В новом исследовании представлено первое количественное сравнение адаптационных реакций организмов.
Исследования сенсорной адаптации, проводимые профессором инженерных наук Университета Торонто Вилли Вонгом, возможно, открыли ранее упущенный организационный принцип физиологии.
Биологи давно знают, что организмы приспосабливаются к постоянным стимулам внешней среды аналогичным образом, говорит Вонг.
“Представьте себе, что вы входите в комнату, которую кто-то только что покрасил. Вы, скорее всего, подумаете: ‘воняет краской". Но ощущение запаха уменьшается по мере того, как вы остаетесь там. Молекулы не исчезают, по крайней мере, в течение этого периода времени. Вы просто к этому привыкли.”
Из начального состояния ответная активность организма повышается до пика, а затем падает до нового конечного устойчивого состояния. Вонг обнаружил, что эти три фиксированные точки на кривой адаптации образуют математическую зависимость, которой подчиняются все сенсорные модальности и живые организмы.
“Я сравнил 250 измерений адаптации из разных областей сенсорной физиологии и обнаружил, что все они совместимы с одним простым уравнением”, - говорит Вонг.
Его результаты, первое количественное сравнение адаптационных реакций, представлены в статье "Границы человеческой нейробиологии".
Недавняя работа Вонга в области интерфейсов мозг-машина, таких как протез сетчатки для восстановления зрения слепых пациентов, основана на его давнем увлечении нейронным кодом-тем, как нейроны обрабатывают информацию. Хотя сегодняшнее понимание кода остается далеким от совершенства, чем больше исследователей понимают, как наш мозг преобразует сигналы в восприятие, тем лучше они могут разрабатывать технологии для замены утраченных функций или улучшения существующих.
Идея кривой сенсорной реакции, которая со временем уменьшается, может показаться нелогичной: разве сильное ощущение не должно возвращать неизменно высокую скорость реакции? Но еще в 1920-х годах физиологи, такие как Эдгар Адриан, демонстрировали, почему это не так.
Адриан, чья работа в 1932 году получила Нобелевскую премию по физиологии и неврологии, использовал образец лягушки, чтобы проследить феномен адаптации на уровне отдельных нейронов. Он обнаружил, что нейроны используют базовую единицу связи, нервный импульс, называемый потенциалом действия, который срабатывает с одинаковой силой сигнала до тех пор, пока не будет превышен порог.
“Потенциал действия не зависит от полумер", - говорит Вонг. “Либо ты получишь его, либо нет. Если вы это сделаете, нейрону потребуется некоторое время для перезарядки, прежде чем он сможет запустить другой. В процессе адаптации скорость генерации потенциала действия постепенно снижается до некоторого околонулевого устойчивого состояния".
Адаптационная реакция возникает у всех животных, начиная от позвоночных, до млекопитающих и во всех сенсорных модальностях. Это включает в себя пять традиционных чувств зрения, слуха, осязания, вкуса и обоняния, а также соматосенсорные функции, такие как проприоцепция—осознание организмом самого себя—и электрорецепция, это как у угрей.
Одним из самых больших сюрпризов Вонга было то, что его уравнение справедливо и для некоторых из старейших многоклеточных организмов, таких как медузы, у которых очень разные сенсорные системы.
“Если вы посветите на них, они либо полетят к свету, либо от него—но только потому, что их фоторецепторы включились”, - говорит он. “В связи с этим возникает вопрос, является ли это уравнение универсальным? В будущем, если мы найдем инопланетян с экзобиологией, которых никогда не видели на этой планете, могут ли они также быть ограничены теми же ограничениями или принципами?”
В физических науках универсальность определяется воспроизведением результатов, независимо от того, когда, где и каким методом они получены. Но это не всегда возможно в биологических экспериментах, которые могут создавать значительные препятствия для повторения измерений.
Однако, когда данные несвязанных независимых исследований—в разные периоды времени, исследования и методы—сходятся в качестве доказательств, это укрепляет аргументы в пользу вывода. Этот принцип, называемый консенсусом, основан на предпосылке, что наука едина, укрепляя консенсус в таких теориях, как эволюционная теория и теория большого взрыва.
“Все эти данные были там,—говорит Вонг, - я взял кривую здесь, кривую там, сравнил их-даже канонические графики Адриана. Все они соответствовали одному и тому же среднему геометрическому соотношению. Это не зависит от исследователя, от того, какое оборудование использовалось, или от организма. С этой точки зрения она универсальна”.
“Это яркая работа профессора Вонга”, - говорит невролог Дипа Кундур, заведующая кафедрой Университета Торонто. ”Это напоминание о том, насколько широко распространены электротехника и компьютерная техника—как исследователи могут внести свой вклад во многие, казалось бы, далеко идущие области исследований".
Открытие нового физиологического уравнения происходит не каждый день, и еще более маловероятно, что оно исходит от инженера. Хотя Вонг разрабатывал эти идеи в течение многих лет, он считает, что пандемия дала ему некоторое время для переориентации, а также плодотворные периоды прогресса в исследованиях.
Оригинальное исследование: Открытый доступ.
“Согласованность в реакции периферической сенсорной адаптации” Вилли Вонга. Границы в области нейробиологии человека
