У человека зрительная система собирает до 80% всех сенсорных данных, полученных из окружающей среды. Чтобы разобраться в этом потоке оптической информации, визуальные сигналы, которые воспринимаются и преобразуются в электрохимические сигналы примерно 130 миллионами светочувствительных клеток сетчатки, передаются и обрабатываются сложной сетью нервных клеток в сетчатке. мозг. Как мозг справляется с этой задачей, до сих пор не совсем понятно.
Тем не менее, более подробная картина этапов важна для дальнейшего развития искусственных зрительных систем. Теперь команде под руководством Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) из Мюнхена нейробиолога Лауры Буссе в сотрудничестве с Томасом Эйлером и Филиппом Беренсом (Университет) удалось пролить новый свет на давнюю и противоречивую проблему в этой области.
В статье, опубликованной в ведущем журнале Neuron, исследователи демонстрируют, что входящие сигналы от сетчатки подвергаются выборочной обработке и взвешиванию на первой нейронной путевой станции функционального пути, соединяющего сетчатку с зрительной корой.
У мышей визуальное изображение, попадающее на сетчатку, воспринимается более чем 30 специализированными и функционально различными типами ганглиозных клеток. Эти разные типы клеток по-разному реагируют на сигналы фоторецепторов.
Например, некоторые избирательно реагируют на темные контрасты, в то время как другие чувствительны к определенным пространственным узорам. Потоки информации, исходящие от этого этапа обработки сетчатки, затем передаются в мозг по нескольким параллельным каналам. «Похоже, что приматы обладают таким же разнообразным набором ганглиозных клеток сетчатки, и это, скорее всего, справедливо и для людей», – говорит Буссе. «Используя мышь в качестве модельной системы, мы спросили, какие типы ганглиозных клеток проецируются в зрительный таламус, и просто ли поступающая туда информация передается или подвергается обработке и преобразованию.«Зрительный таламус – это первая станция на пути к коре головного мозга, и этот путь обработки, среди прочего, отвечает за восприятие и анализ формы, а также за распознавание объектов. Оба вопроса, поставленные Буссе и ее коллегами, стали предметом неоднозначных дебатов.
С одной стороны, функциональные исследования, казалось, выступили против обработки входа ганглиев в таламус. Однако недавние анатомические исследования показали, что отдельные клетки таламуса могут получать входные данные от более чем 90 ганглиозных клеток сетчатки, что убедительно свидетельствует о том, что эти таламические клетки выполняют избирательную и / или интегративную процессинговую роль.
Работая в тесном сотрудничестве, команды в Мюнхене исследовали, что происходит с входящими сигналами в зрительном таламусе мыши.
Они использовали набор контролируемых зрительных стимулов, предназначенных для вызова ряда реакций, таких как переключение с темного на светлый или наоборот, а также изменения контраста или изменения периода мерцающего сигнала, и проанализировали реакции обеих сетчаток. и таламические клетки. Они обнаружили, что большинство типов ганглиозных клеток сетчатки действительно передают информацию в зрительный таламус.
Затем они использовали результаты своих электрофизиологических измерений, чтобы построить компьютерную модель, которая позволила им сделать вывод, какие и сколько из этих клеток вносят вклад в реакцию таламуса. «Модель показала, что реакция отдельной клетки таламуса зависит не более чем от пяти различных типов ганглиозных клеток сетчатки», – говорит Буссе. Эта ячейка по существу объединяет сигналы, полученные от этих пяти типов ячеек, но не всем дается одинаковый вес. Вместо этого информация, полученная от двух типов входных ячеек, преобладает над выходным сигналом, излучаемым любой данной ячейкой таламуса. Сигналы, поступающие от трех других, мало влияют на форму выходного сигнала, так что последний часто очень похож на входной сигнал, поступающий от одной из ганглиозных клеток сетчатки.
Однако, по мнению авторов, слабые сигналы, передаваемые недоминантными типами клеток, могут, тем не менее, помочь сделать зрительную систему более «устойчивой» к вычислительным ошибкам – например, путем улучшения функциональных связей между ячейками в сети, в случаи, когда один ганглий сетчатки проецируется на множество разных клеток таламуса. Также возможно, что относительные веса сигналов могут варьироваться, чтобы обеспечить возможность динамической обработки различных комбинаций входных данных во время процессов обучения, например. "В любом случае таламус – это не просто пассивная ретрансляционная станция между сетчаткой и мозгом.
Он также служит местом обработки сигналов и играет важную роль в относительном взвешивании входящих сигналов."
Работа была поддержана Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) как часть Центра совместных исследований 1233 по Robust Vision.