Μια νέα μελέτη από το Yale School of Medicine (YSM) υποδηλώνει ότι το μάτι επεξεργάζεται τις οπτικές πληροφορίες με πιο ολοκληρωμένο τρόπο από ό,τι πίστευαν οι επιστήμονες. Τα ευρήματα αμφισβητούν μια μακροχρόνια άποψη για το πώς τα οπτικά σήματα ταξιδεύουν στον αμφιβληστροειδή και μπορεί να βοηθήσουν στην εξήγηση του πώς ανιχνεύουμε αμυδρά αντικείμενα ή βλέπουμε σε χαμηλό φωτισμό.
Το οπτικό μας σύστημα αναλύει γρήγορα διάφορα χαρακτηριστικά μιας σκηνής, όπως το χρώμα, η αντίθεση, η κίνηση και το σχήμα. Αυτή η διαδικασία, γνωστή ως παράλληλη οπτική επεξεργασία, επιτρέπει στον εγκέφαλο να ερμηνεύει σύνθετες εικόνες σχεδόν ακαριαία, στέλνοντας διαφορετικούς τύπους πληροφοριών κατά μήκος χωριστών μονοπατιών.
Οι ερευνητές πίστευαν από καιρό ότι αυτές οι οδοί ήταν σε μεγάλο βαθμό ανεξάρτητες καθώς τα οπτικά σήματα ταξιδεύουν στον αμφιβληστροειδή και τον εγκέφαλο. Όμως νέα έρευνα αποκάλυψε ΝευρώναςΑυτά τα κανάλια βρέθηκαν να συνδέονται στενά μέσω κρυφών ηλεκτρικών συνδέσεων. Σύμφωνα με την ερευνητική ομάδα, αυτή η συνεργασία μπορεί να ενισχύσει τα αδύναμα οπτικά σήματα πριν μπουν βαθύτερα στο οπτικό σύστημα.
«Βρήκαμε ότι ενώ διαφορετικά κανάλια μπορεί να παρέχουν τις δικές τους ιδιότητες, είναι επίσης διασυνδεδεμένα με υποκείμενα ηλεκτρικά κυκλώματα», δήλωσε ο Yao Xue, PhD, μεταδιδακτορικός συνεργάτης στο Τμήμα Οφθαλμολογίας και Οπτικών Επιστημών του YSM και πρώτος συγγραφέας της μελέτης.
Τα διπολικά κύτταρα σχηματίζουν ένα απρόβλεπτο δίκτυο επικοινωνίας
Η όραση ξεκινά όταν οι ράβδοι και οι κώνοι του αμφιβληστροειδούς ανιχνεύουν φως. Αυτά τα εξειδικευμένα κύτταρα μεταδίδουν πληροφορίες σε νευρώνες γνωστούς ως διπολικά κύτταρα. Σε αυτό το στάδιο, οι οπτικές πληροφορίες ταξινομούνται σε περισσότερα από δώδεκα παράλληλα κανάλια που επεξεργάζονται χαρακτηριστικά όπως το φως της ημέρας, η νυχτερινή όραση, το χρώμα, η αντίθεση και το σχήμα.
Όταν οι ερευνητές εξέτασαν πιο προσεκτικά τις συνάψεις, τις μικροσκοπικές συνδέσεις όπου επικοινωνούν τα διπολικά κύτταρα, βρήκαν κάτι απροσδόκητο. Αντί να είναι απομονωμένα, τα υποτιθέμενα ξεχωριστά κανάλια μοιράζονταν πληροφορίες μεταξύ τους.
Οι νευρώνες επικοινωνούν μέσω δύο κύριων τύπων συνάψεων: χημικών και ηλεκτρικών. Οι χημικές συνάψεις χρησιμοποιούν νευροδιαβιβαστές για τη μετάδοση μηνυμάτων μεταξύ των κυττάρων, ενώ οι ηλεκτρικές συνάψεις, που ονομάζονται επίσης διασταυρώσεις κενού, μεταδίδουν σήματα απευθείας μέσω ηλεκτρικών ρευμάτων. Τα διπολικά κύτταρα γενικά πιστεύεται ότι βασίζονται στη χημική επικοινωνία.
Νέα έρευνα δείχνει ότι οι ηλεκτρικές συνάψεις τόσο στον αμφιβληστροειδή χιτώνα ποντικού όσο και στον άνθρωπο συνδέουν πολλά από αυτά τα ξεχωριστά κανάλια πληροφοριών. Όταν η ομάδα διέγειρε ηλεκτρικά ένα μεμονωμένο διπολικό κύτταρο, η απόκριση εξαπλώθηκε πέρα από αυτό το μονοπάτι. Αντί να δουν την απελευθέρωση νευροδιαβιβαστών να περιορίζεται σε ένα μόνο κανάλι, είδαν ευρεία, μοτίβα δραστηριότητας που μοιάζουν με σύννεφα, αποκαλύπτοντας ευρεία επικοινωνία μεταξύ διαφορετικών διπολικών κυττάρων.
«Όταν διεγείρουμε ένα διπολικό κύτταρο, πολλά διπολικά κύτταρα απελευθερώνουν νευροδιαβιβαστές», είπε ο Z. Jimmy Zhou, PhD, Marvin L. Sears, καθηγητής Οφθαλμολογίας και Οπτικών Επιστημών και κύριος ερευνητής.
Οι ερευνητές εντόπισαν επίσης έναν διπολικό κυτταρικό τύπο γνωστό ως BC6, ο οποίος παίζει πρωταγωνιστικό ρόλο στο συντονισμό αυτού του δικτύου. Τα σήματα που προέρχονται από το BC6 διαδίδονται μέσω πολλαπλών οπτικών οδών σε ένα οργανωμένο, ιεραρχικό μοτίβο.
«Οι άνθρωποι υπέθεσαν ότι διαφορετικοί τύποι διπολικών κυττάρων ήταν λίγο πολύ αυτόνομα», είπε ο Zhou. “Αλλά βρήκαμε ένα πρόγραμμα οδήγησης μεταξύ όλων αυτών των τύπων κυψελών που δημιουργεί αυτό το δίκτυο με μια ιεραρχία.”
Οι επιστήμονες λένε ότι αυτός ο συνδυασμός εξειδικευμένων μονοπατιών και ηλεκτρικών επαφών προσφέρει στον αμφιβληστροειδή το καλύτερο και από τις δύο μεθόδους. Τα μεμονωμένα κανάλια μπορούν να επικεντρωθούν σε συγκεκριμένα οπτικά χαρακτηριστικά, ενώ οι συνδέσεις τους επιτρέπουν την κοινή χρήση πληροφοριών όταν το σήμα είναι ιδιαίτερα αδύναμο.
“Εάν το σήμα είναι ήδη πολύ αδύναμο και χωρίζεται σε πολλά κανάλια, κάθε κανάλι δεν έχει πολλά να επεξεργαστεί”, δήλωσε ο Seunghun Lee, PhD, ερευνητής στο Τμήμα Οφθαλμολογίας και Οπτικών Επιστημών του YSM και συν-συγγραφέας της μελέτης. “Η ενσωμάτωση είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για την ανίχνευση σημάτων χαμηλής αντίθεσης ή σημάτων από πολύ μικρά αντικείμενα.”
«Και τα κύτταρα δεν συνεργάζονται τυχαία», προσθέτει ο Xu. “Έχουν έναν διοικητή — BC6 — που μεταδίδει σήματα σε στόχους κατάντη.”
Καταγραφή σήματος σε ανέπαφο αμφιβληστροειδή
Για να χαρτογραφήσει αυτά τα δίκτυα επικοινωνίας, η ομάδα συνδύασε διάφορες πειραματικές τεχνικές. Χρησιμοποίησαν προηγμένη απεικόνιση για να παρακολουθήσουν πώς τα διπολικά κύτταρα απελευθερώνουν και ανταποκρίνονται στους νευροδιαβιβαστές, ενώ ταυτόχρονα διεγείρουν μεμονωμένα κύτταρα και καταγράφουν τις αποκρίσεις γειτονικών κυττάρων.
Τα διπολικά κύτταρα ήταν από καιρό δύσκολο να μελετηθούν επειδή κάθονται βαθιά στον αμφιβληστροειδή. Τα προηγούμενα πειράματα απαιτούσαν συχνά τον τεμαχισμό του αμφιβληστροειδούς, μια διαδικασία που ήθελαν να δοκιμάσουν οι ερευνητές του Φυσικού Κυκλώματος.
Για αυτήν τη μελέτη, η ομάδα του Yale χρησιμοποίησε επιτυχώς μια τεχνική διπλού επιθέματος σφιγκτήρα σε πλήρως άθικτους αμφιβληστροειδή ποντικού. Χρησιμοποιώντας ηλεκτρόδια, διέγειραν συγκεκριμένους διπολικούς τύπους κυττάρων ενώ ταυτόχρονα κατέγραφαν πώς ανταποκρίθηκαν τα γειτονικά κύτταρα.
«Κανένα άλλο εργαστήριο στον κόσμο δεν μπόρεσε να σταματήσει συστηματικά αυτού του είδους την καταγραφή», είπε ο Zhou. “Πρόκειται για μια περιοδεία της διδακτορικής διατριβής του Yao Xue, που συνδυάζει μια καινοτόμο προσέγγιση με εξαιρετική ηλεκτροφυσιολογική τεχνογνωσία.”
Στη συνέχεια, οι ερευνητές επανέλαβαν το πείραμα χρησιμοποιώντας άθικτους ανθρώπινους αμφιβληστροειδή που ελήφθησαν μέσω του προγράμματος δωρεάς ιστού παλαιού τύπου του τμήματος παθολογίας. Σύμφωνα με την ομάδα, αυτό είναι το πρώτο τέτοιο πείραμα που πραγματοποιείται σε άθικτο ανθρώπινο αμφιβληστροειδή.
Τι μπορεί να σημαίνει η ανακάλυψη
Επειδή ο αμφιβληστροειδής είναι μέρος του κεντρικού νευρικού συστήματος, οι ερευνητές λένε ότι αυτά τα ευρήματα μπορεί να έχουν επιπτώσεις πέρα από την όραση. Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα κυκλώματα του αμφιβληστροειδούς επεξεργάζονται πληροφορίες μπορεί να προσφέρει νέες ιδέες για το πώς λειτουργούν άλλα νευρωνικά δίκτυα στον εγκέφαλο.
Η εργασία θα μπορούσε να βελτιώσει την κατανόηση των επιστημόνων για ασθένειες που βλάπτουν τον αμφιβληστροειδή, συμπεριλαμβανομένης της εκφύλισης της ωχράς κηλίδας, του γλαυκώματος και της συγγενούς νυχτερινής τύφλωσης.
Οι ερευνητές λένε επίσης ότι η μελέτη υπογραμμίζει την αξία της επιστήμης που βασίζεται στην περιέργεια. Αντί να δοκιμάσουν μια ενιαία προκαθορισμένη ιδέα, τα πειράματα αποκάλυψαν έναν προηγουμένως άγνωστο μηχανισμό που αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο οι επιστήμονες σκέφτονται για την οπτική επεξεργασία.
«Τα πειράματά μας δεν ξεκίνησαν με μια συγκεκριμένη υπόθεση, αλλά αποκάλυψαν έναν θεμελιώδη μηχανισμό επεξεργασίας στο οπτικό σύστημα», είπε ο Lee. «Αυτή είναι μια σημαντική υπενθύμιση του πόσο σημαντική είναι η έρευνα με γνώμονα την περιέργεια για την ανακάλυψη».
