اتصالات غیر متعارف: چگونگی مهار باز انتخاب کورتنی

مغز ما یک کار قابل توجهی را برای رمزگذاری اطلاعات بصری در مورد جهان اطراف ما انجام می دهد و گزارش تقریبا لحظه ای در مورد شرایط به سرعت در حال تغییر است که برای هدایت رفتار ما حیاتی است. یکپارچه سازی مکانیزم و رمزگذاری مغز، حضور نورون هایی است که به طور خاص به ویژگی های بصری خاص پاسخ می دهند و فعالیت الکتریکی را ایجاد می کنند که به طور قابل اعتماد می تواند خواص هایی مانند جهت لبه ها، موقعیت آنها  را در فضا و جهت حرکت آنها را بیان کند. با استفاده از ابزارهای جدید برای بررسی اصول اتصال که مدارهای عصبی برای تولید پاسخهای انتخابی استفاده می کنند. دانشمندان در مؤسسۀ علوم اعصاب فلوریدا مکس پلانک در حال جمع آوری اطلاعاتی در مورد مکانیزم های اساسی کارکرد مغز هستند.

درک اینکه چگونه مدارهای عصبی برای انتخاب واکنش پاسخ را ایجاد می کنند، چالش بزرگی به وجود می آید زیرا یک نورون تنها هزاران ورودی سیناپسی حاصل از عصب های دیگر را دریافت می کند و این ورودی ها می توانند در خواص واکنش و نحوه تاثیر آنها بر نورون تاثیر گذار باشند. بعضی از ورودی ها هیجان انگیز هستند، و باعث می شود که نورون بیشترین تولید سیگنال الکتریکی را داشته باشد، در حالی که دیگران مهار کننده هستند واحتمال اینکه نورون سیگنال ایجاد کند به طوری که یک نورون تمام این ورودی های تحریک کننده و مهار کننده سیناپسی را برای تولید واکنش هایی که انتخابی هستند، “تبدیل ورودی وخروجی” مرموزی که موضوع علاقه شدید تحقیق است، ادغام می کند.

مطالعات قبلی پیشنهاد کرده اند که قوانینی ساده ای وجود دارد که ارتباطات عملکردی هیجان انگیز و مهار کننده را کنترل می کنند. یک قاعده برجسته ای که برای ارتباطات هیجان انگیز ظهور کرده است، «مانند ارتباط با آن است». به عنوان مثال، در قشر بصری، نورون هایی که به صورت انتخابی به جهت حرکت خاص پاسخ می دهند، تصور می شود ورودی های هیجان انگیز خود را از دیگر نورون هایی که به صورت انتخابی به همان جهت حرکت می دهند، دریافت کند. یک قاعده به همان اندازه مهم برای ورودی های مهار شده است. این ایده که خواص ورودی مهار کننده یک نورون دریافت می کند با خواص ورودی های هیجان انگیز آن مطابقت دارد. با توجه به “قاعده تطبیق”، ورودی های مهار کننده ای است که قدرت ورودی های تحریک پذیر را تنظیم می کند، اما نباید تغییر انتخاب شده توسط نورون توسط ورودی های هیجان انگیز آن را تغییر دهد.

محققان در آزمایشگاه دیوید فیتزپاتریک، دانیل ویلسون، Ph.D. و بنجامین Scholl، Ph.D.، در حال حاضر در یک نشریه اخیر در طبیعت ، چندین مدارک را جمع آوری کرده اند که چالش های هر دو این اصول را فراهم می آورند و دیدگاه جدیدی در مورد چگونگی مدارها در قشر بصری موجب تحریک و مهار برای تولید پاسخ های نورونی می شوند که برای جابجایی شیء انتخاب می شوند.

محققان MPFI برای اولین بار نیاز به یک تصویر بهتر از جهت گیری انتخابی ارائه شده توسط ورودی های تحریک کننده سیناپسی عصبی است. برای انجام این کار، میکروسکوپ دو فتونی in vivo را برای مشخص کردن مسیر انتخابی ورودی های سیناپسی هیجان انگیز منحصر به فرد بر روی دندریت های نورون، مقایسه کردند، و این مقایسه را با ترجیح جهت کلی نورون مقایسه کرد. به طرز شگفت آوری، آنچه که آنها کشف کردند، در برابر دانه های تفکر سنتی مقاومت می کنند. اگرچه بسیاری از سیناپس ها با ترجیحات کلی هدایت نورون هماهنگ شده بودند، تعداد زیادی از آنها به بهترین جهت به سمت مقابل (جهت صفر) حرکت می کردند ، الگوی ارتباطی که به شدت با “rule like with rule” متضاد است. آنها همچنین متوجه تفاوت نامطلوب بین قدرت انتخاب یک مسیر نورون، و پیش بینی شده توسط ورودی های سیناپسی هیجان انگیز آن شده اند. درجه انتخاب یابی جهت که نورون ها به نمایش گذاشته شد به طور قابل توجهی بیشتر از آنچه انتظار می رود از چنین طیف گسترده ای از ورودی های تحریک کننده است.

برای بررسی بیشتر عامل (ها) مسئول این تفاوت گیج کننده بین ورودی های تحریک کننده نورون و خروجی آن هستند، آنها به مجموعه ای متفاوت از آزمایش ها با استفاده از الکتروفیزیولوژی انفصال سلول کل در سلول in vivo تبدیل شدند. این تکنیک امکان اندازه گیری کل مقدار ورودی های سیناپسی را که موجب پاسخ به نورون می شود، و مقایسه سهم ورودی های تحریک کننده و مهار کننده سیناپسی را می سنجد. نتایج برای ورودی های تحریک پذیر با داده های تصویربرداری دو فوتون سازگار بود و مقدار قابل توجهی از ورودی های تحریک پذیر برای هر دو جهت و حرکت صفر را نشان می دهد. نتایج برای مهار این تیم را با یک چالش دیگر به تفکر سنتی و توضیح بالقوه برای اختلاف ورودی و خروجی گیج کننده ارائه داد: در حقیقت، تنظیم ورودی های مهار کننده با ورودی های هیجان انگیز مطابقت نداشت. برای بسیاری از نورون ها، قدرت مهار برای جهت حرکت صفر بیشتر بود و پیشنهاد می شود که ورودی های سیناپسی هیجان انگیز به جهت خالی، از طریق مهار، انتخابی می شوند.

این یافته ها پیش بینی می کند که نورون های مهار کننده قلب، تعداد قابل توجهی ورودی های سیناپسی را به نورون های هیجان انگیز هدایت می دهند که مسیر حرکت متقابل را ترجیح می دهند. محققان دو رویکرد جدید برای بررسی این سوال که ابتدا نمودارهای ارتباطات تشریحی نورون های مهار کننده تعریف شده و سپس با استفاده از optogenetics (انتخاب فعالانه نورون های مهار کننده با نور) برای تعیین منبع ورودی مهار کننده به نورون های هیجان انگیز، مورد استفاده قرار دادند. در کنار این روش، این تکنیک ها تأیید کردند که اتصال های مهار کننده به نورون های هیجان انگیز اغلب از نورون هایی که مسیر حرکت مخالف را ترجیح می دهند، ایجاد می شود.

 

این فرآیند کشف بیش از این که مکانیسم واکنش انتخابی مسیر را برطرف کند، بر روشهای انعطاف پذیری تأکید دارد که در آن مدارهای عصبی می توانند ورودی های هیجان انگیز و مهار کننده را برای ساخت انواع خواص پاسخ انتخابی که برای کدگذاری عصبی حیاتی هستند، ایجاد کنند. مثل هميشه با انگيزه ارتباط برقرار نمي کند و تحريک هميشه مطابقت با مهار ندارد، اما شما مي توانيد به مدارهاي مغزي اعتقاد داشته باشيد که ترکيب ورودي لازم براي اطمينان عملکرد بالا را داشته باشد.

منبع :

Daniel E. Wilson, Benjamin Scholl, David Fitzpatrick, 2018. Differential tuning of excitation and inhibition shapes direction selectivity in ferret visual cortex. Nature; DOI: 10.1038/s41586-018-0354-1