Чтобы проверить обнаружение теней, исследователи поместили мышей в лабиринт почти без света. Выход был отмечен черным пятном, едва выделяющимся из окружающей темноты. Отслеживая, как мыши двигались по лабиринту, и измеряя активность нейронов в задней части глаза — сетчатке — команда показала, что группа клеток сетчатки, известная как ганглиозные клетки OFF, обнаруживает чрезвычайно небольшое падение уровня освещенности.

«Наша цель — перейти от молекул к поведению», — говорит профессор Петри Ала-Лаурила, работающий по совместительству в Аалто и Хельсинкском университете. Это исследование основано на более ранней работе его группы, которая показала, что ганглиозные клетки ON используются для обнаружения очень слабого пятна света в темноте. «Противоположной задачей было бы обнаружение самых тусклых теней, где не хватает всего нескольких фотонов. Наша гипотеза заключалась в том, что это то, что делают наиболее чувствительные OFF-клетки при свете звезд, потому что они увеличивают скорость своей активности в ответ на тени», — говорит Ала-Лаурила.

Команда также рассчитала фундаментальный предел обнаружения теней на основе физических свойств световых рецепторов и нервных путей. После учета неизбежных потерь — например, не каждый фотон, попавший на рецептор, поглощается — они обнаружили, что поведение и активность сетчатки мышей были очень близки к идеальной реакции. «Наше жестко ограниченное моделирование подчеркивает, что как визуально управляемое поведение, так и наиболее чувствительные ганглиозные клетки OFF являются почти идеальными детекторами теней», — говорит доктор Йохан Весто, один из первых авторов исследования.

Исследование должно было проводиться почти в полной темноте, чтобы обнаружить эти различия. Наталья Мартынюк, другой первый автор исследования, говорит, что «исключительная чувствительность зрительной системы к самым тусклым теням предъявляет высокие технические требования к экспериментам, которые мы проводили при этих крайне низких уровнях освещенности». При более высоких уровнях освещенности активируется гораздо больше цепей сетчатки, что сделало бы анализ непомерно сложным.

«Можно обнаружить безумно тусклые тени! Даже пары фотонов, отсутствующих в нескольких тысячах рецепторов палочек, достаточно, чтобы животные могли обнаружить тень», — говорит Ала-Лаурила. «Это, вероятно, связано с огромной эволюционной необходимостью обнаруживать тени, потому что мыши и другие животные эволюционировали, чтобы избегать хищников при очень низком уровне освещенности».

Эти результаты показывают, как процесс осмысления входящего света — превращения его в мысленную картину — распределяется по разным типам клеток, которые выполняют разные вычислительные задачи в сетчатке. Внутри глаза входные данные от тысяч рецепторов поступают каскадом к ВКЛЮЧЕННЫМ и ВЫКЛЮЧЕННЫМ ганглиозным клеткам, которые действуют как модули для специфического обнаружения света и тени соответственно.

«Это переносит много вычислений на сетчатку, и раннее обнаружение упрощает задачу для последующих процессов в мозгу», — говорит Ала-Лаурила. «Мы можем продемонстрировать этот принцип на глазу при очень низком уровне освещенности. Я предполагаю, что это также применимо при более высоких уровнях освещенности и в других смыслах и в других областях нейробиологии».

Цепь сетчатки, отвечающая за передачу информации к ВКЛЮЧЕННЫМ и ВЫКЛЮЧЕННЫМ ганглиозным клеткам, у людей почти идентична. Ала-Лаурила объясняет, что возможность тестировать функции клеток сетчатки в свете звезд также может иметь клиническое значение. Многие зрительные заболевания специфичны для определенных типов клеток сетчатки. Проводя тесты при очень низких уровнях освещенности, возможно, удастся обнаружить такие заболевания раньше и с большей точностью, поскольку при таких уровнях освещенности каждый фотон имеет значение. «В своей жизни я хочу увидеть революционные методы выявления заболеваний органов зрения с использованием очень низких уровней освещенности в качестве инструмента», — говорит он.