Mendengar sebagai ganti penglihatan: mengkonfigurasi ulang neuron otak untuk beradaptasi dengan kegelapan

Manusia, seperti banyak hewan lain di planet ini, dianggap sebagian besar makhluk hari. Hampir semua sistem tubuh kita disetel untuk aktivitas di siang hari dan untuk istirahat di malam hari. Regulator yang paling penting ketika kita tidur dan ketika kita tetap terjaga adalah otak kita. Dia juga bertanggung jawab untuk memproses informasi yang diterima melalui indera. Keakuratan informasi ini tergantung pada keadaan di mana ia diterima dan bagaimana kita menafsirkannya: di senja ada gantungan di mana mantel digantung, dan otak kita memberi tahu kita: "ini adalah monster yang akan memakan kita sekarang." Namun, dalam keadaan tertentu, beberapa sinyal dapat mengimbangi kerugian yang lain.

Hari ini kita akan bertemu sebuah penelitian di mana para ilmuwan dari University of Maryland (AS) menempatkan tikus laboratorium dalam kegelapan selama seminggu penuh. Bagaimana perilaku tikus berubah selama percobaan, perubahan apa dalam jaringan saraf di otak yang mereka miliki, dan kesimpulan apa yang ditarik para ilmuwan dari pengamatan mereka? Laporan peneliti akan menjelaskan pertanyaan-pertanyaan ini. Ayo pergi.

Dasar studi

Kita semua tahu bahwa ketika bergerak dari ruangan yang terang ke ruangan gelap, visi kita perlu sedikit beradaptasi. Proses ini disebut cukup prosa - adaptasi mata. Ketika kita masuk ke ruangan yang kurang terang, mata kita mulai panik beradaptasi dengan kondisi baru, setelah itu proses ini melambat. Jika Anda menutup mata selama beberapa menit sebelum memasuki kegelapan, maka adaptasi akan berlangsung lebih baik dan lebih lambat. Dipercayai bahwa untuk alasan ini para perompak memiliki penutup mata di satu mata: ketika mereka memasuki palka kapal, di mana penerangannya bukan yang terbaik, mereka mengubah penutup mata di mata lainnya, dengan demikian sebelumnya menutup informasi yang dipersepsikan lebih baik. Tampaknya memang benar, tetapi itu bisa berupa dongeng sederhana.

Namun, selain penglihatan, ada perasaan lain, termasuk pendengaran. Kita sering mendengar bahwa orang buta seharusnya mendengar lebih baik. Juga diyakini bahwa plastisitas sensorik dalam satu modalitas * lebih berkembang pada anak-anak, namun, bahkan pada orang dewasa, plastisitas lintas-modal dapat berkembang.

Modality * - milik sinyal tertentu ke sistem sensor tertentu. Ada beberapa jenis modalitas: visual, pendengaran, menyakitkan, kinestetik, dll.

Dalam kasus plastisitas lintas-modal, neuron otak ditata ulang sedemikian rupa untuk menggabungkan fungsi dua atau lebih sistem. Fenomena ini sering terjadi dengan latar belakang kekurangan sensorik (deteriorasi) dari sistem tertentu karena trauma atau penyakit. Reorganisasi saraf yang paling menonjol terjadi pada orang yang buta atau tuli sejak lahir. Artinya, semakin lama perampasan, semakin kuat plastisitas lintas-modal.

Dengan kata lain, hilangnya modalitas indera dapat dikompensasi oleh plastisitas dalam perasaan lain. Studi sebelumnya menunjukkan bahwa orang buta sejak lahir menerima sinyal suara jauh lebih baik, lokasi sumbernya (lokalisasi suara), dan karakteristik frekuensi. Jelas, perubahan seperti itu lebih berkembang dalam kasus cacat sensor bawaan. Namun, bahkan pada orang dewasa dari berbagai spesies, plastisitas sensorik dan lintas modal dapat berkembang karena perubahan lingkungan.

Misalnya, periode pendek kekurangan visual pada tikus di tingkat sel meningkatkan selektivitas frekuensi di korteks pendengaran (A1), sambil menurunkan nilai ambang batas dan meningkatkan tingkat transmisi impuls oleh neuron L4 ( lapisan thalamorecipient 4 ) dari korteks pendengaran. Perubahan serupa pada tingkat sel adalah hasil dari perubahan sirkuit saraf. Efek kegelapan mengarah pada peningkatan sinyal masuk thalamic di L4, naiknya koneksi intrakortikal dari neuron L4 ke neuron L2 / 3 (lapisan thalamorecipient 2/3), serta untuk memperkuat ikatan intralayer rangsang dan penghambatan dalam L2 / 3, koneksi naik dari L4 interlayer yang menanjak. ke L2 / 3 dan koneksi umpan balik dari L2 / 3 ke L4.

Namun, rangsangan sensorik dikonversi menjadi informasi bukan oleh neuron individu, tetapi oleh kelompok mereka (populasi). Oleh karena itu, perubahan dalam koneksi antara neuron dalam populasi tersebut dapat memiliki efek langsung pada pembentukan informasi dari sinyal yang masuk.

Karena persepsi frekuensi suara bervariasi antara L4 dan L2 / 3, para ilmuwan memutuskan untuk memeriksa apakah efek sementara kegelapan pada individu usia dewasa dapat merestrukturisasi neuron dan hubungan mereka satu sama lain di dalam korteks pendengaran tikus laboratorium. Pencitraan kalsium dua foton (Ca ²⁺ ) digunakan untuk mengamati proses perubahan di otak. Aktivitas yang diinduksi oleh suara dari neuron L2 / 3 dan L4 diukur, menunjukkan adanya peningkatan selektivitas frekuensi.


Gambar No. 1: pencitraan dua foton kalsium (Ca ²⁺ ) neuron pada A1 pada tikus.

Tikus percobaan adalah tikus laboratorium, yang secara acak dibagi menjadi dua kelompok: kontrol (hidup di bawah pencahayaan normal, 9 individu) dan tes (hidup dalam kegelapan, 6 individu). Tetap dalam gelap (DE - paparan gelap) relatif singkat - 1 minggu ( 1A ).


Tabel No. 1: pencitraan kalsium memungkinkan kita untuk memperoleh gambaran aktivitas ratusan neuron di setiap lapisan korteks pendengaran.

Para ilmuwan juga mencatat bahwa penelitian sebelumnya menunjukkan bahwa DE tidak menyebabkan perubahan pada sifat permeabilitas sel internal ( 1C ). Ini sangat penting karena indikator kalsium GCaMP6 ( 1V ) digunakan selama pencitraan.

Untuk mengkarakterisasi aktivitas neuron individu pada tikus dari kelompok kontrol dan tes, plot 300 × 300 μm divisualisasikan dalam lapisan L2 / 3 dan L4 pada saat paparan suara (nada murni) 4-64 kHz, 60 dB ( 1D ). Pertama, sel-sel yang merespons rangsangan ini diidentifikasi. Sel yang setidaknya bereaksi entah bagaimana diklasifikasikan sebagai "responsif." Setelah paparan kegelapan, proporsi sel yang bereaksi pada L4 tidak berubah, tetapi pada L2 / 3 lebih sedikit sel yang menanggapi stimulus ( 1E ), yang menunjukkan sparsifikasi (peningkatan interval antara sesuatu) dari respons kortikal pada lapisan granular.

Pendaftaran unit individu * menunjukkan bahwa sel-sel L4 pada tikus dari kelompok uji memiliki frekuensi neuron spontan dan yang diinduksi lebih tinggi (aktivitas neuron).

Pendaftaran unit individu * - metode pengukuran reaksi elektrofisiologis neuron individu menggunakan microelectrode.

Lebih lanjut diputuskan untuk mencari tahu apakah perubahan serupa hadir pada tingkat sel individu di lapisan L2 / 3. Untuk mengevaluasi aktivitas spontan neuron (SD) yang mengekspresikan GCaMP6 tikus, proses fluoresensi transien diukur yang mendahului permulaan stimulus dan selama pencitraan yang berkepanjangan tanpa stimulus apa pun.

Setelah tetap dalam kegelapan, aktivitas spontan neuron meningkat pada L4 dan L2 / 3 ( 1F ).

Penurunan sensitivitas tonal dapat dikaitkan dengan perubahan frekuensi tuning neuron di korteks pendengaran. Rekaman sebelumnya dari mikroelektroda menunjukkan bahwa sel L4 pada tikus kelompok uji telah meningkatkan selektivitas frekuensi, dan karena L2 / 3 menerima input dari L4, perubahan yang sama dapat terjadi pada L2 / 3. Setelah ini, kurva tuning dibuat untuk setiap sel responsif berdasarkan respons maksimum yang disebabkan oleh reproduksi suara ( 2A ).


Gambar No. 2: tetap dalam kegelapan meningkatkan sensitivitas dan selektivitas frekuensi neuron di L4 dan L2 / 3.

Pertama, amplitudo dari respons yang ditimbulkan diukur pada frekuensi terbaik (BF, yaitu frekuensi puncak pada kurva). Amplitudo respon setelah paparan kegelapan meningkat baik pada neuron L4 dan neuron L2 / 3, namun pada L4 yang lebih besar ( 2B ). Pengamatan ini sepenuhnya konsisten dengan catatan elektrofisiologis dan peningkatan aferen thalamokortikal * ke L4.

Resonansi thalamokortikal * - fenomena osilasi sinkron (aktivasi simultan periodik populasi individu neuron) dari neuron dari berbagai inti thalamus dan area terkait dari korteks serebral.

Afferent * adalah neuron yang mentransmisikan impuls dari reseptor ke otak atau sumsum tulang belakang.

Selanjutnya, kami mengevaluasi selektivitas frekuensi sel pada tikus dari kelompok uji dan kontrol. Analisis menunjukkan bahwa bandwidth neuron L4 dan L2 / 3 setelah paparan kegelapan kurang dari pada hewan dari kelompok kontrol ( 2C ).

Totalitas pengamatan ini menunjukkan bahwa pada tingkat sel individu, perubahan setelah gelap adalah sama di L4 dan L2 / 3, kecuali bahwa amplitudo respons di L4 meningkat setelah gelap, tetapi tidak di L2 / 3.

Oleh karena itu, setelah waktu tertentu, paparan kegelapan dapat menyebabkan perubahan dalam respons neuron korteks pendengaran di L4 dan L2 / 3. Namun di L4, perubahan ini masih akan lebih signifikan daripada di L2 / 3. Meskipun lebih sedikit sel bereaksi terhadap suara setelah terpapar kegelapan, mereka yang merespons dalam A1 menjadi lebih sensitif dan selektif terhadap suara. Dengan kata lain, dalam kegelapan, neuron korteks pendengaran bertindak berdasarkan prinsip "kualitas, bukan kuantitas," karena jumlah sel responsif menurun, tetapi aktivitasnya meningkat.


Gambar 3: paparan kegelapan mengubah distribusi selektivitas frekuensi di korteks pendengaran.

Data pengamatan menunjukkan bahwa sel-sel peka-nada pada korteks pendengaran L4 menunjukkan amplitudo respons yang lebih tinggi, dan sel-sel di kedua lapisan A1 menunjukkan peningkatan selektivitas suara setelah terpapar dengan kegelapan. Namun, perubahan pada tingkat sel individu ini tidak menjelaskan mengapa, setelah terpapar kegelapan, ada lebih sedikit neuron yang bereaksi pada L2 / 3. Neuron di lapisan kortikal sensorik dapat menyesuaikan tuningnya berdasarkan faktor perilaku. Selain itu, pengalaman sensorik dini dapat mengubah area korteks pendengaran, yang merespon suara frekuensi tertentu. Berdasarkan informasi ini, para ilmuwan menyarankan bahwa populasi saraf individu mengubah preferensi mereka untuk rangsangan eksternal.

Untuk menguji hipotesis ini, para ilmuwan mempelajari distribusi frekuensi pilihan untuk populasi neuron pada tikus dari kelompok uji dan kontrol.

Tikus dari kelompok kontrol "disukai" frekuensi dalam kisaran 4 hingga 64 kHz, sementara sebagian besar neuron lebih suka suara dalam kisaran 8 hingga 32 kHz. Tetapi tikus dari kelompok uji bereaksi lebih aktif terhadap frekuensi tinggi pada kisaran 32-64 kHz ( 3B ).

Peningkatan jumlah sel lebih responsif terhadap frekuensi tinggi (32-64 kHz) diamati pada lapisan L2 / 3, dan yang lebih rendah (4-8 kHz) di lapisan L4. Di kedua lapisan, penurunan persepsi frekuensi menengah dalam kisaran 8-16 kHz ( 3A ) diamati.

Seperti yang Anda tahu, rangsangan sensorik dikodekan tidak hanya oleh neuron individu, tetapi juga oleh populasi neuron. Korelasi aktivitas antara neuron, pada gilirannya, berkontribusi pada proses penyandian informasi. Dalam L4 dan L2 / 3, sel-sel yang berdekatan menunjukkan korelasi sinyal yang tinggi (SC), yang mencerminkan aktivitas berkorelasi yang didorong oleh stimulus. Ada juga korelasi pasangan (NC), yang mewakili kovarians stimulus-independen antara eksperimen.

Para ilmuwan telah menyarankan bahwa meningkatkan ikatan interlayer dan intra-laminar fungsional setelah paparan kegelapan dapat menyebabkan penurunan korelasi pasangan. Oleh karena itu, NC akan memungkinkan kita untuk mempelajari perubahan tingkat aktivitas berkorelasi antara neuron di L4 dan L2 / 3 setelah paparan kegelapan.


Gambar No. 4: NC mengurangi lapisan L4 karena efek kegelapan.

Efek kegelapan menyebabkan penurunan NC dan SC antara sel-sel lapisan L4. Namun, di lapisan L2 / 3, NCs praktis tidak berubah ( 5A ).


Gambar No. 5: Pengurangan NC pada lapisan L2 / 3 karena efek kegelapan.

Kegelapan menyebabkan penurunan SC antara neuron di L2 / 3 ( 5B ). Karena itu, kegelapan tidak hanya mengubah pengaturan neuron individu, tetapi juga interkoneksinya satu sama lain di lapisan L2 / 3 dan di L4.

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian, saya sarankan Anda membaca laporan para ilmuwan .

Epilog

Tikus yang tetap dalam kegelapan selama satu minggu menunjukkan aktivitas neuron yang sangat berbeda dari tikus yang hidup di bawah pencahayaan normal. Neuron korteks pendengaran tikus dari kelompok uji mengkonfigurasi ulang diri mereka sendiri dan hubungan antara satu sama lain untuk persepsi yang lebih akurat dari frekuensi tinggi dan rendah, sambil mengorbankan persepsi yang tengah. Para ilmuwan sendiri belum dapat secara akurat menjelaskan selektivitas semacam itu. Mereka berpendapat bahwa ini mungkin karena apa yang ingin didengar tikus dengan lebih baik: langkah mereka, suara dari tikus lain, dll.

Penting untuk dicatat bahwa tikus percobaan itu sehat, yaitu penglihatan mereka benar-benar normal sejak lahir. Sebelumnya diasumsikan bahwa perubahan aktivitas saraf seperti itu lebih cenderung terjadi secara eksklusif pada mereka yang, sejak lahir (atau sejak usia dini), menderita disfungsi sensorik. Namun, ternyata, bahkan otak orang dewasa dapat berubah, beradaptasi dengan kondisi lingkungan.

Di masa depan, para ilmuwan berencana untuk memperluas penelitian mereka dengan menambahkan manipulasi suara yang akan didengar tikus. Ini akan memungkinkan Anda untuk lebih akurat menentukan suara apa dan sejauh mana tikus bereaksi dalam gelap.

Studi ini tidak hanya memuaskan keingintahuan dangkal para ilmuwan, tetapi juga bisa sangat berguna untuk orang-orang dengan gangguan pendengaran. Secara khusus, pekerjaan ini dapat menyederhanakan proses adaptasi gangguan pendengaran untuk alat bantu dengar dan implan koklea.

Struktur, yang terdiri dari miliaran blok yang mampu bertindak secara terpisah satu sama lain dan bersama-sama, tidak dapat sepenuhnya dijelaskan dan dijelaskan dalam satu studi. Otak kita adalah sistem seperti itu. Pada saat yang sama, dengan setiap studi baru kita akan mempelajari informasi yang lebih dan lebih berharga mengenai organ kita yang paling penting, misteri yang sebanding dengan bentangan alam semesta yang tidak diketahui.



Terima kasih telah menonton, tetap ingin tahu dan memiliki akhir pekan yang hebat semuanya, kawan. :)

Sedikit iklan :)

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikan kepada teman Anda VPS berbasis cloud untuk pengembang mulai $ 4,99 , analog unik dari server entry-level yang diciptakan oleh kami untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps mulai dari $ 19 atau cara membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah di pusat data Equinix Tier IV di Amsterdam? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?