Нейронні мережі в зоровій корі головного мозку виконують дивовижну роботу, перетворюючи світлові патерни, які потрапляють на сітківку, у яскраве сенсорне відчуття зору. Критичний елемент цього процесу кодування залежить від нейронів, які вибірково реагують на особливі деталі візуальних сцен. Краї та їх орієнтація в просторі несуть величезну кількість інформації про зорове середовище, а окремі нейрони зорової кори кодують цю інформацію, вибірково реагуючи на вузький діапазон розташування країв; деякі із них реагують на максимально вертикальні чи горизонтальні положення, інші – на усі проміжні варіанти.
Але нейрони зорової кори зустрічаються і з іншими викликами у процесі репрезентації візуальної інформації: вони повинні об’єднати сигнали, які ідуть від лівого та правого ока, щоб створити єдине бінокулярне зображення. Об’єднання сигналів від двох очей відбувається в зоровій корі, і дослідники знають, що це досягається з високим рівнем точності так, щоб окремі нейрони вибірково реагували на ту саму орієнтацію із стимуляцією або лівого, або правого ока. Чого не вистачало, так це чіткого розуміння механізмів розвитку, які відповідають за об’єднання сигналів із двох очей – прогалини в знаннях, що привела дослідників із Max Planck Florida Institute for Neuroscience до серії експериментів, яка виявила критичну роль раннього візуального досвіду в формуванні єдиного бінокулярного зображення.
Перше питання, на яке хотіли знайти відповідь дослідники Jeremy Chang, David Whitney, та David Fitzpatrick – це те, чи потребує узгодження вхідних даних із обох очей візуального досвіду. Чи використовує мозок зір для узгодження зображень? Вони підійшли до цього питання у тхора – виду, який має добре організовану зорову кору з повторюваною модульною структурою, в якій сусідні нейрони мають схожі орієнтаційні преференції, що дає можливість отримати чіткі моделі активності поверхні кори для різних орієнтацій. І це також робить можливим використання методів візуалізації, які виявляють сигнали кальцію для зображення різних модульних моделей активності, які пов’язані із різними орієнтаціями.
Вони виявили, що до отримання візуального досвіду монокулярна стимуляція запускає патерни активності, які мають усі ознаки зрілої зорової кори, окрім однієї: модульні патерни активності, які запускаються стимуляцією лівого ока сигналами із певною орієнтацією, відрізняються від модульних патернів такої самої стимуляції правого ока. Іншими словами, мозок здатен розвивати упорядковану мережу зображень крайових орієнтацій за відсутності зорового досвіду, однак в цих мережах не вистачає бінокулярного упорядкування, яке спостерігається у зрілих тварин.
Додаткові експерименти дозволили дослідникам відкрити динамічний процес, який відбувається протягом короткого проміжку часу (7-10 днів), під час якого візуальний досвід запускає упорядковування цих ранніх зображень. Дуже важливим є те, що період протягом якого візуальний досвід має можливість підтримати упорядкування обмежений першим тижнем після відкриття очей. Це дає нам чітке розуміння того, що ранній візуальний досвід має вирішальне значення для належного розвитку ділянок, які забезпечують бінокулярний зір протягом усього подальшого життя.
Ці висновки змусили дослідників замислитись, як виглядатимуть патерни активності зорової кори для одночасної стимуляції обох очей до досягнення бінокулярного узгодження. Дивуючою знахідкою було те, що бінокулярна стимуляція призводила до появи третьої модульної репрезентації, яка відрізнялась від тих, які спостерігались під час окремої стимуляції кожного ока. За допомогою відслідковування цих трьох репрезентацій протягом часу, вони виявили, що рання бінокулярна репрезентація була більш стабільною, аніж усі інші, та найбільше нагадувала зрілу та уніфіковану, яка формується уже із отриманням візуального досвіду. Таким чином, активація бінокулярної репрезентації може керувати процесом реорганізації, який забезпечує, узгодження усіх трьох варіантів у вигляді єдиної цілісної мережі.
Зрештою, ці зміни в мережевій структурі повинні відображати зміни властивостей відповіді окремих нейронів. І для вивчення процесу упорядкування на клітинному рівні, дослідники звернулись до експериментів із використанням двофотонної томографії. Окремі нейрони виявляли невідповідні орієнтаційні преференції при монокулярній стимуляції до отримання візуального досвіду, які виправлялись при отриманні цього досвіду, як і в попередніх дослідах із нейронними мережами. Наступний крок цього проекту – дослідити реорганізацію на синаптичному рівні, щоб точно визначити які компоненти кортикальної мережі змінюються, та які механізми є відповідальними за ці зміни.
Більш широке розуміння механізмів, відповідальних за узгодження кортикальних мереж, є критичним для подолання зорових розладів, які виникають внаслідок ранніх порушень отримання візуального досвіду, наприклад, амбліопії. Але узгодження кортикальних мереж, яке базується на візуальному досвіді, важливе ще й для сенсорних, моторних та когнітивних функцій мозку, які забезпечують ефективну взаємодію із зовнішнім світом. Тому виявлення таких аспектів схематизації мозку, що залежать від отриманого досвіду, може бути ключовим для розуміння низки порушень нейророзвитку, причини яких досі невідомі.
Оригінальна стаття була опублікована на порталі Medical Xpress 18 травня 2020 року.
Дослідження було опубліковане в журналі Neuron 18 травня 2020 року.
