Исследования сенсорной адаптации, проведенные профессором инженерного дела Университета Торонто Вилли Вонгом, возможно, обнаружили ранее упущенный из виду организационный принцип физиологии.
По словам Вонга, биологам давно известно, что организмы приспосабливаются к постоянному раздражителю аналогичным образом.
«Представьте, что вы входите в комнату, которую кто-то только что покрасил. Скорее всего, вы подумаете:« Это плохо пахнет ». Но ощущение уменьшается по мере того, как вы остаетесь там. Молекулы не исчезают, не в течение этого периода времени. Вы просто привыкли к этому ».
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 математическое соотношение, которому подчиняются все сенсорные модальности и организмы.
«Я сравнил 250 измерений адаптации из разных областей сенсорной физиологии и обнаружил, что все они совместимы с одним простым уравнением», - говорит Вонг.
Недавняя работа Вонга над интерфейсами мозг-машина , такими как протез сетчатки для восстановления зрения для слепых пациентов , основана на его давнем увлечении нейронным кодом - тем, как нейроны обрабатывают информацию. Хотя сегодняшнее понимание кода остается далеким от совершенства, чем больше исследователи понимают, как наш мозг преобразует сигналы в восприятие, тем лучше они могут разрабатывать технологии, заменяющие утраченные функции или улучшающие существующие.
Идея кривой сенсорной реакции, которая спадает с течением времени, может показаться нелогичной: не должно ли сильное ощущение возвращать постоянно высокую скорость реакции? Но еще в 1920-х годах физиологи, такие как Эдгар Адриан, демонстрировали, почему бы и нет.
Адриан, работа которого получила Нобелевскую премию 1932 года по физиологии и медицине, использовал образец лягушки, чтобы проследить феномен адаптации до уровня отдельных нейронов. Он обнаружил, что нейроны используют базовую единицу коммуникации, нервный импульс, называемый потенциалом действия, который запускает сигнал той же силы, пока достигается порог.
«Потенциал действия не бывает полумер», - говорит Вонг. «Либо вы получите один, либо нет. Если вы это сделаете, нейрону потребуется некоторое время, чтобы перезарядиться, прежде чем он сможет запустить другой. В процессе адаптации скорость генерации потенциала действия постепенно падает до некоторого ненулевого устойчивого состояния».
Адаптационная реакция возникает у всех животных, от позвоночных, таких как млекопитающие, до беспозвоночных, таких как насекомые, и во всех сенсорных модальностях. Это включает в себя пять традиционных органов чувств: зрение, слух, осязание, вкус и запах, а также соматосенсорные функции, такие как проприоцепция (осознание телом самого себя) и электрорецепция, как у угрей.
Одним из самых больших сюрпризов Вонга было то, что его уравнение справедливо для некоторых из самых старых многоклеточных организмов, таких как медузы, у которых очень разные сенсорные системы.
«Если вы посветите на них светом, они либо полетят к свету, либо от него - но только потому, что их фоторецепторы жестко подключены к их двигательной мощности», - говорит он. «Возникает вопрос, универсально ли это уравнение? В будущем, если мы найдем инопланетян с экзобиологией, которых никогда не видели на этой планете, могут ли они быть ограничены теми же ограничениями или принципами?»
В физических науках универсальность определяется воспроизведением результатов независимо от того, когда, где и каким методом они были получены. Но это не всегда возможно в биологических экспериментах, которые могут создавать значительные препятствия для повторения измерений.
Однако когда данные не связанных между собой независимых исследований - в разные периоды времени, исследователи и методы - объединяются в качестве доказательства, это укрепляет аргументы в пользу вывода. Этот принцип, называемый согласованностью, основан на предпосылке, что наука едина, что способствует достижению консенсуса в таких теориях, как теория эволюции и теория большого взрыва, среди прочих.
«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 было используется или на организме. С этой точки зрения он универсален ».
«Это поучительная работа профессора Вонга», - говорит профессор Дипа Кундур, заведующий кафедрой электротехники и вычислительной техники Университета Торонто. «Это напоминание о том, насколько широко распространена электротехника и компьютерная инженерия - 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, чтобы его придумал инженер. Хотя Вонг разрабатывал эти идеи в течение многих лет, он считает, что пандемия дала ему время для переориентации, а также периоды плодотворных исследований.
«Я был на эллиптическом тренажере», - говорит он, когда его просят определить его момент «а-ха». «Либо читаю новости, либо думаю о своей работе. Я думаю, что это был момент».