Откройте практически любой учебник биологии, чтобы прочитать о таламусе, и вы обнаружите, что его функция в основном состоит в том, чтобы служить ретрансляционной станцией, передавая сенсорные данные в кору головного мозга для обработки.
Но когда пара исследователей из Гарварда внимательно изучила связи между сетчаткой и таламусом у мышей, они обнаружили совсем другую историю.
Создав очень подробные схемы нейронной проводки, Джефф Лихтман, Джереми Р. Профессор Ноулза молекулярной и клеточной биологии и профессор искусств и наук Сантьяго Рамона-и-Кахала и научный сотрудник Джошуа Морган показали, что нейронные сети, соединяющие сетчатку и таламус, намного сложнее, чем предполагалось изначально, и могут даже представлять собой первую стадию развития. обработка визуальной информации, полученной на опыте. Исследование было описано в статье, недавно опубликованной в журнале Cell.
"Если вы войдете всего на один синапс глубже, чем высокоупорядоченная структура, такая как сетчатка, вы увидите взрывной рост сложности," Лихтман сказал. "Вместо того, чтобы иметь путь, связанный с одним типом аксонов сетчатки, и другой путь, связанный с другим типом клеток, мы увидели полностью перемешанную сеть – каждая клетка сетчатки расходилась, чтобы контактировать с разными типами таламических клеток, и каждая таламическая клетка получала сходящуюся информацию от множества разных типы клеток сетчатки."
Эта конвергенция особенно важна, если учесть, как работают клетки сетчатки.
Продукция сетчатки делится на наборы специализированных нервных клеток, каждый из которых настроен на реакцию на определенные виды зрительных ощущений: одни определяют цвет, другие настраиваются на движение, а третьи различают мелкие детали в визуальной сцене.
По мнению Лихтмана, подавая входные данные от нескольких видов клеток сетчатки к одной таламической клетке, мозг может начать комбинировать визуальную информацию и формировать изображение большего мира.
"Например, у грызуна, живущего снаружи, могут быть клетки, которые реагируют на черное пятно, движущееся на синем фоне, потому что это может указывать на хищника," он сказал. "Все говорили, что это должно существовать где-то в мозгу, но это может быть, если вы просто продвинетесь на один синапс дальше сетчатки … вы внезапно обнаружите эти типы смешанных связей."
Точная структура этих сетей создается на ранней стадии разработки и почти наверняка уникальна для каждого человека.
"Я всегда представлял, что такое может случиться, но никогда не ожидал, что найду это в таламусе," Лихтман сказал. "Мы думали, что сможем увидеть, как в процессе развития вы генерируете очень четкие пути, но это говорит о том, что как только это возможно, нервная система начинает создавать схемы, которые очень специфичны для человека."
На самом деле, сказал он, исследование изначально было сосредоточено на таламусе, потому что исследователи ожидали, что его будет относительно просто изучить.
"Мы ожидали, что это будет просто," Лихтман сказал. "Нашим секретным планом было то, что мы посмотрим на это у взрослых, а затем вернемся в развитие и увидим, как он стал настолько прозрачным, что каждый отдельный путь в сетчатке стал каналом к разным клеткам."
Чтобы понять связи между сетчаткой и таламическими клетками, Лихтман и Морган создали самый большой набор данных электронной микроскопии о нейронных связях в головном мозге – 100 терабайт, состоящий из 100 триллионов пикселей.
Используя систему, которая автоматически разрезает и сканирует пластинки ткани, Морган, первый автор исследования, визуализировал мозг мышей, а затем проследил, как нейроны таламуса связаны с нейронами сетчатки.
"Он взял четыре плотно сгруппированных клетки в середине таламуса, и для каждой из них он нашел когорту аксонов сетчатки, которые с ними контактировали, а также когорту других таламических клеток, управляемых теми же аксонами," Лихтман сказал.
По его словам, полученные данные могут бросить вызов ряду основных принципов науки о мозге.
"Например, в рамках Инициативы Обамы BRAIN и других усилий основное внимание уделяется определению количества типов клеток в головном мозге," Лихтман сказал, имея в виду план исследования мозга через продвижение инновационных нейротехнологий. "Мы обнаружили в таламусе клетки отчетливой формы, каждая из которых считается отдельным типом клеток. Но мы обнаружили, что форма клетки не предсказывала, с чем она связана, а это означает, что даже тип клетки, этот фундаментальный столп биологии … может быть направлен в неправильном направлении."