«Когда Земля вращается, уровень освещенности изменяется на много порядков, от звездного до полного дневного света», – говорит Майкл До, доктор философии из F.M. Центр нейробиологии Кирби в Бостонской детской больнице, старший автор статьи. "Как построить сенсорную систему, охватывающую такой широкий диапазон?
Это кажется очевидной проблемой, но решение, которое мы нашли, оказалось намного сложнее, чем ожидалось."
Отдельно от палочек и колбочек сетчатки, которые в первую очередь определяют форму и движение, находятся другие светочувствительные нейроны, специализирующиеся на зрении "без изображения" – они используются для установки часов нашего тела, регулирования сна и контроля уровня гормонов. Эти нейроны, известные как фоторецепторы ганглиозных клеток M1, функционируют даже у слепых людей.
Эллиот Милнер, аспирант Гарвардской программы нейробиологии и ведущий автор статьи, разработал новые методы изучения электрических выходов этих клеток M1.
Это позволило лучше понять сигналы, которые эти клетки посылают от глаза к областям мозга.
«От предыдущей работы ожидалось, что сигнал от этих ячеек будет просто увеличиваться с увеличением яркости, и что усреднение по ним позволит измерить общую интенсивность света», – говорит Милнер.
Но Милнер и До обнаружили, что, хотя клетки кажутся визуально неотличимыми друг от друга, они настроены так, чтобы реагировать на разные уровни света и по очереди сигнализируют в мозг, когда эти уровни меняются.
В результате мозг получает информацию об интенсивности света от личности активных клеток, а не только от размера сигнала.
«Некоторые клетки активно передают сигнал в сумерках, а другие – при дневном свете», – говорит Милнер. "Вместе они охватывают широкий диапазон интенсивности света в окружающей среде."
Использование «патологического» явления
Интересно, что система очередности клеток M1 использует механизм, который обычно считается ненормальным или патологическим, известный как блокировка деполяризации.
По мере повышения уровня света белок под названием меланопсин в клетках M1 улавливает все больше и больше фотонов света.
Это приводит к тому, что напряжение на клеточной мембране становится более положительным, то есть "деполяризуется"."По мере того, как напряжение становится более положительным, клетка генерирует больше электрических всплесков (также известных как потенциалы действия), которые являются сигналами, которые отправляются в мозг.
При блоке деполяризации, который обычно наблюдается при определенных расстройствах, таких как эпилепсия, клетка теряет способность запускать всплески, когда напряжение на мембране становится слишком положительным. «Возбуждение настолько велико, что клетка не успевает за ним, и она замолкает», – говорит До.
Ячейки M1, похоже, используют эту функцию с пользой. Милнер и До считают, что эта система могла развиться, чтобы помочь мозгу более точно различать уровни освещенности, основываясь на том, какие клетки «разговаривают», а не только на их общем объеме.
Это также может сберечь энергию.
«Шипы метаболически дороги для производства клетки», – объясняет До. "Поскольку некоторые клетки заглушаются, когда активируются другие, эта система предоставляет информацию с меньшими энергетическими затратами."
В своей будущей работе Милнер и До надеются изучить следующие вопросы:
Как мозг извлекает информацию об уровне освещенности из этих клеток? Слушают ли определенные области мозга одни клетки M1, а не другие??
Как разные клетки M1 распределяются по сетчатке? Например, разные части сетчатки получают свет с разных направлений, поэтому то, как клетки M1 распределены в пространстве, может иметь значение для разработки систем светотерапии для таких состояний, как сезонное аффективное расстройство.
Используют ли другие клетки, участвующие в сенсорном восприятии, например те, которые позволяют нам ощущать запахи или прикосновения, блок деполяризации??
«Суть в том, что нервные клетки имеют в своем арсенале больше, чем мы думали ранее, и распределяют труд так, как мы не ожидали», – говорит До. "Мы находим сюрпризы даже в системах, которые считаются довольно простыми, например, в той, которая используется для измерения интенсивности света."