Avem de a a face cu un fenomen interesant, aparent inexplicabil, atunci când obiectele statice sunt înfăţişate în succesiune rapidă pe măsură ce se deplasează de-a lungul câmpului nostru vizual - şi anume, o reversie iluzorie a direcţiei de deplasare.
Mai mult decât atât, acest fenomen phi este o iluzie vizuală care apare la un număr surprinzător de mare de specii, indicând faptul că acesta reprezintă o adaptare evolutivă. Recent, cercetătorii de la Howard Hughes Medical Institute's Janelia Farm Research Campustorii au demonstrat că neuronii sensibili la mişcare de la nivelul creierului muştei care este omniprezentă în fructe, Drosophila melanogaster, răspund fenomenului invers phi de iluzie vizuală şi generează o schimbare a comportamentului muştei în timpul zborului.
Fig. 1. Muştele care se confruntă cu un fenomen phi invers panoramic prezintă un răspuns optomotor de tip invers.
(A) Un model schematic al vizibilităţii muştei în timp ce se mişcă constă din două etape: (i) Deplasarea locală care se calculează prin intermediul unor circuite sub formă de coloană de la nivelul laminei şi medularei, urmată de (ii) integrarea globală a semnalelor deplasării locale la nivelul celulelor tangenţiale ale plăcii lobulare. Se crede că producţia de celule T din lamina proprie controlează răspunsul optomotor.
(B) Musca este suspendată în interiorul unui peisaj de zbor unde amplitudinea fiecărei bătăi de aripi este urmărită cu ajutorul unui detector optic. Diferenţa dintre cele două bătăi ale aripilor (amplitudinea bătăii din stânga minus amplitudinea bătăii din dreapta) este proporţională cu cuplul de deviaţie (24). De exemplu, atunci când amplitudinea bătăilor aripii din stânga este mai mare decât cea a aripii din dreapta, musca încearcă să îşi orienteze zborul înspre dreapta în sensul acelor de ceasornic.
(C). Reprezentarea stimulilor de mişcare în spaţiu-timp utilizată în experimente de rotaţie; toate cele trei modele rectangulare se deplasează din stânga sus în dreapta jos (filmul S1).
(D) Media numărului de transformări a comportamentului a 10 muşte (± SEM), ca răspuns la rotaţia standard în buclă deschisă (imaginea de sus), la fenomenul phi invers (imaginea din mijloc) şi la fenomenul invers phi nesincronizat (imaginea jos), cadre de unde pătrate (? = 30°). Viteza deplasării stimulilor în cadrul fenomenului phi invers nesincronizat la jumătate din viteza întâlnită în cazul fenomenului phi standard şi a în cadrul fenomenului Phi invers deoarece mişcarea se produce tot la al doilea cadru (complot spaţiu-timp în imaginea C). Muştele au fost reprezentate în timp ce zburau în ambele direcţii: atât în sensul acelor de ceasornic, cât şi în sens invers, dar răspunsurile sunt combinate şi reprezentate grafic pentru rotaţia în sensul acelor de ceasornic.
Lucrarea, semnată de Prof. Michael Reiser, absolventul John Tuthill şi membrul asociat Eugenia Chiappe pun accent în principal pe experimente efectuate pe muşte ţinute captive într-un simulator de zbor. În timp ce aceste experimente legate de comportamentul muştelor captive aflate în zbor continuă să fie efectuate de peste 50 de ani şi sunt considerate ca fiind experimente de rutină conducând la rezultate în care putem avea încredere, câteva aspecte particulare ale acestui studiu întâmpină unele obstacole.
Credit: www.michaelbach.de/ot/mot_reverse-phi/index.html
"Principalul obstacol tehnic a fost colectarea unor imagini de la nivelul creierului muştei captive în timp ce aceasta mergea", notează Tuthill. "Atunci când muştele stau pe loc, sistemul lor vizual este într-o stare de calm relativ. Răspunsurile neuronale vizuale sunt amplificate numai atunci când acestea se mişcă, prin urmare analizarea activităţii neuronale vizuale a muştelor în timp ce se deplasează a fost imposibilă până în prezent. "Echipa a răspuns acestei provocări tehnice prin adoptarea tehnicilor de imagistică cu doi fotoni în cazul insectelor târâtoare, elaborată de colaboratorii lor de la laboratorul Vivek Jayaraman.
În plus, adaugă Tuthill, "Aceasta a fost una dintre primele aplicaţii a metodelor care au fost dezvoltate pentru a măsura semnalele de calciu din creierul muştelor vigile. Acum că aceste tehnici sunt posibile, ne putem pune anumite întrebări specifice despre modul în care sunt procesate informaţiile în creierul animalelor pe măsură ce acestea interacţionează cu mediul înconjurător".
Asta nu înseamnă că echipa nu descoperă în permanenţă idei inovatoare. În momentul de faţă, de exemplu, sunt în curs de elaborare instrumente care înregistrează iluziile vizuale de la nivelul neuronilor, provenite atât de la muştele târâtoare cât şi de la cele zburătoare pentru a ajuta la înţelegerea modului în care funcţionează sistemul în cazul unei muşte care se deplasează în mediu. "Situaţia ideală ar fi să se poată combina comportamentul, electrofiziologia şi imaginile în cadrul unui singur experiment," îşi imaginează Tuthil. "În loc să realizăm experimente separate care să analizeze zborul şi fiziologia, am putea măsura comportamentul în timpul zborului prin intermediul unui peisaj virtual şi să înregistrăm simultan activitatea neuronilor sistemului vizual". Ei prezintă de asemenea interes vizavi de combinarea imagisticii cu doi fotoni (care are o rezoluţie relativ slabă în timp), cu aplicarea tehnicii electrofiziologice "patch clamp" pentru toate celulele, scopul fiind obţinerea unei capacităţi sporite de a înregistra semnale provenite de la neuronii din sistemului vizual periferic al muştei, corespunzătoare unei latenţe foarte scurte.
Un alt domeniu extrem de provocator este reprezentat de o gamă largă de tipuri de celule unice prezente la nivelul sistemului vizual între fotoreceptori şi neuronii sensibili la mişcare la nivelul cărora echipa a efectuat înregistrări. Undeva în această zonă densă, care este alcătuită din două straturi denumite lamină şi medulară, neuronii pun în aplicare o metodă fundamentală de calcul pentru detectarea mişcării. "Există multe moduri prin care ar putea fi implementat acest calcul, iar unele au fost descrise matematic," explică Tuthill , "dar noi nu înţelegem cum anume sunt procesate informaţiile în cadrul acestor circuite intermediare." Vestea bună este că studierea acestora sugerează o modalitate prin care detectarea mişcării neuronale se corelează cu semnalele luminoase în timp şi spaţiu, folosind un obstacol fixat temporal care ar putea oferi o lămurire mai precisă în cadrul analizării bazei celulare a acestor calcule. "Atribuţia noastră principală este de a ne avânta în această junglă neuronală, cu electrozi şi microscoape pentru a descoperii neuronii implicaţi", adaugă el. "Numai atunci vom şti cum este pusă în aplicare computerizarea detectării mişcării în cadrul sistemului vizual de zbor".
Mergând mai departe, Tuthill este interesat de studierea unor echipamente genetice, deoarece acestea încep să devină suficient de specifice pentru a le permite să atribuie roluri funcţionale precise anumitor tipuri de celule neuronale implicate în comportamentele dirijate vizual. "Odată ce este identificat un rol comportamental pentru un tip de neuron, se poate folosi apoi imagistica bazată pe influxul de calciu sau electrofiziologia pentru a înţelege modul în care neuron îndeplineşte o anumită funcţie ce ţine de comportament şi funcţionează în cadrul reţelei dense din creier. Aceasta este abordarea pe care o utilizăm pentru a încerca să înţelegem mecanismele neuronale de calcul, cum ar fi de detectarea mişcării".
În plus, Tuthill constată că în timp tehnicile genetice folosite de în această lucrare (sistemul de expresie GAL4-UAS) probabil nu sunt relevante pentru a putea fi folosite în tratamentul uman, deoarece necesită aplicarea ingineriei genetice de-a lungul mai multor generaţii de muşte, "deoarece multe căi genetice identice care stau la baza dezvoltării sistemului nervos în regnul animal, elucidării genelor de dezvoltare şi a căilor de semnalizare la muşte vor continua să aibă un impact asupra tratamentului tulburărilor vizuale. Sperăm că - deşi mai este un drum lung de parcurs până să aflăm acest lucru - multe principii de calcul neuronale, de asemenea, vor fi partajate între specii şi că într-o zi o bună parte dintre calculele neurale vor fi împărtăşite tuturor speciilor şi că într-o zi vom putea aplica cunoştinţele pe care le-am obţinut la animale precum muşte şi şoareci pentru a înţelege modul de funcţionare şi al altor creiere, inclusiv a celor aparţinând oamenilor. Având în vedere faptul că nu posedăm unele cunoştinţe legate de creier, mai avem probabil un drum lung de urmat până când vom putea realiza intervenţii terapeutice la nivelul neuronilor unei persoane, dar într-o zi acest lucru ar putea fi posibil. Probabil chiar mai repede în cazul retinei".
În ceea ce priveşte alte aplicaţii care au un potenţial promiţător pe termen scurt şi în viitor, Tuthill subliniază faptul că principiile fundamentale de calcul care vor fi descoperite la nivelul sistemului vizual, ar putea într-o zi stimula inovarea mecanismului vederii - deşi el recunoaşte că va trece ceva timp până când vom înţelege suficient de mult modul în care funcţionează aceste circuite neuronale pentru a aduce o contribuţie însemnată. "Un aspect interesant al acestui studiu special, este demonstrarea faptului că fenomenul phi invers de iluzie este perceput de muşte în acelaşi fel în care este perceput de oameni. Acest lucru nu trebuie neapărat să fie adevărat, există mulţi algoritmi de detectare a mişcării, care nu ar detecta fenomenul invers phi. Este posibil să existe un argument fundamental care explică de ce această iluzie poate fi percepută de mai multe animale. Atunci când vom înţelege care este acesta, va putea fi determinat un algoritm îmbunătățit al mecanismului vederii prin intermediul căruia să se poată detecta şi procesa imaginile în cursul deplasării în ciuda unei lumi vizuale turbulente şi departe de a fi ideală".
Traducere după ghosts-machine-neural-basis-visual, cu acordul editorului.
Traducerea: Ecaterina Pavel
