Новые знания о том, как зрительная система синхронизирует визуальную информацию
Человеческий мозг формирует ментальные представления о мире на основе сигналов и информации, получаемых через органы чувств. Хотя мы воспринимаем одновременно возникающие сенсорные стимулы как синхронизированные, скорости генерации и передачи отдельных сенсорных сигналов могут значительно различаться.
Исследователи из Института молекулярной и клинической офтальмологии Базеля (IOB), Базельского университета и Высшей технической школы Цюриха (ETH) недавно провели исследование, направленное на более глубокое понимание того, как зрительная система человека достигает этой синхронизации, независимо от скорости распространения зрительных сигналов. В их статье, опубликованной в журнале Nature Neuroscience , описывается ранее неизвестный механизм, посредством которого сетчатка синхронизирует время поступления различных зрительных сигналов.
«Мы можем видеть, потому что фоторецепторы сетчатки в задней части наших глаз воспринимают свет и кодируют информацию о видимом мире в виде электрических сигналов», — рассказали изданию Medical Xpress Феликс Франке и Аннализа Буччи, старший автор и первый автор статьи соответственно.
Сетчатка должна передавать эти сигналы в зрительные области мозга, что она делает через аксоны ганглиозных клеток сетчатки, которые соединяют каждую часть глаза с мозгом. Однако наше зрение неоднородно по всему полю зрения. Только в небольшой области в самом центре нашего поля зрения — центральной ямке — мы можем чётко видеть, читать и распознавать лица. Аксоны не могут пересекать центральную ямку, потому что это затуманило бы наше центральное изображение высокого разрешения, поэтому им приходится огибать эту область, избегая её.
Это недавнее исследование было вдохновлено простым анатомическим наблюдением: хотя аксоны сетчатки не могут пересекать центральную ямку (то есть небольшую специализированную область сетчатки, отвечающую за детальное зрение и восприятие цвета), зрительные сигналы, воспринимаемые разными фоторецепторами, покидают глаз по разным путям. Поскольку пути, по которым проходят сигналы, также различаются по длине, исследователи попытались определить, как синхронизируются сигналы, обеспечивая плавное восприятие окружающего мира.
«Идея нашего исследования была проста, но её последствия касались того, как мозг сохраняет точную синхронизацию с самых первых этапов обработки сенсорной информации», — сказал Франке. «Наша цель состояла в том, чтобы выяснить, помогает ли сетчатка сама координировать синхронизацию визуальных сигналов ещё до того, как они достигают мозга».
Играть
00:01
00:01
Немой
Настройки
ПИП
Перейти в полноэкранный режим
Играть
Регистрация среднего напряжения потенциала действия фовеолярной клетки сетчатки, реконструированной на основе потенциалов действия, зарегистрированных с различными конфигурациями электродов. Данные были подвергнуты полосовой фильтрации и обработаны для оптимизации визуализации. Цвет кодирует напряжение на каждом электроде (условная единица измерения). Положение пикселя кодирует положение электрода. Пунктирная линия: контур эксплантата на поверхности HD-MEA. Черный круг: контур фовеолы. Источник: Nature Neuroscience (2025). DOI: 10.1038/s41593-025-02011-3
Чтобы лучше понять, как мозг синхронизирует сенсорную информацию, Франке, Буччи и их коллеги использовали различные экспериментальные методы. Поскольку синхронизация сенсорных сигналов представляет собой сетевой эффект, для её изучения исследователям необходимо собирать как точные локальные данные о времени поступления сигналов, так и глобальную организацию сети.
«Чтобы преодолеть эти различия в масштабах — от микросекундных измерений перемещения электрических сигналов в отдельных аксонах до реконструкции схемы расположения аксонов по всему человеческому глазу — мы опирались на донорство человеческих органов, из которых мы могли извлекать целые глазные яблоки», — пояснил Франке.
«Главным достижением стало сохранение этого материала в таком высоком качестве во время экспериментов, что сетчатка оставалась функционально активной, то есть нейроны в сетчатке этих глаз продолжали посылать сигналы», — сказал Буччи.
В своих экспериментах исследователи использовали массивы микроэлектродов высокой плотности – устройства, записывающие видео электрических полей с временным разрешением 20 кГц – для регистрации электрических сигналов, исходящих из центральной ямки головного мозга людей. Используя ту же методику, они также смогли определить скорость распространения этих сигналов, которая, как было обнаружено, значительно различалась в зависимости от длины аксонов, по которым они проходили.
«Поскольку скорость аксонов может зависеть от их диаметра, мы использовали просвечивающую электронную микроскопию — технологию, позволяющую измерять анатомические детали с точностью до нанометра, — чтобы оценить диаметр аксонов в различных частях сетчатки человека», — сказал Буччи.
«Используя методы маркировки и микроскопию высокого разрешения, мы получили изображения аксональных путей по всему человеческому глазу. Затем мы построили модель человеческого глаза и применили математическую теорию, чтобы понять точные детали схемы расположения нейронов и длину каждого отдельного аксона».
Играть
00:00
00:03
Немой
Настройки
ПИП
Перейти в полноэкранный режим
Играть
То же, что и в дополнительном видео 1, но для другого RGC из того же препарата. Источник: Nature Neuroscience (2025). DOI: 10.1038/s41593-025-02011-3
Совместно проанализировав все собранные данные, исследователи смогли установить связь между длиной аксонов, их толщиной и скоростью передачи сигналов. Это позволило им раскрыть компенсаторный механизм, действующий в человеческом глазу и, по-видимому, обеспечивающий синхронизацию зрительной информации.
«Мы показали, что более длинные аксоны толще и, следовательно, передают импульсы быстрее, компенсируя свою увеличенную длину», — пояснил Франке. «Чтобы выяснить, важна ли эта анатомическая настройка скорости передачи для человеческого зрения, то есть влияет ли она на восприятие, мы использовали ещё одну технологию».
Дополнительная технология, используемая исследователями, известна как адаптивная оптическая сканирующая лазерная офтальмоскопия (AOSLO). Франке, Буччи и их коллеги объединились с лабораторией под руководством Вольфа Харменинга в Бонне, обладающего высокой квалификацией в экспериментальном применении этой технологии.
«Техника AOSLO позволила нам визуализировать отдельные фоторецепторы в задней части глаза здоровых участников», — сказал Франке.
Мы также использовали эту технику для стимуляции отдельных фоторецепторов короткими вспышками света и просили участников нажимать кнопку как можно быстрее после того, как они увидели вспышку. Мы показали, что время реакции человека на одиночную стимуляцию фоторецепторов удивительно равномерно по всей центральной ямке — результат, который возможен только при точной синхронизации сигналов из разных её частей.
В целом, результаты этого недавнего исследования свидетельствуют о том, что сетчатка глаза человека использует особый механизм, обеспечивающий синхронизацию зрительных сигналов ещё до того, как они покинут глаз. Это открытие особенно важно, поскольку аксоны сетчатки глаза человека не имеют миелиновой оболочки (то есть не имеют миелинизации).
Оценка траекторий аксонов в цельных образцах сетчатки человека. Источник: Nature Neuroscience (2025). DOI: 10.1038/s41593-025-02011-3
«Миелинизация — это жировой слой, который мозг обволакивает вокруг аксонов, обеспечивая электрическую изоляцию и значительно увеличивая скорость их передачи», — поясняют авторы. «Считается, что миелинизация — один из основных способов, посредством которых мозг влияет на скорость передачи сигналов по аксонам и координирует её. Однако миелинизация визуально непрозрачна (именно поэтому белое вещество мозга белое) и может затуманивать наше зрение».
Это открытие имеет два важных следствия: во-первых, немиелинизированные аксоны во всей нервной системе могут вносить существенный вклад во временную синхронизацию. Во-вторых, оно предполагает, что сетчатка играет более активную роль в настройке временной точности, чем считалось ранее.
Исследователи надеются, что их результаты послужат основой для новых исследований, направленных на более глубокое понимание обнаруженного ими нового механизма. В будущем их усилия могут обогатить современное понимание ранней сенсорной обработки, а также потенциально способствовать лечению заболеваний и состояний, влияющих на зрительную обработку.
«Наш следующий шаг — изучить, что происходит, когда эта тонко настроенная система выходит из строя», — сказал Буччи. «Теперь, когда мы создали модель слоя нервных волокон сетчатки, показывающую, как длина, толщина аксонов и скорость проведения импульсов согласованы для сохранения синхронизации, мы можем начать исследовать, как болезнь может нарушить этот баланс».
«При глаукоме, например, ганглиозные клетки сетчатки с более длинными аксонами часто дегенерируют первыми. Эти клетки более уязвимы, поскольку для поддержания более длинных аксонов требуется больше энергии, они зависят от эффективного переноса энергии на большие расстояния и подвергаются большей механической нагрузке на диск зрительного нерва, особенно в месте изгиба при выходе из глаза».
В рамках своих будущих исследований Франке и Буччи также надеются пролить свет на то, как развивается открытый ими механизм синхронизации, или, другими словами, как сетчатка «знает» скорость, с которой должны передаваться отдельные сигналы. Кроме того, они могут попытаться определить, использует ли нервная система другие подобные стратегии синхронизации.