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视网膜硬连线预测移动物体的路径

UW Medicine 的研究人员在一篇新论文中证明,灵长类动物视网膜中的神经回路可以在视觉信号离开眼睛之前生成预测移动物体路径所需的信息。

华盛顿大学医学院眼科助理教授迈克尔·马努金说:“预测移动物体将去哪里的能力对于生存非常重要,以至于它很可能被硬连接到所有有视力的动物身上。” 他与生理学和生物物理学教授 Fred Rieke 一起领导了研究团队。

Manookin 和他的同事在《自然神经科学》杂志上报告了他们的发现。华盛顿大学的两名本科生 Belle Liu 和 Arthur Hong 是该论文的主要作者。

在这项研究中,研究人员研究了视网膜中的细胞回路如何处理运动。研究人员关注的电路由称为锥体的感光感光细胞组成。细胞的中间层,称为双极细胞;和神经节细胞,从双极细胞和发送这些信号到其它信号收集从眼睛的脑区域。

Manookin 说,这些电路由数百个光感受器细胞组成,这些光感受器细胞连接到数十个双极细胞,而这些双极细胞又连接到神经节细胞。“来自锥体的信号会聚在双极细胞上,来自双极细胞的信号会聚到单个神经节细胞上,神经节细胞必须从这些信号中提取运动信息,并将该信息传递到负责处理运动的大脑区域。”

为了了解这是如何完成的,研究人员预测了似乎远离和朝向视网膜移动的模式,并记录了神经节细胞响应运动而产生的信号。

然后,他们分析了信号,看看神经节细胞是否正在生成所谓的“预测运动编码”——即反映可用于预测对象未来运动的信息的模式。

“例如,如果你展示一个球在视野中移动的电影,你可以记录来自神经节细胞的尖峰响应那部电影,”Manookin 解释说。“然后你可以计算出尖峰包含多少关于未来球可能在哪里的信息。”

为了评估细胞传递预测信息的效率,研究人员将神经节细胞的性能与为解决此类问题而创建的计算机程序进行了比较。他们发现神经节细胞在传递这种预测信息方面几乎与性能最好的计算机程序一样有效。

“具有如此简单硬件的视网膜能够如此高效地进行这些计算,这真是了不起,”Manookin 说。

研究人员发现,由于双极细胞之间的串扰,电路可以提取这些信息。双极细胞与相邻的双极细胞紧密接触。如果一个人被来自感光细胞的信号所激发,除了向神经节细胞发送信号外,它还会将部分兴奋传递给相邻的双极细胞。

然后相邻细胞被“启动”,这样,如果它们也从光感受器细胞接收信号,它们更有可能向神经节细胞发送强信号。这样,当一个移动的物体经过视野时,关于该运动的信息就会通过双极细胞网络“波动”。

神经节细胞最终收集来自双极细胞的传入信息,并将其编码为信号,为大脑提供有关物体运动的信息。有了来自数千个这些神经节细胞的关于物体路径的信息,大脑就可以快速预测它的轨迹。

“一个时速 90 或 100 英里的快球在信号离开你的视网膜之前可以行进超过 7 英尺,”Manookin 说。“要击球,你必须能够预测它在未来的位置。这种预测环境中物体运动的能力在开车甚至走路等日常活动中也是需要的。这是一种能力,所以进化已将其硬连接到我们的神经系统中,这对生存很重要。”

Manookin 说,最终,这种关于视网膜如何处理信息的知识可用于开发为失明患者恢复有意义的视力的技术。

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