Connectome-based biophysical modeling of a figure-ground discrimination circuit
Integrando i dati del connettoma di Drosophila con simulazioni biofisiche, questo studio rivela che un circuito di inibizione reciproca tra i rilevatori di movimento T4a e il neurone vCH consente la discriminazione figura-sfondo, dimostrando come un singolo neurone possa elaborare simultaneamente il movimento locale nei suoi dendriti e il movimento relativo nel suo assone attraverso l'inibizione per shunt.
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Per vedere un predatore nascosto nell'erba o un compagno che si muove attraverso una folla, un animale deve risolvere un difficile enigma visivo: come distinguere un oggetto distinto da uno sfondo affollato e rumoroso. Questa capacità, nota come discriminazione figura-sfondo, è una competenza di sopravvivenza condivisa da creature diverse come gli esseri umani e le mosche della frutta. Per decenni, gli scienziati hanno saputo che il cervello non si limita a guardare un singolo punto nello spazio per trovare un oggetto. Al contrario, confronta il movimento di un punto specifico con il movimento di tutto ciò che lo circonda. Se un piccolo oggetto si muove a una velocità diversa o in una direzione diversa rispetto allo sfondo, il cervello lo segnala come un'entità separata. Questo processo si basa su un tipo specifico di circuito neurale che fu proposto per la prima volta oltre quarant'anni fa, un design teorico che suggeriva l'uso da parte del cervello di una "piscina" di rilevatori di movimento ad ampia area per inibire e filtrare il rumore di fondo, permettendo al movimento unico dell'oggetto di risaltare.
Per molto tempo, questo circuito è rimasto una teoria perché la minuscola cablatura all'interno del cervello di un insetto era troppo complessa per essere mappata in dettaglio completo. I ricercatori potevano ipotizzare come i neuroni si connettessero, ma non potevano vedere esattamente dove i segnali si incontrassero o come le correnti elettriche fluissero attraverso le ramificazioni microscopiche delle cellule. Ora, un team di scienziati ha combinato una mappa completa e ad alta risoluzione del cervello della mosca della frutta con simulazioni informatiche dettagliate per dare vita a questa vecchia teoria. Tracciando le reali connessioni fisiche tra i neuroni, hanno identificato l'hardware preciso che esegue questo calcolo. Hanno scoperto che il cervello utilizza una coppia specifica di neuroni che comunicano tra loro in un ciclo: un neurone rileva il movimento locale di un piccolo oggetto, mentre l'altro raccoglie i dati sul movimento di tutto il campo visivo. Quando questi due segnali si incontrano, il neurone a campo ampio invia un segnale al primo, annullando efficacementmente il movimento dello sfondo e lasciando solo il movimento dell'oggetto.
I ricercatori si sono concentrati su un tipo specifico di neurone nella mosca della frutta chiamato T4a, che agisce come un rilevatore di movimento per piccoli bordi in movimento. Hanno scoperto che questi neuroni T4a sono connessi a un neurone molto più grande chiamato vCH, che si estende su un'ampia area del campo visivo. La connessione è reciproca, il che significa che si scambiano informazioni avanti e indietro. Il neurone T4a invia il suo segnale di movimento locale al vCH, che integra questa informazione attraverso l'intero occhio per comprendere il flusso generale dello sfondo. In cambio, il vCH invia un segnale al T4a, ma questo approda su una parte molto specifica del neurone T4a: il terminale assonale, che è l'estremità di uscita della cellula. Questa posizione è cruciale. L'estremità di ingresso del neurone T4a, il dendrite, elabora ancora il movimento locale grezzo, ma l'estremità di uscita riceve il segnale inibitorio dal vCH. Questo segnale agisce come una porta che chiude la risposta quando l'oggetto e lo sfondo si muovono insieme, ma permette al segnale di passare quando si muovono in opposizione.
Attraverso le loro simulazioni, il team ha dimostrato che questo semplice ciclo è sufficiente per creare la capacità di distinguere un oggetto dal proprio sfondo. Quando l'oggetto e lo sfondo si muovono in sincronia, il segnale inibitorio del vCH sopprime l'output del neurone T4a, rendendo l'oggetto invisibile al sistema. Tuttavia, quando l'oggetto si muove nella direzione opposta rispetto allo sfondo, l'inibizione viene meno e il neurone T4a si attiva fortemente, segnalando la presenza di una figura distinta. Lo studio ha anche rivelato che questo circuito di base è potenziato da due percorsi aggiuntivi. Un percorso aiuta ad affinare il contrasto confrontando direzioni di movimento opposte, mentre un altro permette alla mosca di confrontare il movimento tra i suoi due occhi, garantendo che il rilevamento funzioni anche se lo sfondo si muove diversamente su ciascun lato.
Ciò che rende questa scoperta particolarmente sorprendente è che tutto questo complesso calcolo avviene all'interno di un singolo neurone. La cellula T4a svolge due lavori diversi in due parti diverse del proprio corpo. I suoi dendriti calcolano la direzione del movimento locale, mentre i suoi terminali assonali calcolano il movimento relativo tra l'oggetto e lo sfondo. Ciò significa che il cervello non ha bisogno di una rete separata e complessa di molti neuroni diversi per risolvere questo problema; un singolo neurone, attraverso la sua forma fisica e la specifica disposizione delle sue connessioni, può dividere le proprie funzioni per gestire sia il dettaglio locale che il contesto globale. I ricercatori hanno testato questa idea simulando cosa accadrebbe se avessero rimosso determinate connessioni o cambiato la forma dei neuroni. Hanno scoperto che senza il feedback dal vCH, la capacità di rilevare l'oggetto svaniva, confermando che questo specifico ciclo è il meccanismo centrale.
Lo studio ha anche offerto una spiegazione del perché diverse specie di mosche possano vedere il mondo in modo leggermente diverso. Sebbene la cablatura di base sia simile tra le specie di mosche, la forza delle connessioni può variare. I ricercatori hanno simulato cosa accadrebbe se il segnale inibitorio fosse reso molto più forte. Hanno scoperto che questo cambiamento potrebbe spostare il comportamento della mosca per far sì che corrisponda a quello di mosche più grandi, che rispondono diversamente agli oggetti in movimento. Ciò suggerisce che piccoli cambiamenti nella forza di una singola connessione possono sintonizzare l'intero sistema visivo sulle esigenze specifiche di una specie. Costruendo un modello che rispetta la reale struttura fisica del cervello, il team è andato oltre il semplice indovinare come la mosca vede e ha dimostrato esattamente come i fili siano disposti per rendere possibile quella visione. Il lavoro conferma che la capacità del cervello di trovare un ago in un pagliaio di movimenti si basa su un'interazione precisa e localizzata tra un piccolo rilevatore e un integratore ad ampia area, una soluzione che è sia elegante che profondamente radicata nell'architettura fisica del cervello.
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