Ergebnisse der vOKR – Studie führten zu folgender Hypothese:

Wenn die vertikale Bewegungen kodierenden richtungsselektiven Neurone im Praetectum

keinen Beitrag zum vOKR leisten, dann könnte ihre visuelle Information über eine

108


vertikale retinale Bildverschiebung zur Kalibrierung des gains der kompensatorischen

Augenbewegungen des vestibulo - okulären Systems genutzt werden, das im Idealfall den

Wert von 1 haben sollte.

Verhaltensstudien, die sich mit dem vestibulo - okulären System befassten, haben bei allen

bisher untersuchten Tieren (inklusive der Teleostei) gezeigt, dass zusätzliche visuelle

Information Auswirkungen auf das gain der kompensatorischen Augenbewegungen des

VOR hat. Mit visueller Positionsinformation im Raum erreicht das gain der

kompensatorischen Augenbewegungen einen Wert von Eins. Beim Fehlen der visuellen

Referenz ist das gain kleiner als Eins. Die Kopplung des optokinetischen und des

vestibulo - okulären Systems wurde zudem anatomisch und elektrophysiologisch nach-

gewiesen ( Ito, 1972, 1982; Dichgans et al., 1973; Precht & Anderson 1979; Cazin et al.,

1980, 1984; Stahl & Simpsion, 1995; Watanabe et al., 1993; Raphan & Cohen, 2002).

Daraus ergab sich die Wahl der drei verwendeten Stimulationsparadigmen:

A. Das visuelle Reizmuster dreht sich exakt mit der sinusförmigen Drehrichtung der

vestibulären Stimulation.

B. Das visuelle Reizmuster bleibt stationär in der Umwelt, das Tier erfährt die

sinusförmige vestibuläre Stimulation.

C. Das visuelle Reizmuster dreht sich mit exakt der gleichen Geschwindigkeit wie das

Tier, aber in entgegengesetzter Richtung.

Bei einer absoluten visuellen Dominanz auf das gain des VOR ergibt sich im

Stimulationsparadigma A ein Erwartungswert von 0, da keine retinale Bildverschiebung

auftritt und somit die kompensatorischen Augenbewegungen des vestibulo - okulären

Systems unterdrückt werden sollten.

Im Stimulationsparadigma B wäre der gain - Erwartungswert 1. Die stationäre Umwelt im

Raum löst die optokinetischen Mechanismen aus, die einer retinalen Bildverschiebung

entgegenwirken und es greifen die vestibulo - okulären Reflexleistungen.

Das dritte Stimulationsparadigma führt zu einer Verdopplung der visuellen

Reizgeschwindigkeit. Die visuell ausgelösten kompensatorischen Augenbewegungen

führen zu einem Erwartungswert des gains von 2. Das Ergebnis aus der Gruppenanalyse

109


aller acht untersuchten Salmo gairdneri ergab, dass in keinem der untersuchten

Stimulationsparadigmen die erwarteten Werte erreicht wurden.

In dem Stimulationsparadigma A wurde ein gain von 0,31 erreicht, in B eine signifikante

Erhöhung des gains auf einen Wert von 0,48 und in C ein gain von 0,67, welches sich

signifikant von B und A unterschied.

Damit unterschieden sich eindeutig die gemessenen Werten von den erwarteten gain -

Werten des vVOR (Abbildung II. 4.1).

gain Erwartungswert vs. gain der vVOR Untersuchung

gain Erwartungswert

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

gain

der

Unt

ersu

chun

g

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0gain Erwartungswertgain der vVOR Untersuchung

Abb. II. 4.1: Beziehung zwischen den gain-Erwartungswerten (schwarz, Abszisse) und den tatsächlichen

gains des vVORs (rot, Ordinate).

Der visuelle Einfluss im Stimulationsparadigma A auf das vestibulo-okuläre System war

nicht ausreichend, um die kompensatorischen Augenbewegungen des VORs vollständig zu

unterdrücken.

Vergleichbare Untersuchungen, die an Mensch und Affe durchgeführt wurden, zeigten,

dass die kompensatorischen Augenbewegungen des VORs durch das pursuit-System oder

den optokinetischen Reflex unterdrückt werden können (Trillenberg et al., 2003).

Außerdem war die Inhibition des VORs in vertikaler Stimulusrichtung schwächer als in

horizontaler Reizrichtung.

110


Um den visuellen Einfluss auf das vestibulo - okuläre System näher zu charakterisieren,

wurde an drei der acht untersuchten Tiere der vertikale VOR auch bei Dunkelheit

untersucht. Der Erwartungswert des gains sollte dabei größer sein als im

Stimulationsparadigma A und kleiner als in B (McElligott, 1997; Baker et al., 1998).

Die Untersuchung zeigte, dass das gain mit 0,22 niedriger war als im

Stimulationsparadigma A. Dieses unerwartete Ergebnis deutet auf einen zusätzlichen

unspezifischen visuellen Einfluss (aufmerksamkeitssteigernd) auf das vestibulo - okuläre

System der Regenbogenforelle hin.

In dem Stimulationsparadigma B erfuhren die Versuchstiere eine vestibuläre Stimulation.

Gleichzeitig trat aufgrund des stationären Reizmusters eine vertikale Bildverschiebung auf

der Retina auf. Die signifikante Erhöhung des gains im Vergleich zum

Stimulationsparadigma A ist ein eindeutiger Beleg für den visuellen Einfluss auf das

vestibulo- okuläre System. Unterstützung fand dieser Befund im Stimulationsparadigma C.

Durch eine Phasenverschiebung um 180° zwischen der vestibulären und der visuellen

Stimulation bei gleichbleibender Reizfrequenz wurde eine Verdoppelung der visuellen

Stimulusgeschwindigkeit erreicht. In der Gruppenanalyse erreichte das gain im Vergleich

zu den Paradigmen B und A den höchsten, wenn auch nicht den doppelten Wert von B, der

theoretisch zu erwarten gewesen wäre.

Der Verstärkungsfaktor des gemessenen VOR - gains aus der Gruppenanalyse in

Abhängigkeit von den Stimulationsparadigmen A - B und B - C liegt bei Werten von 1,55

und 1,4. Diese Werte geben den Modulationsfaktor an, den das visuelle System auf die

Ausführung kompensatorischer Augenbewegungen beim VOR tatsächlich ausübt.

Es bleibt die Frage, warum das gain in den Stimulationsparadigmen B und C nicht die zu

erwartenden Werte von 1 und 2 annahm. Die Ursache könnte in der Ausrichtung des

Bogengangsystems relativ zur Zugrichtung der Augenmuskeln begründet sein (Simpson &

Graf, 1985). Der Canalis semicircularis anterior steht je nach Spezies in einem Winkel von

45° bis 55° zur Körperlängsachse und in einem Winkel von 90° zum C.s. posterior.

Bezogen auf den vVOR bedeutet dies, dass mit der vertikalen sinusförmigen

Drehbeschleunigung, die einer Rollbewegung des Fisches um die Körperlängsachse

entspricht, die Bogengänge C.s. anterior und C.s. posterior stimuliert werden. Vertikale

Augenbewegungen werden vom M. obliquus superior und M. rectus superior nach oben

und vom M. obliquus inferior und M. rectus inferior nach unten ausgeführt. Es findet also

111


eine „Mischstimulation“ zweier Bogengänge und zweier Muskelpaare statt. Eine optimale

Stimulusrichtung für je einen einzelnen Bogengang wäre (in Bogengangkoordinaten) links

- anterior / rechts - posterior (LARP) und rechts-anterior / links-posterior (RALP); dies

entspräche auch der Zugrichtung der Augenmuskeln (Simpson & Graf, 1981).

4.2.2 Der horizontale vestibulo-okuläre Reflex An drei der acht untersuchten Salmo gairdneri wurde unter den Stimulationsparadigmen A,

B und C auch das gain des horizontalen VORs mit der Erwartung untersucht, dass das gain

aufgrund der Lageübereinstimmung des horizontalen Bogenganges mit der horizontalen

Zugrichtung der Augenmuskeln größer ist als in der vertikalen Stimulationsrichtung und

sich entsprechen der theoretischen Voraussage verhält.

Das Ergebnis der Gruppenanalyse stellte sich wie folgt dar. In dem Stimulationsparadigma

A wurde von den Versuchstieren ein gain von 0,55 erreicht. In B war das gain signifikant

auf 0,69, in C auf 0,84 erhöht. Der Vergrösserungsfaktor kann von Stimulationsparadigma

A nach B mit 1,25 und von B nach C 1,22 beziffert werden. Auch in der horizontalen

Stimulationsebene wurden die gain Erwartungswerte also nicht erreicht. Die

Modulationsfaktoren sind annähernd gleich für die vertikale und horizontale

Stimulationsrichtung.

Im hVOR - Dunkelexperiment, das an drei der acht untersuchten Tiere durchgeführt

wurde, stellte sich wie zuvor das niedrigste gain von 0.33 ein. Der Vergleich zwischen dem

vVOR und dem hVOR zeigt, dass das gain der kompensatorischen Augenbewegungen in

der horizontalen Stimulationsebene in allen Paradigmen signifikant größer war.

Dieser Befund spricht für eine sehr enge Beziehung zwischen der horizontalen

Zugrichtung der Augenmuskeln (M. rectus posterior, M. rectus anterior) und der Lage des

horizontalen Bogenganges Canalis semicircularis lateralis, und für eine suboptimale

Anordnung der entsprechenden Strukturen in der vertikalen Roll-Situation.

112


4.2.3 Die Kopplung des optokinetischen und des vestibulo - okulären

Systems Bei den Amnioten sowie den Amphibien wurde eine visuelle Projektion des AOS zur

Oliva inferior nachgewiesen (Mammalia: Giolli et al., 1984; Simpson, 1984; Aves: Brauth

et al., 1978; Wylie, 2001; Reptilia: Reiner & Karten, 1978; Amphibia: Montogomery et al.,

1981, 1982, 1985). Von dort wird die visuelle Information über die Kletterfasern zu den

Purkinjezellen des Vestibulocerebellums geleitet (Ito, 1982; Magnin et al., 1983, 1989;

DeZeeuw et al., 1994, 1995), die ihrerseits den inhibitorischen Eingang auf die

vestibulären Neurone stellen (Ito, 1972; Miles & Lisberger, 1981; Lisberger & Sejnowski,

1992).

Im Vestibulocerebellum findet die Kalibrierung des VORs statt. Dazu dienen die

neuronalen Informationen über die Differenz zwischen Augenbewegung (OKR) und

Reizbewegung (VOR) (Graf et al., 1988; DeZeeuw et al., 1994, 1995).

Eine entsprechende Projektion wurde bei den Teleostei bisher nicht nachgewiesen. Durch

Injektion anterograder Tracer in das AOS (P1/P2: Finger und Karten, 1978; Nucleus

praetectalis ventralis: Luiten; 1986; nucleus praetectalis: Grover und Sharma, 1981; Butler

et. al., 1991) wurde beim Goldfisch unter Umgehung des Projektionsweges zur IO und

Kernen des Mesencephalons eine direkte Projektionen in das Vestibulocerebellum

identifiziert.

Pastor et al. (1994) gelang es, beim Goldfisch die Projektionen der Purkinjezellen im

Vestibulocerebellum zu den Vestibulariskernen nachzuweisen. Durch Elektrostimulation

der Vestibulariskerne konnten sie Augenbewegungen auslösen. Eine Modulierung der

simple – spike - Aktivität von Purkinjezellen durch alleinige VOR - Stimulation und durch

alleinige Augenbewegungen wurden ebenfalls nachgewiesen. Im Vestibulocerebellum

kann also das gain der kompensatorischen Augenbewegungen des VORs durch das

optokinetische und vestibuläre System moduliert werden. Unterstützt werden diese

Ergebnisse durch Adaptationsexperimente zum VOR von McElligott (1998), Michnovicz

und Bennet (1987) und Pastor et al. (1994), die unter dem Aspekt cerebellaerer Plastizität

und des Lernens durchgeführt wurden.

Eine zweite visuelle Projektion, des AOS der Säuger führt zum Nucleus praepositus

hypoglossi. Dieses Kerngebiet liefert den visuellen Eingang für die Vestibulariskerne.

113


Durch Integration der visuellen und der vestibulären Information wird das

Geschwindigkeitssignal der Augen gebildet (McCrea & Baker, 1985; Delgardo-Garcia et

al., 1989). Auch diese Projektion wurde bei Teleostei bisher nicht nachgewiesen. Ein

vergleichbares Areal im Hirnstamm des Goldfisches wurde von Pastor et al. (1994) als

Area II bezeichnet. Eine Inaktivierung der Area II mit Lidocain führte zu einer Reduktion

des gains von VOR und OKR.

Bei den Säugern existiert ein drittes Areal, der Nucleus dorsolateralis pontis. Er erhält

ebenfalls Eingang vom AOS und stellt über die Moosfasern eine Verbindung zum

Kleinhirn her.

Welche Projektionen gehen vom dorsalen praetectalen Areal richtungsselektiver Zellen bei

Salmo gairdneri und Esox lucius aus? Bei den Teleostei sind bisher zwei Wege bekannt,

der direkte Pfad in das Vestibulocerebellum und der Pfad über die Area II. Ein relativ

geringes Gewicht würde ich der direkten Projektion in das Vestibulocerebellum zuordnen.

In Inaktivierungsexperimenten konnten nur geringe Veränderungen des gains gezeigt

werden (Michnovicz & Bennet, 1987; Pastor et al., 1994; DeZeeuw et al., 1995). Der

massive Einfluss einer Area II Inaktivierung auf das gain von OKR und VOR weist auf die

wichtige Rolle der Projektion des Praetectums zur Area II hin (Pastor et al., 1994;

McElligott et al., 1998). Da funktionelle Untersuchungen zu den vom Praetektum

ausgehenden Projektionen derzeit nicht vorliegen, kann die Frage nach der relativen

Bedeutung der verschiedenen Projektionen hier nicht abschließend geklärt werden.

114


4.3 Auswirkungen einer unilateralen praetectalen Läsion auf

den optokinetischen Reflex Durch die Läsion des dorsalen Praetectums wurde die Bedeutung der richtungsselektiven

Neurone von Salmo gairdneri für den horizontalen optokinetischen Reflex untersucht.

Welche Voraussagen können getroffen werden?

Eine für Säuger formulierte Modellvorstellung geht davon aus, dass der linke und der

rechte NOT jeweils vom kontralateralen Auge richtungsselektiven Eingang erhalten. Wenn

keine visuelle Stimulation erfolgt, besitzen beide NOT - Neuronenpopulationen ein

ausgeglichenes Aktivitätsniveau und die Augen bleiben auf ihrer Position. Bei visueller

Stimulation kodiert der linke NOT Bewegungsrichtungen nach links und der rechte NOT

Bewegungsrichtungen nach rechts. Bei Reizung nach links wird die neuronale Aktivität im

linken NOT erhöht, im rechten NOT aber abgesenkt. Es resultiert eine Augenbewegung

nach links.

Wenn nun dieses Gleichgewichtssystem durch reversible Inaktivierung oder Läsion eines

NOTs gestört wird, löst dies aufgrund des künstlich hervorgerufenen

Aktivitätsungleichgewichts langsame Augenfolgebewegungen zur intakten, normal aktiven

Seite hin aus. Rückstellsakkaden erfolgen zur inaktivierten Seite. Die Folge ist ein

Spontannystagmus.

Genau dieses Erscheinungsbild zeigen reversible Inaktivierungen und Läsionsexperimente

in verschiedenen Vertebratenklassen (Amphibia: Montgomery et al., 1982; Aves &

Reptilia: Fite et al., 1979; Reptilia: Fan et al., 1995; Ariel & Kogo, 2001; Kogo et al.,

1998; Aves: Wylie & Frost, 1990).

Welche Auswirkungen haben praetectale Läsionen bei der Regenbogenforelle?

4.3.1 Die Voruntersuchung zum mhOKR und das Läsionsexperiment

Mit der Voruntersuchung zum mhOKR sollte sichergestellt werden, dass bei allen sechs

Salmo gairdneri, die in dieser Studie untersucht wurden, vor dem Eingriff ein mhOKR

auslösbar war.

115


Die Läsion an den fünf Tieren erfolgten an möglichst unterschiedlichen rostro-caudalen

Bereichen des dorsalen praetektalen Areals. Der Grund dafür ist der Befund, dass Neurone

mit unterschiedlichen Vorzugsrichtungen an unterschiedlichen anterior - posterior

Positionen im dorsalen Praetectum liegen. Damit unterscheidet sich dieses praetectale

Areal der Teleostei vom nLM der Amphibia, Reptilia und Aves sowie vom NOT der

Mammalia, in denen ipsiversive horizontale Augenfolgebewegungen kodiert werden

(Amphibia: Katte & Hoffmann, 1980; Fite, 1985; Montgomery et al., 1985; Reptilia:

Schröder, 1981; Mammalia: Collewijn, 1975; Hoffmann & Schoppmann, 1975; Hoffmann

& Fischer, 2001). Das sechste Versuchstier diente als Kontrolle ohne Praetectumläsion.

Dieses Experiment sollte Aufschluss darüber geben, ob Penetrationen mit der

Ableitelektrode zu Gewebeverletzungen im Tectum opticum (TeO) bzw. in benachbarten

Fasertrakten führen, die Veränderungen der Augenbewegungen zur Folge haben. Das TeO

ist ein multisensorisches Areal mit u. a. visuomotorischer Funktion. Elektrostimulation im

TeO führen zu Augen- und/oder Rumpfbewegungen (Herrero et al., 1998). Ausgedehnte

Schädigungen des TeO könnten damit zu Defiziten bei den Augenbewegungen führen.

4.3.2 Verhaltensbeobachtung nach der praetectalen Läsion Nach dem vollständigen Abklingen der Narkosewirkung wurde das Verhalten der

Versuchstiere in ihren Aquarien beobachtet. Alle fünf Salmoniden mit lädiertem linken

Praetectum zeigten eine starke Einschränkung in ihrem aktiven Schwimmverhalten, waren

bodenorientiert mit einer leichten Körperneigung zum Läsionsort. Während der wenigen

Aktivitätsphasen wurden fast ausschließlich Schwimmrichtungen zur Läsionsseite

(ipsiversiv) beobachtet. Das sechste Versuchstier (Kontrolle) zeigte ein normales

Aktivitätsverhalten und keine Präferenz in einer Schwimmrichtung. Dieser Befund

unterstützt die Theorie des Aktivitätsgleichgewichtes im praetectalen Areal, da beim

schwimmen schnelle Bewegungen zur inaktiven Seite ausgeführt werden. Die spontanen

Augenbewegungen wurde am linken abgedeckten Auge und am rechten stimulierten Auge

vor und nach dem Läsionsexperiment analysiert. Eine Bevorzugung einer

Sakkadenrichtung konnte vor der Läsion nicht festgestellt werden. Nach der Läsion nahm

die Sakkadenhäufigkeit bei allen Tieren signifikant ab. In keinem Fall konnte aber eine

116


Bevorzugung einer Sakkadenrichtung an beiden Augen festgestellt werden. Ein

Spontannystagmus blieb aus.

Der Spontannystagmus ist ein eindeutiges Indiz für eine Zerstörung oder Inaktivierung des

NOTs oder nLM. Wenn die Folgestrukturen im Gehirn keine Aktivität von einem NOT

bzw. nLM erhalten, wird das gesamte optokinetische System in einen

Ungleichgewichtszustand versetzt.

Zusammengefasst sprechen diese ersten Ergebnisse gegen einen Mechanismus des

Aktivitätsgleichgewichts des linken und rechten praetectalen richtungsselektiven Areals im

optokinetischen System von Salmo gairdnerii weil kein Spontannystagmus auftrat.

4.3.3 Der mhOKN nach der Inaktivierung Welche weiteren Folgen können im Zusammenhang mit der praetectalen Läsion

festgestellt werden?

Von den sechs Versuchstieren zeigten fünf Tiere eine signifikante Herabsetzung des gains.

Dabei war auffällig, dass die Tiere Sg 12, Sg 13 und Sg 16 gegenüber den praeoperativen

Messungen eine signifikante Reduktion des gains in temporo - nasaler Reizrichtung

zeigten, Sg14 in naso - temporaler Reizrichtung und Sg 15 in beiden Stimulusrichtungen.

Das Kontrolltier (Sg 17) zeigte ein zum Vorexperiment vergleichbares gain über alle

untersuchten Reizgeschwindigkeiten. Eine unilaterale Läsion des Praetectums wirkt sich

also auf das gain der langsamen Augenfolgephase während des OKR in einer der

horizontalen Stimulusrichtungen aus. Darin unterscheidet sich das praetectale Areal der

Regenbogenforelle vom NOT und nLM der anderen bisher untersuchten

Vertebratenklassen. Bei diesen bewirkt eine unilaterale Läsion oder pharmakologische

Inaktivierung eine Reduktion des gains der langsamen Augenfolgephase nur in Richtung

der inaktivierten Seite.

117


4.3.4 Welche Anteile des horizontalen optokinetischen Reflexes sind

während der visuellen Stimulationsphasen betroffen? In der bisherigen Überlegung wurde die Abnahme der Güte der

Augenfolgegeschwindigkeit betrachtet. In der weiterführenden Analyse wurde die

Frequenz und die Amplitude der Augenfolgebewegung untersucht. An allen fünf

Versuchstieren mit Praetectumläsion sank für das stimulierte Auge in der jeweiligen

betroffenen Stimulusrichtung die Frequenz der Augenfolgebewegungen signifikant um ca.

72 % und für das nicht stimulierte Auge um 68 %. Der Grund für die unterschiedliche

Reduktion liegt in der Entkopplung der Augen (Fritsche & Marshall, 2002). Auch die

Amplituden der Augenfolgebewegungen zeigen eine signifikante Verringerung um ca.

42 %. Die Abnahme der Frequenz kann damit erklärt werden, dass bei der Zerstörung des

neuronalen Gewebes nicht ausschließlich richtungsselektive Neurone betroffen waren. Es

ist davon auszugehen, dass Nervenfasern mitbetroffen waren. Diese könnten z. B.

Informationen für sakkadische Augenbewegungen, z. B. vom TeO tragen.

Damit kann die Hypothese gestützt werden, dass die praetectalen richtungsselektiven

Zellen die langsame Augenfolgephase des OKR steuern und somit Teil des neuronalen

Substrats des OKRs sind. Dieser Befund ergänzt die Arbeit von Rösner und Baier (2003),

die Laser - Ablationen des GFP-markierten TeO an Zebrafischmutanten durchführten. In

dieser Studie wurden Ausfälle im OKR und der optomotorischen Reaktion (OMR) nach

Zerstörung einer Hälfte des TeOs untersucht. Entgegen bisheriger Erkenntnisse am

Goldfisch trat hier kein Defizit in der OMR auf (Herrero, 1996). Beim OKR dagegen kam

es zu einer signifikanten Reduktion der Anzahl und der Amplitude der sakkadischen

Augenbewegungen. Unbeeinträchtigt blieb der Geschwindigkeitsbereich der langsamen

Augenfolgephase im OKR. Das neuronale Substrat zur visuellen Auslösung langsamer

Augenfolgebewegungen während des OKRs ist also nicht im TeO lokalisiert.

Die histologische Lokalisation des Läsionsortes innerhalb des Areals der

richtungsselektiven Neurone steht im Zusammenhang mit der Herabsetzung des gains und

118


der beeinträchtigten Richtung der Augenfolgephase.

- Eine caudale Läsion bewirkt eine signifikante Reduktion des gains in temporo -

nasaler Reizrichtung.

- Eine Läsion im zentralen Bereich des Kerngebietes senkt das gain in beiden

Stimulusrichtungen.

- Eine rostrale Läsion bewirkt eine signifikante Reduktion in naso - temporaler

Reizrichtung.

Dieser Befund korrespondiert zur möglichen topographischen Ordnung, die im

elektrophysiologischen Teil dieser Studie (I. 4.10) gezeigt wurde. Damit unterscheidet sich

das Areal deutlich von den Befunden der anderen Vertebratenklasen, in dem nur eine

horizontale Richtung kodiert wird.

4.3.5 Das Modell des optokinetischen Schaltkreises für echte

Knochenfische Anhand den gesamten Untersuchungsergebnisse der vorliegenden Studie, die im 1. Kapitel

an Salmo gairdneri und Esox lucius und im 2. Kapitel an Salmo gairdneri gewonnen

wurden, schlage ich folgenden optokinetischen Schaltkreis bei den Teleostei vor:

Eine temporo - nasale oder naso - temporale Bildverschiebung wird von der Retina

detektiert und kodiert. Diese visuelle Richtungsinformation wird über der Nervus opticus

auf die kontralaterale Seite in das Praetectum projiziert und zwar auf die

richtungsselektiven Zellen im dorsalen praetectalen Areal. Diese Neurone verarbeiten

Richtung und Geschwindigkeit der retinalen Bildverschiebung und leiten diese Information

weiter an vier Kerngebiete.

1. Die Area II befindet sich im Hirnstamm. Sie erhält vom AOS Information über retinale

Bildverschiebungsgeschwindigkeit und bildet den Geschwindigkeitsspeicher für

optokinetische Augenbewegungen. 2. Die Area I mit ihrer Verbindung zu den

Vestibulariskernen erhält vom AOS visuelle Information, die das gain des VOR optimiert.

3. Der direkte Projektionsweg vom AOS zum Vestibulocerebellum dient der Kalibrierung

des VORs (Pastor et al., 1997). 4. Vom AOS erfolgt außerdem eine direkte Projektion zu

den Augenmuskelkernen. Die richtungsselektiven Neurone im Praetectum beider

119


untersuchten Fischarten zeigen die charakteristischen Eigenschaften von Neurone aus dem

AOS anderer Vertebraten.

Diese Projektionswege sind schematisch in der Abbildung II. 4.2 gezeigt.

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Ce

Amk

Abb. II. 4.2: Modell des neuronalen Schaltkreises des optokinetischen Systems mit dem vestibulo - okulären

System bei Teleostei. dpA = dorsales praetectales Areal, AI und AII = Area I und Area II, Ve = vestibularis

Kerne, Ce = Cerebellum, Amk = Augenmuskelkerne

Die in der Abb. 4.2 dargestellten durchgehenden schwarzen Pfeile, geben bekannte

Projektionswege im Fischgehirn an. Die gestrichelten Pfeile geben Projektionen an, die

von richtungsselektiven Neuronen des dorsalen praetectalen Areals, zu bekannten

Strukturen im optokinetischen Schaltkreis ausgehen. Diese sind zur Zeit nicht bestätigt

bzw. untersucht.

120

III. Zusammenfassung _____________________________________________________

III. Zusammenfassung Die vorliegende Studie untersucht bei zwei echten Knochenfischen, der Regenbogenforelle

(Salmo gairdneri) und dem Hecht (Esox lucius) die Lokalisation von visuellen Neuronen,

die an der Ausführung kompensatorischer Augenbewegungen zur Blickstabilisierung

beteiligt sind. Die Arbeit gliedert sich in einen elektrophysiologischen und in einen

verhaltensphysiologischen Teil zum optokinetischen und zum vestibulo - okulären Reflex.

I. Elektrophysiologische Experimente 1. In den elektrophysiologischen Experimenten gelang der Nachweis richtungsselektiver

Neurone im Praetectum. Insgesamt konnten 72 Neuronen bei Salmo gairdneri und 45

Neuronen bei Esox lucius abgeleitet werden.

2. Diese Neurone unterscheiden sich in ihrer Aktivität bei den beiden Fischarten. Die

richtungsselektiven Neurone von Salmo gairdneri sind wenig oder nicht spontanaktiv

(< 4 Hz), reagieren tonisch auf Stimulation in ihrer Vorzugsrichtung und zeigen keine

Inhibition bei Stimulation in Nullrichtung.

Die richtungsselektiven Neuron von Esox lucius sind spontanaktiv (> 10 Hz), reagieren mit

Aktivitätserhöhung auf Stimulation in Vorzugsrichtung und inhibitorisch mit

Aktivitätserniedrigung in Nullrichtung.

Die Neurone beider Fischarten zeigen außerdem eine starke phasische Aktivierung bei

Einsetzen der Stimulusbewegung in alle Richtungen.

3. Die Vorzugsrichtungen der praetectalen richtungsselektiven Neurone repräsentieren bei

beiden Fischarten alle Raumrichtungen. Das Richtungstuning ist breit (50% der max.

Spikefrequenz bleibt bei +/- 45° Abweichung von der Vorzugsrichtung erhalten).

4. Die Häufigkeit richtungsselektiver Neuronen mit horizontaler bzw. vertikaler

Vorzugsrichtung ist bei Salmo gairdneri gleich. Bei Esox lucius kodieren signifikant mehr

Neurone horizontale als vertikale Stimulusrichtungen (p < 0,05).

5. Bei beiden Fischarten wird die temporo - nasale und naso - temporale Reizrichtung von

der gleichen Anzahl von Neuronen kodiert.

6. Die richtungsselektiven Neurone von Salmo gairdneri kodieren Geschwindigkeiten bis

70 °/s mit einer Erhöhung der Entladungsrate. Die Neurone von Esox lucius erreichen ihre

maximale Aktivität bei 20 °/s.

121


7. Der Median der visuellen Latenzzeit beträgt für Salmo gairdneri 80 ms, für Esox lucius

90 ms.

8. Die rezeptiven Felder erreichen bei beiden Spezies im Azimut eine Ausdehnung bis zu

130°, in der Elevation bis zu 64°. Sie befinden sich vornehmlich im frontalen Gesichtsfeld

und sind deutlich größer als rezeptive Felder des Tectum opticum.

9. Die Ableitorte richtungsselektiver Neurone liegen im dorsalen Praetectum.

10. In diesem Areal besteht eine topographische Ordnung. Im rostralen Bereich liegen vor

allem Neurone, die nach nasal verlaufende Bewegungen kodieren, im caudalen Bereich

Neurone, die nach temporal verlaufende Bewegungen.

11. Diese Antworteigenschaften gleichen denen von Neuronen bei anderen Vertebraten,

die in den neuronalen Schaltkreis für den OKR eingebunden sind.

II. Verhaltensexperimente 1. Der vertikale optokinetische Reflex wurde an der Regenbogenforelle untersucht, um die

Funktion richtungsselektiver Neurone mit vertikaler Vorzugsrichtung zu ergründen. Diese

Richtung tritt auf bei einer Roll - Bewegung des Fisches um die Körperlängsachse auf und

bewirkt eine vertikale Bildverschiebung auf der Retina. Bei keinem der Tiere konnte ein

vertikaler optokinetischer Reflex ausgelöst werden. Dagegen traten während der

Stimulationsphasen zahlreiche horizontale Augenbewegungen auf.

2. Die visuelle vertikale Richtungsinformation führte zu einer Verbesserung des gains

kompensatorischer Augenbewegungen beim vertikalen VOR. Drei unterschiedliche

visuelle Stimulationsparadigmen wurden getestet. Das Reizmuster bewegte sich exakt mit

dem Fisch mit (1), das Reizmuster bleibt gegenüber der Drehbewegung der Fisches

stationär im Raum (2) und das Reizmuster bewegt sich mit der gleichen

Stimulationsgeschwindigkeit gegen die Drehrichtung des Fisches (3). Das gain der

kompensatorischen Augenbewegungen nahm signifikant von Stimulationsparadigma 1 zu

2 und von 2 zu 3 zu. Damit ist der visuelle Einfluss auf das vestibuläre System belegt. Eine

erwartete Aufhebung des VOR in Paradigma 1 fand nicht statt. Der visuelle Einfluss auf

das vestibuläre System ist bei der Forelle nicht stark genug.

3. Entsprechende Ergebnisse ergaben sich für den horizontalen VOR. Der Vergleich des

gains vertikaler und horizontaler kompensatorischer Augenbewegungen zeigte eine

122


signifikante Dominanz in der horizontalen Stimulusebene. Dies kann mit der Zugebene der

beteiligten Augenmuskeln und der Anordnung der drei Bogengänge des

Gleichgewichtorgans im Raum erklärt werden.

4. Eine unilaterale Läsion des Areals richtungsselektiver Neurone im Praetectum führt zu

einer signifikanten Verschlechterung des gains des monokularen horizontalen

optokinetischen Reflexes. Eine praetectale Läsion im rostralen Bereich führt zu einer

Beeinträchtigung in naso - temporaler Richtung, eine Läsion im caudalen Bereich in

temporo - nasaler Richtung. Im mittleren Bereich des Areals sind beide Richtungen

betroffen.

5. Diese Verhaltensuntersuchungen weisen darauf hin, dass die im dorsalen Praetectum

kodierte Richtungsinformation über vertikale Stimulusbewegungen keinen bzw. einen

geringen Einfluss auf den vertikalen optokinetischen Reflex hat, sondern zur Modulation

vertikaler kompensatorischer Augenbewegungen beim vestibulo - okulären Reflex genutzt

wird. Die visuelle Information über horizontale Bewegungen ist für das optokinetische und

das vestibulo - okuläre System relevant.

123


Während dieser Studie wurden vorläufige Ergebnisse an folgenden Stellen publiziert:

Klar M. & K.-P. Hoffmann, 2000. Different asymmetries of optokinetic eye-movements in

rainbow trout and pike. Zoology-Analysis of Complex Systems-Formerly. Zoologische

Jahrbücher, Supplement III, p. 68.

Klar, M &. Hoffmann,K.-P., 2001. Are direction-selective neurons in the pretectum of the

rainbow trout (Salmo gairdneri) the neuronal substrate for OKN generation? In: 3rd

European Conference on comparative neurobiology: Modern view on brain homologies

(III ECCN). Abtsr. 126.

Klar. M & K.-P. Hoffmann. 2001. Direction-selective visual neurons in the pretectum of

the rainbow trout (Salmo gairdneri). In: Proceedings of the 27thGöttingen Neurobiology

Conference. 566.

Klar M. & K.-P. Hoffmann, 2002. Visual direction-selective neurons in the pretectum of

the rainbow trout. Brain Res. Bul. Vol. 57. 431-433.

Klar M. & K.-P. Hoffmann, 2003. How are the rainbow trout pretectal direction-selective

neurons involved in the optokinetic reflex? In: Proceedings of the 28thGöttingen

Neurobiology Conference. 236.

124

IV. Literaturverzeichnis


Allum, J. H., Graf, W., Dichgans J. & Schmidt, C. L., 1976. Visual-vestibular interactions

in the vestibular nuclei of the goldfish. Exp. Brain Res. 26, 463-85.

Ariel, M., 1997. Open loop optokinetic responses of the turtle. Vision Res. 37, 925-933.

Ariel, M. & Kogo, N., 2001. Direction tuning of inhibitory inputs to the turtle accessory

optic system. J. Neurophysiol. 86, 2919-2930.

Ashton, J. A., Milleret, C. & Donaldson, I. M., 1989. Effects of afferent signals from the

extraocular muscles upon units in the cerebellum, vestibular nuclear complex and

oculomotor nucleus of the trout. Neuroscience 31, 529-541.

Baker, R., Gilland, E., Green, A., Straker, H. & Suwa, H., 1998. Rhombomeric

organization of horizontal optokinetic and vestibulo-ocular reflexes in goldfish. Soc.

Neurosci. Abstr. 24, 1411.

Ballas, I. & Hoffamnn, K. P., 1985. A correlation between receptive field properties and

morphological structures in the pretectum of the cat. J. Comp. Neurol. 238, 417-428.

Barlow, H. B., Hill, R. M. & Levick, W. R., 1964. Retinal ganglion cells responding

selectively to direction and speed of image motion in the rabbit. J. Physiol. 173, 377-407.

Barlow, H. B. & Levick, W. R., 1965. The mechanism of directionally selective units in

rabbit's retina. J. Physiol. 178, 477-504.

Bathelt, D., 1970. Experimentelle und vergleichende morphologische Untersuchungen am

visuellen System von Teleostiern. Zool. Jb. 87, 402-470.

Batschelet, E., 1981. Circular Statistics in Biology. Academic Press.

125


Bauchot, R., Thomot, A. & Bauchot, M. L., 1989. The eye muscles and their innervation in

Chaetodon trifasciatus (Pisces, Teleostei, Chaetodontidae). Enviro. Biol. of Fishes. 25,

221-233.

Bleckmann, H., Tittel, G. & Blübaum-Grönau, E., 1989. Lateral line system of surface

feeding fish: anatomy, physiology and behavior. In the mechanosensory lateral line:

Neurobiology and Evolution. 501-526.

Bohmer, A. & Baloh, R. W., 1990. Vertical optokinetic nystagmus and optokinetic

afternystagmus in humans. J. Vestib. Res. 1, 309-315.

Borel, L. & Lacour, M., 1992. Functional coupling of the stabilizing eye and head reflexes

during horizontal and vertical linear motion in the cat. Exp. Brain Res. 91, 191-206.

Brauth, S. E., 1977. Direct accessory optic projections to the vestibulo-cerebellum: a

possible channel for oculomotor control systems. Exp. Brain Res. 28, 73-84.

Brauth, S. E., Ferfguson, J. L. & Kitt, C. A., 1978. Prosencephalic pathways related to the

paleostriatum of the pigeon (Columba livia). Brain Res. 147, 205-221.

Bruns, S. & Wallmann, J., 1981. Relation of single unit properties to the oculomotor

function of the nucleus of the basal optic root. Exp. Brain. Res. 42, 171-80.

Burr, D. C., Morrone, M. C. & Ross, J., 1994. Selective suppression of the magnocellular

visual pathway during saccadic eyemovements. Nature 371, 511-513.

Butler, A. B., Wullimann, M. F. & Northcutt, R.G., 1991. Comparative cytoarchitectonic

analysis of some visual pretectal nuclei in teleosts. Brain Behav. Evol. 38, 92-144.

Cazin, L., Precht, W. & Lannou, J., 1980. Pathways mediating optokinetic responses of

vestibular nucleus neurons in the rat. Pflügers Arch. 384, 19-29.

126


Cazin, L., Magnin, M. Lannou, J., 1982. Non-cerebellar visual afferents to the vestibular

nuclei involving the prepositus hypoglossal complex: an autoradiographic study in the rat.

Exp. Brain Res. 48, 309-313.

Cazin, L., Lannou, J. & Precht, W., 1984. An electrophysiological study of pathways

mediating optokinetic responses to the vestibular nucleus in the rat. Exp. Brain Res.

54, 337-348.

Cochran, S. L., Dieringer, N. & Precht, W., 1984. Basic optokinetic- ocular reflex

pathways in the frog. J. Neurosci. 4, 43-57.

Cohen, B., Schiff, D. & Buettner, J., 1990. Contribution of the nucleus of the optic tract to

optokinetic nystagmus and optokinetic afternystagmus in the monkey: clinical

implications. Res. Publ. Assoc. Res. Nerv Ment. Dis. 67, 233-255.

Collewijn, H., 1975. Oculomotor areas in the rabbits midbrain and pretectum. J. Neurobiol.

6, 3-22.

Collewijn, H., 1975. Direction-selective units in the rabbit’s nucleus of the optic tract.

Brain Res. 100, 489-508.

Cook, J. E. & Podugolnikowa, T. A., 2001. Evidence for spatial regularity among retinal

ganglion cells that project to the accessory optic system in a frog, a reptile, a bird, and a

mammal. Vis. Neurosci. 18, 289-297.

Delgardo-Garcia, J. M., Vidal, P. P., Gomez, C. & Berthoz, A. A., 1989.

Neurophysiological study of prepositus hypoglossi neurons projecting to oculomotor and

preoculomotor nuclei in alert cat. Neurosci. 29, 291-307.

DeZeeuw, C.I., Wylie, D. R., DiGiorgi, P. L. & Simpson, J. L., 1994. Projections of

individual Purkinje cells of identified zones in the flocculus to the vestibular and cerebellar

nuclei in the rabbit. J. Comp. Neurol. 349, 428-447.

127


DeZeeuw, C. I. & Berrebi, A. S., 1995. Postsynaptic targets of Purkinje cell terminals in

the cerebellar and vestibular nuclei of the rat.. Eur. J. Neurosci. 7, 2322-2333.

DeZeeuw, C. I., Wylie, D. R., Stahl, J. S. & Simpson, J. L., 1995. Phase relations of

Purkinje cells in the rabbit flocculus during compensatory eye movements. J.

Neurophysiol. 74, 2051-2064.

Dichgans, J., Schmidt, C. L. & Graf, W., 1973. Visual input improves the speedometer

function of the vestibular nuclei in the Goldfish. Exp. Brain Res. 18, 319-322.

Dieringer, N., Reichenberger, I. & Graf, W., 1992. Differences in optokinetic and

vestibular ocular reflex performance in teleosts and their relationship to different life

styles. Brain Behav. Evol. 39, 289-304.

Distler, C., Mustari, M. J. & Hoffmann, K. P., 2002. Cortical projections to the nucleus of

the optic tract and dorsal terminal nucleus and to the dorsolateral pontine nucleus in

macaques: a dual retrograde tracing study. J. Comp. Neurol. 444, 144-158.

Douglas, R. H. & Dkamgoz, M. B. A., (Eds.), 1990. The visual system of fish. Chapman

and Hall, London.

Easter, S. S., 1972. Pursuit eye movements in the goldfish. Vision Res. 12, 673-688.

Easter, S. S. & Schmidt, J. T., 1977. Reversed visuomotor behavior mediated by induced

ipsilateral retinal projections in goldfish. J. Neurophysiol. 40, 1245-1254.

Easter, S. S. & Nicola G. N., 1997. The development of eye movements in the zebrafish

(Danio rerio). Dev. Psychobiol. 31, 267-276.

Ezure, K. & Graf, W., 1984. A quantitative analysis of the spatial organization of the

vestibulo-ocular reflex in lateral- and frontal-eyed animals—I. Orientation of semicircular

canals and extraocular muscles. Neuroscience. 12 , 85-93.

128


Fan, T. X., Weber, A. E., Pickard, G. E., Faber, K. M. & Ariel, M., 1995. Visual responses

and connectivity in the turtle pretectum. J. Neurophysiol. 73, 2507-2521.

Finger, T. E. & Karten, H. J., 1978. The accessory optic system in teleosts. Brain Res.153,

144-149.

Fite, K. V., Reiner, A. & Hunt, S. P., 1979. Optokinetic nystagmus and the accessory optic

system of pigeon and turtle. Brain Behav. Evol. 16, 192-202.

Fite, K. V., 1985. Pretectal and accessory-optic visual nuclei of fish, amphibia and reptiles:

theme and variations. Brain Behav. Evol. 26, 71-91.

Fite, K. V. & Hayden, D., 1985. The accessory optic system and temporal correlates of

visuomotor orientation. Brain Behav. Evol. 27, 48-56.

Fite, K. V., Kwei- Levy, C. & Bengston, L., 1989. Neurophysiological investigation of the

pretectal nucleus lentiformis mesencephali in Rana pipiens. Brain Behav. Evol. 34, 164-

170.

Flandrin, J. M., Courjon, J. H., Magnin, M. & Arzi, M., 1990. Horizontal optokinetic

responses under stroboscopic illumination in cat, monkey and man. Exp. Brain Res. 81,

59-69.

Fritsches, K. A. & Marshall, N. J., 2002. Independent and conjugate eye movements

during optokinesis in teleost fish. J. Exp. Biol. 205, 1241-1252.

Fuchs, A. F., Kaneko, C. R. S. & Scudder, C. A., 1985. Brainstem control of saccadic eye

movements. Ann. Rev. Neurosci. 8, 307-337.

Fuchs, A.F., Mustari, M. J., Robinson, F. R. & Kaneko, C. R. S., 1992. Visual signals in

the nucleus of the optic tract and their brainstem destinations. Ann. N. Y. Acad. Sci. 656,

266-276.

129


Gioanni, H., Rey, J., Villalobos, J., Richard, D. & Dalbera, A., 1983. Optokinetic

nystagmus in the pigeon (Columba livia). II. Role of the pretectal nucleus of the accessory

optic system (AOS). Exp. Brain. Res. 50, 237-247.

Giolli, R. A., Blanks, R. H. & Torigoe, Y., 1984. Pretectal and brain stem projections of

the medial terminal nucleus of the accessory optic system of the rabbit and rat as studied

by anterograde and retrograde neuronal tracing methods. J. Comp. Neurol. 227, 228-251.

Goltz, M., 1998. Quantitative Analyse des optokinetischen und vestibulären Reflexes beim

Hecht (Esox lucius). Diplomarbeit, Ruhr-Universität-Bochum.

Graf, W. & McGurk, J. F., 1985. Peripheral and central oculomotor organization in the

goldfish, Carassius auratus. J. Comp. Neurol. 239, 391-401.

Graf, W., 1988. Motion detection in physical space and its peripheral and central

representation. Ann. N. Y. Acad. Sci. 545, 154-169.

Graf, W. & Baker, R., 1990. Neuronal adaptation accompanying metamorphosis in the

flatfish. J. Neurobiol. 21, 1136-1152.

Graf, W., Spencer, R., Baker, H. & Baker, R., 1997. Excitatory and inhibitory vestibular

pathways to the extraocular motor nuclei in goldfish. J. Neurophysiol. 77, 2765-2779.

Graf, W., Spencer, R., Baker, H. & Baker, R., 2001 Vestibuloocular reflex of the adult

flatfish. III. A species-specific reciprocal pattern of excitation and inhibition. J.


Grasse, K. L. & Cynader, M. S., 1988. The effect of visual cortex lesions on vertical

optokinetic nystagmus in the cat. Brain Res. 455, 385-390.

Grover, B. G. & Sharma, S. C., 1979 Tectal projections in the goldfish (Carassius

auratus): A degeneration Study. J. Comp. Neurol. 184, 435-454.

130


Grover B. G. & Sharma, S. C., 1981. Organization of extrinsic tectal connections in

goldfish (Caraccius auratus). J. Comp. Neurol. 196(3). 471-88.

Guthrie, D. M. & Banks, J. R., 1978. The receptive field structure of visual cells from the

optic tectum of the freshwater perch (Perca Fluviatilis). Brain Res. 141, 211-225.

Guthrie, D. M. & Sharma, S. C., 1979. Tectal prejections in the goldfisch (Carassius

auratus). J. Comp. Neurol. 184(3), 435-454.

Herrero, L., Rodriguez, F., Salas, C. & Torres, B., 1998. Tail and eye movements evoked

by electrical microstimulation of the optic tectum in goldfish. Exp. Brain Res. 120, 291-

305.

Herrero, L., Perez, P., Nunez Abades, P., Hardy, O. & Torres, B., 1999. Tectotectal

connectivity in goldfish. J. Comp. Neurol. 411, 455-471.

Hoffmann, K. P. & Schoppmann, A., 1975. Retinal input to direction selective cells in the

nucleus tractus optici of the cat. Brain Res. 99, 359-366.

Hoffmann, K. P., 1983. Effects of early monocular deprivation on visual input to cat

nucleus of the optic tract. Exp. Brain Res. 51, 236-246

Hoffmann, K. P., 1985. Direction selective cells in the nucleus of the optic tract in the

squirrel monkey. Neurosci. Abstr. 11, 1009.

Hoffmann, K. P., 1986. Visual inputs relevant for the optokinetic nystagmus in mammals.

Brain Res. 64, 75-84.

Hoffmann, K. P. & Fischer, W. H., 2001. Directional effect of inactivation of the nucleus

of the optic tract on optokinetic nystagmus in the cat. Vision Res. 41, 3389-3398.

131


Hoffmann, K. P., Bremmer, F., Thiele, A. & Distler, C., 2002. Directional asymmetry of

neurons in cortical areas MT and MST projecting to the NOT- DTN in macaques.

J. Neurophysiol. 87, 2113-2123.

Howard, I. P., 1993. The optokinetic system. In: Sharpe, J. A. & Barber, H. O. (Eds.), The

vestibulo- ocular reflex and vertigo. Raven Press, New York, pp. 163-184.

Ibbotson, M. R., Clifford, C. W. G. & Mark, R. F., 1998. Adaptation to visual motion in

directional neurons of the nucleus of the optic tract. J. Neurophysiol. 79, 1481-1493.

Ibbotson, M. R. & Clifford, C. W. G., 2001. Interactions between on and off signals in

directional motion detectors feeding the NOT of the wallaby. J. Neurophysiol. 86,

1134-1141.

Ibbotson, M. R. & Price, N. S. C., 2001. Spatiotemporal tuning of directional neurons in

mammalian and avian pretectum: a comparison of physiological properties. J.


Ibbotson, M. R., Marotte, L. R. & Mark, R. F., 2002. Investigations into the source of

binocular input to the nucleus of the optic tract in an australian marsupial, the wallaby

Macropus eugenii. Exp. Brain Res. 147, 80-88.

Ito, M., 1972. Neural design of the cerebellar motor control system. Brain Res. 40, 81-84.

Ito, M., Shiida, T., Yagi, N. & Yamamoto, M., 1974. The cerebellar modification of

rabbit’s horizontal vestibulo-ocular reflex induced by sustained head rotation combined

with visual stimulation. Proc. Japan Acad. 50, 85-89.

Ito, M., 1982. Cerebellar control of the vestibulo-ocular reflex- around the flocculus

hypothesis. Ann. Rev. Neurosci. 5, 275-296.

132


Ito, H. & Murakami, T., 1984. Retinal ganglion cells in two teleost species, Sebasticus

marmoratus and Navodon modestus. J. Comp. Neurol. 229, 80-96.

Ito, H., Vanegas, H., Murakami, T. & Morita, Y., 1984. Diameters and terminal patterns of

retinofugal axons in their target areas: a HRP study in two teleosts (Sebastiscus and

Navodon). J. Comp. Neurol. 230, 179-197.

Ito, M., 1993. Synaptic plasticity in the cerebellar cortex and its role in motor learning.

Can. J. Neurol. Sci. 20, 70-74.

Jardon, B. & Bonaventure, N., 1995. Are retinal or mesencephalic dopaminergic systems

involved in monocular optokinetic nystagmus asymmetry in the frog? Vision Res. 35,

381-388.

Kahmann, H., 1934. Über das Vorkommen einer Fovea centralis im Knochenfischauge.

Zool. Anz. 106, 49-56.

Kahmann, H., 1936. Über das foveale Sehen der Wirbeltiere. I. Über die Fovea centralis

und die Fovea lateralis bei einigen Wirbeltieren. Arch. Opthalmol. 135, 265-276.

Kato, I., Harada, K., Hasegawa, T., Igarashi, T., Koike, Y. & Kawasaki, T., 1986. Role of

the nucleus of the optic tract in monkeys in relation to optokinetic nystagmus. Brain Res.

364, 12-22.

Katte, O. & Hoffmann, K. P., 1980. Direction specific neurons in the pretectum of the frog

(Rana esculenta). J. Comp. Physiol. 140, 53-57.

Keng, M. J. & Aanstasio, T. J., 1997. The horizontal optokinetic response of the goldfish.

Brain Behav. Evol. 49, 214-229.

Klar, M., 1999. Zusammnehang zwischen Ausbildung einer Area centralis in der Retina

und Augenbewegungen bei Knochenfischen. Diplomarbeit, Ruhr- Universität Bochum.

133


Klar, M. & Hoffmann, K. P., 2002. Visual direction- selective neurons in the pretectum of

the rainbow trout. Brain Res. Bull. 57, 431-433.

Klauer, S., Sengpiel, F. & Hoffmann, K. P., 1990. Visual response properties and afferents

of nucleus of the optic tract in the ferret. Exp. Brain Res. 83, 178-189.

Kogo, N., McGartland Rubio, D. & Ariel, M., 1998. Direction tuning of individual retinal

inputs to the turtle accessory optic system. J. Neurosci. 18, 2673-2684.

Kunkel, A. W., 1988. Untersuchung zum monokularen optokinetischen Reflex bei Fischen.

Diplomarbeit, Universität Ulm.

Lazar, G., Alkonyi, B. & Toth, P., 1983. Re- investigation of the role of the accessory optic

system and pretectum in the horizontal optokinetic head nystagmus of the frog. Lesion

experiments. Acta Biol. Hung. 34, 385-393.

Lazar, G., 1989. Altering the direction of optokinetic head nystagmus: a lesion study and a

hypothetical model. Exp. Brain Res. 77, 193-200.

Lemire, M. & Reperant, J., 1976. Radioautoradiographic analysis of primary visual

projections in the trout, Salmo irideus Gibb (comparison with other fresh water

Teleosteans). C. R. Acad. Sci. Hebd. Seances Acad. Sci. D. 283, 951-954.

Lisberger, S. G. & Sejnowski, T. J., 1992. Motor learning in a recurrent network model

based on the vestibulo-ocular reflex. Nature 360, 159-161.

Luiten, P. G., 1981. Afferent and efferent connection of the optic tectum in the carp

(Cyprinus caprio L.). Brain Res. 220, 51-64.

Maekawa, K., Takeda, T. & Kimura, M., 1981. Neural activity of nucleus reticalaris

tegmenti pontis- the origin of visual mossy fiber afferents to the cerebellar flocculus of

rabbits. Brain Res. 210, 17-30.

134


Magnin, M., Courjon, J. H. & Flandrin, J. M., 1983. Possible visual pathways to the cat

vestibular nuclei involving the nucleus prepositus hypoglossi. Exp. Brain Res. 51, 298-303.

Magnin M., Kennedy, H. & Hoffmann, K. P., 1989. A double labeling investigation of the

pretectal visuo-vestibular pathways. Vis. Neurosci. 3, 53-58.

Maioli, C. & Precht, W., 1984. The horizontal optokinetic nystagmus in the cat. Exp. Brain

Res. 55, 494-506.

Martin, J., Kogo, N. & Ariel, M., 1998. Morphology of basal optic tract terminals in the

turtle, Pseudemys scripta elegans. J. Comp. Neurol. 393, 267-283.

Matsuo, V. & Cohen, B., 1984. Vertical optokinetic nystagmus and vestibular nystagmus

in the monkey: up-down asymmetry and effects of gravity. Exp. Brain Res. 53, 197-216.

McCrea, R. A. & Baker, R., 1985. Anatomical connections of the nucleus prepositus of the

cat. J. Comp. Neurol. 237, 377-407.

McElligott, J. G. & Freedman, W., 1988. Vestibulo-ocular reflex adaptation in cats before

and after depletion of norepinephrine. Exp. Brain Res. 69, 509-521.

McElligott, J. G., Weiser, M. & Baker, R., 1995. Effect of temperature on the normal and

adapted vestibulo-ocular reflex in the goldfish. J. Neurophysiol. 74, 1463-1472.

McElligott, J. G., 1997. Effect of light and dark on retention of an adapted vestibulo-ocular

reflex (VOR) gain change. Soc. Neurosci. Abstr. 23, 509.

McElligott, J. G., Beeton, P. & Polk, J., 1998. Effect of cerebellar inactivation by lidocaine

microdialysis on the vestibuloocular reflex in goldfish. J. Neurophysiol. 79, 1286-1294.

Michnovicz, J. J. & Bennett, M. V., 1987. Effects of rapid cerebellectomy on adaptive gain

control of the vestibulo-ocular reflex in alert goldfish. Exp. Brain Res. 66, 287-294.

135


Miles, F. A. & Lisberger, S. G., 1981. Plasticity in the vestibulo-ocular reflex: a new

hypothesis. Annu. Rev. Neurosci. 4, 273-299.

Miles, F. A. & Wallmann, J., 1993. In: Reviews of oculomotor research: visual motion and

ist role in the stabilization of gaze. Elsevier, Amsterdam.

Montgomery, N., Fite, K. V. & Bengston, L., 1981. The accessory optic system of Rana

pipiens: neuroanatomical connections and intrinsic organization. J. Comp. Neurol. 203,

595-612.

Montgomery, N., Fite, K. V., Taylor, M. & Bengston, L., 1982. Neural correlates of

optokinetic nystagmus in the mesencephalon of Rana pipiens: a functional analysis. Brain

Behav. Evol. 21, 137-150.

Montgomery, N. M., Fite, K. V. & Grigonis, A. M., 1985. The pretectal nucleus

lentiformis mesencephali of Rana pipiens. J. Comp. Neurol. 234, 264-275.

Mustari, M. J. & Fuchs, A. F., 1989. Response properties of single units in the lateral

terminal nucleus of the accessory optic system in the behaving primate. J. Neurophysiol.

61, 1207-1220.

Mustari, M. J. & Fuchs, A. F., 1990. Discharge patterns of neurons in the pretectal nucleus

of optic tract (NOT) in behaving primate. J. Neurophysiol. 64. 77-90..

Mustari, M. J., Fuchs, A. F., Kaneko, C. R. S. & Robinson, F. R., 1994. Anatomical

connections of the primate pretectal nucleus of the optic tract. J. Comp. Neurol. 349,

111-128.

Natal, C.L. & Britto, L. R., 1987. The pretectal nucleus of the optic tract modulates the

direction selectivity of accessory optic neurons in rats. Brain Res. 419, 320-323.

136


New, J. G., A. Fewkes, L. A. & Khan, A. N., 2001. Strike feeding behavior in the

muskellunge, Esox masquinongy: contributions of the lateral line and visual sensory

systems. J. Exp. Biol. 204, 1207-1221.

Pastor, A. M., Torres, B., Delgado-Garcia, J. M. & Baker, R., 1991. Discharge

characteristics of medial rectus and abducens motoneurons in the goldfish. J.


Pastor, A. M., de la Cruz, R. R. & Baker, R., 1992. Characterization and adaptive

modification of the goldfish vestibuloocular reflex by sinusoidal and velocity step

vestibular stimulation. J. Neurophysiol. 68, 2003-2015.

Pastor, A. M., de la Cruz, R. R. & Baker, R., 1994. Cerebellar role in adaptation of the

goldfish vestibuloocular reflex. J. Neurophysiol. 72, 1383-1394.

Pastor, A. M., de la Cruz, R. R. & Baker, R., 1997. Characterization of purkinje clls in the

Goldfish cerebellum during eye movement and adaptive modification of the vestibulo-

ocular reflex. Prog. Brain Res. 114, 359-81.

Pastor, A. M., de la Cruz, R. R. & Baker, R., 1997. Eye position and eye velocity integrator

reside in separate brainstem nuclei. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 91, 807-11.

Pereira, A., Volchan, E., Vargas, C. D., Penetra, L. & Rocha- Miranda, C. E., 2000.

Cortical and subcortical influences on the nucleus of the optic tract of the opossum.

Neuroscience 95, 953-963.

Polyak, S., 1968. The vertebrat visual system (Hrsg). Elsevier, Amsterdam. Precht, W. & Anderson, J. H., 1979. Effects of cerebellectomy on the cat’s vertical

vestibuloocular reflex. Pflügers Arch. 382, 51-55.

Precht, W. & Cazin, L., 1979. Functional deficits in the optokinetic system of albino rats.

Exp. Brain Res., 37: 183-186

137


Raphan, T., Matsuo, V. & Cohen, B., 1979. Velocity storage in the vestibulo-ocular reflex

arc (VOR). Exp. Brain Res. 35, 229-248.

Raphan, T. & Cohen, B., 2002. The vestibulo-ocular reflex in three dimensions. Exp. Brain

Res. 145, 1-27.

Reiner, A. & Karten, H. J., 1978. A bisynaptic retinocerebellar pathway in the turtle. Brain

Res. 150, 163-169.

Reperant, J., Lemire, M., Miceli, D. & Peyrichoux, J., 1976. A radioautographic study of

the visual system in fresh water teleosts following intraocular injection of tritiated fucose

and proline. Brain Res. 118, 123-131.

Reperant, J., Vesselkin, N. P., Ermakova, T. V., Rustamov, E. K., Rio, J. P., Palatnikov,

G. K., Peyrichoux, J. & Kasimov, R. V., 1982. The retinofugal pathways in a primitive

actinopterygian, the chondrostean Acipenser guldenstadti. An experimental study using

degeneration, radioautographic and HRP methods. Brain Res. 251, 1-23.

Roeser, T. & Baier, H., 2003. Visuomotor behaviors in larval zebrafish after GFP-guided

laser ablation of the optic tectum. J. Neurosci. 23, 3726-3734.

Romer, A. S. , Parsons, T. S.,1991. Vergleichende Anatomie der Wirbeltiere. Verlag Paul

Parey, Hamburg und Berlin.

Rupp, B., Wullimann, M.F. & Reichert, H., 1996. The zebrafish brain: a neuroanatomical

comparsion with the goldfish. Anat. Embryol. (Berl). 194, 187-203.

Salas, C., Herrero, L., Rodriguez, F. & Torres, B., 1997. Tectal codification of eye

movements in goldfish studied by electrical microstimulation. Neuroscience 78, 271-288.

Sas, E. & Maler, L., 1986. Retinofugal projections in a weakly electric gymnotid fish

(Apteronotus leptorhynchus). Neuroscience. 18 (1), 247-59.

138


Schairer, J. O. & Bennett, M. V., 1986. Changes in the gain of the vestibulo-ocular reflex

induced by combined visual and vestibular stimulation in goldfish. Brain Res. 373,

164-176.

Schairer, J. O. & Bennett, M. V., 1986. Changes in the gain of the vestibulo-ocular reflex

induced by sinusoidal visual stimulation in goldfish. Brain Res. 373, 177-181.

Scheuring, L., 1920. Beobachtungen und Betrachtungen über die Beziehung der Augen

zum Nahrungserwerb bei Fischen. Zool. Jb. 38, 113-137.

Schiff, D., Cohen, B., Buttner- Ennever, J. & Matsuo, V., 1990. Effects of lesions of the

nucleus of the optic tract on optokinetic nystagmus and afternystagmus in the monkey.

Exp. Brain Res. 79, 225-239.

Schmidt, M., Zhang, H. Y. & Hoffmann, K. P., 1993. OKN-related neurons in the rat

nucleus of the optic tract and dorsal terminal nucleus of the accessory optic system receive

a direct cortical input. J. Comp. Neurol. 330, 147-157.

Schmidt, M., van der Togt, C., Wahle, P. & Hoffmann, K. P., 1998. Characterization of a

directional selective inhibitory input from the medial terminal nucleus to the pretectal

nuclear complex in the rat. Eur. J. Neurosci. 10, 1533-1543.

Schor, C. & Narayan, V., 1981. The influence of field size upon the spatial frequency

response of optokinetic nystagmus. Vision Res. 21, 985-994.

Schröder, D. M., 1981. Retinal afferents and efferents of an infrared sensitive snake,

Crotalus viridis. J. Morphol. 170, 29-42.

Starck, D., 1982. Vergleichende Anatomie der Wirbeltiere. Band 3. Springer-Verlag.

Berlin, Heidelberg, New York.

139


Schwassmann, H. O., 1968. Visual projection upon the optic tectum in foveate marine

teleosts. Vision Res. 8, 1337-1348.

Schwassmann, H. O. & Krüger, L., 1970. Organization of the visual projection upon the

optic tectum of some freshwater fish. J. Comp. Neurol. 124, 113-126.

Sharma, S. C., 1972. The retinal projections in the goldfish: an experimental study. Brain

Res. 39, 213-223.

Simpson, J. I. & Graf, W., 1981. Eye-muscle geometry and compensatory eye movements

in lateral-eyed and frontal-eyed animals. Ann. N. Y. Acad. Sci. 374, 20-30.

Simpson, J. I., 1984, The accessory optic system. Rev. Annu Rev Neurosci. 7, 14-41.

Simpson, J. I. & Graf, W., 1985. The selection of reference frames by nature and its

investigators. Rev. Oculomot. Res.1, 3-16.

Sirkin, D. W., Precht, W. & Courjon, J.H., 1984. Initial, rapid phase of recovery from

unilateral vestibular lesion in rat not dependent on survial of central portion of vestibular

nerve. Brain Res. 302, 245-56.

Sirkin, D. W., Hess B. J. & Precht, W., 1985. Optokinetic nystagmus in albino rats

depends on stimulus pattern. Exp. Brain Res. 61 (1), 218-21.

Soodak, R. E. & Simpson, J. I., 1988. The accessory optic system of rabbit. I. Basic visual

response properties. J. Neurophysiol. 60, 2037-2054.

Springer, A. D., Easter, S. S. & Agrano, B. W., 1977. The role of the optic tectum in

various visually mediated behaviors of goldfish. Brain Res. 128, 393-404.

Springer, A. D. & Gaffney, J. S., 1981. Retinal projections in the goldfish: a study using

cobaltous-lysine. J. Comp. Neurol. 203, 401-424.

140


Springer, A. D. & Mednick, A. S., 1985. Retinofugal and retinopetal projections in the

cichlid fish Astronotus ocellatus. J. Comp. Neurol. 236, 179-196.

Springer, A.D. & Mednick, A. S., 1985. Topography of the retinal projection to the

superficial pretectal parvicellular nucleus of goldfish: A cobaltous-lysine study. J. Comp.

Neurol. 237, 239-250.

Stahl, J. S. & Simpson, J. L., 1995. Dynamics of rabbit vestibular nucleus neurons and the

influence of the flocculus. J. Neurophysiol. 73, 1396-1413.

Stahl, J. S. & Simpson, J. L., 1995. Dynamics of abducens nucleus neurons in the awake

rabbit. J. Neurophysiol. 73, 1383-1395.

Suwa, H., Gilland, E. &. Baker, R., 1999. Otolith ocular reflex function of the tangential

nucleus in teleost fish. Ann N. Y. Acad. Sci. 871, 1-14.

Tan, H. S., van der Stehen , J., Simpson, J. I. & Collewijn, H., 1993. Three-dimensional

organization of optokinetic response in the rabbit. J. Neurophysiol. 69, 303-317.

Tauber, E. S. & Atkin, A., 1968. Optomotor responses to monocular stimulation: relation

to visual system organization. Science 160, 1365-1367.

Trillenberg, P., Shelhamer, D., Roberts, D. C. & Zee, D. S., 2003. Cross-axis adaptation of

torsional components in the yaw-axis vestibulo.ocular reflex. Exp. Brain Res. 148,

158-165.

Van der Togt, C., van der Want, J. J. L. & Schmidt, M., 1993. Segregation of direction

selective neurons and synaptic organization of inhibitory intranuclear connections in the

medial terminal nucleus of the rat: an electrophysiological and immunoelectron

microscopical study. J. Comp. Neurol. 338, 175-192.

141


Van Hof-Van Duin, J., 1976. Early and permanent effects of monocular depriviation on

pattern discrimination and visuomotor behavior in cats. Brain Res. 111. 261-276.

Vanegas, H. & Ito, H., 1983. Morphological aspects of the teleostean visual system:

a review. Brain Res. Rev. 6, 117-137.

Wallmann, J. & Velez, J., 1985. Directional asymmetries of optokinetic nystagmus:

developmental changes and relation to the accessory optic system and to the vestibular

system. J. Neurosci. 5, 317-329.

Watanabe, S., Kato, I., Sato, S. & Norita, M., 1993. Direct projection from the nucleus of

the optic tract to the medial vestibular nucleus in the cat. Neurosci. Res. 17, 325-329.

Wilm, C. & Fritzsch, B., 1990. Ipsilateral tectinofugal projections in a percomorph bony

fish: Their experimental induction, specificity and maintenance. Brain Behav. Evol. 36,

271-299.

Wilm, C. & Fritzsch, B., 1992. Evidence for driving role of ingrowing axons for the

shifting of older retinal terminals in the tectum of fisch. J. Neurobiol. 23, 149-162.

Winterson, B. J. & Brauth, S. E., 1985. Direction- selective single units in the nucleus

lentiformis mesencephali of the pigeon (Columba livia). Exp. Brain Res. 60, 215-226.

Wylie, D. R. & Frost, B. J., 1990. The visual response properties of neurons in the nucleus

of the basal optic root of the pigeon: a quantitative analysis. Exp. Brain Res. 82, 327-336.

Wylie, D. R. W. & Frost, B. J., 1996. The pigeon optokinetic system: visual input in

extraocular muscle coordinates. Vis. Neurosci. 13, 945-953.

Wylie, D. R. W. & Crowder, N. A., 2000. Spatiotemporal properties of fast and slow

neurons in the pretectal nucleus lentiformis mesencephali in pigeons. J. Neurophysiol. 84,

2529-2540.

142


Wylie, D. R. W., 2000. Binocular neurons in the nucleus lentiformis mesencephali in

pigeons: responses to translational and rotational optic flowfields. Neurosci. Lett. 291,

9-12.

Wylie, D. R. W., 2001. Projections from the nucleus of the basal optic root and nucleus

lentiformis mesencephali to the inferior olive in pigeons (Columba livia). J. Comp. Neurol.

429, 502-513.

143

V. Abkürzungen

V. Abkürzungen

ANOVA Analysis of variance

AOS akzessorisch optisches System

a/p anterior-posterior

ccw gegen den Uhrzeigersinn (eng. counterclockwise)

cw im Uhrzeigersinn (eng. clockwiese)

hOKN horizontaler optokinetischer Nystagmus

hOKR horizontaler optokinetischer Reflex

hVOR horizontaler vestibulo-okulärer Reflex

i.m. intramusculaer

IO Oliva inferior

LTN laterale terminale Nukleus

m/l medio- lateral

MTN mediale terminale Nukleus

nBOR Nucleus of the basal optic root

nLM Nucleus lentiformis mesencephali

NOT Nucleus tractus optici

NPH Nucleus praepositus hypoglossi

N-T naso-temporal

OT optischer Trakt

Psp Nucleus praetectalis superfiscialis parvocellularis

PSTH Peri-Stimulus-Time-Histogram

RF rezeptives Feld

TeO Tectum opticum

Thd Thalamus dorsalis

T-N temporo-nasal

VOR vestibulo-okulärer Reflex

vVOR vertikaler vestibulo-okulärer Reflex

144

Curriculum vitae

Persönliche Daten

Name: Matthias Klar Geburtsdatum: 02. August 1962 Geburtsort: Dortmund Familienstand: ledig Eltern: Ruth-Eva Klar, geborene Greinert Dipl. Ing. Helmut Klar Schulausbildung 1968- 1973 Suitbertus-Grundschule in Dortmund 1973- 1974 Leibnitz-Gymnasium in Dortmund 1974- 1980 Albertus-Magnus-Realschule in Dortmund 1980- 1981 Dr. Zimmermannsche-Wirtschaftsschule in Koblenz 1988- 1991 Abendgymnasium in Dortmund Ausbildung 1982- 1986 Auszubildender als Radio-Fernseh-Techniker Anstellungen 1986- 1987 Computer-Service-Techniker bei Computer Reschke GmbH 1987- 1989 Leiter der Computer-Werkstatt und Service-Techniker bei CASDO Computer Steuer in Dortmund Akademische Ausbildung 1991- 1997 Studium der Biologie, Ruhr-Universität Bochum 1997- 1999 Diplom am Lehrstuhl für Allgemeine Zoologie und

Neurobiologie, Ruhr-Universität Bochum; Leiter: Prof. Dr. K. P. Hoffmann Thema der Arbeit: Zusammenhang zwischen Ausbildung einer Area centralis in der Retina und Augenbewegungen bei Knochenfischen.

Seit 1999 Doktorand am Lehrstuhl für Allgemeine Zoologie und Neurobiologie, Ruhr-Universität Bochum

Danksagung An dieser Stelle möchte ich mich bei all denjenigen bedanken, die mir während meiner

Promotion mit Rat und Tat zur Seite standen.

Insbesondere gilt mein Dank meinem Doktorvater Prof. Dr. K.-P. Hoffmann, nicht nur für

die Bereitstellung dieses interessanten Themas und die Freiheit bei der Ausgestaltung

meiner Arbeit, sondern auch dafür, dass er sich stets für mich Zeit nahm und mir mit

seinem außerordentlichen Wissens- und Erfahrungsschatz zur Seite stand. Nicht zuletzt sei

hier seine Geduld erwähnt.

Frau P.D. Dr. C. Distler danke ich für ihre wertvollen Ratschläge auf dem Gebiet der

Histologie, Anatomie und ihrer Hilfsbereitschaft.

Herrn H.-J. Korbmacher bin ich nicht nur für seine Mikroelektroden zu großem Dank

verpflichtet. Nicht vergessen möchte ich Frau M. Möllmann, die mir in der Histologie zur

Seite stand. Herrn Dr. L. Lünenburger danke ich für seine inspirierende Diskussions- und

seine Hilfsbereitschaft, Herrn Dr. B. Krekelberg für seine Hilfe in Matlab und Herrn W.

Junke für seine Unterstützung bei Computerproblemen.

Eewähnen möchte ich auch Herrn E. Reuter, Herrn G. Tiney, Herrn H. Marquart, Herrn B.

Thyner, sowie Herrn S. Dobers, die mir bei elektrischen und mechanischen Problemen eine

große Hilfe waren. Weiterhin schulde ich den Tierpflegern Herrn V. Rostek und Frau M.

Schmidt für die gewissenhafte Versorgung der Fische Dank.

Nicht zuletzt danke ich meinen „ alten“ und „neuen“ Zimmergenossen Frau Dr. A.

Schlack, Dr. M. Kubischik, Frau vet .med. M. Grewing, Frau Dipl.-Biol.W. Blaszcyk und

Herrn C. Schönberger für ein stetig gutes Arbeitsklima und so manche Lacher.

Abschließend möchte ich mich besonders bei meinen Eltern bedanken, die mich auch in

schwierigen Zeiten stets unterstützt haben.

Neurobiologische Untersuchungen im Praetectum von ... · In den Vertebratenklassen Mammalia, Aves,...

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