Neural subpopulations in marmoset area MT/MTC detect and discount saccade-related retinal motion
Deze studie onthult dat in het MT/MTC-gebied van de marmoet, onderscheidende neurale subpopulaties zowel corollary discharge als visuele bewegingssignalen integreren om ofwel saccade-geïnduceerde retinaal beweging te onderdrukken of te negeren, waardoor zij de perceptuele stabiliteit van de visuele wereld tijdens oogbewegingen ondersteunen.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van een preprint die niet peer-reviewed is. Dit is geen medisch advies. Neem geen gezondheidsbeslissingen op basis van deze inhoud. Lees de volledige disclaimer
De wereld beweegt niet wanneer we ernaar kijken, toch springen onze ogen voortdurend van het ene naar het andere punt van belang. Deze snelle sprongen, saccades genoemd, vinden meerdere keren per seconde plaats en vegen onze visie over het landschap met snelheden die 700 graden per seconde kunnen bereiken. Als de hersenen simpelweg elke verschuiving van het beeld op het netvlies zouden registreren, zou de wereld verschijnen als een chaotische waas van beweging. In plaats daarvan nemen we een stabiele, continue scène waar. Om dit te bereiken, moet het visuele systeem de beweging veroorzaakt door onze eigen ogen actief wegfilteren. Dit filterproces, bekend als saccadische suppressie, is een fundamentele truc van de perceptie die ons in staat stelt te navigeren zonder overweldigd te worden door de waas van onze eigen beweging.
Wetenschappers debatteren al lang over hoe de hersenen deze stabiliteit bereiken. Eén theorie suggereert dat de hersenen een "kopie" gebruiken van het oogbewegingscommando, een signaal dat vanuit de motorische planningscentra naar de visuele gebieden wordt gestuurd om hen te vertellen de binnenkomende waas te negeren. Een andere theorie stelt dat het visuele systeem simpelweg reageert op de massieve, breedveldige beweging die optreedt tijdens een sprong, waarbij die visuele chaos zelf wordt gebruikt om een suppressiemechanisme te triggeren. Een nieuwe studie bij marmosetapen heeft nu in de hersenen gekeken om te zien hoe deze twee mogelijkheden zich afspelen in de gebieden die verantwoordelijk zijn voor het verwerken van beweging. Door de activiteit van honderden individuele zenuwcellen te registreren terwijl de dieren naar natuurlijke scènes, lege schermen en zelfs in totale duisternis keken, ontdekten onderzoekers dat de hersenen een combinatie van beide strategieën gebruiken, maar met een verrassende taakverdeling tussen verschillende typen neuronen.
De onderzoekers concentreerden zich op twee specifieke regio's in de hersenen van de marmoset, gebieden die bekend staan om hun expertise in het detecteren van beweging. Ze plaatsten minuscule registratieapparaten om naar de elektrische signalen van individuele neuronen te luisteren terwijl de dieren een eenvoudige taak uitvoerden: vrij kijken naar afbeeldingen op een scherm. Om te begrijpen wat de neuronen aanstuurde, varieerde het team de omstandigheden. Soms keken de dieren naar rijke, natuurlijke foto's. Op andere momenten keken ze naar een leeg grijs scherm waar geen visuele beweging kon optreden tijdens een oogsprong. In een derde conditie werden de lichten volledig uitgeschakeld en maakten de dieren oogbewegingen in totale duisternis. Ten slotte simuleerden de onderzoekers het visuele effect van een saccade door de afbeelding op het scherm te bewegen terwijl de ogen van het dier perfect stil bleven liggen, waardoor ze de visuele beweging konden scheiden van de werkelijke oogbeweging.
De opnames onthulden een diverse populatie neuronen, die elk op een andere manier reageren op oogsprongen. Ongeveer 39 procent van de cellen vertoonde een burst van activiteit bijna onmiddellijk nadat een oogbeweging begon. Deze "early response"-neuronen waren bijzonder interessant omdat ze precies leken te weten in welke richting het oog was bewogen. Deze directionele tuning bleef standhouden, of het dier nu naar een complexe afbeelding, een leeg scherm of zelfs in het donker keek. Dit suggereert dat deze cellen een direct signaal ontvangen van de motorische commando-centra van de hersenen, een soort intern memo die zegt: "We bewegen de ogen naar rechts," waardoor de cel de beweging kan anticiperen voordat de visuele waas zelfs arriveert.
De geschiedenis gaat echter niet alleen over het ontvangen van een memo. Dezezelfde vroege neuronen vuurden ook krachtig wanneer de afbeelding op het scherm werd bewogen om een saccade te simuleren, zelfs wanneer de ogen van het dier nog stil waren. Dit geeft aan dat ze ook zeer gevoelig zijn voor de visuele beweging zelf. De onderzoekers ontdekten dat deze cellen waarschijnlijk zowel het interne motorische signaal als de externe visuele beweging integreren om te detecteren dat er een saccade plaatsvindt. Ze lijken een snelwerkend detectiesysteem te zijn, dat het interne commando gebruikt om een voorsprong te krijgen en de visuele beweging om de gebeurtenis te bevestigen.
In tegenstelling tot deze vroege detectoren gedroeg een andere groep neuronen zich anders. Deze cellen vuurden niet wanneer het oog bewoog; in plaats daarvan werden ze stil. Deze suppressie was het meest uitgesproken bij neuronen die afgestemd waren op het zien van fijne details en hoog-contrast patronen. Wanneer het oog sprong, schakelden deze cellen zichzelf uit, waardoor het visuele kanaal effectief werd afgesloten om te voorkomen dat de hersenen de waas verwerken. Deze groep cellen was bevoordeeld door bredere elektrische waveforms, een handtekening die vaak geassocieerd wordt met de primaire exciterende neuronen van de hersenen, de cellen die informatie naar andere delen van de hersenen sturen.
Misschien wel de meest opmerkelijke ontdekking was een kleine subgroep neuronen die fungeerden als een filter voor de werkelijkheid. Deze cellen reageerden sterk wanneer de afbeelding op het scherm werd bewogen om een saccade te simuleren, maar bleven volledig stil wanneer het dier daadwerkelijk een saccade maakte. Ze konden het verschil zien tussen beweging veroorzaakt door de wereld die beweegt en beweging veroorzaakt door het oog dat beweegt. De onderzoekers noemden hen "saccadic omission"-units. Omdat zij degene zijn die informatie doorgeven aan de rest van de hersenen, is hun vermogen om zelfgeïnduceerde beweging te negeren waarschijnlijk de sleutel tot waarom we een stabiele wereld zien. Als deze cellen zouden reageren op de waas van een oogsprong, zou onze perceptie elke keer dat we rondkijken worden verstoord.
De studie bracht deze verschillende celtypen ook in kaart binnen specifieke lagen van het hersenweefsel. De snel reagerende "early response"-neuronen werden voornamelijk gevonden in de diepere lagen en de inputlagen, waar ze eruit zagen als inhiberende cellen die snel activiteit konden dempen. De cellen die de beweging van echte saccades negeerden, werden voornamelijk gevonden in de oppervlakkige lagen, wat de outputlagen zijn die signalen naar andere hersengebieden sturen. Deze arrangement suggereert een specifiek circuit: de snelle, inhiberende cellen detecteren de oogbeweging en triggeren een suppressiesignaal, terwijl de outputcellen in de bovenste lagen die informatie gebruiken om de ruis te filteren, zodat het uiteindelijke beeld dat naar onze bewuste perceptie wordt gestuurd, stabiel blijft.
Door opnames van natuurlijk kijken, lege schermen en duisternis te combineren, waren de onderzoekers in staat om de complexe mix van signalen die onze stabiele visuele ervaring creëren, te ontrafelen. Ze ontdekten dat de hersenen niet vertrouwen op één enkel mechanisme om de waas van oogbewegingen te annuleren. In plaats daarvan maken ze gebruik van een gecoördineerd team van neuronen. Sommigen fungeren als snelle detectoren die interne commando's combineren met visuele aanwijzingen, terwijl anderen fungeren als filters die speciferlijk beweging negeren die wordt veroorzaakt door onze eigen acties. Deze taakverdeling stelt de hersenen in staat om een helder, stabiel beeld van de wereld te behouden, zelfs terwijl onze ogen met ongelooflijke snelheden rondspringen.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.