Görsel Bilgi Retinadan Orta Beyne Nasıl Gidiyor?

Özet: Orta beyindeki nöronlar, retina ganglion hücrelerinden güçlü, spesifik sinaptik girdi alır, ancak yalnızca az sayıda duyu nöronundan.

Kaynak: hayır kurumu

Charité – Universitätsmedizin Berlin ve Max Planck Biyolojik Zeka Enstitüsü’nden (şu anda kurulma aşamasında olan) sinirbilimciler, ilk kez retina içindeki duyusal nöronlar ile orta beyindeki bir yapı olan üstün kollikulus arasındaki kesin bağlantıları ortaya çıkardılar.

Nöropiksel probları, yeni nesil elektrotları temsil eden nispeten yeni bir gelişmedir. Yoğun bir şekilde kayıt noktalarıyla dolu olan Neuropixels probları, sinir hücrelerinin aktivitesini kaydetmek için kullanılır ve nöronal devrelere ilişkin bu son bilgileri kolaylaştırmıştır.

yazmak Doğa İletişimiaraştırmacılar, memelilerin ve kuşların görsel sistemlerinde ortak olan temel bir ilkeyi tanımlıyorlar.

Görsel uyaranların işlenmesi için iki beyin yapısı çok önemlidir: birincil serebral korteksteki görsel korteks ve orta beyindeki bir yapı olan superior kollikulus. Görme ve görsel bilgilerin işlenmesi oldukça karmaşık süreçleri içerir.

Basitleştirilmiş terimlerle, görsel korteks genel görsel algıdan sorumludur, oysa evrimsel olarak daha yaşlı orta beyin yapıları görsel olarak yönlendirilen refleks davranışlardan sorumludur.

Görsel korteks içindeki görsel işlemede yer alan mekanizmalar ve ilkeler iyi bilinmektedir. Dr. Jens Kremkow liderliğindeki bir araştırma ekibi tarafından yürütülen çalışma, bu alandaki bilgimize katkıda bulundu ve 2017’de Charité’nin Nörobilim Araştırma Merkezi’nde (NWFZ) bir Emmy Noether Junior Araştırma Grubunun kurulmasıyla sonuçlandı.

Almanya Araştırma Vakfı (DFG) tarafından finanse edilen Araştırma Grubu’nun temel amacı, görsel sistemde yer alan sinir hücrelerine ilişkin anlayışımızı daha da geliştirmektir. Orta beynin üstün koliküllerinde görsel bilgilerin işlenme şeklinin ayrıntıları da dahil olmak üzere birçok cevaplanmamış soru kaldı.

Retina ganglion hücreleri, gözün retinasında bulunan duyu hücreleri, dış görsel uyaranlara tepki verir ve alınan bilgileri beyne gönderir. Doğrudan sinyal yolları, retina sinir hücreleri tarafından alınan görsel bilginin de orta beyne ulaşmasını sağlar.

“Şimdiye kadar büyük ölçüde bilinmeyen şey, retinadaki sinir hücrelerinin ve orta beyindeki sinir hücrelerinin işlevsel düzeyde birbirine bağlanma şekliydi. Üst kolliküldeki nöronların sinaptik girdileri işleme biçimine ilişkin bilgi eksikliği de benzer şekilde telaffuz ediliyordu” diyor çalışma lideri Dr. Kremkow.

“Bu bilgi, orta beyin işlemede yer alan mekanizmaları anlamak için çok önemlidir.”

Şimdiye kadar, canlı organizmalarda sinaptik olarak bağlı retina ve orta beyin nöronlarının aktivitesini ölçmek imkansızdı. En son araştırmaları için araştırma ekibi, Neuropixels probları olarak bilinen yenilikçi, yüksek yoğunluklu elektrotlarla elde edilen ölçümlere dayanan bir yöntem geliştirdi.

Kesin olarak söylemek gerekirse, Neuropixels probları, dar bir gövde boyunca yaklaşık bin kayıt alanı içeren küçük, doğrusal elektrot dizileridir. Beyindeki nöronların elektriksel aktivitesinin aynı anda kaydedilmesi için 384 elektrottan oluşan bu cihazlar, sinirbilim alanında ezber bozan cihazlar haline geldi.

Charité ve Max Planck Biyolojik Zeka Enstitüsü’nde çalışan araştırmacılar, farelerde (superior colliculi) ve kuşlarda (optic tectum) ilgili orta beyin yapılarını belirlemek için bu yeni teknolojiyi kullandılar.

Her iki beyin yapısı da ortak bir evrimsel kökene sahiptir ve her iki hayvan grubunda da retinal girdi sinyallerinin görsel olarak işlenmesinde önemli bir rol oynar.

Çalışmaları araştırmacıları şaşırtıcı bir keşfe yönlendirdi: “Genellikle, bu tür elektrofizyolojik kayıt, nöronun hücre gövdesi olan somadan kaynaklanan aksiyon potansiyellerinden gelen elektrik sinyallerini ölçer” diye açıklıyor Dr. Kremkow.

“Ancak kayıtlarımızda, normal aksiyon potansiyellerinden farklı görünen sinyalleri fark ettik. Bu fenomenin nedenini araştırmaya devam ettik ve orta beyindeki girdi sinyallerinin retina ganglion hücrelerinin “aksonal arbors” (dalları) içinde yayılan aksiyon potansiyellerinden kaynaklandığını bulduk. Bulgularımız, yeni elektron dizisi teknolojisinin, nöronal sinyalleri ileten sinir hücresi projeksiyonları olan aksonlardan yayılan elektrik sinyallerini kaydetmek için kullanılabileceğini gösteriyor. Bu yepyeni bir bulgu.”

Küresel bir ilk olarak, Dr. Kremkow’un ekibi, retinadaki sinir hücrelerinin ve orta beyindeki sinaptik olarak bağlı hedef nöronlarının aktivitesini aynı anda yakalamayı başardı.

Şimdiye kadar, göz ve orta beyin arasındaki işlevsel bağlantı bilinmeyen bir miktar olarak kaldı. Araştırmacılar, tek hücre düzeyinde, orta beyindeki retina ganglion hücrelerinden gelen girdilerin uzamsal organizasyonunun, orijinal retina girdisinin çok kesin bir temsilini oluşturduğunu gösterebildiler.

Dr. Kremkow, “Orta beyin yapıları, retina yapısının neredeyse bire bir kopyasını etkin bir şekilde sağlıyor” diyor.

Devam ediyor: “Bizim için bir başka yeni bulgu da, orta beyindeki nöronların retina gangliyon hücrelerinden çok güçlü ve spesifik sinaptik girdi almasıydı, ancak bu duyu nöronlarının çok azından. Bu sinirsel yollar, gözün retinası ile orta beynin karşılık gelen bölgeleri arasında çok yapılandırılmış ve işlevsel bir bağlantı sağlar.

Diğer şeylerin yanı sıra, bu yeni içgörü, travma veya tümör nedeniyle görsel kortekste sürekli hasar görmüş kişilerde gözlemlenebilen kör görüş olarak bilinen fenomen hakkındaki anlayışımızı geliştirecektir.

Bilinçli algıdan yoksun olan bu bireyler, görsel bilgiyi işlemek için artık bir yeteneğe sahiptir ve bu da, orta beyinle bağlantılı gibi görünen uyaranların, konturların, hareketlerin ve hatta renklerin sezgisel bir şekilde algılanmasıyla sonuçlanır.

Fare modelinde başlangıçta gözlemlenen ilkelerin diğer omurgalılara da uygulanıp uygulanamayacağını ve dolayısıyla doğada daha genel olup olamayacaklarını test etmek için Dr. Kremkow ve ekibi, Max Planck Biyolojik Zeka Enstitüsü’nden bir ekiple birlikte çalıştı. Daniele Vallentin liderliğindeki Lise Meitner Araştırma Grubu, kuşlardaki hassas hareketlerin koordinasyonundan sorumlu nöronal devrelere odaklanıyor.

Dr. Vallentin, “Aynı tür ölçümleri kullanarak, zebra ispinozlarında retina ve orta beyni birbirine bağlayan sinir yollarının uzaysal organizasyonunun benzer bir ilkeyi takip ettiğini gösterebildik” diyor.

Şunları ekliyor: “Kuşların önemli ölçüde daha yüksek görme keskinliğine sahip olduğu ve kuşlar ile memeliler arasındaki evrimsel mesafenin dikkate değer olduğu düşünüldüğünde, bu bulgu şaşırtıcıydı.”

Araştırmacıların gözlemleri, hem optik tektumdaki hem de üst kolliküldeki retina ganglion hücrelerinin benzer mekansal organizasyon ve fonksiyonel kablolama gösterdiğini gösteriyor. Bulguları, araştırmacıları, keşfedilen ilkelerin memeli orta beynindeki görsel işleme için çok önemli olması gerektiği sonucuna varmalarına yol açtı. Bu ilkeler, insan beyni de dahil olmak üzere tüm omurgalı beyinleri için geçerli olacak şekilde, doğada genel olabilir.

Araştırmacıların gelecek planlarıyla ilgili olarak Dr. Kremkow şunları söylüyor: “Artık retina ganglion hücreleri ile superior kolikül içindeki nöronlar arasındaki fonksiyonel, mozaik benzeri bağlantıları anladığımıza göre, duyusal sinyallerin vizyonda işlenme şeklini daha fazla keşfedeceğiz. sistem, özellikle orta beyin bölgelerinde ve görsel olarak yönlendirilen refleks davranışa nasıl katkıda bulundukları.

Ekip ayrıca, yeni yöntemin başka yapılarda kullanılıp kullanılamayacağını ve beynin başka yerlerinde aksonal aktiviteyi ölçmek için kullanılıp kullanılamayacağını belirlemek istiyor. Bunun mümkün olduğu kanıtlanırsa, beynin altında yatan mekanizmaları keşfetmek için çok sayıda yeni fırsatın kapısını aralayacaktır.

Bu görsel sinirbilim araştırma haberleri hakkında

Soyut

Yüksek yoğunluklu elektrot kayıtları, retina ganglion hücreleri ve orta beyin nöronları arasındaki güçlü ve spesifik bağlantıları ortaya çıkarır.

Superior colliculus, memelilerde görsel olarak yönlendirilen davranışlarda önemli roller oynayan bir orta beyin yapısıdır. Superior kolikulustaki nöronlar, retina ganglion hücrelerinden girdiler alır, ancak bu girdilerin in vivo olarak nasıl entegre edildiği bilinmemektedir.

Burada, yüksek yoğunluklu elektrotların, retina aksonlarının ve bunların postsinaptik hedef nöronlarının aktivitesini in vivo olarak üstün kolikulusta aynı anda yakaladığını keşfettik.

Faredeki retina ganglion hücre aksonlarının, retinanın üstün kolikulusa girdi olarak tek hücreli kesin bir temsilini sağladığını gösterdik.

Bu izomorfik haritalama, hassas retinotopik kablolama ve işlevsel olarak spesifik bağlantı gücü için yapı iskelesini oluşturur. Zebra ispinozlarında optik tektumdaki retina girdilerini kaydederek gösterdiğimiz yöntemlerimiz geniş çapta uygulanabilir.

Farelerde ve zebra ispinozlarında, retinal alıcı alanlardaki nöronlara bağlanan retina ganglion hücrelerinde kodlanmış görsel dünyanın kesin bir temsilini sağlayan ortak kablolama kuralları buluyoruz.