Een zenuwcel (rood) in het netvlies die ook in het donker gevoelig blijkt voor beweging. Duke University/University of Victoria

Ogen hebben een natuurlijke versie van een nachtzichtkijker

Om te kunnen zien bij het licht van de maan of de sterren, verandert het netvlies van het oog zowel de software als de hardware van zijn cellen die licht waarnemen, om een soort van nachtzicht te creëren. Bepaalde circuits in het netvlies, waarvan tot nu werd gedacht dat ze onveranderlijk waren en geprogrammeerd voor specifieke taken, blijken aanpasbaar aan verschillende omstandigheden op het vlak van licht. Dat zeggen onderzoekers van de Amerikaanse Duke University, die aangetoond hebben dat de herprogrammering zich voordoet in cellen van het netvlies die gevoelig zijn voor beweging. 

"Om bij het licht van de sterren te kunnen zien, heeft de biologie de limiet moeten bereiken van slechts één elementair deeltje van het universum te zien, één enkel foton", zei Greg Field, assistent-professor neurobiologie en biomedische wetenschappen aan de Duke University in een persmededeling. "Het is opmerkelijk hoe weinig fotonen er 's nachts zijn."

De aanwezigheid en de richting van een bewegend object identificeren, is, zelfs in het beste licht, van het grootste belang voor het overleven van de meeste dieren. Maar beweging detecteren met één enkel referentiepunt, werkt niet al te best. Daarom hebben de netvliezen van gewervelde dieren vier verschillende soorten cellen die gevoelig zijn voor beweging, namelijk cellen die specifiek reageren op een beweging naar boven, naar benden, naar links of naar rechts. 

Als een object zich mooi in een van die richtingen beweegt, zullen de zenuwcellen die reageren op die bepaalde richting, hevig vuren, zo zei Field in de mededeling van Duke. Als de beweging echter halfweg tussen "naar boven" en "naar links" valt, zullen de beide groepen van cellen vuren, maar minder hevig. De hersenen interpreteren een dergelijk signaal dan als een beweging die zowel naar boven als naar links gaat.

"Voor complexe taken gebruiken de hersenen grote populaties van zenuwcellen, aangezien er een grens is aan wat een enkele zenuwcel kan  tot stand brengen", zei Field. 

Bij mensen zijn de zenuwcellen die reageren op beweging, goed voor zo'n 4 procent van alle cellen die signalen sturen van het netvlies naar de hersenen. Bij knaagdieren ligt dat dichter bij 20 tot 30 procent, zei Field, aangezien het van cruciaal belang is voor een diertje dat andere dieren echt graag opeten, om beweging op te merken.  

De ganglion-cellaag van het netvlies is gemerkt met een rode kleurstof om de aanwezigheid te tonen van een cel die gevoelig is voor een opwaartse beweging. Als er weinig licht is, vangen deze cellen zelfs de zwakste signalen op van om het even welk soort beweging. Retinale - van het netvlies - ganglioncellen zijn zeuwcellen die visuele informatie ontvangen en doorgeven aan verschillende delen van de hersenen. Ze bevinden zich in een laag, de ganglion cellaag,, die dicht bij de binnenste laag van het netvlies ligt. Afbeelding: Duke University/University of Victoria

Cellen veranderen hun gedrag in zwak licht

De afgestudeerde student Xiaoyang Yao was in het laboratorium van Field netvliezen van muizen aan het bestuderen in een erg donkere kamer, toen ze iets vreemds opmerkte. Ze gebruikte voor haar onderzoek een microscoop met oculairen met nachtzicht, en ze stelde vast dat de cellen van het netvlies die gevoelig zijn voor een opwaartse beweging, hun gedrag veranderden in zwak licht. De "naar boven" zenuwcellen vuren dan als ze om het even welke beweging waarnemen, en niet enkel een opwaartse beweging.

Een klein staal van het netvlies van een muis werd op een reeks elektroden geplaatst, die het individuele vuren van honderden zenuwcellen tegelijk kan meten, "en dan tonen we het staal films", zei Field. "Het inzicht van Xiaoyang was om te gaan kijken wat deze cellen doen in daglicht en 's nachts. Ze merkte op dat er een verschil was, en vroeg zich af waarom."

Als er veel minder licht beschikbaar is, kan een zwak signaal van beweging van de "naar boven" zenuwcellen, gekoppeld aan een zwak signaal van om het even welke andere cel die gevoelig is voor beweging, de hersenen helpen om beweging waar te nemen, wat te verglijken valt met de manier waarop de hersenen twee verschillende richtingssignalen interpreteren als een beweging die ergens midden tussen de twee valt. 

Het niet meer kunnen waarnemen van beweging is een veel voorkomende klacht bij menselijke patiënten met ernstig gezichtsverlies. Field zei in de persmededeling dat zijn bevindingen over de aanpasbaarheid van de zenuwcellen in het netvlies, in de toekomst mogelijk kunnen helpen bij het ontwerpen van inplanteerbare netvlies-prothesen.

"Veel dieren verkiezen 's nachts hun kostje bijeen te scharrelen, waarschijnlijk omdat het lastiger is voor roofdieren om dan te zien", zei Field. "Maar de natuur is natuurlijk een wapenwedloop. Uilen en katten hebben zeer gespecialiseerde ogen ontwikkeld om 's nachts te kunnen zien, de prooidieren hebben datgene wat ze hebben, aangepast om te overleven."

Om redenen die nog niet duidelijk zijn, zijn het enkel de "naar boven" cellen die generalisten worden bij zwak licht. Field vermoedt dat voor een prooidier "naar boven" de belangrijkste beweging is om een roofdier op te merken dat opwaarts ineens opdoemt als het zijn prooi nadert, maar hij heeft daarover nog geen  gegevens. 

Wat voorlopig belangrijk is, is dat het oog en de hersenen de manier waarop ze beweging vaststellen veranderen bij zwak licht. "We hebben geleerd dat grote populaties van zenuwcellen in het netvlies hun functie kunnen aanpassen als compensatie voor verschillende omstandigheden", zei Field.

Een muis in de schemering.

Andere aanpassingen?

Het netvlies bestaat uit veel circuits die werken in een "paralleschakeling", zei Jeffrey Diamond, hoofdonderzoeker aan het National Institute of Neurological Disorder and Stroke, die ook de visuele verwerkingsprocessen in het netvlies bestudeert. "We zijn nu te weten gekomen dat die circuits verschillende dingen doen op verschillende tijdstippen", zei Diamond, die niet betrokken was bij de studie van Field, in de mededeling van Duke. 

Nu Field deze ene aanpassing aan zwak licht gevonden heeft, die aangedreven wordt door veranderingen in zowel de circuits als in de chemische signalen tussen de cellen, dringt de vraag zich op hoeveel andere aanpassingen er nog gevonden zullen worden, zei Diamond.

"Er zijn 50 soorten amacrine cellen, de medicijnkastjes van het netvlies, en de meeste ervan geven waarschijnlijk meerdere neurotransmitters vrij die het circuit van het netvlies kunnen beïnvloeden", zei Diamond. "We weten slechts iets af van zo'n 20 procent van die cellen." Dat betekent dus dat er veel verschillende mogelijkheden zijn voor de zenuwcellen van het netvlies om zich aan te passen aan veranderende omstandigheden, en die kunnen nu onderzocht worden. 

De studie van Xiaoyang, Field en hun collega's van Duke University, de University of Victoria in Canada, de Early Signal Foundation in New York en de Harvard Medical School in Boston is gepubliceerd in "Neuron"