funktion: att ge blinda syn lyser hjärnans hemligheter

deras senaste studier visar att erfarenheten inte är kritisk för vissa visuella funktioner. Istället verkar hjärnan vara prewired att tolka åtminstone några enkla aspekter av den visuella världen. Bevisen kommer från tester av visuella illusioner som också hjälper till att lösa en långvarig debatt om varför hjärnan misstolkar vissa typer av bilder.,

När vår uppfattning om en bild skiljer sig från verkligheten upplever vi en visuell illusion. Vissa neuroforskare tror att våra hjärnors medfödda ledningar är ansvariga för illusioner; andra tror att de är en produkt av lärande. För att lösa denna debatt har visat sig vara svårt, säger Susana Martinez-Conde, en neuroforskare vid State University of New York Downstate Medical Center som studerar illusioner. ”Barn kan inte rapportera om visuell erfarenhet”, säger hon. ”Och det skulle inte vara etiskt att beröva ett barn av visuell erfarenhet för att testa detta.,”Svaret var ” någons gissning”, säger hon-tills Project Prakash började studera de nysynta barnen, vars vision, när den först förvärvades, ligger nära en nyfödd.

under 2010 och 2011 valde Sinhas team nio barn från dem som skulle genomgå kataraktoperation. Ämnena hade varit blinda sedan födseln, enligt föräldrarna och kirurgerna på Shroff Charity Eye Hospital. Strax efter att deras bandage avlägsnades visade forskarna dem Ponzo illusionen., Först visade mer än ett sekel sedan, denna illusion innebär typiskt linjer konvergerar vid horisonten (som tåg spår) och två korta parallella linjer skär över dem. Även om de horisontella linjerna är identiska, ser den närmare horisonten längre ut.

den dominerande förklaringen till Ponzo illusionen är att det är ett resultat av hjärnans erfarenhet att tolka 2D-bilder som 3D-scener, med de enskilda elementen i bilder som uppfattas vara på olika djup och avstånd., ”Det lärandet leder oss till att associera dessa två identiska linjer i denna illusion som att vara på två olika avstånd från oss”, förklarar Sinha. Hjärnan tolkar linjen närmare den uppenbara horisonten längre bort och därför längre än den andra identiska linjen.

om Ponzo-illusionen var resultatet av visuellt lärande skulle Prakash-barnen inte falla för det. Men till lagets överraskning var barnen lika mottagliga för Ponzo illusionen som kontrollämnen med normal syn: de hittade konsekvent linjen närmare horisonten längre, laget rapporterade i Nuvarande biologi i Maj.,

barnen föll också för Müller-Lyer illusionen, ett par linjer med pilspetsar i båda ändarna; en uppsättning pilspetsar pekar utåt, den andra inåt mot linjen. Linjen med inåt pilspetsarna verkar längre. ”Allt vi kan säga baserat på dessa resultat är att det inte är erfarenhet”, säger Sinha. ”Det är något annat. Det drivs förmodligen av mycket enkla faktorer i bilden som hjärnan förmodligen är programmerad att svara på.”

Martinez-Conde är villig att riskera en gissning på hur Müller-Lyer illusionen fungerar., Hennes tidigare forskning har visat att våra ögon tenderar att märka hörn mer än raka linjer. Kanske säger hon, vår hjärna fokuserar på hörnen av de yttre pilspetsarna, vilket gör linjen mellan dem ser kortare ut än linjen med inåt pilspetsar. ”Men detta bör tas med ett stort saltkorn eftersom jag inte har några data för att bevisa det.”

oavsett mekanismen, lägger den nya studien till växande bevis” att vi inte är tomma skiffer när vi är födda”, säger Martinez-Conde., Andra bevis kommer från en nyligen genomförd studie av Amir Amedi, en neuroforskare vid Hebreiska Universitetet i Jerusalem, och kollegor där de använde fMRI för att jämföra den visuella cortex av kongenitalt blinda individer med den hos normalt seende. De fann att den grundläggande organisationen av synbarken hos kongenitalt blinda människor liknar den hos de normalt seende, och båda har liknande kopplingar mellan olika delar av cortex. Det betyder ”Vi är födda med denna maskin för att se det på ett sätt som inte kräver visuell erfarenhet att dyka upp”, säger Amedi., ”Det visuella systemet kommer med vissa anslutningar och beräknings fördomar.”

sådan förmildrande kan hjälpa Prakash barn få funktionell syn under månaderna efter operationen, spekulerar Amedi. Men erfarenhet och lärande verkar spela en större roll i visuellt förvärv. ”Det finns växande bevis för att vuxna hjärnor kan förändras i struktur och funktion”, säger Brigitte Roeder, en neuropsykolog vid universitetet i Hamburg i Tyskland., Till exempel har studier visat att vuxna som regelbundet spelar actionspel blir bättre på vissa visuella uppgifter, som att läsa det finstilta på en receptbelagd flaska eller spåra flera vänner som rör sig genom en folkmassa.

mer relevant för Prakash-barnen är möjligheten att skapa en mental bild av ett 3D-utrymme. ”Rumslig bildspråk är mycket viktigt i våra liv, säger Prakash gruppmedlem Tapan Gandhi, en neuroforskare vid Indian Institute of Technology, Delhi i New Delhi. ”Om jag frågar dig, tänk på ditt kök, där du har hållit vad, du kan visualisera det., Detta är mycket viktigt för vårt dagliga liv.”Men blinda människor är inte skickliga på att föreställa sig utrymmen. När de testas för denna förmåga med hjälp av en matris och rörliga pinnar, utför Prakash barn före operationen dåligt jämfört med normalt seende människor, säger Gandhi. Strax efter operationen börjar de dock förbättra sig vid rumsliga bildspråk. Vision måste vara avgörande för att hjälpa hjärnan att skapa mentala kartor över utrymmen, säger han., Och hjärnan har inte heller ett kritiskt fönster för denna förmåga, eller fönstret är öppet tills mycket senare i livet, rapporterade Gandhi och kollegor i 12 mars 2014-frågan om Psykologisk Vetenskap.

teamet hittade liknande anpassningsförmåga i förmågan att skilja ett mänskligt ansikte från ansiktslyftande bilder. Strax efter operationen, Prakash patienter kan inte se skillnaden. Det motsäger också dogma: Homing in on faces är en visuell förmåga som forskare tycker är medfödd. Men efter några veckor kan den nysynta identifiera ett mänskligt ansikte och börja känna igen olika ansikten., Teamet har också funnit att deras patienter snabbt lär sig att ansluta kontakt med syn. Med andra ord, de är snart kunna känna igen objekt som de rörde vid medan ögonbindel när de ser dessa objekt från ett avstånd.

men plasticitet har sina gränser. Collignon och hans kollegor studerade en grupp vuxna i Kanada som föddes med grå starr men hade korrigerande operation innan de blev 1. Trots minst 2 decennier av återställd syn hade varje individ något nedsatt syn., Deras 3D-uppfattning och deras förmåga att upptäcka rörelse äventyrades också, enligt opublicerade resultat. Forskarna fann att hjärnorna hos dessa individer verkar vara kopplade annorlunda: till skillnad från normalt seende människor, bearbetar deras visuella cortexes också ljud, de rapporterade i Augusti i Nuvarande biologi.

”det som verkligen är slående här är att vi talar om människor som är berövade i några veckor till några månader, men det leder till långvarig omorganisation av hjärnan för att svara mer på ljud”, säger Collignon., Prakash patienter, som är blinda i åratal, kommer också sannolikt att få sin visuella cortex omorganiserad, säger han, vilket kan hindra återhämtning. ”De har ett spår av sitt förflutna , och deras förflutna är blindhet”, säger han. ”Dessa människor kommer aldrig att kunna återställa syn som någon som har sett förut.”

sinhas resultat bekräftar detta. Prakash-patienterna utvecklar inte syn så skarp som normalt sett människors. ”trots att vi följer dessa barn i flera år hittar vi inte en utveckling av skarphet till normalitet”, säger Sinha., Det tyder på ett kritiskt fönster för skarphet som stängs någon gång innan de blir 8 – den yngsta åldern Prakash har hittills behandlat.

Yadav erfarenheter är typiska. ”Jag kan läsa tidningsrubriker med mina glasögon”, säger han. Men 4 år sedan hans operation har han fortfarande problem med att läsa det finare trycket i tidningar och böcker.

fönstret verkar också stänga tidigt för kontrastkänslighet: förmågan att urskilja kontraster, nyanser och mönster, En av de mest grundläggande funktionerna i synen., I ett test visar Sinhas team Prakash kids fyra mönster-ett hus, en kvadrat, ett äpple och en cirkel—och ber dem att identifiera mönstren när de förändras i storlek och kontrast. Normalt siktade personer kan upptäcka dessa mönster för en rad storlekar, om kontrasten ligger över en viss tröskel. För Prakash barn förbättras deras kontrastkänslighet betydligt upp till flera månader efter operationen, men når aldrig normala nivåer. De förblir fast vid detektering av ett begränsat antal storlekar, och endast när kontrasten är ganska hög.,

tillsammans visar resultaten att det inte finns någon enskild kritisk period som styr visionen, säger Amy Kalia, en postdoktoral kollega med Sinha. ”Är visionen återvinningsbar eller inte,” säger hon, ” är en mer komplex historia.,”

Utbildning kan hjälpa Prakash barn återhämta sig mer visuell funktion, säger Uri Polat, en neuroforskare vid Tel Aviv University i Israel. ”Fönstret stängs inte”, säger han. ”Det blir mindre känsligt.”

2004 var Polat den första som visade att träning kan återställa syn hos vuxna med amblyopi eller lat öga. Ett lat öga förhindrar normal utveckling av synbarken under tidig barndom. Patienter har nedsatt binokulär syn, såväl som dålig skärpa och kontrastkänslighet; den minskade synen ansågs irreversibel efter 10 års ålder., Polat fick patienter att titta på en datorskärm med variationer av en Gabor-Patchbild, som har suddiga svartvita mönster som förändras i storlek och kontrast. Efter bara en månad av träning hade hans patienter bättre skärpa och kontrastkänslighet.

Amedi håller med om att utbildning är nyckeln, men anser att det bör innebära beröring och ljud också—sinnen som blinda människor lita på för att navigera i världen. Hans forskning har visat att för att tolka ljud eller beröring förlitar de sig på delar av deras visuella cortex som normalt är dedikerade till syn., Till exempel använder de samma del av hjärnan för punktskrift som den seende användningen för läsning. Projekt Prakash planerar att öppna en bostadsskola nästa år för att rehabilitera och utbilda barn efter kataraktoperation med fysiska övningar och multisensoriska erfarenheter.

i slutändan vill Prakash-laget avslöja hur återställandet av synen förändrar den visuella cortexen. De börjar sondera förändringar i hjärnan med fMRI.

när de avbildar en patients visuella cortex före och 2 dagar efter operationen verkar olika delar av cortex fungera i synkront., ”Så om du har hög aktivitet i en del av cortexen, kommer du att ha liknande aktivitet i en annan del av cortexen”, säger Sinha. ”Det är som om mycket av synbarken pulserar tillsammans.”

men bara några månader efter operationen börjar fMRI-bilden förändras. Olika regioner i synbarken tänds differentiellt, vilket tyder på en arbetsfördelning. Bilder av mänskliga ansikten som visas för patienter, till exempel, aktivera ett område av cortex som är känt för att reagera på ansikten hos normalt seende människor.

”det är mycket meningsfullt”, säger Amedi., ”När de börjar bearbeta visuell information kan de inte utföra uppgifter. De kan inte identifiera ett objekt, en person. Det är alla samma nonsens för dem.”Men när tiden går, och hjärnan lär sig att skilja objekt, former och ansikten, börjar olika delar av den visuella cortexen specialisera sig.

Sinha, för en, förväntade sig inte dessa förändringar i hjärnan. ”Jag blev förvånad över hur mycket, hur massiva förändringarna är och hur snabbt det händer och hur sent i livet det kan hända”, säger han. Han förväntade sig inte heller gusher av resultat som projektet har genererat., ”Jag var orolig för att behöva arbeta med ganska gamla barn, vi satte oss upp för misslyckande.”I stället har projektet fört hundratals ungdomar som Yadav in i ljuset – samtidigt som området för visuell neurovetenskap också sätts i ett nytt ljus.

Se vårt bildspel om Project Prakash.

Lyssna på en podcast med författaren Rhitu Chatterjee.

---