Prinzipien der Bildverarbeitung in der Retina der Säugetiere

Dr. Alexander Schütz

Aufbau des Auges

Aufbau der Retina

Aufbau der Retina○ Vertikale Signalübertragung

1. Photorezeptoren (Umwandlung von Licht in elektrische Signale)2. Bipolarzellen3. Ganglienzellen

○ Horizontale Signalübertragung• Horizontalzellen• Amakrinzellen

○ Plexiforme Schichten = Synapsen zwischen den Nervenzellen○ Zellkörperschichten = Stoffwechselfabriken der Neurone

Photorezeptoren: Zapfen & Stäbchen○ Zapfen

• 3 verschiedenen Typen (L, M, S), die für unterschiedliche Wellenlängen sensitiv sind

• Grundlage des Farbensehens• Tagessehen

○ Stäbchen• Nur ein Typ• Hohe Sensitivität• Nachtsehen

Zapfenbahnen○ Zapfen werden durch Licht

gehemmt.○ Weiterleitung an

Bipolarzellen durch• Erregende Synapse

(Aus-Bipolar & Aus-Ganglienzellen)

• Hemmende Synapse(Ein-Bipolar &Ein-Ganglienzellen)

○ Zwei getrennte, parallele Kanäle• Hell-Kanal• Dunkel-Kanal

Stäbchenbahn○ Stäbchen werden durch

Licht gehemmt.○ Hemmende Synapse mit

Stäbchenbipolarzellen (Ein-Bipolarzellen)

○ Diese haben eine erregende Synapse mit Amakrinzellen (AII).

○ Amakrinzellen:• Aus-Schicht: hemmende

Synapse mit Aus-Ganglienzellen

• Ein-Schicht: erregende Synapse mit Ein-Ganglienzellen

Zapfen- & Stäbchenbahnen○ Zapfen- und Stäbchensignale laufen zuerst auf

getrennten Bahnen, Zusammenführung auf Ebene der Ganglienzellen.

○ Zwei getrennte, parallele Bahnen für Hell- & Dunkel- Informationenen

Verteilung der Photorezeptoren○ Fovea

• 1:1 Verschaltung von Zapfen• Keine Stäbchen• Bestes Auflösungsvermögen, Verwendung zum Fixieren,

Detailsehen ○ Peripherie

• Viele Stäbchen konvergieren auf eine Ganglienzelle)• Schlechtes Auflösungsvermögen, Dominanz der

Stäbchen, kein Detailsehen○ Blinder Fleck

• Hier verlässt der Sehnerv das Auge• Gar keine Photorezeptoren

Verteilung der Photorezeptoren

Übergang vom Zapfen zum Stäbchensehen○ Bei der Dunkeladaptation

kann der Übergang vom Zapfen- zum Stäbchensehen beobachtet werden.

○ Innerhalb der ersten Minuten adaptieren die Zapfen, die jedoch bald ihre maximale Empfindlichkeit erreichen.

○ Danach wird die Empfindlichkeit durch die langsamer adaptierenden Stäbchen bestimmt

Rezeptive Felder von Ganglienzellen○ Bereich (z.B. im

Gesichtsfeld) aus dem Neuron Information enthält

○ Nur wenn ein Reiz innerhalb dieses Feldes ist reagiert das Neuron

○ Anatomische Ausdehnung des Dendritenfeldes bestimmt die Größe des Feldes

Klassifikation der Ganglienzellen

Klassifikation der Ganglienzellen

Alphazellen○ Physiologische Eigenschaften

• Großes Dendritenfeld => Großes rezeptives Feld• Phasische Reizantwort

○ Psychophysische Eigenschaften• Bewegungssehen• Räumliches Sehen, Tiefenwahrnehmung• Eignung als Warnsystem und Hinlenkung der

Aufmerksamkeit an bestimmten Gesichtsfeldort• Globale Formwarnehmung • Grobstruktur

Betazellen○ Physiologische Eigenschaften

• Kleines Dendritenfeld => Kleines rezeptives Feld• Tonische Reizantwort

○ Psychophysische Eigenschaften• Erfassung ruhender Muster z.B. beim Fixieren• Detailsehen, Sehschärfe• Farbsehen

Klassifikation der Ganglienzellen

Mosaik der Ganglienzellen

Mosaik der Ganglienzellen○ Funktionelle Überdeckung der Retina von

Ganglienzellen○ Vermeidung von Lücken und Überlappungen○ Jeder Kanal bildet ein vollständiges Mosaik

• EIN-Alphazellen• AUS-Alphazellen• EIN-Betazellen• AUS Betazellen

○ Aber: größte Dichte in der Fovea, abnehmende Dichte zur Peripherie

Zusammenfassung○ Retina klar anatomisch geschichtet,

unterschiedliche Nervenzellen

○ Bildverarbeitung findet schon in der Retina statt

○ 3 Dichotomien• Photorezeptoren: Zapfen & Stäbchen• Kanäle: EIN- & AUS Kanäle• Ganglienzellen: Alpha- & Beta- (& Gamma)