Czy można zobaczyć, jak myśli siatkówka?

Czy można obserwować pracę komórek nerwowych w żywym ludzkim oku, nie ingerując w jego strukturę? A może nawet dowiedzieć się, w jaki sposób siatkówka przetwarza informacje, zanim trafią one do mózgu? Na te pytania ma odpowiedzieć zespół naukowców realizujących projekt MAESTRO z Międzynarodowego Centrum Badań Oka (ICTER).

Siatkówka: więcej niż biologiczna kamera

Siatkówka jest niezwykłym fragmentem naszego układu nerwowego. Choć znajduje się wewnątrz oka, stanowi w rzeczywistości część mózgu, którą możemy obserwować przez przezroczyste tkanki gałki ocznej. Zawiera około 150 milionów fotoreceptorów odbierających światło oraz skomplikowaną sieć komórek nerwowych, które analizują informacje wzrokowe. Do mózgu docierają one za pośrednictwem ponad miliona włókien nerwu wzrokowego.

Przez długi czas sądzono, że siatkówka pełni przede wszystkim funkcję biologicznej kamery, rejestrującej obraz i przesyłającej go do mózgu. Dziś wiemy, że jest znacznie bardziej zaawansowanym układem obliczeniowym. Potrafi wykrywać ruch, kontrast, zmiany oświetlenia i określone cechy obserwowanej sceny. Innymi słowy, część tego, co nazywamy widzeniem, odbywa się jeszcze zanim informacja opuści oko.

Problem polega na tym, że nadal nie potrafimy w pełni obserwować działania tej biologicznej sieci neuronowej u żywego człowieka. Możemy stosunkowo łatwo dostarczać jej sygnały wejściowe, pobudzając fotoreceptory światłem, ale znacznie trudniej zmierzyć odpowiedź komórek zwojowych siatkówki, które przekazują przetworzone informacje do mózgu.

Od obserwacji fotoreceptorów do śledzenia aktywności neuronów

Punktem wyjścia w tym projekcie jest opracowana przez naukowców technologia obrazowa STOC-T, umożliwiająca szybkie, trójwymiarowe obrazowanie mikroskopijnych struktur siatkówki. Na jej podstawie powstała również optoretinografia migotaniowa (f-ORG), pozwalająca mierzyć niezwykle małe, nanometrowe zmiany zachodzące w fotoreceptorach pod wpływem światła. Dzięki temu można nie tylko zobaczyć komórki odpowiedzialne za widzenie, ale również badać ich reakcje na bodźce świetlne.

Teraz badacze chcą pójść o krok dalej: zmierzyć aktywność neuronów, które znajdują się na wyjściu układu przetwarzania informacji wzrokowej. W tym celu opracują nową odmianę optoretinografii, wykorzystującą analizę polaryzacji światła, określaną jako pdORG. Metoda ma wykrywać subtelne zmiany właściwości optycznych tkanki towarzyszące aktywności komórek nerwowych. Specjalnie zmodyfikowany układ STOC-T będzie jednocześnie rejestrował sygnały w dwóch stanach polaryzacji, umożliwiając poszukiwanie optycznych oznak pobudzenia neuronów.

Podczas eksperymentu na siatkówce wyświetlane będą kontrolowane wzory świetlne, na przykład migoczące obrazy. Naukowcy będą rejestrować nawet 100–200 trójwymiarowych obrazów siatkówki na sekundę, analizując, jak poszczególne obszary komórek zwojowych reagują na określone bodźce. Pozwoli to porównywać sygnały wejściowe i wyjściowe oraz badać sposób przetwarzania informacji przez żywą sieć neuronową.

Projekt obejmuje budowę aparatury, opracowanie algorytmów analizy danych oraz walidację metody w badaniach laboratoryjnych, na modelach zwierzęcych i u zdrowych ochotników. Kluczowym wyzwaniem będzie wykazanie, że rejestrowane sygnały optyczne rzeczywiście odzwierciedlają aktywność neuronów.

Nowe okno na pracę mózgu i przyszłość neuronauki

Jeśli badania zakończą się sukcesem, powstanie nowe narzędzie do nieinwazyjnego badania funkcjonowania siatkówki. W przyszłości może ono pomóc lepiej rozumieć choroby prowadzące do utraty wzroku, w których zaburzenia aktywności komórek nerwowych pojawiają się wcześniej niż widoczne zmiany anatomiczne.

Znaczenie projektu wykracza jednak poza okulistykę. Siatkówka jest jednym z nielicznych miejsc, w których można badać działanie złożonej sieci neuronowej żywego człowieka za pomocą światła. Poznanie sposobu, w jaki przekształca ona bodźce w informacje przekazywane do mózgu, może otworzyć nowe możliwości w neuronauce, a w dalszej perspektywie również w rozwoju interfejsów łączących biologiczne układy nerwowe z komputerami.

Ostatecznym celem jest więc coś więcej niż wykonanie kolejnego, dokładniejszego obrazu oka. Chodzi o przejście od obserwowania struktury siatkówki do zrozumienia, jak ona działa, a być może pewnego dnia także o możliwość obserwowania za pomocą światła, jak ludzki układ nerwowy przetwarza informacje.