De acht ogen: octopusvisie onthullen met behulp van neurale kaarten

samenvatting: De onderzoekers brachten neurale activiteit in het visuele systeem van de octopus in kaart en onthulden opvallende overeenkomsten met mensen.

Het team observeerde neurale reacties op de heldere en donkere stippen, en bracht zo in kaart wat lijkt op de organisatie van het menselijk brein. Interessant is dat octopussen en mensen ongeveer 500 miljoen jaar geleden de laatste gemeenschappelijke voorouder deelden, wat een onafhankelijke evolutie van dergelijke complexe visuele systemen suggereert.

Deze bevindingen dragen aanzienlijk bij aan ons begrip van het zicht van koppotigen en de hersenstructuur.

Belangrijkste feiten:

1. Ongeveer 70% van de hersenen van een octopus is gewijd aan visie. Dit onderzoek is het eerste in zijn soort dat neurale activiteit in hun visuele systeem in kaart brengt en inzicht geeft in hoe deze zeedieren hun wereld waarnemen.
2. Ondanks dat ze 500 miljoen jaar geleden een gemeenschappelijke voorouder hadden, ontwikkelden octopussen en mensen vergelijkbare neurale kaarten voor visuele perceptie.
3. De studie ontdekte dat octopusneuronen sterk reageren op kleine lichte vlekken en grote donkere vlekken, die verschillen van het menselijke visuele systeem. Dit is waarschijnlijk te wijten aan de eigenaardigheden van de onderwateromgeving.

bron: Universiteit van Oregon

Een octopus wijdt ongeveer 70 procent van zijn hersenen aan visie. Maar tot voor kort hadden wetenschappers slechts een vaag idee van hoe deze zeedieren hun onderwaterwereld zien. Een nieuwe studie van de Universiteit van Oregon werpt licht op het gezichtspunt van de octopus.

Voor het eerst hebben neurowetenschappers de neurale activiteit van het visuele systeem van een octopus geregistreerd. Ze creëerden een kaart van het gezichtsveld van de octopus door de neurale activiteit in de hersenen van het dier direct te observeren als reactie op lichte en donkere vlekken op verschillende locaties.

Deze kaart van neurale activiteit in het visuele systeem van een octopus lijkt sterk op wat we in een menselijk brein zien – hoewel octopussen en mensen zo’n 500 miljoen jaar geleden een gemeenschappelijke voorouder deelden, ontwikkelden octopussen hun complexe zenuwstelsel onafhankelijk van elkaar.

Neurowetenschapper Christopher Neale en zijn team rapporteren hun bevindingen in een artikel dat op 20 juni is gepubliceerd in het tijdschrift Neurowetenschapper Christopher Neale. Huidige biologie.

“Niemand heeft eerder opgenomen vanuit het centrale visuele systeem van een koppotige,” zei Neal. Octopussen en andere koppotigen worden meestal niet gebruikt als modellen om het gezichtsvermogen te begrijpen, maar het team van Neal is geïntrigeerd door hun ongewone brein.

In een gerelateerd artikel dat vorig jaar werd gepubliceerd in Huidige biologieHet lab identificeerde verschillende klassen neuronen in de optische kwab van een octopus, een deel van de hersenen dat is gewijd aan visie. “Samen vormen deze artikelen een goede basis door de verschillende soorten neuronen te laten zien en waarop ze reageren – twee belangrijke aspecten die we willen weten om een ​​nieuw visueel systeem te gaan begrijpen,” zei Neal.

In de nieuwe studie maten de onderzoekers hoe neuronen in het visuele systeem van de octopus reageren op donkere en lichte vlekken die over een scherm bewegen. Met behulp van fluorescentiemicroscopie kunnen onderzoekers de activiteit van neuronen bekijken terwijl ze reageren, om te zien hoe neuronen anders reageren, afhankelijk van waar de vlekken verschijnen.

“We konden zien dat elke site in de optische kwab reageerde op een enkele locatie op het scherm voor het dier,” zei Neal. “Als we ergens heen gaan, beweegt de reactie in de hersenen.”

Dit type individuele kaarten wordt in het menselijk brein gevonden voor meerdere zintuigen, zoals visie en aanraking. Neurowetenschappers hebben de locatie van bepaalde sensaties gekoppeld aan specifieke plekken in de hersenen.

Een bekende weergave van aanraking is de homunculus, een cartoonachtige menselijke figuur waarin de delen van het lichaam zijn getekend in verhouding tot de hoeveelheid hersenruimte die daar is bestemd voor het verwerken van sensorische input.

Zeer gevoelige plekken zoals vingers en tenen lijken enorm omdat er veel herseninput is van deze lichaamsdelen, terwijl minder gevoelige gebieden veel kleiner zijn.

Maar het vinden van een geordende verbinding tussen de visuele scène en het brein van de octopus was verre van het geval. Het is een vrij complexe evolutionaire innovatie en sommige dieren, zoals reptielen, hebben dit type kaart niet. Ook hebben eerdere studies aangetoond dat octopussen geen homunculus-achtige kaart hebben van verschillende delen van hun lichaam.

“We hoopten dat de visuele kaart er was, maar niemand had het eerder opgemerkt”, zei Neal.

De onderzoekers merkten ook op dat neuronen in de octopus bijzonder sterk reageerden op kleine lichte vlekken en grote donkere vlekken – een duidelijk verschil met het menselijke visuele systeem. Het team van Neal veronderstelt dat dit te wijten kan zijn aan specifieke kenmerken van de onderwateromgeving waarin de octopussen moeten navigeren. Opdoemende roofdieren kunnen verschijnen als grote donkere schaduwen, terwijl objecten in de buurt, zoals voedsel, kunnen verschijnen als kleine lichtpuntjes.

Vervolgens hopen de onderzoekers te begrijpen hoe de hersenen van de octopus reageren op complexere beelden, zoals beelden die zich al in hun natuurlijke omgeving bevinden. Hun uiteindelijke doel is om het pad van deze visuele input dieper in de hersenen van de octopus te volgen, om te begrijpen hoe de octopus zijn wereld ziet en ermee omgaat.

Over dit onderzoek in Visual Neuroscience News

auteur: Molly Blancett
bron: Universiteit van Oregon
communicatie: Molly Blancett – Universiteit van Oregon
afbeelding: Afbeelding gecrediteerd aan Neuroscience News

Oorspronkelijke zoekopdracht: vrije toegang.
“Functionele regulatie van visuele reacties in de optische kwab van een octopusGeschreven door Christopher Neal, et al. Huidige biologie

een samenvatting

Functionele regulatie van visuele reacties in de optische kwab van een octopus

Hoogtepunten

• De functionele organisatie van het visuele systeem van koppotigen is grotendeels onbekend
• Met behulp van calciumbeeldvorming brachten we visuele reacties in kaart in de optische kwab van de octopus
• We identificeerden ruimtelijk gelokaliseerde receptieve velden met retinale organisatie
• De in- en uitpaden waren verschillend en hadden unieke grootte-selectieve eigenschappen

samenvatting

Koppotigen zijn zeer visuele dieren met camera-achtige ogen, grote hersenen en een rijk repertoire aan visueel gestuurd gedrag. De hersenen van koppotigen evolueerden echter onafhankelijk van de hersenen van andere soorten met een hoog gezichtsvermogen, zoals gewervelde dieren. Daarom zijn de neurale circuits die sensorische informatie verwerken heel verschillend.

Het is grotendeels onbekend hoe hun uniek krachtige visuele systeem werkt, aangezien er geen directe neurologische metingen zijn gedaan van visuele reacties in de hersenen van koppotigen.

In deze studie hebben we calciumbeeldvorming met twee fotonen gebruikt om visueel opgeroepen reacties vast te leggen in het primaire visuele verwerkingscentrum van het centrale brein van de octopus, de optische kwab, om te bepalen hoe basiskenmerken van de visuele scène worden weergegeven en georganiseerd.

We vonden ruimtelijk gelokaliseerde receptieve domeinen van lichte (AAN) en donkere (UIT) stimuli, die op het netvlies waren georganiseerd over de optische kwab, wat het kenmerk van visuele systeemorganisatie aantoont dat bij veel soorten voorkomt.

Onderzoek van deze reacties onthulde verschuivingen in visuele representatie over lagen van de visuele kwab, inclusief opkomst van het UIT-pad en verhoogde selectiviteit voor grootte.

We identificeerden ook asymmetrieën in de ruimtelijke verwerking van aan- en uitstimuli, die unieke circuitmechanismen suggereren voor modelverwerking die mogelijk zijn geëvolueerd om tegemoet te komen aan de specifieke vereisten van het verwerken van een visuele scène onder water.

Deze studie biedt inzicht in de neurale verwerking en functionele organisatie van het visuele systeem van de octopus, waarbij zowel gemeenschappelijke als unieke aspecten worden benadrukt, en legt een basis voor toekomstige studies van de neurale circuits die de visuele verwerking en het gedrag bij koppotigen mediëren.