من عين إلى دماغ: يرسم باحثو Salk الروابط الوظيفية بين الخلايا العصبية في شبكية العين بدقة خلية واحدة

6 أكتوبر 2010

من عين إلى دماغ: يرسم باحثو Salk الروابط الوظيفية بين الخلايا العصبية في شبكية العين بدقة خلية واحدة

6 أكتوبر 2010

لا جولا ، كاليفورنيا — من خلال مقارنة مدخلات بصرية محددة بوضوح مع المخرجات الكهربائية لشبكية العين ، تمكن الباحثون في معهد سالك للدراسات البيولوجية لأول مرة من تتبع الدوائر العصبية التي تربط المستقبلات الضوئية الفردية بالخلايا العقدية للشبكية ، والخلايا العصبية التي تحمل إشارات بصرية من العين إلى الدماغ.

نُشرت قياساتهم في عدد 7 أكتوبر 2010 من المجلة الطبيعة، لا يكشف فقط عن العمليات الحسابية في الدائرة العصبية عند الدقة الأولية للخلايا العصبية الفردية ، بل يسلط الضوء أيضًا على الكود العصبي الذي تستخدمه شبكية العين لنقل معلومات الألوان إلى الدماغ.

يقول أحد كبار المؤلفين: "لم يسبق لأحد أن رأى التحول الكامل للمدخلات والمخرجات الذي تقوم به دوائر كاملة في شبكية العين بدقة خلية واحدة" EJ Chichilnisky، دكتوراه ، أستاذ مشارك في مختبرات علم الأحياء العصبية للأنظمة. "نعتقد أن هذه البيانات ستسمح لنا بفهم أعمق للحسابات العصبية في النظام البصري وقد تساعدنا في النهاية على بناء غرسات شبكية أفضل."

أحد العناصر الأساسية التي جعلت التجارب ممكنة هو نظام التسجيل العصبي الفريد الذي طوره فريق دولي من علماء الفيزياء عالية الطاقة من جامعة كاليفورنيا ، سانتا كروز. جامعة AGH للعلوم والتكنولوجيا ، كراكوف ، بولندا ؛ وجامعة غلاسكو بالمملكة المتحدة. هذا النظام قادر على تسجيل الإشارات الكهربائية الدقيقة المتولدة عن طريق مئات الخلايا العصبية الناتجة في شبكية العين والتي تنقل المعلومات حول العالم المرئي الخارجي إلى الدماغ في وقت واحد. يتم إجراء هذه التسجيلات بسرعة عالية (أكثر من عشرة ملايين عينة كل ثانية) وبتفاصيل مكانية دقيقة ، كافية لاكتشاف حتى مجموعة كاملة محليًا من الخلايا المخرجة الدقيقة والمتباعدة بكثافة والمعروفة باسم الخلايا العقدية الشبكية "القزمة".

تُصنف الخلايا العقدية الشبكية بناءً على حجمها ، والوصلات التي تشكلها ، واستجاباتها للتحفيز البصري ، والتي يمكن أن تختلف بشكل كبير. على الرغم من اختلافاتهم ، فإنهم جميعًا لديهم شيء واحد مشترك - محور عصبي طويل يمتد إلى الدماغ ويشكل جزءًا من العصب البصري.

تبدأ المعالجة المرئية عندما تصطدم الفوتونات التي تدخل العين بواحدة أو أكثر من 125 مليون خلية عصبية حساسة للضوء في شبكية العين. تقوم هذه الطبقة الأولى من الخلايا ، والتي تُعرف باسم العصي والمخاريط ، بتحويل المعلومات إلى إشارات كهربائية وترسلها إلى طبقة وسيطة ، والتي بدورها تنقل الإشارات إلى 20 نوعًا مختلفًا من الخلايا العقدية للشبكية.

في دراسة سابقة ، وجد Chichilnisky وفريقه أن كل نوع من الخلايا العقدية الشبكية يشكل شبكة سلسة تغطي المساحة البصرية التي تنقل صورة بصرية كاملة إلى الدماغ. في الدراسة الحالية ، قام الباحث ما بعد الدكتوراه والمؤلف الأول المشارك جريج د فيلد ، دكتوراه ، ومعاونوه بتكبير نمط الاتصال بين طبقات الخلايا العقدية الشبكية والشبكة الكاملة للمستقبلات المخروطية.

سجل باحثو Salk المئات من الخلايا العقدية للشبكية في وقت واحد ، وبناءً على الكثافة وخصائص الاستجابة للضوء ، حددوا خمسة أنواع من الخلايا: الخلايا القزمة ON و OFF ، وخلايا المظلة المفتوحة والإيقاف ، والخلايا ثنائية البسترات الصغيرة ، والتي تمثل مجتمعة ما يقرب من 75 في المائة من الخلايا القزمة. جميع الخلايا العقدية الشبكية.

لحل البنية الدقيقة للحقول الاستقبالية - النوافذ الصغيرة غير المنتظمة التي من خلالها ترى الخلايا العصبية في شبكية العين العالم - استخدم المؤلفون محفزات ذات وحدات بكسل أصغر بعشرة أضعاف. يقول: "بدلاً من منطقة منتشرة من حساسية الضوء ، اكتشفنا جزرًا مثقبة من حساسية الضوء مفصولة بمناطق ليس لها حساسية للضوء".

عندما يتم دمجها مع معلومات حول الحساسيات الطيفية للمخاريط الفردية ، فإن خرائط هذه الجزر النقطية لا تسمح فقط للباحثين بإعادة إنشاء الفسيفساء المخروطية الكاملة الموجودة في شبكية العين ، ولكن أيضًا لاستنتاج المعلومات المخروطية التي تغذيها خلية العقدة الشبكية.

"فقط عن طريق تحفيز خلايا الإدخال وأخذ تسجيل عالي الكثافة من خلايا المخرجات ، يمكننا تحديد جميع خلايا الإدخال والإخراج الفردية ومعرفة من يرتبط بمن" ، كما يقول تشيتشلنيسكي.

اكتشف Chichilnisky وفريقه أن مجموعات الخلايا القزمة والمظلة ON و OFF أخذ كل منها عينات من مجموعة كاملة من المخاريط الحساسة للضوء الأحمر أو الأخضر ، مع أخذ عينات من الخلايا القزمة هذه المخاريط بطريقة غير عشوائية بشكل مدهش. تلقت فقط الخلايا القزمة OFF بشكل متكرر مدخلات قوية من الأقماع الحساسة للضوء الأزرق.

تم تمويل البحث جزئيًا من قبل مؤسسة هيلين هاي ويتني ، ومؤسسة الأبحاث الألمانية ، والمعاهد الوطنية للصحة ، ومؤسسة تشابمان ، ومعهد ميلر للبحوث الأساسية في العلوم ، ووزارة العلوم والتعليم العالي البولندية ، ومؤسسة بوروز ويلكوم تراست. ، ومؤسسة McKnight ، والمؤسسة الوطنية للعلوم ، ومؤسسة Sloan ، ومجلس أبحاث العلوم الهندسية والفيزيائية ، والجمعية الملكية في إدنبرة.

من بين الباحثين الذين ساهموا أيضًا في العمل المؤلف الأول المشارك جيفري ل.جوتييه ، دكتوراه ، مارتن جريشنر ، تيموثي إيه ماتشادو ، لورين إتش جيبسون ، وجوناثون شلينز في مختبر علم الأحياء العصبية للأنظمة في معهد سالك ، المؤلف الأول ألكسندر شير وآلان ليتكي في معهد سانتا كروز لفيزياء الجسيمات في جامعة كاليفورنيا ، سانتا كروز ، ديبورا إي.جونينج وكيث ماثيسون في قسم الفيزياء وعلم الفلك بجامعة جلاسكو ، فلاديسلاف دابروفسكي في كلية الفيزياء وعلوم الكمبيوتر التطبيقية في جامعة AGH للعلوم والتكنولوجيا في كراكوف ، وليام بانينسكي في قسم الإحصاء ومركز علم الأعصاب النظري بجامعة كولومبيا ، نيويورك.

عن معهد سالك للدراسات البيولوجية:
معهد سالك للدراسات البيولوجية هو أحد المؤسسات البحثية الأساسية البارزة في العالم ، حيث يقوم أعضاء هيئة التدريس المشهورون دوليًا بالتحقيق في أسئلة علوم الحياة الأساسية في بيئة فريدة وتعاونية وإبداعية. من خلال التركيز على الاكتشاف وتوجيه الأجيال القادمة من الباحثين ، يقدم علماء Salk مساهمات رائدة لفهمنا للسرطان والشيخوخة والزهايمر والسكري والأمراض المعدية من خلال دراسة علم الأعصاب وعلم الوراثة وبيولوجيا الخلايا والنباتات والتخصصات ذات الصلة.

تم الاعتراف بإنجازات أعضاء هيئة التدريس بالعديد من الأوسمة ، بما في ذلك جوائز نوبل والعضويات في الأكاديمية الوطنية للعلوم. تأسس المعهد في عام 1960 من قبل رائد لقاح شلل الأطفال جوناس سالك ، وهو مؤسسة مستقلة غير ربحية ومعلم معماري.

يحتفل معهد سالك بفخر بخمسة عقود من التميز العلمي في البحث الأساسي.