Οπτικές Πληροφορίες: Ερευνητές του Universitätsmedizin Berlin και του Ινστιτούτου Max Planck για τη Βιολογική Νοημοσύνη (το οποίο βρίσκεται υπό ίδρυση) αποκάλυψαν τις ακριβείς συνδέσεις μεταξύ των αισθητήριων νευρώνων στο εσωτερικό του αμφιβληστροειδούς και του ανώτερου κολεού, μιας δομής του μέσου εγκεφάλου. Οι ανιχνευτές Neuropixels είναι μια σχετικά πρόσφατη εξέλιξη, που αντιπροσωπεύει την επόμενη γενιά ηλεκτροδίων. Πυκνά γεμάτοι με σημεία καταγραφής, οι ανιχνευτές Neuropixels χρησιμοποιούνται για την καταγραφή της δραστηριότητας των νευρικών κυττάρων και έχουν διευκολύνει αυτές τις πρόσφατες γνώσεις για τα νευρωνικά κυκλώματα.
Γράφοντας στο Nature Communications, οι ερευνητές περιγράφουν μια θεμελιώδη αρχή που είναι κοινή στα οπτικά συστήματα των θηλαστικών και των πτηνών.
Δύο δομές του εγκεφάλου είναι ζωτικής σημασίας για την επεξεργασία των οπτικών ερεθισμάτων:
ο οπτικός φλοιός στον πρωτογενή εγκεφαλικό φλοιό και ο άνω κολεός, μια δομή στον μέσο εγκέφαλο.
Η όραση και η επεξεργασία των οπτικών πληροφοριών περιλαμβάνουν εξαιρετικά πολύπλοκες διαδικασίες.
Με απλουστευμένους όρους, ο οπτικός φλοιός είναι υπεύθυνος για τη γενική οπτική αντίληψη, ενώ οι δομές του εξελικτικά παλαιότερου μέσου εγκεφάλου είναι υπεύθυνες για τις οπτικά καθοδηγούμενες αντανακλαστικές συμπεριφορές.
Οι μηχανισμοί και οι αρχές που εμπλέκονται στην οπτική επεξεργασία εντός του οπτικού φλοιού είναι γνωστές.
Οι εργασίες που διεξήγαγε μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον Dr. Jens Kremkow συνέβαλαν στις γνώσεις μας σε αυτόν τον τομέα και το 2017 κατέληξαν στην ίδρυση μιας ερευνητικής ομάδας Emmy Noether Junior Research Group στο Κέντρο Έρευνας Νευροεπιστημών (NWFZ) του Charité.
Πρωταρχικός στόχος της ερευνητικής ομάδας είναι η περαιτέρω βελτίωση της κατανόησης των νευρικών κυττάρων που εμπλέκονται στο οπτικό σύστημα. Πολλά αναπάντητα ερωτήματα παραμένουν, συμπεριλαμβανομένων των λεπτομερειών του τρόπου με τον οποίο οι οπτικές πληροφορίες επεξεργάζονται στα ανώτερα κολοβακτηρίδια του μέσου εγκεφάλου.
Τα γαγγλιακά κύτταρα του αμφιβληστροειδούς, αισθητήρια κύτταρα που βρίσκονται μέσα στον αμφιβληστροειδή χιτώνα του ματιού, ανταποκρίνονται στα εξωτερικά οπτικά ερεθίσματα και στέλνουν τις πληροφορίες που λαμβάνουν στον εγκέφαλο.
Οι άμεσες οδοί σηματοδότησης διασφαλίζουν ότι οι οπτικές πληροφορίες που λαμβάνουν τα νευρικά κύτταρα του αμφιβληστροειδούς φθάνουν και στον μέσο εγκέφαλο. “Αυτό που παρέμενε σε μεγάλο βαθμό άγνωστο μέχρι τώρα είναι ο τρόπος με τον οποίο τα νευρικά κύτταρα στον αμφιβληστροειδή και τα νευρικά κύτταρα στον μέσο εγκέφαλο συνδέονται σε λειτουργικό επίπεδο.
Η έλλειψη γνώσεων σχετικά με τον τρόπο με τον οποίο οι νευρώνες του άνω κολεού διεκπεραιώνουν τις συναπτικές εισροές ήταν εξίσου έντονη”, λέει ο επικεφαλής της μελέτης Dr. Kremkow.
“Οι πληροφορίες αυτές είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση των μηχανισμών που εμπλέκονται στην επεξεργασία του μέσου εγκεφάλου”.
Μέχρι τώρα ήταν αδύνατο να μετρηθεί η δραστηριότητα των συναπτικά συνδεδεμένων νευρώνων του αμφιβληστροειδούς και του μέσου εγκεφάλου σε ζωντανούς οργανισμούς.
Για την πιο πρόσφατη έρευνά τους, η ερευνητική ομάδα ανέπτυξε μια μέθοδο που βασίζεται σε μετρήσεις που λαμβάνονται με καινοτόμα, υψηλής πυκνότητας ηλεκτρόδια, γνωστά ως ανιχνευτές Neuropixels.
Για την ακρίβεια, οι ανιχνευτές Neuropixels είναι μικροσκοπικές, γραμμικές συστοιχίες ηλεκτροδίων που διαθέτουν περίπου χίλιες θέσεις καταγραφής κατά μήκος ενός στενού στελέχους. Αποτελούμενες από 384 ηλεκτρόδια για την ταυτόχρονη καταγραφή της ηλεκτρικής δραστηριότητας των νευρώνων του εγκεφάλου, οι συσκευές αυτές έχουν γίνει game-changers στον τομέα των νευροεπιστημών.
Ερευνητές που εργάζονται στο Charité και στο Ινστιτούτο Max Planck για τη Βιολογική Νοημοσύνη χρησιμοποίησαν τώρα αυτή τη νέα τεχνολογία για να προσδιορίσουν τις σχετικές δομές του μέσου εγκεφάλου σε ποντίκια (άνω κολεόγραμμα) και πτηνά (οπτικός σωλήνας).
Και οι δύο δομές του εγκεφάλου έχουν κοινή εξελικτική προέλευση και διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην οπτική επεξεργασία των σημάτων εισόδου του αμφιβληστροειδούς και στις δύο ομάδες ζώων.
Η εργασία τους οδήγησε τους ερευνητές σε μια εκπληκτική ανακάλυψη.
“Συνήθως, αυτός ο τύπος ηλεκτροφυσιολογικής καταγραφής μετρά ηλεκτρικά σήματα από δυναμικά δράσης τα οποία προέρχονται από το soma, το κυτταρικό σώμα του νευρώνα”, εξηγεί ο Δρ Kremkow.
“Στις δικές μας καταγραφές, ωστόσο, παρατηρήσαμε σήματα των οποίων η εμφάνιση διέφερε από εκείνη των κανονικών δυναμικών δράσης. Συνεχίσαμε να διερευνούμε την αιτία αυτού του φαινομένου και διαπιστώσαμε ότι τα σήματα εισόδου στον μέσο εγκέφαλο προκαλούνταν από δυναμικά δράσης που διαδίδονταν μέσα στους “αξονικούς βραχίονες” (κλάδους) των γαγγλιακών κυττάρων του αμφιβληστροειδούς.
Τα ευρήματά μας υποδηλώνουν ότι η νέα τεχνολογία ηλεκτρονικών συστοιχιών μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την καταγραφή των ηλεκτρικών σημάτων που προέρχονται από τους άξονες, τις προεξοχές των νευρικών κυττάρων που μεταδίδουν νευρωνικά σήματα. Πρόκειται για ένα ολοκαίνουργιο εύρημα”.
Σε μια παγκόσμια πρωτοτυπία, η ομάδα του Dr. Kremkow μπόρεσε να καταγράψει ταυτόχρονα τη δραστηριότητα των νευρικών κυττάρων στον αμφιβληστροειδή και των συναπτικά συνδεδεμένων νευρώνων-στόχων τους στον μέσο εγκέφαλο.
Μέχρι τώρα, η λειτουργική καλωδίωση μεταξύ του ματιού και του μέσου εγκεφάλου παρέμενε άγνωστο μέγεθος.
Οι ερευνητές μπόρεσαν να δείξουν σε επίπεδο ενός κυττάρου ότι η χωρική οργάνωση των εισόδων από τα γαγγλιακά κύτταρα του αμφιβληστροειδούς στο μέσο εγκέφαλο αποτελεί μια πολύ ακριβή αναπαράσταση της αρχικής εισόδου του αμφιβληστροειδούς.
“Οι δομές του μέσου εγκεφάλου παρέχουν ουσιαστικά ένα σχεδόν ένα προς ένα αντίγραφο της δομής του αμφιβληστροειδούς”, λέει ο Δρ Kremkow.
“Ένα άλλο νέο εύρημα για εμάς ήταν ότι οι νευρώνες του μέσου εγκεφάλου λαμβάνουν πολύ ισχυρή και συγκεκριμένη συναπτική είσοδο από τα γαγγλιακά κύτταρα του αμφιβληστροειδούς, αλλά μόνο από έναν μικρό αριθμό αυτών των αισθητικών νευρώνων.
Αυτές οι νευρικές οδοί επιτρέπουν μια πολύ δομημένη και λειτουργική σύνδεση μεταξύ του αμφιβληστροειδούς του ματιού και των αντίστοιχων περιοχών του μέσου εγκεφάλου”.
Μεταξύ άλλων, η νέα αυτή διαπίστωση θα ενισχύσει την κατανόηση του φαινομένου που είναι γνωστό ως τυφλή όραση, το οποίο μπορεί να παρατηρηθεί σε άτομα που έχουν υποστεί βλάβη στον οπτικό φλοιό λόγω τραύματος ή όγκου.
Ανίκανα για συνειδητή αντίληψη, τα άτομα αυτά διατηρούν μια υπολειμματική ικανότητα επεξεργασίας οπτικών πληροφοριών, η οποία οδηγεί σε μια διαισθητική αντίληψη των ερεθισμάτων, των περιγραμμάτων, της κίνησης, ακόμη και των χρωμάτων, η οποία φαίνεται να συνδέεται με τον μέσο εγκέφαλο.
Για να ελέγξουν κατά πόσον οι αρχές που παρατηρήθηκαν αρχικά στο μοντέλο του ποντικού θα μπορούσαν επίσης να εφαρμοστούν και σε άλλα σπονδυλωτά -και ως εκ τούτου κατά πόσον θα μπορούσαν να είναι γενικότερες στη φύση- ο Δρ Kremkow και η ομάδα του συνεργάστηκαν με μια ομάδα από το Ινστιτούτο Max Planck για τη Βιολογική Νοημοσύνη, όπου μια ερευνητική ομάδα Lise Meitner με επικεφαλής τον Δρ Daniele Vallentin επικεντρώνεται στα νευρωνικά κυκλώματα που είναι υπεύθυνα για τον συντονισμό ακριβών κινήσεων στα πτηνά.
“Χρησιμοποιώντας τους ίδιους τύπους μετρήσεων, μπορέσαμε να δείξουμε ότι στα πτερύγια ζέβρας, η χωρική οργάνωση των νευρικών οδών που συνδέουν τον αμφιβληστροειδή και τον μέσο εγκέφαλο ακολουθούν μια παρόμοια αρχή”, λέει ο Δρ Vallentin. “Το εύρημα αυτό αποτέλεσε έκπληξη, δεδομένου ότι τα πτηνά έχουν σημαντικά υψηλότερη οπτική οξύτητα και η εξελικτική απόσταση μεταξύ πτηνών και θηλαστικών είναι σημαντική”.
Οι παρατηρήσεις των ερευνητών υποδηλώνουν ότι τα γαγγλιακά κύτταρα του αμφιβληστροειδούς τόσο στον οπτικό βόθρο όσο και στο άνω κολεόπλασμα παρουσιάζουν παρόμοια χωρική οργάνωση και λειτουργική καλωδίωση.
Τα ευρήματά τους οδήγησαν τους ερευνητές στο συμπέρασμα ότι οι αρχές που ανακαλύφθηκαν πρέπει να είναι ζωτικής σημασίας για την οπτική επεξεργασία στον μέσο εγκέφαλο των θηλαστικών.
Οι αρχές αυτές μπορεί ακόμη και να είναι γενικής φύσης και να ισχύουν για όλους τους εγκεφάλους των σπονδυλωτών, συμπεριλαμβανομένου και του ανθρώπου.
Όσον αφορά τα μελλοντικά σχέδια των ερευνητών, ο Dr. Kremkow λέει: “Τώρα που κατανοούμε τις λειτουργικές, μωσαϊκού τύπου συνδέσεις μεταξύ των γαγγλιακών κυττάρων του αμφιβληστροειδούς και των νευρώνων εντός του άνω κολεού, θα διερευνήσουμε περαιτέρω τον τρόπο με τον οποίο τα αισθητηριακά σήματα επεξεργάζονται στο οπτικό σύστημα, ειδικά στις περιοχές του μέσου εγκεφάλου, και πώς συμβάλλουν στην οπτικά καθοδηγούμενη αντανακλαστική συμπεριφορά”.
Η ομάδα θέλει επίσης να διαπιστώσει αν η νέα μέθοδος θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί και σε άλλες δομές και αν θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση της αξονικής δραστηριότητας σε άλλα σημεία του εγκεφάλου.
Εάν αυτό αποδειχθεί δυνατό, θα ανοίξει μια πληθώρα νέων ευκαιριών για τη διερεύνηση των υποκείμενων μηχανισμών του εγκεφάλου.