Studiul pe pești-zebră evidențiază influența mediului vizual asupra retinei oculare
Mediul în care cresc peștii-zebră tineri afectează atât forma, cât și activitatea electrică a neuronilor din ochi, influențând astfel comportamentul ulterior.
O echipă de neuroscienți de la King’s College London a studiat peștii în primele cinci zile de viață pentru a analiza modul în care trăsăturile vizuale ale mediului în care se dezvoltă afectează dezvoltarea celulelor oculare. Studiul, publicat în revista Neuron, a constatat că peștii care au crescut înconjurați de dungi orizontale dezvoltă neuroni cu forme și răspunsuri diferite față de cei care au crescut în medii cu dungi verticale.
Printr-un test comportamental în realitate virtuală, dezvoltat în colaborare cu Universitatea din Konstanz, cercetătorii au demonstrat că aceste diferențe structurale și funcționale ale neuronilor influențează comportamentul peștilor. Peștii-zebră au o preferință înnăscută de a înota spre dungi care sunt paralele cu orientarea corpului lor. Studiul a utilizat realitatea virtuală pentru a testa intensitatea acestei preferințe și a descoperit că instinctul este semnificativ redus în cazul peștilor care au crescut într-un mediu cu dungi orizontale, în timp ce este menținut de cei care au crescut înconjurați de linii verticale.
Aceasta reprezintă prima dată când cercetările au arătat că diferite medii influențează forma generală a neuronilor din ochi și că aceste modificări sunt corelate cu comportamentul ulterior. Schimbările au fost observate în retină, structura din spatele ochiului responsabilă pentru detectarea luminii și procesarea vizuală de bază.
„Am fost extrem de surprinși și încântați să descoperim plasticitatea bazată pe experiență la acest nivel într-un organ senzorial de bază – retina. Nici oamenii, nici peștii nu se nasc cu un ochi și un creier complet dezvoltate. Multe neuroni sunt fizic prezenți, dar vor fi rafinați ulterior printr-un proces cunoscut sub numele de plasticitate, înainte de a ajunge la maturitate. Clasic, retina a fost percepută ca un „hardware”, iar rafinarea a fost considerată a se produce în principal în părțile extrem de adaptabile ale creierului, cum ar fi cortexul cerebral”, a subliniat Robert Hindges.
Această cercetare completează un corpus tot mai mare de dovezi care arată că retina preprocesează scena vizuală înainte de a o transmite restului creierului pentru procesare suplimentară. Este primul studiu care demonstrează că această preprocesare depinde de mediul vizual în care se dezvoltă retina și peștii.
Cercetătorii au plasat peștii în medii cu dungi, fie orizontale, fie verticale, în primele 5 zile de viață pentru a înțelege dacă mediul poate influența dezvoltarea ochiului. Dungile sunt caracteristici vizuale foarte relevante pe care toate animalele le utilizează pentru a înțelege ce privesc.
„Oamenii folosesc de fapt caracteristici orizontale și verticale pentru a înțelege imagini mai complexe, precum fețele, unde nasul este o linie verticală puternică, iar sprânceana este o linie orizontală clară”, explică Hindges.
Jumătate dintre pești au crescut într-o lume plină de dungi orizontale, în timp ce cealaltă jumătate a experimentat o lume cu doar linii verticale. Folosind un microscop pentru a imagina neuronii din retină, cercetătorii au descoperit că cele două grupuri de pești aveau neuroni cu forme diferite în retină. De asemenea, activitatea neurală transmisă de ochi către restul creierului era influențată de dungile observate în primele zile de viață.
„Aceasta sugerează într-un mod izbitor că locurile în care creștem influențează modul în care vedem lumea”, comentează Hindges. „Aceasta se aliniază cu studiile efectuate pe oameni care au arătat că persoanele care cresc în medii vizuale diferite percep iluzii optice diferit. Ceea ce nu se știa era că aceste schimbări sunt determinate, cel puțin parțial, de modificări în cea mai timpurie etapă a procesării vizuale: în retină.”
Cercetătorii au testat dacă aceste schimbări din retină au afectat comportamentul peștilor după 5 zile. Testul comportamental a valorificat preferința înnăscută a peștilor-zebră de a se întoarce către dungi paralele cu corpul lor, ceea ce depinde de capacitatea de a distinge între diferitele orientări ale dungilor.
Utilizând un sistem de realitate virtuală care urmărește mișcările pe măsură ce acestea au loc, peștii au avut de ales între a se întoarce către dungi paralele sau perpendiculare cu ei. Peștii-zebră care au crescut în lumea orizontală nu au arătat această preferință înnăscută pentru dungi paralele, comportându-se ca și cum le-ar fi mai greu să diferențieze între dungile orizontale și verticale. În schimb, peștii care au crescut în lumea cu dungi verticale au păstrat această preferință.
„Am dorit să explorăm modul în care aceste schimbări care au loc în ochi pot influența comportamentul efectiv al peștilor”, explică Phoebe Reynolds. „Pentru a face acest lucru, am dezvoltat un test comportamental nou în realitate virtuală în care peștii pot arăta o preferință pentru linii de anumite orientări. Acest lucru ne-a permis să testăm dacă preferințele lor înnăscute au fost afectate de mediu.”
„Proiectarea setup-ului de urmărire și a paradigmilor comportamentale a fost inspirată de observațiile noastre asupra schimbărilor structurale și funcționale din retină. Faptul că aceste caracteristici ar influența și capacitatea de a distinge tipare de dungi în timpul comportamentului era complet neclar. De aceea, am fost foarte surprinși că condițiile în care animalele au fost crescute au avut cu adevărat un impact major asupra performanței”, afirmă Armin Bahl.
Prin manipulări genetice, cercetătorii au reușit să izoleze contribuția plasticității retiniene la acest comportament. Fără influența plasticității în retină, peștii din ambele medii s-au comportat la fel, demonstrând că schimbările din biologia ochiului influențează modul în care se comportă.
Cercetarea a fost finanțată în principal de Medical Research Council (MRC), Leverhulme Trust, The Biotechnology and Biological Sciences Research Council și Programul Emmy Noether.
Reynolds este acum cercetător postdoctoral la Friedrich Miescher Institute of Biomedical Research din Basel, Elveția.
