Jak tajemniczy „drugi” wzrok ujawnia wewnętrzne funkcjonowanie mózgu
Uszkodzenie kory wzrokowej mózgu w wyniku udaru, nowotworu lub urazu może sprawić, że wzrok pacjenta pozostanie funkcjonalny, ale doświadczy on ślepoty po jednej lub obu stronach pola widzenia. Pacjenci nie zdają sobie sprawy ze swojej zdolności — zespołu widzenia mimo ślepoty zwanego ślepowidzeniem — ale potrafią wykorzystywać informacje wizualne, z powodzeniem poruszając się wokół przeszkód lub odgadując rysunki pokazane na fiszkach z dużą dokładnością. Ślepowidzenie stanowi zatem model, który pozwoli lepiej zrozumieć, w jaki sposób mózg osiąga świadomość wizualną. „Nie widzimy tak, jak kamera, która po prostu reprodukuje obraz” — wyjaśnia Marco Tamietto, profesor neuronauk na Uniwersytecie Turyńskim we Włoszech i Uniwersytecie w Tilburgu w Holandii. „Nasz mózg nieustannie buduje świat wewnętrzne, rekonstruując i interpretując zaszumione sygnały oraz uzupełniając brakujące fragmenty na podstawie wcześniejszych doświadczeń i oczekiwań. I, co więcej, robi to w sposób nieświadomy”. Przy wsparciu ze strony Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych Tamietto koordynował projekt LIGHTUP mający na celu pogłębienie naszej wiedzy na temat zespołu widzenia mimo ślepoty i zbadanie możliwych metod leczenia ślepoty neurologicznej.
Doskonalenie ślepowidzenia
Głównym celem Tamietto było dokładne zrozumienie obwodów mózgowych, które współpracują ze sobą w celu wygenerowania wizualnej reprezentacji świata zewnętrznego, a także tego, w jaki sposób mózg adaptuje się, wykorzystując „skróty”, gdy te obwody są uszkodzone. „W mózgu istnieje ogólny plan organizacji, który musi zostać zachowany; plastyczność to nie wszystko” — mówi. „Mapy, skróty i ogólne plany równoważą plastyczność i stabilność stanowią klucz do działającego mózgu tworzącego reprezentacje otoczenia”. Poprzez połączenie wielu poziomów analizy, w tym fMRI i traktografii, do mapowania aktywności mózgu u ludzi i naczelnych zespół Tamietto określił, które skróty odgrywają istotną rolę w danych zadaniach. Pozwoliło to uzyskać sumaryczny plan tego, w jaki sposób mózg reorganizuje się po uszkodzeniu. Obwody można następnie aktywować za pomocą przezczaszkowej stymulacji magnetycznej. „Stymulowaliśmy jednocześnie dwa węzły w sieci mózgowej, zgodnie z protokołem ccPAS (korowo-korowa sparowana stymulacja asocjacyjna)” — dodaje Tamietto. Dostosowując czas i kierunkowość stymulacji, zespół był w stanie poprawić percepcję wzrokową, choć Tamietto zauważa, że efekty tej stymulacji sieci mogą być bardzo swoiste. „Stymulowanie jednej sieci może poprawić rozpoznawanie emocji z twarzy, ale nie tożsamości”. Zespół odkrył również, że brak równowagi we względnej nierównowadze między pobudzającymi i hamującymi neuroprzekaźnikami w obszarze mózgu znanym jako MT był związany z gorszymi zdolnościami ślepowidzenia, co wskazuje kierunek możliwych terapii.
Wirtualne mózgi
W ramach projektu LIGHTUP Tamietto i jego zespół wykorzystali konwolucyjne sieci neuronowe do zbadania, w jaki sposób funkcje wizualne i reprezentacje neuronowe mogą pojawić się w prawdziwym mózgu. „Opracowujemy modele in silico najstarszych ewolucyjnie części mózgu, które otrzymują dane bezpośrednio z oka” — zauważa. „Struktury te, podobnie jak wzgórek górny, są prawdopodobnymi kandydatami do pośredniczenia w niektórych funkcjach ślepowidzenia”. Modele te pozwolą również naukowcom zbadać, w jaki sposób informacje wizualne są przetwarzane w izolowanych częściach mózgu, a także we współpracy z innymi częściami. Dzięki wsparciu z grantu na weryfikację poprawności dla projektu PRISM zespół będzie dalej rozwijać te modele, aby poprawić szkolenie studentów i zwiększyć dobrostan małp wykorzystywanych w badaniach na zwierzętach.
Słowa kluczowe
LIGHTUP, ślepowidzenie, świadomość wizualna, ślepota, fMRI, stymulacja magnetyczna, sieć neuronowa, model, mózg, percepcja, udar mózgu