چشم انسان چگونه سیگنال‌های بینایی را قبل از رسیدن به مغز همگام می‌کند؟

1

دیدن تنها به نوری که از محیط بازتاب می‌شود و به چشم می‌رسد محدود نمی‌شود، بلکه زمان‌بندی نیز اهمیت دارد؛ اینکه سیگنال‌ها چه زمانی و با چه سرعتی دریافت و پردازش می‌شوند.

برای نمونه، هنگام تماشای یک منظره، نور بخش‌های مختلف صحنه در لحظات بسیار اندکی متفاوت به چشم شما می‌رسد. با این حال، مغز تصویر کامل را یک‌جا پردازش می‌کند، نه اینکه فضای خالی را در چند میکروثانیه پر کند.

مسیر سیگنال‌ها در چشم

تفاوت در طول مسیرها

درون چشم، پیام‌ها از مسیرهایی با طول‌های متفاوت عبور می‌کنند تا به مغز برسند. این ناهمواری در مسیر، یک مشکل زمانی ایجاد می‌کند که باید حل شود.

پردازش در شبکیه

بر اساس پژوهش‌های جدید، شبکیه چشم انسان ابزارهایی در اختیار دارد که اختلاف‌های زمانی را هماهنگ می‌کند. این همگام‌سازی موجب می‌شود تفاوت‌ها به چند هزارم ثانیه کاهش یابد، درست در نقطه‌ای که رشته‌های عصبی چشم را ترک می‌کنند.

این مطالعه به سرپرستی آنالیزا بوچی در مؤسسه چشم‌پزشکی مولکولی و بالینی بازل (IOB) و با همکاری دانشگاه بازل و ETH زوریخ انجام شده است.

آکسون‌های ضخیم‌تر برای سرعت بیشتر

در چشم، آکسون‌های طولانی‌تر ضخیم‌تر ساخته می‌شوند و همین ویژگی باعث رسانایی سریع‌تر آنها می‌شود. به همین دلیل، زمان رسیدن سیگنال‌ها هماهنگ می‌گردد.

در ناحیه فووه‌آ (مرکز دید دقیق)، گیرنده‌های نوری اطلاعات را از طریق سلول‌های گانگلیونی منتقل می‌کنند که مسیرهای متفاوتی به سمت عصب بینایی دارند.
اما نتایج نشان داد رشته‌های زمانی در سمت گیجگاهی فووه‌آ ۴۰ درصد سریع‌تر از رشته‌های سمت بینی پیام را منتقل می‌کنند، با وجود اینکه مسیر طولانی‌تری طی می‌کنند. این امر اختلاف نهایی را به کمتر از ۲.۵ میلی‌ثانیه کاهش می‌دهد.

بوچی می‌گوید:

«ما نتیجه گرفتیم که مغز انسان سرعت هدایت آکسون‌های بدون میلین در شبکیه را تنظیم می‌کند تا زمان رسیدن سیگنال‌های حسی هماهنگ شود.»

اهمیت زمان‌بندی در پردازش عصبی

چرا زمان مهم است؟

مدارهای عصبی نسبت به زمان بسیار حساس هستند، گاهی در مقیاس میلی‌ثانیه. تغییرات جزئی در زمان می‌تواند باعث تغییر نحوه ترکیب سیگنال‌ها شود، چه در شنوایی، چه در لامسه، چه در بینایی.

اگر بخشی از صحنه زودتر یا دیرتر پردازش می‌شد، لبه‌ها تار می‌شدند یا تغییرات سریع محو به نظر می‌رسیدند. چشم و مغز با همکاری هم مانع این اتفاق می‌شوند.

عوامل مؤثر در سرعت هدایت

یکی از عوامل کلیدی قطر آکسون است. هرچه قطر بیشتر باشد، سرعت انتقال بالاتر است.
در این پژوهش، محققان با استفاده از ثبت‌های الکتریکی با تراکم بالا و بررسی دقیق بافت‌های انسانی نشان دادند که هرچه مسیر طولانی‌تر باشد، رشته ضخیم‌تر و سرعت انتقال بیشتر خواهد بود.

آزمایش واکنش شرکت‌کنندگان

برای بررسی اینکه آیا افراد واقعاً سیگنال‌ها را هماهنگ احساس می‌کنند، پژوهشگران از روش AOSLO (اسکن تطبیقی نور) استفاده کردند. در این روش، لکه‌های نوری بسیار کوچک روی سلول‌های مخروطی فووه‌آ تابانده شد.

شرکت‌کنندگان با دیدن نور، دکمه‌ای را فشار دادند. نتایج نشان داد زمان واکنش‌ها در اطراف فووه‌آ تقریباً یکنواخت بود. حتی مناطقی که باید از نظر تئوری سریع‌تر عمل می‌کردند، مزیت قابل‌توجهی نداشتند.

نقش انواع سلول‌های شبکیه

سلول‌های میجت و پاراسول

خروجی شبکیه یکسان نیست. دو خانواده اصلی سلول وجود دارد:

• سلول‌های میجت → پردازش جزئیات دقیق و رنگ‌ها
• سلول‌های پاراسول → پردازش تغییرات سریع و گسترده

در مرکز شبکیه، مسیرهای ظریف غالب هستند، اما با حرکت به سمت پیرامون، سلول‌های پاراسول بیشتر نقش ایفا می‌کنند.

سرعت‌های متفاوت

در فووه‌آ، سرعت هدایت آکسون‌های میجت حدود ۰.۶ متر بر ثانیه و برای پاراسول‌ها حدود ۰.۷ متر بر ثانیه است.
در پیرامون شبکیه، این سرعت‌ها بیشتر شده و شکاف میان آنها نیز افزایش می‌یابد (حدود ۰.۹ و ۱.۱ متر بر ثانیه).

ضخامت شبکیه و سرعت هدایت

لایه فیبر عصبی شبکیه در پشت چشم شامل آکسون‌های سلول‌های گانگلیونی بدون میلین است. ضخامت این لایه با روش OCT (تصویربرداری توموگرافی انسجام نوری) در افراد زنده قابل اندازه‌گیری است.

مدل‌سازی پژوهشگران نشان داد که تراکم و مسیر آکسون‌ها با الگوهای شناخته‌شده ضخامت لایه شبکیه هماهنگ است. این نتیجه، تأییدی ساختاری بر اندازه‌گیری‌های فیزیولوژیک است.

آغاز همگام‌سازی از شبکیه

یافته‌ها نشان می‌دهد که فرآیند همگام‌سازی سیگنال‌ها پیش از رسیدن به مغز آغاز می‌شود.

بخشی از جبران‌سازی حتی زودتر در شبکه عصبی شبکیه اتفاق می‌افتد. تأخیر پاسخ سلول‌ها بسته به مکان و اندازه محرک تغییر می‌کند، و مراحل بعدی در مغز نیز احتمالاً این هماهنگی را دقیق‌تر می‌کنند.

این مطالعه نشان می‌دهد که چشم بخشی از بار همگام‌سازی را بر عهده دارد و سیگنال‌ها را در یک بازه زمانی بسیار محدود به عصب بینایی می‌فرستد.

نتیجه‌گیری

این پژوهش که در Nature Neuroscience منتشر شده، برای اولین بار با داده‌های انسانی نشان داد:

• ساختار بافت شبکیه،
• سرعت هدایت فیبرهای عصبی،
• و رفتار افراد
  همه با هم در یک الگوی هماهنگ قرار می‌گیرند.

چشم انسان نه‌تنها نور را دریافت می‌کند، بلکه پیش از رسیدن اطلاعات به مغز، آنها را زمان‌بندی و همگام‌سازی می‌نماید.