Een universele wet van de fysiologie komt voort uit Un

Onderzoek onder leiding van de technische professor Willie Wong van de Universiteit van Toronto naar sensorische aanpassing heeft mogelijk een eerder over het hoofd gezien regulerend principe van fysiologie onthuld.

Biologen weten al lang dat organismen zich op een vergelijkbare manier aanpassen aan een constante stimulus, zegt Wong.

“Stel je voor dat je een kamer binnengaat die iemand zojuist heeft geverfd. Je denkt waarschijnlijk: ‘Dat is een slechte geur’. Maar het gevoel neemt af naarmate je er langer blijft. De deeltjes gaan niet weg, ook niet tijdens dat tijdsbestek. Ik ben er gewoon aan gewend geraakt.”

Vanaf de begintoestand stijgt de responsactiviteit van het organisme tot de piekrespons en neemt vervolgens af tot de nieuwe definitieve stabiele toestand. Wong ontdekte dat deze drie vaste punten op de aanpassingscurve een wiskundige relatie vormen die in alle modaliteiten en zintuiglijke objecten wordt nageleefd.

“Ik heb 250 aanpassingsmaten uit verschillende takken van sensorische fysiologie vergeleken en ontdekt dat ze allemaal consistent zijn met één simpele vergelijking”, zegt Wong.

Zijn bevindingen, de eerste kwantitatieve vergelijking van adaptieve reacties, worden gepresenteerd in A papier erin Grenzen van de menselijke neurowetenschap.

Wong’s recente werk over hersen-machine-interfaces, zoals a Netvliesprothese om het gezichtsvermogen van blinde patiënten te herstellen, bouwt voort op zijn langdurige fascinatie voor de neurale code – hoe neuronen informatie verwerken. Hoewel het huidige begrip van code nog verre van perfect is, hoe meer onderzoekers begrijpen hoe onze hersenen signalen omzetten in waarnemingen, hoe betere technieken ze kunnen ontwerpen om verloren functies te vervangen of bestaande te verbeteren.

Het idee van een sensorische responscurve die in de loop van de tijd vervaagt, lijkt misschien onlogisch: zou een sterke sensatie niet consequent een sterk responspercentage moeten opleveren? Maar sinds de jaren twintig leggen fysiologen zoals Edgar Adrian uit waarom dit niet is gebeurd.

Adrian, wiens werk in 1932 de Nobelprijs voor Fysiologie of Geneeskunde won, gebruikte een monster van kikkers om het fenomeen van aanpassing tot het niveau van enkele neuronen te traceren. Hij ontdekte dat neuronen een basiseenheid van communicatie gebruiken, een zenuwimpuls die een actiepotentiaal wordt genoemd en die dezelfde signaalsterkte afgeeft zolang een drempel wordt bereikt.

“Het zakelijke potentieel komt niet binnen een halve meter”, zegt Wong. “Je krijgt er een of je krijgt er geen. Als je dat doet, heeft het neuron wat tijd nodig om op te laden voordat het een ander kan afvuren. Tijdens het aanpassingsproces neemt de snelheid van het genereren van actiepotentiaal geleidelijk af tot een stabiele toestand die niet nul is .”

De adaptieve respons komt voor bij alle dieren, van gewervelde dieren zoals zoogdieren tot ongewervelde dieren zoals insecten, en via alle sensorische paden. Dit omvat de traditionele vijf zintuigen van zien, horen, aanraken, proeven en ruiken, samen met somatosensorische functies zoals proprioceptie – de perceptie van het lichaam van zichzelf – en elektrische ontvangst, zoals gevonden in slangen.

Een van Wongs grootste verrassingen was dat zijn vergelijking van toepassing was op enkele van de oudste meercellige organismen, zoals kwallen, die zeer verschillende sensorische systemen hebben.

“Als je er met licht op schijnt, vliegen ze in of weg van het licht – maar alleen omdat hun fotoreceptoren zo nauw verbonden zijn met hun motoruitgangen”, zegt hij. Wat de vraag oproept, is deze vergelijking universeel? Als we in de toekomst buitenaardse wezens vinden met een exogene biologie die nog nooit op deze planeet zijn gezien, kunnen ze dan worden beperkt door dezelfde beperkingen of principes? “

In de natuurwetenschappen wordt de volledigheid bepaald door de herhaling van resultaten, ongeacht wanneer, waar en met welke methode ze zijn verkregen. Maar dit is niet altijd mogelijk in biologische experimenten, die aanzienlijke barrières kunnen vormen voor herhalingsmetingen.

Wanneer gegevens uit onafhankelijke onderzoeken echter – over verschillende tijdsperioden, onderzoekers en methoden – als bewijs samenkomen, versterken ze de argumenten voor de conclusie. Dit principe, Consilience genaamd, is gebaseerd op het uitgangspunt dat de wetenschap verenigd is, waardoor de consensus in theorieën zoals evolutie en de oerknaltheorie wordt versterkt.

“Al deze gegevens waren er”, zegt Wong, “ik heb een curve hier genomen, een curve daar, en vergeleken – zelfs de canonieke Adrian-grafieken. Ze komen allemaal overeen met dezelfde geometrische gemiddelde relatie. Het hangt niet af van de onderzoeker, of welke apparatuur wordt gebruikt, of op het object.” buurt. Vanuit dit perspectief is het globaal.”

“Dit is een verhelderend werk van professor Wong”, zegt professor Deepa Kondor, voorzitter van de afdeling Electrical and Computer Engineering aan de Universiteit van Toronto. “Het herinnert ons eraan hoe algemeen elektrische en computertechnologie zijn – hoe onderzoekers kunnen bijdragen aan de vele schijnbaar verreikende studiegebieden.”

De ontdekking van een nieuwe fysiologische vergelijking gebeurt niet elke dag en het is nog steeds onwaarschijnlijk dat deze van een ingenieur komt. Hoewel Wong deze ideeën al jaren ontwikkelt, dankt hij de pandemie hem wat tijd te geven om zich te heroriënteren, evenals productieve periodes van onderzoeksvooruitgang.

“Ik was in de elliptische positie”, zegt hij, toen hem werd gevraagd om zijn “ha-moment” te selecteren. “Of ik las het nieuws of dacht aan mijn werk. Ik denk dat dit het moment was.”