Как плодовые мушки видят цвет? Исследование обнаружило работу мозговой схемы, похожей на человеческую

Ученые из Колумбийского университета идентифицировали мозговую схему, которая обеспечивает способность плодовых мушек видеть цвет, и обнаружили, что она поразительно похожа на схему, лежащую в основе нашего собственного цветового зрения. Эти находки проливают свет на фундаментальный, но загадочный процесс передачи информации о световых волнах от глаза к мозгу. Исследование не только подстегнет новые изыскания о работе цветового зрения у мух и людей, но также может стимулировать разработку алгоритмов, помогающих компьютерам видеть цвет.

Исследование опубликовано сегодня в Current Biology.

"Мозг может распознавать более миллиона различных цветов — ошеломляющая способность, которую мы только начинаем понимать", — сказала Руди Бехния, доктор философии, главный исследователь в Институте мозга, разума и поведения Мортимера Б. Цукермана при Колумбийском университете и старший автор статьи. "В сегодняшнем исследовании мы определили цепь нервных клеток, которая действует как синтезатор цвета для мозга мухи. Это открытие так захватывает, потому что похожая система, по-видимому, работает и в человеческом мозге. Чем глубже мы погружаемся в мозг плодовой мушки, тем больше узнаем о нашей собственной способности видеть и обрабатывать цвет".

У мух и людей цветовое зрение начинается с глаза, который содержит специализированные нервные клетки — фоторецепторы. Эти чувствительные к цвету клетки выстилают сетчатку на задней части глаза. У большинства людей (за исключением, например, людей с дальтонизмом) есть три типа фоторецепторов для цветового зрения. У плодовых мушек — четыре. У всех животных каждый тип фоторецептора чувствителен к определенному диапазону длин волн света. Свет, попадающий на фоторецепторы, запускает серию электрических сигналов, которые отправляются в мозг.

"Мы знаем, что мозг сравнивает эти электрические сигналы от разных фоторецепторов, в конечном итоге переводя их в цвет, но то, как именно это происходит, оставалось загадкой", — сказала доктор Бехния, также доцент нейробиологии в Колледже врачей и хирургов Вагелоса при Колумбийском университете. "Благодаря последним достижениям в молекулярных и визуализационных технологиях мы теперь можем рассматривать нервные клетки в разных областях мозга мухи с исключительной детализацией".

Небольшой размер и относительная простота мозга плодовой мушки делают ее идеальным организмом для исследования цветового зрения. Организация и структура ее мозга также хорошо задокументированы благодаря таким инициативам, как проект Fly Connectome в кампусе Janelia Research, который отобразил местоположение и связи каждой клетки в мозге мухи.

В исследовании Института Цукермана Сара Хит, докторант в лаборатории Бехнии и соавтор статьи, регистрировала активность фоторецепторов плодовой мушки по одному, пока муха смотрела на разные цветные источники света (LED).

Каждый фоторецептор имел длинные отростки — аксоны, которые простирались в оптическую долю мозга мухи, область, ответственную за зрение. Эти аксоны общались друг с другом, обмениваясь информацией о передаваемых сигналах. Проследив путь каждого сигнала, исследователи обнаружили, что эти пути ведут к типу нервных клеток под названием Dm9.

"Мы думаем, что Dm9 служит синтезатором, местом, где сигнал каждого фоторецептора сравнивается с сигналами других", — сказала доктор Бехния.

Это сравнение важно. Десятилетия экспериментов показали, что сигналов только от одного фоторецептора недостаточно, чтобы мозг идентифицировал цвет. Вот почему у людей, лишенных одного или нескольких типов фоторецепторов, наблюдается та или иная степень дальтонизма.

"Сигнал каждого фоторецептора должен быть количественно сравнен и проанализирован мозгом, чтобы был идентифицирован правильный цвет", — продолжила доктор Бехния. "И наша работа показала, что Dm9 может фактически выполнять эту роль".

Используя эти новые данные, а также данные проекта Fly Connectome, Маттиас Кристенсон, соавтор статьи и докторант в лаборатории Бехнии, разработал вычислительную модель цветовой схемы мухи. Эта модель может помочь ученым предсказать, как мухи ведут себя в ответ на разные цвета, заполняя многие пробелы в нашем понимании зрительной системы.

Кристенсон надеется, что лучшее понимание того, как мозг воспринимает цвет, также может привести к новым компьютерным технологиям для людей с нарушениями зрения.

"Современные системы с трудом справляются с сортировкой множества оттенков, которые мы испытываем каждый день", — сказал Кристенсон. "По мере того как мы продолжаем раскрывать механизмы обработки цвета, можно предвидеть алгоритмы зрения, которые улучшат способность компьютеров распознавать разные цвета".

Исследование также выявило неожиданную связь с людьми. Например, команда обнаружила, что фоторецепторы у мух на самом деле ведут себя аналогично человеческим.

"Клетки Dm9 демонстрируют поразительное сходство по структуре, организации и функции с нервными клетками в человеческой зрительной системе, называемыми горизонтальными клетками", — сказала Хит. "Это сходство может быть результатом конвергентной эволюции — явления, при котором два эволюционно различных вида — в данном случае мухи и люди — вырабатывают одно и то же решение общей проблемы".

Эти и будущие открытия команды, сделанные на мухах, могут быть использованы в качестве отправной точки для лучшего понимания человеческой зрительной системы.

"Чем больше мы узнаем о том, как мухи воспринимают окружающий мир, тем больше общего мы находим с собой", — сказала доктор Бехния. "Это делает муху невероятно информативной для ответов на некоторые из старейших вопросов биологии".

Статья называется "Механизмы схем, лежащие в основе хроматического кодирования в фоторецепторах Drosophila".