Η οπτική μας αντίληψη για τον κόσμο συχνά θεωρείται σχετικά σταθερή. Ωστόσο, όπως όλες οι γνωστικές μας λειτουργίες, η οπτική επεξεργασία διαμορφώνεται από τις εμπειρίες μας. Τόσο κατά την ανάπτυξη όσο και κατά την ενηλικίωση, η μάθηση μπορεί να αλλάξει την οπτική αντίληψη. Για παράδειγμα, η βελτιωμένη οπτική διάκριση παρόμοιων μοτίβων είναι μια μαθημένη δεξιότητα κρίσιμη για την ανάγνωση. Σε μια νέα ερευνητική μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Current Biology, οι επιστήμονες ανακάλυψαν τώρα τις νευρωνικές αλλαγές που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια της εκμάθησης για τη βελτίωση της διάκρισης των στενά σχετικών οπτικών εικόνων.
Αυτή η μελέτη, με επικεφαλής τον πρώτο συγγραφέα Δρ. Joseph Schumacher και τον ανώτερο συγγραφέα Δρ. David Fitzpatrick στο Max Planck Florida Institute for Neuroscience, καθιερώνει μια μετασχηματιστική προσέγγιση στη μελέτη της αντιληπτικής μάθησης στον εγκέφαλο. Οι ερευνητές απεικόνισαν τη δραστηριότητα μεγάλου αριθμού μεμονωμένων νευρώνων κατά τη διάρκεια των ημερών για να παρακολουθήσουν τις αλλαγές που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια της εκμάθησης μιας εργασίας οπτικής διάκρισης, εκτελώντας αυτά τα πειράματα σε ένα νέο ζωικό μοντέλο, το δέντρο. Το δέντρο είναι ένα μικρό θηλαστικό με οπτικές ιδιότητες παρόμοιες με τον άνθρωπο, συμπεριλαμβανομένου ενός υψηλού βαθμού οπτικής οξύτητας και μιας παρόμοιας τακτικής χωρικής διάταξης οπτικά αποκρινόμενων νευρώνων στον εγκέφαλο.
Όπως δείχνουν οι ερευνητές, αυτά τα ζώα μπορούν επίσης να μάθουν πολύπλοκα καθήκοντα συμπεριφοράς, καθιστώντας τα ιδανικά για την κατανόηση του πώς η εμπειρία διαμορφώνει την οπτική αντίληψη. Σε αυτή τη μελέτη, τα κοτσάνια δέντρων εκπαιδεύτηκαν να κάνουν διάκριση μεταξύ πολύ όμοιων οπτικών εικόνων: πανομοιότυπες μαύρες γραμμές που διέφεραν μόνο από μια μικρή αλλαγή στον προσανατολισμό (22,5 μοίρες). Στην εργασία, η παρουσίαση των γραμμών σε έναν προσανατολισμό ανταμείφθηκε με μια σταγόνα χυμό. Με την πάροδο των ημερών, τα δεντράκια έμαθαν να κάνουν διάκριση μεταξύ των δύο παρόμοιων οπτικών εικόνων, γλείφοντας μόνο ως απάντηση στις γραμμές στον προσανατολισμό με ανταμοιβή και παρακρατώντας το γλείψιμο στις γραμμές στον προσανατολισμό χωρίς ανταμοιβή.
Οι επιστήμονες συνδύασαν αυτό το έργο συμπεριφοράς με μετρήσεις της νευρικής δραστηριότητας στο V1, μια περιοχή του εγκεφάλου που είναι απαραίτητη για την οπτική επεξεργασία. Οι νευρώνες σε αυτήν την περιοχή ενεργοποιούνται από συγκεκριμένα χαρακτηριστικά οπτικής εισόδου, όπως ο προσανατολισμός των ανοιχτό-σκοτεινών άκρων. Οι μεμονωμένοι νευρώνες δείχνουν «προτίμηση» για συγκεκριμένους προσανατολισμούς ακμών, ανταποκρινόμενοι με την υψηλότερη δραστηριότητα σε αυτούς τους προσανατολισμούς και με προοδευτικά χαμηλότερη δραστηριότητα ή καθόλου δραστηριότητα σε ακμές που προσανατολίζονται περισσότερο από τον προτιμώμενο προσανατολισμό. Με αυτόν τον τρόπο, μια οπτική σκηνή που έχει άκρες με διαφορετικούς προσανατολισμούς ενεργοποιεί συγκεκριμένα υποσύνολα νευρώνων για να δημιουργήσει ένα μοτίβο νευρικής δραστηριότητας που κωδικοποιεί τις πληροφορίες που απαιτούνται για την οπτική αντίληψη.
Ο Schumacher και οι συνεργάτες του ανακάλυψαν ότι η μάθηση οπτικής διάκρισης στο δέντρο συνοδευόταν από ενίσχυση της διαφοράς στα μοτίβα της νευρικής δραστηριότητας που προκαλούνται από τις δύο οπτικές εικόνες. Αυτό οφειλόταν κυρίως στην αύξηση της ποσότητας της νευρικής δραστηριότητας ως απόκριση στην παρουσίαση του προσανατολισμού του ανταμοιβού ερεθίσματος σε σχέση με τον προσανατολισμό χωρίς ανταμοιβή. Αλλά αυτό δεν ήταν απλώς μια γενική αύξηση στις νευρωνικές αποκρίσεις στο ανταμειφόμενο ερέθισμα. Όταν οι επιστήμονες εξέτασαν τις αλλαγές πιο προσεκτικά, διαπίστωσαν ότι αυτό μεσολαβήθηκε από αλλαγές στη δραστηριότητα ενός εξαιρετικά συγκεκριμένου υποσυνόλου νευρώνων: εκείνων των οποίων η προτίμηση προσανατολισμού ήταν η βέλτιστη για τη διάκριση του προσανατολισμού του ανταμειφόμενου ερεθίσματος από το μη ανταμειφόμενο ερέθισμα.
Για να κατανοήσουν πλήρως την επίδραση της μάθησης στην οπτική αντίληψη, οι συγγραφείς διερεύνησαν στη συνέχεια εάν οι αλλαγές στη νευρωνική δραστηριότητα που βελτίωσαν την οπτική διάκριση παρέμειναν εκτός του πλαισίου της εκμάθησης εργασίας. Είναι ενδιαφέρον ότι ανακάλυψαν ότι οι νευρωνικές αλλαγές όχι μόνο παρέμειναν, αλλά συνοδεύονταν από αλλαγές στις ικανότητες της εκπαιδευμένης γριάς να κάνει άλλες διακρίσεις. Αυτό περιελάμβανε τόσο βελτιώσεις για ορισμένους προσανατολισμούς ερεθισμάτων όσο και βλάβες για άλλους—αλλαγές συμπεριφοράς που ήταν ακριβώς αυτό που θα αναμενόταν δεδομένων των αλλαγών στις αποκρίσεις αυτού του συγκεκριμένου υποσυνόλου νευρώνων.
«Αυτή η εργασία καταδεικνύει συγκεκριμένες αλλαγές που βασίζονται στην εμπειρία στη δραστηριότητα των νευρώνων που επηρεάζουν την αντίληψη των οπτικών ερεθισμάτων, ενισχύοντας τις διακρίσεις που σχετίζονται με την απόδοση της εργασίας σε βάρος άλλων σχετικών διακρίσεων», εξηγεί ο πρώτος συγγραφέας Joe Schumacher. Τώρα το εργαστήριο έχει βάλει στόχο να συνδυάσει αυτήν την προσέγγιση με νέες τεχνολογίες για να ξεκλειδώσει την αλληλουχία και τις αλλαγές που συμβαίνουν σε πολλούς τύπους νευρώνων, προκειμένου να μεσολαβήσει στην αντιληπτική μάθηση. Ανιχνεύοντας αυτές τις ερωτήσεις στο οπτικό σύστημα του δέντρου, οι επιστήμονες στο εργαστήριο Fitzpatrick ανακαλύπτουν θεμελιώδεις νέες ιδέες σχετικά με την αντιληπτική μάθηση που θα μπορούσαν να επηρεάσουν την κατανόησή μας για ένα ευρύ φάσμα μαθησιακών διαταραχών.