Οι υπολογιστικές προσομοιώσεις της ερευνητικής ομάδας της KAIST έδειξαν ότι τα κύματα της αυθόρμητης νευρικής δραστηριότητας στους αμφιβληστροειδούς των κλειστών ματιών στα θηλαστικά αναπτύσσουν οριζόντιες συνδέσεις μεγάλης εμβέλειας στον οπτικό φλοιό κατά τη διάρκεια των πρώτων σταδίων ανάπτυξης.
Αυτό το νέο εύρημα που παρουσιάστηκε στο περιοδικό Journal of Neuroscience της 19ης Αυγούστου ως εξώφυλλο έχει επιλύσει ένα παλιό παζλ για την κατανόηση της οπτικής νευροεπιστήμης σχετικά με την πρώιμη οργάνωση λειτουργικών αρχιτεκτονικών στον οπτικό φλοιό των θηλαστικών πριν από το άνοιγμα των ματιών, ειδικά το μακρινό εύρος οριζόντιας συνδεσιμότητας γνωστή ως κύκλωμα “ειδικά για χαρακτηριστικά”.
Για να προετοιμάσει το ζώο για να δει πότε ανοίγουν τα μάτια του, τα νευρικά κυκλώματα στο οπτικό σύστημα του εγκεφάλου πρέπει να αρχίσουν να αναπτύσσονται νωρίτερα. Ωστόσο, η σωστή ανάπτυξη πολλών εγκεφαλικών περιοχών που εμπλέκονται στην όραση γενικά απαιτεί αισθητηριακή είσοδο μέσω των ματιών.
Στον πρωτογενή οπτικό φλοιό των υψηλότερων ταξινομικών θηλαστικών, οι φλοιικοί νευρώνες παρόμοιου λειτουργικού συντονισμού με ένα οπτικό χαρακτηριστικό συνδέονται μεταξύ τους με οριζόντια κυκλώματα μεγάλης εμβέλειας που παίζουν καθοριστικό ρόλο στην επεξεργασία οπτικών πληροφοριών.
Παραδόξως, αυτές οι οριζόντιες συνδέσεις μεγάλης εμβέλειας στον πρωτογενή οπτικό φλοιό των ανώτερων θηλαστικών εμφανίζονται πριν από την έναρξη της αισθητηριακής εμπειρίας και ο μηχανισμός που διέπει αυτό το φαινόμενο παρέμεινε αόριστος.
Για να διερευνήσει αυτόν τον μηχανισμό, μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον καθηγητή Se-Bum Paik από το Τμήμα Μηχανικής Βιολογίας και Εγκεφάλου στο KAIST εφάρμοσε υπολογιστικές προσομοιώσεις πρώιμων οπτικών οδών χρησιμοποιώντας δεδομένα που λαμβάνονται από κυκλώματα αμφιβληστροειδούς σε νεαρά ζώα πριν από το άνοιγμα των ματιών, συμπεριλαμβανομένων των γατών , πιθήκους και ποντίκια.
Από αυτές τις προσομοιώσεις, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι τα αυθόρμητα κύματα που διαδίδονται στα μωσαϊκά αμφιβληστροειδούς ON και OFF μπορούν να αρχικοποιήσουν την καλωδίωση οριζόντιων συνδέσεων μεγάλης εμβέλειας με επιλεκτική συν-ενεργοποίηση φλοιών νευρώνων παρόμοιου λειτουργικού συντονισμού, ενώ ισοδύναμες τυχαίες δραστηριότητες δεν μπορούν να προκαλέσουν τέτοιες οργανώσεις.
Οι προσομοιώσεις έδειξαν επίσης ότι οι αναδυόμενες οριζόντιες συνδέσεις μεγάλης εμβέλειας μπορούν να προκαλέσουν τις φλοιώδεις δραστηριότητες με μοτίβο, που ταιριάζουν με την τοπογραφία των υποκείμενων λειτουργικών χαρτών ακόμη και σε οργανισμούς τύπου αλατιού και πιπεριού που παρατηρούνται σε τρωκτικά. Αυτό το αποτέλεσμα υπονοεί ότι το μοντέλο που αναπτύχθηκε από τον καθηγητή Paik και την ομάδα του μπορεί να παρέχει μια καθολική αρχή για τον αναπτυξιακό μηχανισμό οριζόντιων συνδέσεων μεγάλης εμβέλειας τόσο στα ανώτερα θηλαστικά όσο και στα τρωκτικά.
Ο καθηγητής Paik είπε, “Το μοντέλο μας παρέχει μια βαθύτερη κατανόηση του πώς οι λειτουργικές αρχιτεκτονικές στον οπτικό φλοιό μπορούν να προέρχονται από τη χωρική οργάνωση της περιφέρειας, χωρίς αισθητηριακή εμπειρία κατά τις πρώτες αναπτυξιακές περιόδους.”
Συνέχισε, «Πιστεύουμε ότι τα ευρήματά μας θα ενδιαφέρουν τους επιστήμονες που εργάζονται σε ένα ευρύ φάσμα τομέων όπως η νευροεπιστήμη, η επιστήμη της όρασης και η αναπτυξιακή βιολογία».
