Нервные клетки в глазу работают вместе, чтобы распознавать контраст и движения

Обработка оптической информации в сетчатке глаза, где расположены светочувствительные фоторецепторы и первые нервные клетки, является одним из самых энергоемких процессов в организме, особенно с учетом относительно небольшого веса сетчатки. Более 50 лет так называемая "гипотеза эффективного кодирования" определяла научное понимание визуальных процессов в глазу. Согласно этой гипотезе, задачей сетчатки является максимально эффективная обработка визуальной информации с целью экономии энергетических ресурсов. Это означает, что как можно меньшее количество нервных клеток должно быть активно одновременно, когда речь идет о производстве электрических сигналов для передачи визуальной информации в мозг.

Группа ученых во главе с профессором Тимом Голлишем, руководителем исследовательской группы на кафедре офтальмологии Университетской клиники Геттингена (UMG), Германия, недавно обнаружила, что гипотеза эффективного кодирования не применима ко всем нервным клеткам в глазу. Для ряда клеток ученые смогли наблюдать в препаратах тканей сетчатки, что целые группы клеток часто активны одновременно.

Это согласованное взаимодействие нервных клеток, кажется, противоречит эффективной и энергосберегающей передаче информации, поскольку отдельные клетки передают одинаковые сигналы. Ученые смогли показать, что совместная активность клеток не происходит случайным образом, а что определенные группы клеток становятся активными одновременно, когда в поле зрения появляются изображения с высоким контрастом или наблюдаются движения в определенных направлениях.

"Это согласованное сотрудничество нервных клеток может позволить мозгу отличать особенно важные оптические сигналы, такие как распознавание контраста или движения, от менее значимых факторов, например, изменения яркости, когда облако проходит перед солнцем, и все становится немного темнее", — говорит профессор Голлиш, последний автор исследования.

"С другой стороны, группы клеток, похоже, обеспечивают энергоэффективность, особенно кратко реагируя на соответствующие сенсорные стимулы", — добавляет он.

"Полученные результаты открывают перспективы для лечения слепоты. Это особенно касается слепоты, вызванной дегенеративными процессами, например, когда фоторецепторы в сетчатке погибают. Эти фоторецепторы улавливают свет из окружающей среды и преобразуют его в электрические сигналы, которые передаются нервными клетками в мозг для обработки визуальной информации.

Когда фоторецепторы погибают, сигналы больше не передаются через соответствующие нервные клетки. Если эти нервные клетки активируются искусственно, например, с помощью зрительной протезы, важно вызвать соответствующую скоординированную активность нервных клеток, чтобы мозг получал сигналы, максимально приближенные к реальности, и мог их правильно интерпретировать", — говорит доктор Димократис Караманлис, бывший постдокторский исследователь кафедры офтальмологии UMG и первый автор исследования.

Контекст
Одной из основ гипотезы эффективного кодирования является наблюдение, что, например, при взгляде на большую белую поверхность, нервные клетки, которые в основном активны, — это те, которые воспринимают границы поверхности. Клетки, которые распознают "внутреннюю" часть поверхности, подавляют свою активность, чтобы сэкономить энергию. Тот факт, что внутренняя часть поверхности, то есть пространство между границами, также белая, мозг может понять и без этих сигналов.

Тем не менее, большие белые области, которые долго остаются в поле зрения, трудно встретить в реальной природе. Поэтому ученые протестировали, как образцы ткани сетчатки реагируют на естественные фотографии. Для этого изображения проецировались на образцы и двигались так, как это происходит при естественных движениях глаз.

Одновременно измеряя электрическую активность большого числа нервных клеток, ученые смогли показать, что определенные классы клеток хорошо соответствуют гипотезе эффективного кодирования и реагируют отдельно друг от друга. Другие важные классы клеток, напротив, не следуют гипотезе и склонны активироваться одновременно.

Перспективы
Результаты исследования будут напрямую использованы для разработки новых терапевтических подходов в недавно основанном Центре оптогенетических терапий имени Эльзе Кренер-Фрезениус в Геттингене. В некоторых формах слепоты в нервные клетки глаз будут вводиться светочувствительные белки для активации этих клеток с помощью света.

"Полученные результаты помогут нам понять, какие паттерны активности клеток необходимы для естественного распознавания определенных визуальных впечатлений. Целью разработки терапии будет создание этих паттернов искусственным образом", — говорит профессор Голлиш, который участвует в работе нового центра. Соответствующие исследования с пациентами в Геттингене должны начаться через несколько лет.