Cercetarea dezvăluie modul în care celulele cerebrale procesează vederea printre mii de sinapse
Chiar și în cortexul vizual primar, o regiune a creierului renumită pentru rolul său specializat în procesarea caracteristicilor de bază ale a ceea ce văd ochii, nu toți neuronii răspund apelului de a procesa proprietățile informațiilor vizuale.
Asta poate fi datorat faptului că fiecare neuron primește o varietate largă de intrări prin mii de conexiuni circulare, sau „sinapse”, și trebuie să decidă dacă să răspundă la informațiile vizuale sau la altceva.
Într-un nou studiu realizat pe șoareci, neuroscientificii de la The Picower Institute for Learning and Memory de la MIT au dezvăluit cum neuronii care se ocupă de procesarea vizuală aduc ordine în aceste intrări pentru a-și îndeplini sarcina.
Neuroscientificii sunt profund interesați de ce intrări, dintr-o atât de mare varietate, vor determina neuronii să participe la calculele și funcțiile creierului, a declarat senior author Mriganka Sur, Newton Professor of Neuroscience în cadrul The Picower Institute și Departamentul de Științe Cognitive și Cerebrale de la MIT. Neuronii participă în cele din urmă la circuitele cerebrale prin „focarea” unui potențial de acțiune electric.
Configurarea intrărilor, tipul de organizare și asamblarea neuronilor care se moderează reciproc pentru a genera un potențial de acțiune reprezintă esența modului în care circuitele cerebrale procesează informația. Aceste celule din cortexul vizual sunt un microcosmos al acestei imagini profunde și complexe a neuroștiinței.”
În studiul publicat în iScience, condus de postdoc Kyle Jenks, echipa de cercetare a obținut rezultatele prin imagistica minuțioasă a modului în care nu doar corpurile celulare ale neuronilor, ci și sinapsele lor individuale, formate pe proiecții cunoscute sub numele de spini dendritici, au răspuns pe măsură ce șoarecii au vizionat imagini în mișcare.
Acest tip de imagistică a fost realizat nu doar pentru neuronii care răspund vizual, ci și pentru neuronii care par că nu răspund, dar au spini dendritici care răspund la stimuli vizuali. Aceasta a permis analiza multor proprietăți cheie care ar putea influența unde se formează o sinapsă particulară și cum influențează răspunsurile la corpul celular.
„Aceasta reunește multe lucruri care au fost studiate în izolare și le examinează într-un singur articol colectiv,” a spus Jenks. „Putem compara modul în care neuronul și spinii de pe acel neuron răspund la aceleași stimulări, și putem face acest lucru atât pentru neuronii care răspund vizual, cât și pentru cei care nu răspund.”
În cortexul vizual, stratul 2/3, Jenks și echipa au inginerizat genetic neuronii astfel încât spinii lor dendritici individuali să strălucească atunci când un vârf de calciu indică o activitate crescută a sinapselor de pe spini. Oamenii de știință au realizat același lucru pentru corpul celular, sau „soma”, pentru a urmări cum a reacționat celula și chiar a semnalat răspunsurile sale globale înapoi către sinapse.
Astfel, pe măsură ce șoarecii priveau grile alb-negru la unghiuri variate, deplasându-se în diferite direcții, oamenii de știință puteau urmări răspunsul fiecărui spin și al fiecărei celule la acea intrare vizuală modelată.
În total, au urmărit 11 neuroni care au răspuns la intrarea vizuală și alții 11 care aparent au ignorat-o. Aceasta le-a permis să descopere mai multe reguli:
Importanța distanței față de soma: La celulele care au răspuns la intrările vizuale, răspunsurile spini individuali aveau mai multe șanse să coreleze cu activitatea somatică, cu cât spinul era mai aproape de soma. În același sens, semnalul somatic înapoi către spini, care se crede că influențează alinierea spini cu preferințele somatice, era mai ușor de detectat mai aproape de soma decât mai departe.
Clustering local: Pe neuronii care au răspuns la intrările vizuale, spinii formau enclave distincte de răspunsuri corelate între ei. Mai precis, spinii din interiorul a 5 microni (5 milionimi de metru) acționau concertat. Însă, imediat în afara acelei limite de 5 microni, spinii erau mai puțin predispuși decât prin întâmplare să se alăture acelei activități. Sur speculează că aceste zone izolate de activitate au ascuțit răspunsul fiecărei enclave.
„Apical” vs. „bazal”: Neuronii studiați de echipă au două tipuri distincte de dendrite. Dendritele apicale, care sunt foarte lungi și se extind din partea de sus, sau „apice”, a neuronului, tind să primească o varietate largă de intrări din întreaga cortex. Dendritele bazale, care sunt mai scurte și se extind din partea de jos, primesc de obicei mai multe intrări vizuale brute. Deși dendritele bazale au primit într-adevăr mai multe intrări vizuale decât cele apicale în ansamblu, Jenks a constatat că dendritele apicale ale neuronilor care răspund vizual au avut semnificativ mai mulți spini care răspund vizual decât cele ale neuronilor care nu răspund. Ambele tipuri de dendrite respectau în mod egal regulile de mai sus referitoare la distanța față de soma.
Selectivitatea orientării contează cel mai mult: Jenks, Sur și echipa au utilizat modelare statistică pentru a determina care dintre mulții factori (selectivitatea stimulului, fiabilitatea răspunsului, distanța de soma, apical vs. bazal etc.) explicau cel mai bine cât de corelat era răspunsul unui spin cu cel al somatic. Cu o marjă largă, cât de selectiv era un spin față de orientarea grilei sale preferate a fost cel mai important factor singular.
„Rezultatele noastre dezvăluie că intrările sinaptice către neuronii excitați din stratul 2/3 al cortexului vizual la șoareci nu sunt aranjate aleatoriu, ci organizate și distribuite într-o manieră care corelează cu mai mulți factori, inclusiv răspunsul somatic, adaptarea somatică, tipul de ramificație, distanța față de soma, corelațiile locale și selectivitatea stimulului,” au scris cercetătorii.
Descoperirile echipei pot avansa studiile asupra viziunii în creier în multiple moduri, au spus Jenks și Sur. Anumite mutații genetice care afectează cum neuronii se conectează în circuite pot influența neuronii din cortexul vizual și vederea, a spus Sur. Documentarea acestor reguli oferă cercetătorilor un punct de referință pentru a compara efectele acestor mutații. Jenks a adăugat că descoperirile ar putea informa eforturile de a modela modul în care neuronii integrează intrările sinaptice în calculele lor.
