Існуючі нейронаукові моделі зорової системи припускають, що вона представляє візуальний світ так само, як це робить камера, кодуючи положення різних об’єктів аналогічним чином. Навколишнє середовище тварини, однак, постійно змінюється, і ці зміни також можуть впливати на обробку візуальної інформації.
Дослідники з Інституту науки і технологій в Австрії та LMU в Німеччині нещодавно зібрали докази, які підтверджують цю гіпотезу та показують, що на організацію нейронів у сітківці миші впливає панорамна (тобто широка) візуальна статистика, така як нерівномірність у рівні освітленості. Їхні висновки, опубліковані в журналі Nature Neuroscience, можуть внести значний внесок у нинішнє розуміння зорової системи та її еволюції.
«Ключовою особливістю кожного живого організму є пристосування до навколишнього середовища, щоб вижити, — сказав Medical Xpress Максиміліан Йош, один із вчених, які проводили дослідження, – Такі адаптації також мають відбуватися в обчисленнях, які виконує мозок, наприклад, щоб отримати релевантну та відхилити менш критичну інформацію. Ми вирішили перевірити цю ідею, скориставшись найбільш помітними візуальними змінами, які систематично спостерігаються в природі: градієнтом інтенсивності світла та контрасту від землі до неба, щоб дізнатись, чи зорова система миші розвивалась, щоб враховувати ці обмеження».
Щоб дослідити організацію сенсорного простору, який активує кожен нейрон у сітківці миші (рецептивні поля) у зв’язку зі сценами, які миші спостерігають, Йош та його колеги розробили нову техніку оптичного зображення. Ця техніка дозволяє їм вимірювати та відстежувати активність тисяч нейронів в одній сітківці одночасно.

Зліва: зображення нейронів сітківки миші у червоному кольорі із зонуванням по висоті поля зору. Справа: зміна властивостей нейронів відповідно до їх положення. Авторство фото: Divyansh Gupta
«Наш оптичний метод працює наступним чином: коли нейрон сітківки ока активний, посилаючи електричні імпульси в мозок, то іони, наприклад, кальцію, течуть всередині клітини, — пояснив Йош, – Ми можемо візуалізувати цю активність, додавши флуоресцентний індикатор у кожен нейрон. Коли кальцій надходить, флуоресценція змінюється. Ці зміни флуоресценції можна записати за допомогою чутливої камери, і за допомогою цього ми можемо зробити висновок, як нейрон реагує на різні візуальні ефекти. подразники по всій сітківці».
Дослідники проводили свої експерименти на екстрагованих сітківках мишей. Як і у більшості ссавців, сітківка миші не включає невелику ділянку, відому як фовеа, невелику ямку у сітківці, яка дозволяє людям та іншим приматам бачити у високій чіткості. Відомо, що ямка, яка становить менше 1% усієї сітківки ока людини, відіграє ключову роль у зоровому сприйнятті, яке люди більш усвідомлюють. Решта 99% людської сітківки також сприяють зоровому сприйняттю, велика частина якого здається несвідомим процесом. Таким чином, з орієнтованої на людину точки зору, це дослідження зосереджено на обробці 99% зорової активності.
Йош та його колеги виявили, що обчислення, які виконуються нейронами сітківки мишей, змінюються залежно від панорамної візуальної статистики того, що ця частина сітківки зазвичай бачить протягом денного світла. Це підтверджує їх початкову гіпотезу про те, що зорова система за своєю суттю не є однорідною і фактично адаптована до зовнішнього середовища.
Загалом результати, зібрані цією командою дослідників, свідчать про те, що панорамна структура природних сцен впливає на організацію різних стратегій обробки в різних областях сітківки. Це розширює попередні моделі зорової системи, підкреслюючи її адаптивну та динамічну природу.
«На наш подив, ми виявили, що нейрони сітківки ока більш схильні інформувати решту мозку, коли зміна подразників є несподіваною, — сказав Йош, – Важливо те, що несподіваність залежить від того, куди дивиться нейрон, або на небо, або на землю. Таким чином, схеми сітківки систематично адаптували свої властивості від нижнього до вищого поля зору, щоб більш ефективно представляти світ».

Нейрони сітківки ока мишей у зеленому забарвленні. Авторство фото: Divyansh Gupta
«Ми зазвичай припускаємо, що зорова система однорідна, або іншими словами, що візуальний світ працює як камера, вимірюючи кожну позицію однаково, — додав Йош, – Однак наше природне оточення не одноманітне; воно систематично змінюється від землі до неба. Таким чином, система, яка еволюціонувала таким чином, щоб існувати в природі, повинна враховувати це. Наші результати показують, що зорова система живих організмів адаптувалася, щоб справлятися з природними обмеженнями і покращити ефективність їхнього нейронного коду».
У майбутньому робота Йоша та його колег може надихнути інші команди дослідників на подальше вивчення того, як панорамна статистика чи інші візуальні елементи формують організацію клітин сітківки, щоб уточнити наше розуміння зору в цілому.
«Зараз ми досліджуємо, як схожі адаптації змінюються при зміні контексту, наприклад, під час адаптації до різних рівнів освітленості, які відбуваються вдень або вночі», — додав Йош.
Оригінальна стаття була опублікована на порталі Medical Xpress 7 квітня 2023 року.