Kiedy gracze internetowi przyczynili się do dużego odkrycia naukowego

2024 Autor: Sherilyn Boyd | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 09:39

Aby rozwiązać zagadkę tego, jak oko postrzega ruch i kierunek, neurolodzy najpierw musieli stworzyć mapę nerwowych dróg siatkówki - z jej zniechęcającej liczby możliwych połączeń. Wiedząc, że wiele rąk (i touchpadów) sprawia, że praca jest lekka, opracowali program, w którym gracze online wykorzystali swoje unikalne umiejętności, aby odwzorować te połączenia - i zrobić coś produktywnego pomimo siebie.

Oczy robią więcej niż tylko widzenie

Popularny nieporozumienie mówi, że percepcja dzieje się całkowicie w mózgu, a miliardy neuronów w ciele są jedynie posłańcami, które wysyłają surowe dane do centralnego procesora. W rzeczywistości, przynajmniej u ssaków, neurony w siatkówce analizują złożone informacje na długo przed wysłaniem danych do twojej fasoli.

Dzieje się tak dlatego, że w zależności od rodzaju i umiejscowienia komórki nerwowej w siatkówce, będzie ona wyzwalana przez różnego rodzaju bodźce, takie jak światło lub ruch. W badaniu z 1964 roku stwierdzono, że niektóre grupy komórek nerwowych w siatkówkach królików były nawet wyzwalane przez wielkość, kierunek i szybkość. W rzeczywistości w przypadku niektórych komórek tylko ruch w określonym kierunku spowodowałby ich ruch, tak że ruch w przeciwnym kierunku nie byłby - proces określany jako selektywność kierunkowa.

Potrzebna jest więcej niż jedna komórka do określenia kierunku i wspólnie przeprowadzają co najmniej prymitywną analizę danych przed wysłaniem przez nerw wzrokowy do mózgu.

Jednak do niedawna nikt nie był dokładnie pewien, jak te różne komórki nerwowe są połączone i komunikowane.

Komórki w siatkówce

Kilka rodzajów wizualnych komórek nerwowych musi współpracować, aby można było dostrzec kierunek: fotoreceptory, neurony dwubiegunowe i komórki amakrynalne gwiazd. Fotoreceptory są wyzwalane przez światło uderzające w siatkówkę, przez co wysyłają sygnał elektryczny do komórki dwubiegunowej, która przekazuje sygnał do gwiazdotwórczych komórek amakrynowych.

Te ogniwa gwiaździste (pomyśl o kole rowerowym i jego szprychach) mają liczne drobne włókna (zwane dendrytami) rozciągające się w niezliczonych kierunkach, powodujące skomplikowane połączenia i ścieżki, które są trudne do śledzenia. Ostatecznie jednak informacje są wysyłane z gwiazdozbioru do zbioru komórek nerwowych (zwanych zwojami nerwowymi), które ostatecznie wysyła częściowo analizowane dane do mózgu.

Wykreowanie gry z nauki (i naukowców z graczy)

Zanim możliwe było odwzorowanie wszystkich połączeń, najpierw trzeba było uzyskać wysokiej jakości obraz siatkówki 3D. Początkowo siatkówkę myszy pocięto na wiele bardzo cienkich kawałków i skanowano za pomocą mikroskopu elektronowego. Po ich złożeniu utworzono obraz 3D, który następnie przekształcono w grę EyeWire, w której "gracze mają problemy z mapowaniem gałęzi neuronu z jednej strony kostki na drugą. Pomyśl o tym jak o puzzle 3D. Gracze przewijają kostkę (mierzą około 4,5 mikrona na stronę lub ~ 10x mniejszą niż średnia szerokość ludzkiego włosa) i rekonstruują neurony w wolumetrycznych segmentach za pomocą algorytmu sztucznej inteligencji opracowanego w Seung Lab."

W tym Starburst Challenge najlepszych 2000 graczy było w stanie odpowiednio odwzorować siatkówkę, aby badacze mogli rozpoznać przynajmniej jedną ze ścieżek używanych do wykrywania kierunku. Naukowcy byli bardzo wdzięczni za wkład swoich graczy, EyeWirerzy zostali włączeni jako współautorzy do artykułu naukowego, w którym opublikowano wyniki badań.

Jak siatkówka wykrywa ruch

Zasadniczo, dla każdego dendrytu w ogniwie z gwiazdą, szczególny rodzaj komórki dwubiegunowej (BC3) byłby przyłączony na zewnątrz wzdłuż dentrytu, a inny rodzaj komórki dwubiegunowej (BC2) byłby dołączony w pobliżu piasty. Dwa typy ogniw bipolarnych uruchamiają się z różnymi prędkościami, a BC2 ma dłuższe opóźnienie.

Kiedy światło wpada w pole widzenia, pobudza fotoreceptory, które powodują, że oba rodzaje komórek dwubiegunowych strzelają; często wiadomości z dwóch typów komórek wzdłuż dendrytu docierają do komórki gwiazdowej w różnym czasie (w niewielkiej części z powodu większego opóźnienia BC2).

Jednakże, gdy obiekt w widoku porusza się wzdłuż kierunku danego dendrytu, wiadomości wysyłane z jego dwóch typów komórek dwubiegunowych (BC2 i BC3) uderzają w komórkę gwiazdową w tym samym czasie, który z kolei będzie pod wystarczającym wrażeniem, że wysyła sygnał do swojej komórki zwojowej: "Zasadniczo mówienie mózgowi, że obiekt porusza się w kierunku określonym przez orientację mocno strzelającego dendrytu."

Autorzy badania ostrzegają, że tylko mała część ścieżek siatkówki została zmapowana i że prawdopodobnie istnieją inne komórki nerwowe zaangażowane w wykrywanie ruchu.

Inne gry mózgu

Nie ograniczając się tylko do wzroku, EyeWire ma nadzieję na mapowanie wszystkich połączeń mózgu (zwanych connectome), a nowy projekt jest w toku, aby prześledzić ścieżki neuronowe, które łączą określone zapachy z reakcjami emocjonalnymi.

Dodatkowe informacje o neuronach

• Załoga EyeWire podjęła się ogromnego zadania. Jest ponad 85 miliard neurony w przeciętnym ludzkim ciele i od 19 do 23 miliardów w samej korze mózgowej (gdzie małe szare komórki realizują złożone myślenie). Dla porównania, naszym najbliższym konkurentem jest słoń afrykański, który ma tylko 11 miliardów neuronów w korze dużego mózgu.
• Chociaż konwencjonalna mądrość utrzymywała, że kora nowa (gdzie występuje najbardziej złożone myślenie) występuje tylko u ssaków, ostatnie stypendium zakwestionowało to. Co najmniej dwa gatunki ptaków i jeden z żółwi mają ten sam typ "komórek podobnych do kory mózgowej" w różnych częściach mózgu, co prowadzi do tego, że niektórzy mogą kwestionować, czy są zdolni do zaawansowanych funkcji mózgu. Natomiast gąbki morskie mają zerowe (0) komórki nerwowe.