Levende netvliezen overtreffen techniek totaal
De structuur van ons netvlies is mijlenver vooruit op alles wat menselijke techniek tot nu toe kan bereiken, rapporteren onderzoekers.
Als je het meest perfecte, energiezuinige, lichtdetecterende apparaat voor een toekomstige camera of een prothetisch netvlies wilde ontwerpen, zou je grijpen naar iets dat 'efficiënte coderingstheorie' wordt genoemd, om de reeks sensoren op te zetten.
Of je kunt gewoon naar het netvlies van een zoogdier kijken.
In een paar artikelen over de structuur van het netvlies laten neurobiologen zien dat de ontberingen van natuurlijke selectie en evolutie het netvlies in onze ogen hebben gevormd, precies zoals deze theorie van optimalisatie zou voorspellen.
In een eerder artikel dat afgelopen maart in Nature werd gepubliceerd , toonden de onderzoekers aan dat het netvlies van ratten en apen is ingedeeld in gevoeligheidspatronen die lijken op wat een efficiënte coderingstheorie zou voorspellen. Verschillende sets retinale neuronen zijn gevoelig voor individuele stimuli: helder, donker, bewegend, enzovoort, en ze zijn gerangschikt in een driedimensionaal mozaïek van cellen die het beeld bij elkaar optellen.
Nu, in een paper in de Proceedings of the National Academy of Sciences , "besloten we dat te begrijpen, door veel simulatie en een beetje potlood en papier wiskunde", zegt John Pearson, een assistent-professor biostatistiek en bioinformatica aan de Duke University School of Medicine. "De mozaïeken overlappen niet zomaar willekeurig, maar ze overlappen elkaar niet op een zeer geordende manier."
"We doen een voorspelling over hoe letterlijk duizenden cellen van meerdere verschillende typen zich in de ruimte rangschikken", zegt Greg Field, een assistent-professor neurobiologie aan de Duke School of Medicine.
"Het netvlies van de aap en ons netvlies zijn bijna niet te onderscheiden", zegt hij. "Het feit dat we dit in het netvlies van de aap hebben waargenomen, geeft ons ongelooflijk vertrouwen dat ons netvlies op dezelfde manier is ingedeeld."
In het netvlies
In een dwarsdoorsnede van het netvlies liggen de lichamen van de ganglioncellen, ronde bollen die de kern bevatten, in een laag bij elkaar, maar ze breiden hun boomachtige, vertakte dendrieten uit tot een dikke laag die lijkt op de verwarde wortels van een potgebonden kamerplant. Het is in deze dikkere, spectaculair complexe laag dat mozaïeken van verschillende gevoeligheden in geordende patronen zijn neergelegd.
Een microfoto van het netvlies van een kuiken toont de ganglioncellichamen in een geordende laag bovenaan en vervolgens de verwarde laag wortelachtige dendrieten in de blauwe en gele laag eronder, waar mozaïeken met verschillende visuele gevoeligheden zijn neergelegd. (tegoed: hertog)
De ganglioncellen onder de dendrietlaag produceren in wezen alleen enen en nullen. De gevoeligheid komt van het mozaïek zelf. En dat mozaïek is niet alleen optimaal ingedeeld, het past zich ook aan de huidige omstandigheden aan.
“Het netvlies is niet één mozaïek. Het is een hele hoop gestapelde mozaïeken. En elk van deze mozaïeken codeert iets anders over het gezichtsveld', zegt Field. Het netvlies van zoogdieren analyseert zo'n 40 verschillende visuele kenmerken.
"De diepte die de dendrieten in het netvlies bereiken, is een soort adresseringsschema, waarbij je, als je dieper zit, één soort informatie krijgt", zegt Field. “Als het oppervlakkiger is, krijgt het een ander soort informatie. In feite krijgen de diepere de 'uit'-signalen en de ondiepere de 'aan'-signalen. Je kunt dus veel detectoren dezelfde plek in de visuele wereld laten bemonsteren, omdat ze diepte gebruiken om verschillende soorten signalen over te brengen”, zegt Field.
Het 'lawaai' vermijden
Een van de redenen waarom de array zo efficiënt is, is dat de cellen energie besparen door niet op bepaalde stimuli te reageren. In een erg donkere kamer is de omgeving "luidruchtig" voor de receptoren, dus ze dempen de meeste ruis en reageren alleen op iets dat vrij helder is.
"Hoe meer lawaai er in de wereld is, hoe kieskeuriger de cel kan zijn over waar hij op zal reageren", zegt Pearson. “En als ze kieskeuriger worden, blijkt dat er minder redundantie in zit. En zo kun je ze inzetten op manieren die elkaar niet meer hoeven te overlappen.”
Als er nooit ruis in de visuele omgeving zou zijn, zouden de mozaïeken van detectoren op elkaar zijn uitgelijnd, legt afgestudeerde student Na Young Jun uit, die de eerste auteur is van een van de artikelen en een co-auteur van de andere. Maar ze modelleerde computergestuurd 168 verschillende ruiscondities en ontdekte dat hoe hoger de ruis, hoe groter de offset tussen detectoren.
In een levend netvlies van zoogdieren ontdekte het team dat de mozaïeken zijn gecompenseerd zoals de theorie zou voorspellen, wat betekent dat het netvlies is geoptimaliseerd om met hogere ruisomstandigheden om te gaan.
Als je een klein, heerlijk bosdier als een muis bent, 'hangt je voortbestaan niet zozeer af van de dingen die gemakkelijk te zien zijn', zegt Field. “Het hangt af van de dingen die moeilijk te zien zijn. En dus is het netvlies er echt op gericht om te worden geoptimaliseerd om die dingen te detecteren die moeilijk te zien zijn."
"Dit is een belangrijk ontwerpkenmerk om op te nemen in elke soort retinale prothese die je zou willen bouwen", zegt Field. Maar het kan even duren om dit idee in een smartphone te krijgen. Om te beginnen is het netvlies levend en zelf-geassembleerd, en het past zich aan en verandert met de tijd.
Onze netvliezen versus smartphonesensoren
Ook het energieverbruik van het menselijk netvlies is ordes van grootte lager dan zelfs de beste smartphonesensor van dit moment, zegt Jun.
De 5 megapixel, 1/5 inch OmniVision OV5675 smartphone-beeldsensor verbruikt bijvoorbeeld 1,92×10-10 Watt. Het menselijke netvlies verbruikt naar schatting ongeveer 6% daarvan (1,27 × 10-11 watt bij fel licht). In schemerige omstandigheden stijgt het energieverbruik van het oog tot ongeveer 5,08×10-11, maar het legt ook enkele fotonen vast die geen enkele smartphonecamera ooit zou kunnen.
Het volgende kenmerk van het systeem dat het team wil aanpakken, is het element tijd: verschillen in de reactietijden van retinale cellen die samen een gevoel van beweging of een interpretatie van bewegende beelden vormen. Een deel ervan, zegt Jun, zal afhangen van de snelheid waarmee individuele detectoren afvuren.
Financiering voor het onderzoek kwam van het National Eye Institute van de Amerikaanse National Institutes of Health, een postdoctorale fellowship van Ruth K. Broad en het Whitehead Scholars Program.
Bron: Duke University
Het bericht Levende netvliezen overtreffen techniek totaal verscheen eerst op Futurity .
