Исследователи UW Medicine демонстрируют, что нейронные цепи в сетчатке приматов могут генерировать информацию, необходимую для предсказания пути движущегося объекта, прежде чем визуальные сигналы даже покинут глаз.
«Способность предсказывать, куда пойдут движущиеся объекты, настолько важна для выживания, что, вероятно, встроена во всех зрячих животных», - сказал Майкл Манукин, доцент офтальмологии Медицинской школы Вашингтонского университета. Он возглавлял исследовательскую группу с Фредом Рике, профессором физиологии и биофизики.
Манукин и его коллеги сообщают о своих открытиях в журнале Nature Neuroscience . Белль Лю и Артур Хонг, двое студентов бакалавриата UW, были ведущими авторами статьи.
В ходе исследования исследователи изучали, как движение обрабатывается клеточными цепями сетчатки. Цепи, на которых сосредоточились исследователи, состоят из светочувствительных фоторецепторных клеток, называемых колбочками; промежуточный слой клеток, называемый биполярными клетками; и ганглиозные клетки, которые собирают сигналы от биполярных клеток и передают эти сигналы из глаза в другие области мозга .
Эти цепи состоят из десятков сотен фоторецепторных клеток, которые соединяются с десятками биполярных клеток, которые, в свою очередь, соединяются с ганглиозными клетками, сказал Манукин. «Сигналы от колбочек сходятся на биполярных клетках, а сигналы от биполярных клеток сходятся в единую ганглиозную клетку, которая должна извлекать информацию о движении из этих сигналов и передавать эту информацию в области мозга, отвечающие за обработку движения».
Чтобы понять, как это было сделано, исследователи спроектировали паттерны, которые, казалось, двигались от сетчатки и к ней, и записали сигналы, генерируемые ганглиозными клетками в ответ на движения.
Затем они проанализировали сигналы, чтобы увидеть, генерируют ли ганглиозные клетки то, что называется «предсказуемым кодированием движения», то есть шаблоны, отражающие информацию, которая может быть использована для предсказания будущего движения объекта.
«Например, если вы представляете фильм, в котором мяч движется по полю зрения, вы можете записать шипы, исходящие от ганглиозной клетки в ответ на этот фильм», - объясняет Манукин. «Затем вы можете подсчитать, сколько информации содержат шипы о том, где, вероятно, будет находиться мяч в будущем».
Чтобы оценить, насколько эффективно клетки передают прогнозную информацию, исследователи сравнили производительность ганглиозных клеток с компьютерными программами, созданными для решения таких проблем. Они обнаружили, что ганглиозные клетки почти так же эффективно передают эту прогностическую информацию, как и наиболее эффективные компьютерные программы.
«То, что сетчатка с таким простым оборудованием так эффективно выполняет эти вычисления, просто замечательно», - сказал Манукин.
Исследователи обнаружили, что схемы могут извлекать эту информацию из-за перекрестных помех между биполярными ячейками. Биполярные клетки находятся в тесном контакте с соседними биполярными клетками. Если кто-то возбуждается сигналами от своих фоторецепторных клеток, помимо отправки сигнала ганглиозной клетке, он также передает часть этого возбуждения соседним биполярным клеткам.
Затем соседние клетки «праймируются», так что, если они также получают сигналы от своих фоторецепторных клеток , они с большей вероятностью отправят сильный сигнал в ганглиозную клетку. Таким образом, когда движущийся объект проходит через поле зрения , информация об этом движении «перетекает» через сеть биполярных клеток.
Ганглиозная клетка в конечном итоге собирает поступающую информацию от биполярных клеток и кодирует ее в сигналы, которые предоставляют в мозг информацию о движении объекта. Обладая информацией о пути объекта, полученной от многих тысяч этих ганглиозных клеток, мозг может быстро предсказать его траекторию.
«Фастбол со скоростью 90 или 100 миль в час может пройти более семи футов, прежде чем сигналы выйдут из вашей сетчатки», - сказал Манукин. «Чтобы ударить по бейсболу, вы должны уметь предугадывать, где он будет в будущем. Эта способность предсказывать движение объектов в нашей среде также необходима в повседневной деятельности, такой как вождение автомобиля или даже ходьба. Это способность, поэтому для выживания важно то, что эволюция встроила это в нашу нервную систему ».
В конечном счете, эти знания о том, как сетчатка обрабатывает информацию, могут быть использованы для разработки технологий восстановления значимого зрения для людей, страдающих слепотой, сказал Манукин.
