Как плодовые мушки сохраняют точное зрение при изменении освещения

Чтобы поддерживать стабильную обработку зрительной информации при быстрой смене освещения (например, при движении через чередующиеся участки тени и солнца), глазам необходимы адаптивные механизмы, реагирующие за доли секунды.

Профессор Марион Зилис из Университета Иоганна Гутенберга в Майнце (JGU) отмечает, что одной адаптации фоторецепторов недостаточно — требуется дополнительный корректирующий механизм. Её группа ранее обнаружила у плодовой мушки Drosophila melanogaster такой механизм «контроля усиления» (gain control), действующий непосредственно после фоторецепторов.

Теперь команда определила алгоритмы, механизмы и нейронные сети, позволяющие мушке сохранять стабильность зрительной обработки при резких изменениях уровня освещённости. Результаты опубликованы в Nature Communications.

Проблема быстрых изменений яркости

Быстрые изменения освещённости — вызов для стабильного зрения как у животных, так и у технических систем (например, камер автономных автомобилей, которым часто требуется дополнительная радарная или лидарная технология). Исследователи решили изучить, как животные решают эту проблему без вспомогательных технологий.

Сочетание теоретического и экспериментального подходов

Сложный глаз Drosophila melanogaster состоит из 800 отдельных единиц (омматидиев). Контраст между объектом и фоном определяется постсинаптически фоторецепторами. Однако при резкой смене освещённости (например, когда объект попадает в тень) возникают различия в контрастных ответах, что без контроля усиления исказило бы последующие этапы зрительной обработки.

В исследовании под руководством доктора Бурака Гюра использовалась двухфотонная микроскопия для определения места в зрительной цепи, где впервые генерируются стабильные контрастные ответы. Были идентифицированы типы нейронов, расположенные на два синапса после фоторецепторов. Эти клетки реагируют на зрительную информацию строго локально.

Вычислительная модель, реализованная соавтором доктором Луисой Рамирес, показала, что для корректного учёта фоновой яркости при расчёте контраста необходима узкая пространственная интеграция (pooling) этой информации.

Пространственная интеграция информации о яркости

Команда нейробиологов из Майнца идентифицировала тип клеток Dm12, который соответствует всем необходимым критериям. Эти клетки интегрируют сигналы яркости в пределах определённого радиуса, что, в свою очередь, корректирует контрастный ответ между объектом и фоном в условиях быстрой смены освещения.

«Мы обнаружили алгоритмы, цепи и молекулярные механизмы, стабилизирующие зрение даже при быстрых изменениях яркости», — резюмирует Зилис. Она прогнозирует, что контроль усиления по яркости у млекопитающих, включая человека, реализован аналогичным образом, поскольку необходимый нейронный субстрат для этого имеется.