Giải mã cách võng mạch xử lý trong bóng tối

Để kiểm tra khả năng phát hiện bóng tối, các nhà nghiên cứu đã đưa chuột vào một mê cung gần như không có ánh sáng. Lối ra được đánh dấu bằng một điểm đen, vừa đủ để phân biệt với bóng tối xung quanh. Bằng cách theo dõi cách những con chuột di chuyển qua mê cung và đo hoạt động của các tế bào thần kinh ở phía sau của mắt - võng mạc - nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng một nhóm tế bào võng mạc được gọi là tế bào hạch OFF đã phát hiện ra sự giảm mức độ ánh sáng cực kỳ nhỏ.

Giáo sư Petri Ala-Laurila, người tổ chức một cuộc hẹn chung tại Aalto và Đại học Helsinki, cho biết: “Mục tiêu của chúng tôi là đi từ phân tử đến hành vi. Nghiên cứu này được xây dựng dựa trên công trình trước đó của nhóm ông cho thấy rằng các tế bào hạch BẬT được sử dụng để phát hiện một mảng sáng rất mờ trong bóng tối. 'Nhiệm vụ ngược lại sẽ là phát hiện những bóng mờ nhất, nơi chỉ thiếu một vài photon. Giả thuyết của chúng tôi là đó là những gì các tế bào TẮT nhạy cảm nhất làm trong ánh sáng sao, bởi vì chúng tăng tốc độ bắn khi phản ứng với bóng tối, 'Ala-Laurila nói.

Nhóm nghiên cứu cũng tính toán giới hạn cơ bản của việc phát hiện bóng tối dựa trên các đặc tính vật lý của các thụ thể ánh sáng và đường dẫn thần kinh. Sau khi tính toán những tổn thất không thể tránh khỏi - ví dụ, không phải mọi photon chạm vào thụ thể đều bị hấp thụ - họ phát hiện ra rằng hành vi và hoạt động võng mạc của chuột đã tiến rất gần đến phản ứng hoàn hảo. Tiến sĩ Johan Westö, một trong những tác giả đầu tiên của nghiên cứu, cho biết: 'Mô hình có giới hạn chặt chẽ của chúng tôi làm nổi bật rằng cả hành vi được hướng dẫn bằng thị giác và các tế bào hạch OFF nhạy cảm nhất đều là những thiết bị phát hiện bóng gần như hoàn hảo'.

Nghiên cứu phải được thực hiện trong bóng tối gần như hoàn toàn để phát hiện những khác biệt này. Nataliia Martyniuk, tác giả đầu tiên khác của nghiên cứu, nói rằng 'độ nhạy tinh tế của hệ thống thị giác đối với những bóng mờ nhất đặt ra yêu cầu kỹ thuật cao cho các thí nghiệm mà chúng tôi thực hiện ở mức ánh sáng cực thấp này'. Ở mức độ ánh sáng cao hơn, nhiều mạch võng mạc hơn được kích hoạt, điều này sẽ khiến việc phân tích trở nên khó khăn nghiêm trọng.

'Có thể phát hiện ra những bóng tối cực kỳ mờ ảo! Ala-Laurila cho biết, ngay cả khi chỉ thiếu một vài photon từ vài nghìn thụ thể hình que cũng đủ để các loài động vật phát hiện ra bóng tối. 'Điều đó có lẽ liên quan đến nhu cầu tiến hóa rất lớn để phát hiện bóng tối vì chuột và các động vật khác đã tiến hóa để tránh những kẻ săn mồi ở mức ánh sáng thực sự thấp.'

Những phát hiện này cho thấy quá trình tạo cảm giác ánh sáng tới - biến nó thành hình ảnh tinh thần - được phân bổ trên các loại tế bào khác nhau thực hiện các nhiệm vụ tính toán khác nhau trong võng mạc. Trong mắt, đầu vào từ hàng nghìn cơ quan thụ cảm xếp thành tầng BẬT và TẮT các tế bào hạch, chúng hoạt động như các mô-đun để phát hiện cụ thể ánh sáng và bóng tối, tương ứng.

Ala-Laurila cho biết: “Điều đó đẩy rất nhiều tính toán lên võng mạc và thực hiện phát hiện sớm việc phát hiện này sẽ đơn giản hóa nhiệm vụ cho các quá trình hạ lưu trong não bộ,” Ala-Laurila nói. 'Chúng tôi có thể chứng minh nguyên tắc này trong mắt ở mức ánh sáng rất thấp. Tôi đoán rằng nó cũng áp dụng ở mức ánh sáng cao hơn và ở các giác quan khác và các lĩnh vực sinh học thần kinh khác. '

Mạch võng mạc chịu trách nhiệm truyền tải thông tin đến các tế bào hạch BẬT và TẮT gần như giống hệt nhau ở người. Ala-Laurila giải thích rằng khả năng kiểm tra chức năng của các loại tế bào võng mạc đặc biệt dưới ánh sáng sao cũng có thể có ý nghĩa lâm sàng. Nhiều bệnh thị giác đặc trưng cho các loại tế bào cụ thể trong võng mạc. Bằng cách thực hiện các xét nghiệm ở mức ánh sáng rất thấp, có thể phát hiện các bệnh như vậy sớm hơn và với độ chính xác cao hơn, vì ở mức ánh sáng đó, mọi photon đều có giá trị. Ông nói: “Trong cuộc đời của mình, tôi muốn xem các kỹ thuật mang tính cách mạng để phát hiện các bệnh về thị giác bằng cách sử dụng mức độ ánh sáng rất thấp.

Nguồn Đại học Aalto