Впервые нейробиологи из Charité — Universitätsmedizin Berlin и Института биологического интеллекта Макса Планка (в настоящее время в процессе создания) выявили точные связи между сенсорными нейронами внутри сетчатки и верхним двухолмием, структурой среднего мозга. Зонды «Нейропиксели» — относительно недавняя разработка, представляющая следующее поколение электродов. Плотно заполненные точками записи, датчики Neuropixels используются для регистрации активности нервных клеток и облегчили эти недавние исследования нейронных цепей. В статье для Nature Communications исследователи описывают фундаментальный принцип, общий для зрительных систем млекопитающих и птиц.

Две мозговые структуры имеют решающее значение для обработки зрительных стимулов: зрительная кора в первичной коре головного мозга и верхний бугорок, структура в среднем мозге. Зрение и обработка зрительной информации включают очень сложные процессы. Проще говоря, зрительная кора отвечает за общее зрительное восприятие, тогда как структуры эволюционно более старого среднего мозга отвечают за рефлекторное поведение, управляемое зрительно. Механизмы и принципы обработки зрительных образов в зрительной коре хорошо известны. Работа, проведенная группой исследователей под руководством доктора Йенса Кремкова, внесла свой вклад в наши знания в этой области и в 2017 году завершилась созданием младшей исследовательской группы Эмми Нётер в Исследовательском центре нейробиологии Шарите (NWFZ). Основная цель исследовательской группы, которая финансируется Немецким исследовательским фондом (DFG), направлена ​​на дальнейшее улучшение нашего понимания нервных клеток, участвующих в зрительной системе. Остается много вопросов без ответов, в том числе подробности того, как визуальная информация обрабатывается в верхних двухолмиях среднего мозга.

Ганглиозные клетки сетчатки, сенсорные клетки, находящиеся внутри сетчатки глаза, реагируют на внешние зрительные раздражители и отправляют полученную информацию в мозг. Прямые сигнальные пути гарантируют, что визуальная информация, полученная нервными клетками сетчатки, также достигает среднего мозга.

Что до сих пор оставалось в значительной степени неизвестным, так это способ, которым нервные клетки сетчатки и нервные клетки среднего мозга связаны на функциональном уровне. Недостаток знаний о том, как нейроны в верхних двухолмиях обрабатывают синаптические входы, был столь же очевиден. Эта информация имеет решающее значение для понимания механизмов, участвующих в обработке среднего мозга».

Доктор Йенс Кремков, руководитель исследования

Solaray, Черника и лютеин, раз в день, 30 легко глотаемых капсул

До сих пор было невозможно измерить активность синаптически связанных нейронов сетчатки и среднего мозга в живых организмах. Для своего последнего исследования исследовательская группа разработала метод, основанный на измерениях, полученных с помощью инновационных электродов высокой плотности, известных как датчики Neuropixels. Точнее говоря, датчики Neuropixels представляют собой крошечные линейные массивы электродов с примерно тысячей точек записи вдоль узкого стержня. Состоящие из 384 электродов для одновременной регистрации электрической активности нейронов в головном мозге, эти устройства изменили правила игры в области неврологии.

Исследователи, работающие в Charité и Институте биологического интеллекта Макса Планка, теперь использовали эту новую технологию для определения соответствующих структур среднего мозга у мышей (верхние двухолмия) и птиц (оптическая тектум). Обе структуры мозга имеют общее эволюционное происхождение и играют важную роль в зрительной обработке входных сигналов сетчатки у обеих групп животных. Их работа привела исследователей к удивительному открытию: «Обычно этот тип электрофизиологической записи измеряет электрические сигналы от потенциалов действия, которые возникают в соме, теле клетки нейрона», — объясняет доктор Кремков. «Однако в наших записях мы заметили сигналы, внешний вид которых отличался от нормального потенциала действия. Мы продолжили исследовать причину этого явления, и обнаружили, что входные сигналы в среднем мозге были вызваны потенциалами действия, распространяющимися в «аксональных ветвях» (ветвях) ганглиозных клеток сетчатки. Наши результаты показывают, что новую технологию электронной матрицы можно использовать для записи электрических сигналов, исходящих от аксонов, проекций нервных клеток, которые передают нейронные сигналы. Это совершенно новое открытие». Впервые в мире команда доктора Кремкова смогла одновременно зафиксировать активность нервных клеток в сетчатке и их синаптически связанных нейронов-мишеней в среднем мозге. выступы нервных клеток, которые передают нейронные сигналы. Это совершенно новое открытие». Впервые в мире команда доктора Кремкова смогла одновременно зафиксировать активность нервных клеток в сетчатке и их синаптически связанных нейронов-мишеней в среднем мозге. выступы нервных клеток, которые передают нейронные сигналы. Это совершенно новое открытие». Впервые в мире команда доктора Кремкова смогла одновременно зафиксировать активность нервных клеток в сетчатке и их синаптически связанных нейронов-мишеней в среднем мозге.

До сих пор функциональная связь между глазом и средним мозгом оставалась неизвестной величиной. Исследователи смогли показать на уровне одной клетки, что пространственная организация входных сигналов от ганглиозных клеток сетчатки в среднем мозге представляет собой очень точное представление исходного входного сигнала сетчатки. «Структуры среднего мозга фактически обеспечивают почти полную копию структуры сетчатки», — говорит доктор Кремков. Он продолжает: «Еще одним новым открытием для нас было то, что нейроны в среднем мозге получают очень сильный и специфический синаптический вход от ганглиозных клеток сетчатки, но только от небольшого числа этих сенсорных нейронов. Эти нервные пути обеспечивают очень структурированную и функциональную связь. между сетчаткой глаза и соответствующими областями среднего мозга». Среди прочего, это новое понимание улучшит наше понимание явления, известного как слепое зрение, которое можно наблюдать у людей, перенесших повреждение зрительной коры из-за травмы или опухоли. Неспособные к сознательному восприятию, эти люди сохраняют остаточную способность обрабатывать визуальную информацию, что приводит к интуитивному восприятию стимулов, контуров, движений и даже цветов, что, по-видимому, связано со средним мозгом.

Чтобы проверить, применимы ли принципы, первоначально наблюдаемые в мышиной модели, к другим позвоночным, и, следовательно, могут ли они носить более общий характер, доктор Кремков и его команда работали вместе с группой из Института биологического интеллекта им. Макса Планка, где Исследовательская группа Лизы Мейтнер под руководством доктора Даниэле Валлентен занимается изучением нейронных цепей, отвечающих за координацию точных движений у птиц. «Используя те же типы измерений, мы смогли показать, что у зебровых вьюрков пространственная организация нервных путей, соединяющих сетчатку и средний мозг, следует аналогичному принципу», — говорит доктор Валлентин. Она добавляет: «Это открытие было неожиданным, учитывая, что у птиц значительно выше острота зрения, а эволюционная дистанция между птицами и млекопитающими значительна». Исследователи’ наблюдения предполагают, что ганглиозные клетки сетчатки как в зрительном тектуме, так и в верхних холмиках обнаруживают сходную пространственную организацию и функциональную проводку. Их результаты привели исследователей к выводу, что обнаруженные принципы должны иметь решающее значение для обработки изображений в среднем мозге млекопитающих. Эти принципы могут быть даже общими по своей природе, применимыми ко всем позвоночным, в том числе и к мозгу человека.

Что касается планов исследователей на будущее, д-р Кремков говорит: «Теперь, когда мы понимаем функциональные мозаичные связи между ганглиозными клетками сетчатки и нейронами в верхних холмиках, мы продолжим изучение того, как сенсорные сигналы обрабатываются в зрительной системе. системы, особенно в областях среднего мозга, и как они способствуют зрительно управляемому рефлекторному поведению». Команда также хочет установить, можно ли использовать новый метод в других структурах и можно ли его использовать для измерения активности аксонов в других частях мозга. Если это окажется возможным, это откроет множество новых возможностей для изучения основных механизмов мозга.