Функциональную организацию работы сетчатки формирует панорамное окружение

Мауриц Корнелис Эшер. Глаз. 1946
Мауриц Корнелис Эшер. Глаз. 1946

Доказательства влияния постоянных изменений окружающей живое существо среды на обработку сетчаткой визуальной информации, нашли исследователи из Института науки и технологий в Австрии и LMU в Германии, сообщает 7 апреля сайт новостей медицины и здравоохранения Medical Xpress.

В своей работе ученые показали, каким именно образом на организацию нейронов в сетчатке мыши влияет панорамное (широкий обзор) визуальное окружение, обладающее неравномерностью уровней освещенности.

Результаты своей работы ученые представили в статье «Панорамная визуальная статистика формирует организацию рецептивных полей по всей сетчатке», опубликованной в журнале Nature Neuroscience.

Выполненные командой исследования вносят значительный вклад в современное понимание работы зрительной системы и ее эволюции.

Существующие в настоящее время нейробиологические модели зрительной системы млекопитающих исходят из предположения, что она формирует для мозга картину визуального мира аналогично фотокамере, кодируя положение различных объектов.

Однако окружающая животное среда, постоянно меняясь, может оказывать влияние на обработку сетчаткой зрительной информации. Работа австрийских и германских ученых была направлена на сбор доказательств для подтверждения этой гипотезы.

Австрийский исследователь Максимиллиан Йош рассказал изданию о проделанной командой работе:

«Ключевой особенностью каждого живого организма является адаптация к окружающей среде для выживания. Такая адаптация также должна происходить при вычислениях, выполняемых мозгом, например, для извлечения релевантной и отбрасывания менее важной информации. Мы решили проверить эту идею, воспользовавшись наиболее заметными визуальными изменениями, систематически наблюдаемыми в природе: градиентом интенсивности света и уровнями контрастности от земли к небу, чтобы выяснить, эволюционировала ли зрительная система мыши с учетом этих ограничений».

Для изучения организации сенсорного пространства, активирующего каждый нейрон в сетчатке мыши (рецептивные поля) согласно наблюдаемому мышью окружению, команда разработала новый метод оптической визуализации, который позволил им измерять и отслеживать в сетчатке одновременно активность тысяч нейронов.

«Наш оптический метод работает следующим образом: когда нейрон сетчатки активен, посылая электрические импульсы в мозг, внутри клетки протекают ионы, например кальций, — объяснил Йош. — Мы можем визуализировать эту активность, добавив флуоресцентный индикатор в каждый нейрон. Когда кальций поступает внутрь, флуоресценция меняется».

Изменения флуоресценции фиксировались чувствительной камерой, что позволяло делать заключения о том, как каждый нейрон реагирует на различные зрительные стимулы по всей сетчатке.

Эксперименты проводились на извлеченных сетчатках мышей. Сетчатка мыши, как и у большинства млекопитающих, исключая приматов, не имеет той небольшой области в центре, называемой «центральная ямка» (небольшое углубление, составляющее менее 1% всей сетчатки).

Эта область сетчатки позволяет приматам видеть в высоком разрешении и играет ключевую роль в зрительном восприятии, которое люди осознают в большей степени.

Однако остальные 99% человеческой сетчатки, принимая участие в зрительном восприятии, по-видимому, формируют информацию, оцениваемую на бессознательном уровне.

Отсюда можно говорить о том, что выполненное командой исследование, если оценивать его с позиции получения данных о человеческом зрении, сфокусировано на работе остальных 99% сетчатки.

Экспериментальные данные, полученные исследователями, показали, что выполняемые нейронами сетчатки мыши действия, менялись в зависимости от полученной панорамной визуальной информации о том, что эта часть сетчатки обычно видит при дневном свете.

Это подтвердило их первоначальную гипотезу, что зрительная система по своей природе не является однородной, но адаптированной к внешней среде.

«К нашему удивлению,  — рассказал Максимилиан Йош, — мы обнаружили, что нейроны сетчатки с большей вероятностью информируют остальную часть мозга, когда изменение стимула является неожиданным. Важно отметить, что неожиданное зависит от того, куда смотрит нейрон — в небо или на землю. Таким образом, схемы сетчатки систематически адаптировали свои свойства от нижнего поля зрения к верхнему, чтобы более эффективно представлять мир».

Таким образом, собранные этой группой исследователей данные, дают им право утверждать, что панорамная структура естественных сцен оказывает влияние на организацию различных стратегий обработки визуальной информации в разных областях сетчатки.

Это расширяет возможности зрительной системы, обладающей, таким образом, адаптивным и динамичным характером. Система зрения животных в процессе развития эволюционировала так, чтобы обеспечить им выживание в окружении, визуально изменяющемся.

Проведенные командой исследования могут инициировать дальнейшее изучение другими учеными механизмов влияния на организацию клеток в сетчатке панорамной информации или других визуальных элементов окружающей среды для улучшения понимания работы органов зрения в целом.

«Сейчас мы изучаем, как похожие адаптации меняются при изменении контекста, например, при адаптации к разным уровням освещенности днем или ночью», — заключил свой рассказ Йош.