Новые исследования показывают, что обработка зрительных стимулов происходит на самой ранней «дороге» на пути к зрительной коре, но не все сигналы обрабатываются одинаково.
Актуальность проблемы
У человека зрительная система собирает до 80% всех сенсорных данных, полученных из окружающей среды. Чтобы разобраться в этом потоке оптической информации, которые воспринимаются и преобразуются в электрохимические сигналы приблизительно 130 миллионами светочувствительных клеток сетчатки, вводятся и обрабатываются сложной сетью нервных клеток в мозг. Как головному мозгу удается выполнить эту задачу, до сих пор не до конца понятно.
Однако для дальнейшего развития искусственных зрительных систем необходимо более подробное описание задействованных шагов. Ведущий автор исследования, нейробиолог Лаура Буссе (Laura Busse) из Университета Людвига-Максимилиана (Ludwig-Maximilians-Universitaet) в Мюнхене в сотрудничестве с Томасом Эйлером (Thomas Euler) и Филиппом Беренсом (Philipp Berens) удалось пролить новый свет на давнюю и противоречивую проблему.
Результаты исследования, опубликованные в журнале Neuron, демонстрируют, что входящие сигналы от сетчатки подвергаются избирательной обработке и взвешиванию на первой нейрональной промежуточной станции в функциональном пути, который соединяет сетчатку с зрительной корой.
Материалы и методы исследования
В ходе экспериментального исследования было изучено, что происходит с поступающими сигналами в таламусе мышей. Ученые использовали набор контролируемых зрительных стимулов, предназначенных для того, чтобы вызывать различные реакции, такие как переключения с темного на светлое или наоборот, контрастные изменения или изменения периода мерцания сигнала, и анализировали реакции как сетчатки глаза, так и таламуса.
Результаты научного исследования
В ходе исследования было обнаружено, что большинство типов ганглиозных клеток сетчатки действительно передают информацию зрительному таламусу. Таламус является первой путевой станцией на пути к коре головного мозга, и этот путь обработки, помимо прочего, отвечает за восприятие и анализ формы и за распознавание объектов.
Далее исследователи использовали результаты электрофизиологических измерений, чтобы построить компьютерную модель, которая позволила бы им определить, какие и сколько этих клеток способствуют реакции таламуса.
«Модель показала, что ответ отдельной таламусной клетки 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 даны одинаковый вес. Вместо этого информация, полученная из двух типов входных ячеек, доминирует над выходным сигналом, излучаемым любой данной ячейкой таламуса.
Выводы
По мнению авторов, слабые сигналы, передаваемые недоминантными типами ячеек, могут тем не менее сделать визуальную систему более устойчивой к ошибкам вычислений – например, путем усиления функциональных связей между ячейками в сети в случаях, когда один ретинальный ганглион проецируется на множество различных клеток таламуса. Также возможно, что относительные веса сигналов можно варьировать, чтобы, например, динамически обрабатывать различные комбинации входных данных в процессе обучения.
«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 поступающих сигналов»– говорит Буссе.
Авторы другого исследования восстановили зрение у мышей с врожденной слепотой.
