Блог

Aug 17, 2023

Птицы мультиплексируют спектральную и временную зрительную информацию через сетчатку глаза.

Nature Communications, том 14, номер статьи: 5308 (2023) Цитировать эту статью 1 Подробности об альтметрических показателях При зрении позвоночных ранние цепи сетчатки делят входящую зрительную информацию на

Nature Communications, том 14, номер статьи: 5308 (2023) Цитировать эту статью

1 Альтметрика

Подробности о метриках

В зрении позвоночных ранние цепи сетчатки делят поступающую зрительную информацию на функционально противоположные элементарные сигналы: включенный и выключенный, временные и устойчивые, хроматические и ахроматические. Вместе эти сигналы могут дать эффективное представление сцены для передачи в мозг через зрительный нерв. Однако эта давняя интерпретация функции сетчатки основана на млекопитающих, и неясно, является ли это функциональное устройство общим для всех позвоночных. Здесь мы показываем, что цыплята-самцы используют принципиально иную стратегию передачи информации от глаза к мозгу. Вместо использования функционально противоположных пар выходных каналов сетчатки цыплята кодируют полярность, время и спектральный состав зрительных стимулов высококоррелированным образом: быстрая ахроматическая информация кодируется выключенными цепями, а медленная хроматическая информация в подавляющем большинстве — включенными цепями. Более того, большинство выходных каналов сетчатки объединяют цепи включения и выключения для одновременного кодирования или мультиплексирования как ахроматической, так и хроматической информации. Наши результаты, полученные на птицах, согласуются с данными, полученными на рыбах, амфибиях и рептилиях, которые сохранили полный наследственный набор четырех спектральных типов фоторецепторов колбочек.

Цепи сетчатки позвоночных обрабатывают поток пространственной, временной и спектральной информации в параллельные каналы для передачи в мозг1. Количество каналов, что кодирует каждый канал и почему является предметом активных дискуссий2, но появились некоторые общие принципы3. Например, для экономии энергии и расширения динамического диапазона цепи сетчатки делят зрительный сигнал на примерно равное количество включенных и выключенных каналов4, а также на переходные и устойчивые каналы5,6,7. Таким образом, информация о полярности и кинетике представлена ​​независимыми «элементарными строительными блоками» с декоррелированными сигналами5. Аналогичным образом, информация о длине волны эффективно направляется в подмножество хроматических каналов параллельно ахроматическим каналам, которые доминируют на выходе сетчатки8,9.

Эти давние принципы в подавляющем большинстве основаны на исследованиях млекопитающих, таких как мыши, приматы, кошки и кролики, а данные, полученные от видов, не относящихся к млекопитающим, начинают подвергать сомнению их универсальность. Например, у рыбок данио отсутствуют приблизительно сбалансированные представления On- и Off-, а также временных и устойчивых каналов сетчатки млекопитающих10,11,12,13,14,15,16. Точно так же обилие реакций цветового оппонента у черепах17 или сильное доминирование каналов OnOff у саламандр18,19 нелегко вписать в нынешнюю структуру. Тем не менее, систематический обзор вычислений сетчатки отсутствует для большинства линий, не относящихся к млекопитающим, и особенно для птиц20,21. Частично это связано с трудностью записи с сетчатки птицы ex-vivo22,23,24, где незначительное механическое повреждение вызывает патологические волны депрессии25. Следовательно, на сегодняшний день понимание работы сетчатки птиц в основном22,26 ограничивается неинвазивными методами, такими как электроретинограммы27,28.

Работая над сетчаткой цыплят домашней птицы20 (Gallus Gallus, рис. 1a–c), мы преодолели эти ограничения, подавляя распространение патологического сигнала во время вскрытия (дополнительный рисунок S1). Мы можем регистрировать световую импульсную активность нейронов в слое ганглиозных клеток сетчатки с помощью многоэлектродной матрицы высокой плотности (МЭА) в течение нескольких часов (рис. 1d, e), а теперь представить то, что, насколько нам известно, является первым крупномасштабным исследование светозависимой функции сетчатки у птиц.

Филогенетическое древо современных позвоночных животных на основе ссылки. 30, что указывает на ключевые эволюционные переходы в наборе фоторецепторов, ведущие к появлению птиц. б Сводная информация о семи типах ресничных фоторецепторов птиц и экспрессируемых ими опсинах (вверху), соответствующих функциях спектральной чувствительности их четырех конусных опсинов (затенения) и спектральных положениях шести светодиодов, используемых для зрительной стимуляции. c Схема сетчатки курицы, модифицированная по ссылке. 2, иллюстрирующая стратегию перекодирования многоэлектродной матрицы (МЭА). GCL, слой ганглиозных клеток. Цветные клетки вверху — это фоторецепторы, а темно-серые нейроны внизу — это ганглиозные клетки сетчатки (RGC, выходные нейроны сетчатки), возможно, рядом с локальными интернейронами, называемыми смещенными амакриновыми клетками (dAC). d Репрезентативный кадр записи из массива МЭА 64 × 64, указывающий локализованную активность на подмножестве электродов (вверху) и пример записи от одного электрода (внизу). e Обзор всех единиц, отсортированных по пиковым значениям, обнаруженных в примере записи (вверху), и пиковых сигналов двух примерных «ячеек» (внизу). f Проекция минимальной интенсивности через 50 интервалов времени (что соответствует ~ 3 мс) репрезентативного электрического изображения (EI), рассчитанного на основе одной отсортированной единицы шипа, показывающей положение сомы, бугорка и аксона, как указано. g Временной ряд EI, показанный на (g), иллюстрирующий, как спайк движется вниз по аксону к диску зрительного нерва. h–j То же, что (f), но для двух разных единиц, отсортированных по шипам (h, i), и для 100 таких единиц, наложенных друг на друга (j). Обратите внимание, что аксональный след на (h) фракционирован, что указывает на скачкообразную проводимость, тогда как следы на (f) и (i) непрерывны, что указывает на несальтаторную проводимость (см. ссылку 23). k Доля EI с четко обнаруживаемым аксоном (ось Y, Методы), нанесенная на график для различных подмножеств полного набора данных EI, с разбивкой по минимальному количеству спайков, доступных для расчета каждого EI (ось X). Асимптота экспоненциальной аппроксимации этих данных (красная) указывает на то, что предполагаемая доля EI, имеющих аксон, не зависящий от качества сигнала, составила ~ 87%. l Распределение скоростей аксональной проводимости, оцененное по всем предполагаемым RGC (n = 842). Исходные данные предоставляются в виде файла исходных данных.