Существующие нейронаучные модели зрительной системы предполагают, что она представляет визуальный мир точно так же, как камера, аналогичным образом кодируя положения различных объектов. Однако среда, окружающая животное, постоянно меняется, и эти изменения также могут влиять на обработку зрительной информации.
Исследователи из Института науки и технологии в Австрии и LMU в Германии недавно собрали доказательства, подтверждающие эту гипотезу и показывающие, что на организацию нейронов в сетчатке мыши влияет панорамная (т. е. широкий обзор) визуальная статистика, такая как неоднородность в уровни света. Их выводы, опубликованные в журнале Nature Neuroscience, могут внести значительный вклад в нынешнее понимание зрительной системы и ее эволюции.
«Ключевой особенностью каждого живого организма является адаптация к окружающей среде, чтобы выжить», — сказал Medical Xpress Максимилиан Йош, один из исследователей, проводивших исследование. «Такая адаптация также должна иметь место в вычислениях, выполняемых мозгом, например, для извлечения важной и отбрасывания менее важной информации. Мы решили проверить эту идею, воспользовавшись наиболее заметными визуальными изменениями, систематически наблюдаемыми в природе: градиентом света. уровни интенсивности и контраста от земли до неба, чтобы выяснить, эволюционировала ли зрительная система мыши, чтобы учитывать эти ограничения».
Чтобы изучить организацию сенсорного пространства, которое активирует каждый нейрон в сетчатке мыши (рецептивные поля) по отношению к сценам, которые наблюдают мыши, Йош и его коллеги разработали новый метод оптической визуализации. Этот метод позволяет им одновременно измерять и отслеживать активность тысяч нейронов в одной сетчатке.
«Наш оптический метод работает следующим образом: когда нейрон сетчатки активен, посылая электрические импульсы в мозг, внутрь клетки текут ионы, например, кальций», — объяснил Йош. «Мы можем визуализировать эту активность, добавив флуоресцентный индикатор в каждый нейрон. Когда поступает кальций, флуоресценция меняется. Эти изменения флуоресценции можно регистрировать с помощью чувствительной камеры, и с ее помощью мы можем сделать вывод о том, как нейрон реагирует на различные визуальные эффекты раздражения по всей сетчатке».
Исследователи проводили свои эксперименты на извлеченных сетчатках мышей. Как и у большинства млекопитающих, сетчатка мыши не включает в себя небольшую область, известную как ямка, небольшой выступ в сетчатке, который позволяет людям и другим приматам видеть в высоком разрешении. Известно, что центральная ямка, составляющая менее 1% всей сетчатки человека, играет ключевую роль в зрительном восприятии, которое люди лучше осознают. Остальные 99% сетчатки человека также участвуют в зрительном восприятии, многие из которых кажутся бессознательными процессами. Таким образом, с точки зрения человека, это исследование сосредоточено на обработке последних 99%.
Йош и его коллеги обнаружили, что вычисления, выполняемые нейронами в сетчатке мыши, менялись в зависимости от панорамной визуальной статистики того, что эта часть сетчатки обычно видит при дневном свете. Это подтверждает их первоначальную гипотезу о том, что зрительная система неоднородна по своей природе и фактически адаптирована к внешней среде.
«К нашему удивлению, мы обнаружили, что нейроны сетчатки с большей вероятностью информируют остальную часть мозга, когда изменение стимула является неожиданным», — сказал Йош. «Важно то, что неожиданность зависит от того, куда смотрит нейрон, будь то небо или земля. Таким образом, схемы сетчатки систематически адаптировали свои свойства от нижнего к верхнему полю зрения, чтобы более эффективно представлять мир».
В целом результаты, полученные этой группой исследователей, позволяют предположить, что панорамная структура природных сцен влияет на организацию различных стратегий обработки в разных областях сетчатки. Это расширяет предыдущие модели зрительной системы, подчеркивая ее адаптивный и динамический характер.
«Обычно мы предполагаем, что зрительная система однородна, или, другими словами, что визуальный мир представлен как камера, одинаково измеряющая каждое положение», — добавил Йош. «Однако наше естественное окружение не похоже на другое; оно систематически меняется от земли к небу. Таким образом, система, которая эволюционировала, чтобы жить в природе, должна учитывать это. Наши результаты показывают, что зрительная система живых организмов адаптировалась, чтобы справляться с естественными ограничениями, чтобы улучшить эффективность их нейронного кода».
В будущем недавняя работа Йоша и его коллег может вдохновить другие команды на дальнейшее изучение того, как панорамная статистика или другие визуальные элементы формируют организацию клеток в сетчатке, чтобы улучшить наше понимание зрения в целом.
«Сейчас мы изучаем, как похожие адаптации меняются при изменении контекста, например, при адаптации к разным уровням освещенности днем или ночью», — добавил Йош.
