Это исследование было опубликовано сегодня в Current Biology.
«Мозг может распознавать более миллиона различных цветов, и это поразительная сила, которую мы только начинаем понимать», – сказал Руди Бениа, доктор философии, главный исследователь в Columbia’s Mortimer B. Zuckerman Mind Brain Behavior Institute и старший автор статьи. «С помощью сегодняшнего исследования мы выявили цепь нервных клеток, которые действуют как синтезатор цвета для мозга мухи. Это открытие настолько захватывающее, потому что похожая система, похоже, работает в человеческом мозгу.
По мере того, как мы углубляемся в мозг плодовой мушки, мы узнаем больше о нашей способности видеть и обрабатывать цвет."
И у мух, и у людей цветовое зрение начинается с глаза, который содержит специализированные нервные клетки, называемые фоторецепторами. Эти чувствительные к цвету клетки выстилают сетчатку на задней стороне глаза.
Большинство людей (за исключением, например, лиц с дальтонизмом) имеют три типа фоторецепторов для цветового зрения. У плодовых мушек четыре.
У всех животных каждый тип фоторецепторов чувствителен к определенному диапазону длин волн света. Свет, попадающий на фоторецепторы, вызывает серию электрических сигналов, которые отправляются в мозг.
«Мы знаем, что мозг сравнивает эти электрические сигналы от разных фоторецепторов, в конечном итоге переводя их в цвет, но как именно это происходит, остается неясным», – сказал доктор. Бехния, которая также является доцентом кафедры нейробиологии Колумбийского колледжа врачей и хирургов Вагелос. «Благодаря недавним достижениям в области молекулярных технологий и технологий визуализации, теперь мы можем рассматривать нервные клетки в различных областях мозга мух с мельчайшими подробностями."
Небольшой размер и относительная простота мозга плодовой мушки делают его идеальным организмом для исследования цветового зрения. Организация и структура его мозга также хорошо задокументированы благодаря таким инициативам, как проект Fly Connectome в исследовательском кампусе Janelia, который нанес на карту расположение и связи каждой клетки в мозгу мух.
Для сегодняшнего исследования Института Цукермана Сара Хит, докторант лаборатории Бехнии и соавтор статьи, записала активность фоторецепторов плодовой мухи по одному, в то время как муха смотрела на источники светодиодов разного цвета.
У каждого фоторецептора были длинные ветви, называемые аксонами, которые доходили до зрительной доли мухи, области мозга, ответственной за зрение.
Эти аксоны общались друг с другом, посылая туда и обратно информацию о передаваемых ими сигналах. Прослеживая путь каждого сигнала, исследователи обнаружили, что эти пути ведут к типу нервной клетки, называемой Dm9.
«Мы думаем, что Dm9 служит синтезатором, местом, где каждый сигнал фоторецептора сравнивается друг с другом», – сказал доктор. Behnia.
Это сравнение важно. Десятилетия экспериментов показали, что мозгу недостаточно сигналов от одного фоторецептора для определения цвета. Вот почему люди, у которых отсутствует один или несколько типов фоторецепторов, страдают дальтонизмом разной степени.
«Каждый сигнал фоторецептора должен быть количественно сравнен и проанализирован мозгом для определения правильного цвета», – сказал доктор. Бехния продолжила. "И наша работа показала, что Dm9 действительно может выполнять эту роль."
Используя эти недавно собранные данные, а также данные проекта Fly Connectome, Матиас Кристенсон, соавтор этой статьи и докторант в лаборатории Behnia, разработал вычислительную модель цветовой схемы мухи. Эта модель может помочь ученым предсказать, как мухи ведут себя в ответ на разные цвета, заполняя многие пробелы в нашем понимании зрительной системы.
Кристенсон надеется, что лучшее понимание того, как мозг воспринимает цвет, также может привести к новым компьютерным технологиям для людей с нарушениями зрения.
«Сегодняшним системам сложно разобраться в множестве оттенков, которые мы испытываем каждый день», – сказал Кристенсон. "По мере того, как мы продолжаем раскрывать механизмы обработки цвета, можно было предвидеть алгоритмы зрения, которые улучшат способ распознавания компьютерами разных цветов."
Это исследование также выявило неожиданную связь с людьми.
Например, команда обнаружила, что фоторецепторы у мух на самом деле ведут себя так же, как у людей.
«Клетки Dm9 имеют поразительное сходство по структуре, организации и функциям с нервными клетками зрительной системы человека, называемыми горизонтальными клетками», – сказал Хит. "Это сходство могло быть результатом конвергентной эволюции, явления, при котором два эволюционно различных вида – в данном случае мухи и люди – находят одно и то же решение общей проблемы."
Эти и будущие идеи, которые команда обнаружит на мухах, могут быть использованы в качестве отправной точки для лучшего понимания зрительной системы человека.
«Чем больше мы узнаем о том, как мухи воспринимают окружающий мир, тем больше общего мы обнаруживаем с самими собой», -. Behnia сказал. "Это делает муху невероятно информативной для ответа на некоторые из самых старых вопросов биологии."