Hoe zoogdieren licht waarnemen, verandert tussen dag en nacht.
Onderzoekers van de Aalto Universiteit en de Universiteit van Helsinki ontdekten dat muizen beter waren in het vinden van een zwak licht in de duisternis in experimenten die ‘s nachts werden uitgevoerd, dan experimenten die overdag werden gedaan. De wetenschappers waren verrast om te ontdekken dat dit effect heel weinig te maken had met eventuele veranderingen in het oog zelf, en in plaats daarvan werd gecontroleerd door hoe de muizen daadwerkelijk naar licht zochten in het donker en hoe hun hersenen signalen ‘s nachts versus dag verwerkten. De resultaten zijn opwindend voor neurowetenschappers die geïnteresseerd zijn in hoe dieren en mensen kunnen zien, en biologen die geïnteresseerd zijn in hoe de tijd van de dag ons lichaam verandert, inclusief sensorische verwerking.
Veel soorten dieren gedragen zich overdag en ‘s nachts anders. Hoewel de ‘lichaamsklok’ al lang bekend is, wordt het effect ervan op hoe verschillende delen van de lichaamsfunctie nog steeds niet volledig worden begrepen. Onderzoekers wisten bijvoorbeeld dat het netvlies, het deel van het oog dat licht detecteert, zijn eigen circadiane ritme heeft. Het team van de universiteiten van Aalto en Helsinki was geïnteresseerd om te zien of de interne klok van het oog het zicht beïnvloedde, dus hebben ze een van hun eerdere experimenten aangepast om erachter te komen.
‘Onze onderzoeksgroep is in staat om een koppeling te maken als een muis in het donker een zwak licht kan vinden met de onderliggende retinale zenuwsignalen van de muis bij de gevoeligheidslimiet van het gezichtsvermogen.’ Zei professor Petri Ala-Laurila, de leider van de onderzoeksgroep. “Hiermee konden we onderzoeken hoe de dag / nachtcyclus de visuele mogelijkheden van de muis verandert, zowel in het neurale circuitniveau als helemaal tot gedragsreacties bij de gevoeligheidslimiet van het gezichtsvermogen”
Je weg vinden in een pikdonker doolhof
Eerder dit jaar demonstreerde de groep van professor Ala-Laurila hoe de ogen van muizen zwak licht detecteren in bijna totale duisternis. Hierdoor konden ze het visueel geleide gedrag van zoogdieren koppelen aan individuele neurale impulsen, een belangrijke wereldprimeur voor neurowetenschappen. Het experiment betrof het plaatsen van een muis in een doolhof in totale duisternis, met een zwak licht naast de uitgang van het doolhof. De muis is getraind om te weten dat het licht naar de uitweg leidt. Ze herhaalden dit experiment voor deze nieuwe studie, waarbij ze een aantal tests overdag deden, en sommige ‘s nachts. Ze merkten op dat de gedragsverandering – de muizen waren beter in het spotten van het licht ‘s nachts dan overdag. Ze verwachtten dit resultaat, maar ze merkten ook op dat de zenuwimpulsen die het netvlies zelf verlaten niet het verschil veroorzaakten, wat een verrassing was.
Dus, als de zenuwsignalen van de ogen niet veranderen, hoe zouden de muizen ‘s nachts beter kunnen zien? De onderzoekers konden dit beantwoorden met hun nieuwe laboratoriumopstelling. Een groot deel van de door de groep in Aalto uitgevonden techniek omvat het gebruik van hightech nachtzichtcamera’s en hun eigen op diep leren gebaseerde software om nauwkeurig bij te houden hoe de dieren bewogen en wat ze konden zien. Het team merkte op dat tijdens de nachtexperimenten de muizen effectiever naar het licht zochten door de omgeving te scannen, bijvoorbeeld door meer te draaien. Zodra de nachtgroep deze gedragsstrategie leerde na ‘s nachts zoeken, konden ze het ook overdag gebruiken en presteerden ze beter in het oplossen van de doolhofpuzzels in dagexperimenten dan identieke muizen die het’ s nachts nooit hadden geprobeerd.
‘Vroeger was het niet mogelijk geweest om gedrag zo nauwkeurig te meten als onze groep nu kan, dus moesten onderzoekers muizen behandelen als een vooraf gedefinieerde set gedragsregels in experimenten als deze. Het is opwindend om nu te laten zien dat zelfs in de meest eenvoudige taken – het vinden van een licht in het donker – dieren enorm verschillende gedragsstrategieën kunnen gebruiken en, bovendien, we in staat zijn om dag / nacht-verschillen daarin te kwantificeren. ‘Zei Sanna Koskela, een Promovendus aan de Universiteit van Helsinki en de eerste auteur van het artikel in Current Biology waarin de resultaten zijn gepubliceerd.
Interne klokeffecten op het oog
Het team hoopt nu de effecten van het circadiane ritme op het oog verder te onderzoeken. Hoewel deze specifieke test geen signaaleffecten van het tijdstip van de dag lijkt te laten zien, is het slechts een van de vele visuele taken die het oog kan uitvoeren bij weinig licht, en anderen kunnen nog steeds circadiane invloed vertonen.
‘We hebben nu een opmerkelijke kans om zintuiglijke prestaties te bestuderen van het netvlies tot gedrag bij weinig licht, inclusief dingen zoals hoe circadiaans ritme dit regelt. Onze volgende reeks experimenten zal onderzoeken hoe de hersenen zwakke signalen verwerken die voortkomen uit toenemende en afnemende lichtintensiteiten in het netvlies op verschillende tijdstippen van dag en nacht. Dit zal ons helpen beter te begrijpen hoe zoogdieren zien bij lage lichtniveaus. ’Zei professor Ala-Laurila.
De studie werd gefinancierd door de Academie van Finland.
Publication:
Mice reach higher visual sensitivity at night by using a more efficient behavioural strategy, Current Biology, DOI: https://doi.org/10.1016/j.cub.2019.11.021, read the full article here https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(19)31460-5