Špatný zrak v kojeneckém věku může pomoci organizovat zrakové dráhy v mozku

Informace přicházející ze sítnice jsou vedeny do dvou drah v zrakovém systému mozku: jedna zodpovídá za zpracování barev a jemných prostorových detailů a druhá se podílí na prostorové lokalizaci a detekci vysokých časových frekvencí. Nová studie z MIT popisuje, jak tyto dvě dráhy mohou být formovány vývojovými faktory.

Novorozenci typicky mají špatnou zrakovou ostrost a špatné barevné vidění, protože jejich sítnicové čípkové buňky nejsou při narození dobře vyvinuté. To znamená, že v raném věku vidí rozmazané obrazy s redukovaným barevným spektrem. Tým MIT předpokládá, že takové rozmazané, barevně omezené vidění může vést k tomu, že se některé mozkové buňky specializují na nízké prostorové frekvence a nízké barevné ladění, což odpovídá takzvanému magnocelulárnímu systému. Později, se zlepšeným viděním, se buňky mohou naladit na jemnější detaily a bohatší barvy, v souladu s druhou drahou, známou jako parvocelulární systém.

Aby ověřili svou hypotézu, vědci trénovali výpočetní modely vidění na trajektorii vstupních dat podobných těm, které dostávají lidská mimina v raném věku – nízkokvalitní obrazy na začátku, následované plnobarevnými, ostřejšími obrazy později. Zjistili, že tyto modely vyvinuly zpracovatelské jednotky s receptivními poli vykazujícími určitou podobnost s rozdělením magnocelulárních a parvocelulárních drah v lidském zrakovém systému. Modely vidění trénované pouze na vysoce kvalitních obrazech nevyvinuly takové odlišné vlastnosti.

„Zjištění potenciálně naznačují mechanistické vysvětlení vzniku rozlišení parvo/magno, což je jeden z klíčových organizačních principů zrakové dráhy v savčím mozku,“ říká Pawan Sinha, profesor neurověd a kognitivních věd na MIT a hlavní autor studie.

Hlavními autory studie, která vyšla v časopise Communications Biology, jsou postdoktorandi MIT Marin Vogelsang a Lukas Vogelsang. K autorům článku patří také Sidney Diamond, výzkumný spolupracovník MIT, a Gordon Pipa, profesor neuroinformatiky na univerzitě v Osnabrücku.

Smyslový vstup

Myšlenka, že nízkokvalitní zrakový vstup by mohl být pro vývoj prospěšný, vzešla ze studií dětí, které se narodily slepé, ale později jim byl zrak obnoven. Projekt Prakash z laboratoře Sinhy prověřil a léčil tisíce dětí v Indii, kde jsou relativně běžné reverzibilní formy ztráty zraku, jako jsou katarakty. Po obnovení zraku se mnoho z těchto dětí hlásí k účasti na studiích, ve kterých Sinha a jeho kolegové sledují jejich zrakový vývoj.

V jedné z těchto studií vědci zjistili, že děti, kterým byly odstraněny katarakty, vykazovaly výrazný pokles v rozpoznávání objektů, když jim byly prezentovány černobílé obrázky ve srovnání s barevnými. Tyto poznatky vedly vědce k hypotéze, že snížený barevný vstup charakteristický pro typický raný vývoj, namísto překážky, umožňuje mozku naučit se rozpoznávat objekty i na obrázcích s ochuzenými nebo posunutými barvami.

„Znemožnění přístupu k bohatým barvám na začátku se zdá být silnou strategií, jak vytvořit odolnost vůči změnám barev a učinit systém odolnějším vůči ztrátě barev na obrázcích,“ říká Sinha.

V této studii vědci také zjistili, že když byly výpočetní modely vidění nejprve trénovány na černobílých obrázcích a poté na barevných, jejich schopnost rozpoznávat objekty byla robustnější než u modelů trénovaných pouze na barevných obrázcích. Podobně jiná studie z laboratoře zjistila, že modely fungovaly lépe, když byly nejprve trénovány na rozmazaných obrázcích a poté na ostřejších obrázcích.

Na základě těchto zjištění se tým MIT chtěl zabývat tím, jaké by mohly být důsledky omezení obou těchto vlastností – barvy a zrakové ostrosti – na začátku vývoje. Předpokládali, že tato omezení by mohla přispět k vývoji magnocelulárních a parvocelulárních drah.

Kromě toho, že jsou vysoce naladěny na barvu, buňky v parvocelulární dráze mají malá receptivní pole, což znamená, že přijímají vstup z kompaktnějších shluků gangliových buněk sítnice. To jim pomáhá zpracovávat jemné detaily. Buňky v magnocelulární dráze sdružují informace z větších oblastí, což jim umožňuje zpracovávat globálnější prostorové informace.

Aby ověřili svou hypotézu, že vývojový postup by mohl přispět k selektivitě magno a parvo buněk, vědci trénovali modely na dvou různých sadách obrazů. Jeden model byl prezentován se standardní sadou obrazů, které se používají k trénování modelů pro kategorizaci objektů. Druhá sada dat byla navržena tak, aby zhruba napodobovala vstup, který lidský zrakový systém přijímá od narození. Tato „biomimetická“ data se skládají z nízkorozlišovacích, černobílých obrazů v první polovině tréninku, následovaných vysokorozlišovacími, barevnými obrazy v druhé polovině.

Poté, co byly modely trénovány, vědci analyzovali zpracovatelské jednotky modelů – uzly v síti, které mají určitou podobnost se shluky buněk, které zpracovávají zrakové informace v mozku. Zjistili, že modely trénované na biomimetických datech vyvinuly odlišnou podmnožinu jednotek, které jsou společně citlivé na nízké barevné a nízké prostorové frekvence, podobně jako magnocelulární dráha. Kromě toho tyto biomimetické modely vykazovaly skupiny heterogennějších parvocelulárně podobných jednotek naladěných převážně na vyšší prostorové frekvence nebo bohatší barevné signály. Toto rozlišení se neobjevilo u modelů trénovaných od začátku na plnobarevných, vysokorozlišovacích obrázcích.

„To poskytuje určitou podporu pro myšlenku, že ‚korelace‘, kterou vidíme v biologickém systému, by mohla být důsledkem typů vstupů, které jsou současně k dispozici v normálním vývoji,“ říká Lukas Vogelsang.

Rozpoznávání objektů

Vědci také provedli další testy, aby odhalili, jaké strategie používaly různě trénované modely pro úlohy rozpoznávání objektů. V jednom z nich požádali modely, aby kategorizovaly obrázky objektů, kde se tvar a textura neshodovaly – například zvíře s tvarem kočky, ale texturou slona.

Toto je technika, kterou několik výzkumníků v oboru použilo k určení, které atributy obrazu model používá ke kategorizaci objektů: celkový tvar nebo jemnozrnné textury. Tým MIT zjistil, že modely trénované na biomimetickém vstupu byly výrazně pravděpodobnější, že použijí tvar objektu k těmto rozhodnutím, stejně jako to obvykle dělají lidé. Navíc, když vědci systematicky odstranili magnocelulárně podobné jednotky z modelů, modely rychle ztratily svou tendenci používat tvar k provádění kategorizací.

V další sadě experimentů vědci trénovali modely na videích namísto obrázků, což zavádí časový rozměr. Kromě nízkého prostorového rozlišení a citlivosti na barvu reaguje magnocelulární dráha na vysoké časové frekvence, což jí umožňuje rychle detekovat změny v poloze objektu. Když byly modely trénovány na biomimetickém video vstupu, jednotky nejvíce naladěné na vysoké časové frekvence byly skutečně ty, které také vykazovaly magnocelulární vlastnosti v prostorové oblasti.

Celkově výsledky podporují myšlenku, že nízkokvalitní smyslový vstup v raném věku může přispět k organizaci smyslových zpracovatelských drah mozku, říkají vědci. Zjištění nevylučují vrozenou specifikaci magno a parvo drah, ale poskytují důkaz o konceptu, že zraková zkušenost v průběhu vývoje by také mohla hrát roli.

„Obecné téma, které se zdá být vznikající, je, že vývojový postup, kterým procházíme, je velmi pečlivě strukturován, aby nám poskytl určité druhy percepčních schopností, a může mít také důsledky z hlediska samotné organizace mozku,“ říká Sinha.

Výzkum byl financován Národními instituty zdraví, Simonovým centrem pro sociální mozek, Japonskou společností pro podporu vědy a Nadací Yamady.