Osiem oczu: ujawnianie wizji ośmiornicy za pomocą map neuronowych

streszczenie: Naukowcy zmapowali aktywność neuronów w układzie wzrokowym ośmiornicy, ujawniając uderzające podobieństwa z ludźmi.

Zespół obserwował reakcje nerwowe na jasne i ciemne kropki, mapując w ten sposób coś, co przypomina organizację ludzkiego mózgu. Co ciekawe, ośmiornice i ludzie mieli wspólnego przodka około 500 milionów lat temu, co sugeruje niezależną ewolucję tak złożonych systemów wizualnych.

Odkrycia te znacząco przyczyniają się do naszego zrozumienia widzenia głowonogów i struktury mózgu.

Kluczowe fakty:

1. Około 70% mózgu ośmiornicy jest poświęcone widzeniu. To badanie jest pierwszym tego rodzaju, które mapuje aktywność neuronów w ich układzie wzrokowym, dostarczając wglądu w to, jak te morskie stworzenia postrzegają swój świat.
2. Pomimo wspólnego przodka 500 milionów lat temu, ośmiornice i ludzie wyewoluowali podobne mapy neuronowe do percepcji wzrokowej.
3. Badanie wykazało, że neurony ośmiornicy silnie reagują na małe jasne i duże ciemne plamy, które różnią się od ludzkiego układu wzrokowego. Wynika to prawdopodobnie ze specyfiki środowiska podwodnego.

źródło: Uniwersytet Oregonu

Ośmiornica poświęca około 70 procent swojego mózgu na widzenie. Ale do niedawna naukowcy mieli tylko mgliste pojęcie o tym, jak te zwierzęta morskie postrzegają swój podwodny świat. Nowe badanie University of Oregon rzuca światło na punkt widzenia ośmiornicy.

Po raz pierwszy neuronaukowcy zarejestrowali aktywność nerwową układu wzrokowego ośmiornicy. Stworzyli mapę pola widzenia ośmiornicy, bezpośrednio obserwując aktywność neuronów w mózgu zwierzęcia w odpowiedzi na jasne i ciemne plamy w różnych miejscach.

Ta mapa aktywności neuronalnej w układzie wzrokowym ośmiornicy jest bardzo podobna do tego, co widzimy w ludzkim mózgu — chociaż ośmiornice i ludzie mieli wspólnego przodka około 500 milionów lat temu, ośmiornice wyewoluowały swój złożony układ nerwowy niezależnie.

Neurobiolog Christopher Neale i jego zespół przedstawiają swoje odkrycia w artykule opublikowanym 20 czerwca w czasopiśmie Neuroscientist Christopher Neale. Bieżąca biologia.

„Nikt wcześniej nie zarejestrował centralnego układu wzrokowego głowonoga” — powiedział Neal. Ośmiornice i inne głowonogi zwykle nie są używane jako modele do zrozumienia widzenia, ale zespół Neala jest zaintrygowany ich niezwykłym mózgiem.

W pokrewnym artykule opublikowanym w zeszłym roku w Bieżąca biologiaLaboratorium zidentyfikowało różne klasy neuronów w płacie wzrokowym ośmiornicy, części mózgu odpowiedzialnej za widzenie. „Razem te artykuły stanowią dobrą podstawę, pokazując różne typy neuronów i to, na co reagują – dwa kluczowe aspekty, które chcemy poznać, aby zacząć rozumieć nowy system wizualny” – powiedział Neal.

W nowym badaniu naukowcy zmierzyli, w jaki sposób neurony w układzie wzrokowym ośmiornicy reagują na ciemne i jasne plamy poruszające się po ekranie. Za pomocą mikroskopii fluorescencyjnej naukowcy mogą obserwować reakcję neuronów, aby zobaczyć, jak neurony reagują inaczej w zależności od tego, gdzie pojawiają się plamy.

„Byliśmy w stanie zobaczyć, że każde miejsce w płacie wzrokowym reagowało na jedno miejsce na ekranie przed zwierzęciem” – powiedział Neal. „Jeśli gdzieś się poruszymy, reakcja porusza się w mózgu”.

Ten rodzaj indywidualnych map znajduje się w ludzkim mózgu dla wielu zmysłów, takich jak wzrok i dotyk. Neuronaukowcy powiązali lokalizację pewnych odczuć z określonymi miejscami w mózgu.

Dobrze znaną reprezentacją dotyku jest homunkulus, postać ludzka z kreskówek, w której części ciała są narysowane proporcjonalnie do ilości przestrzeni mózgowej przeznaczonej na przetwarzanie bodźców sensorycznych.

Bardzo wrażliwe miejsca, takie jak palce u rąk i nóg, wydają się ogromne, ponieważ z tych części ciała dociera dużo informacji do mózgu, podczas gdy mniej wrażliwe obszary są znacznie mniejsze.

Ale znalezienie uporządkowanego związku między sceną wizualną a mózgiem ośmiornicy było dalekie od przypadku. Jest to dość złożona innowacja ewolucyjna, a niektóre zwierzęta, takie jak gady, nie mają tego typu mapy. Ponadto wcześniejsze badania wskazywały, że ośmiornice nie mają podobnej do homunkulusa mapy różnych części ciała.

„Mieliśmy nadzieję, że mapa wizualna tam jest, ale nikt wcześniej jej bezpośrednio nie zauważył” – powiedział Neal.

Naukowcy zauważyli również, że neurony ośmiornicy reagowały szczególnie silnie na małe jasne i duże ciemne plamy – co stanowi wyraźną różnicę w stosunku do ludzkiego układu wzrokowego. Zespół Neala stawia hipotezę, że może to wynikać ze specyficznych cech podwodnego środowiska, w którym ośmiornice muszą się poruszać. Zbliżające się drapieżniki mogą wyglądać jak duże ciemne cienie, podczas gdy pobliskie obiekty, takie jak jedzenie, mogą wyglądać jak małe jasne punkty.

Następnie naukowcy mają nadzieję zrozumieć, w jaki sposób mózg ośmiornicy reaguje na bardziej złożone obrazy, takie jak te już w ich naturalnym środowisku. Ich ostatecznym celem jest prześledzenie ścieżki tych wizualnych danych wejściowych w głąb mózgu ośmiornicy, aby zrozumieć, w jaki sposób ośmiornica widzi i wchodzi w interakcje ze swoim światem.

O tych badaniach w Visual Neuroscience News

autor: Molly Blancett
źródło: Uniwersytet Oregonu
Komunikacja: Molly Blancett z Uniwersytetu w Oregonie
zdjęcie: Zdjęcie przypisane do Neuroscience News

Oryginalne wyszukiwanie: otwarty dostęp.
„Funkcjonalna regulacja reakcji wzrokowych w płacie wzrokowym ośmiornicyNapisane przez Christophera Neala i in. Bieżąca biologia

podsumowanie

Funkcjonalna regulacja reakcji wzrokowych w płacie wzrokowym ośmiornicy

Przegląd najważniejszych wydarzeń

• Funkcjonalna organizacja układu wzrokowego głowonogów jest w dużej mierze nieznana
• Za pomocą obrazowania wapnia zmapowaliśmy reakcje wzrokowe w płacie wzrokowym ośmiornicy
• Zidentyfikowaliśmy przestrzennie zlokalizowane pola receptywne z organizacją siatkówki
• Ścieżki włączania i wyłączania były różne i miały unikalne właściwości selektywne pod względem wielkości

streszczenie

Głowonogi to wysoce wizualne zwierzęta z oczami przypominającymi aparaty fotograficzne, dużymi mózgami i bogatym repertuarem zachowań kierowanych wzrokowo. Jednak mózg głowonogów ewoluował niezależnie od mózgu innych gatunków o wysokim wzroku, takich jak kręgowce. Dlatego obwody neuronowe przetwarzające informacje sensoryczne są bardzo różne.

W dużej mierze nie wiadomo, jak działa ich wyjątkowo potężny układ wzrokowy, ponieważ nie przeprowadzono bezpośrednich neurologicznych pomiarów reakcji wzrokowych w mózgu głowonogów.

W tym badaniu wykorzystaliśmy dwufotonowe obrazowanie wapniowe do zarejestrowania wywołanych wzrokowo odpowiedzi w głównym centrum przetwarzania wizualnego centralnego mózgu ośmiornicy, płata wzrokowego, w celu określenia, w jaki sposób reprezentowane i zorganizowane są podstawowe cechy sceny wizualnej.

Znaleźliśmy przestrzennie zlokalizowane domeny receptywne bodźców jasnych (ON) i ciemnych (OFF), które były zorganizowane w siatkówce w płacie wzrokowym, co wskazuje na charakterystyczną cechę organizacji układu wzrokowego wspólną dla wielu gatunków.

Badanie tych odpowiedzi ujawniło przesunięcia w reprezentacji wizualnej między warstwami płata wzrokowego, w tym pojawienie się szlaku OFF i zwiększoną selektywność rozmiaru.

Zidentyfikowaliśmy również asymetrie w przestrzennym przetwarzaniu bodźców włączonych i wyłączonych, co sugeruje unikalne mechanizmy obwodów przetwarzania modelu, które mogły ewoluować, aby dostosować się do specyficznych wymagań przetwarzania podwodnej sceny wizualnej.

Badanie to zapewnia wgląd w przetwarzanie neuronowe i funkcjonalną organizację układu wzrokowego ośmiornicy, podkreślając zarówno wspólne, jak i unikalne aspekty, i kładzie podwaliny pod przyszłe badania obwodów neuronowych pośredniczących w przetwarzaniu wizualnym i zachowaniu głowonogów.