Uniwersalne prawo fizjologii wyłania się z Un

Badania nad adaptacją sensoryczną prowadzone przez profesora inżynierii z Uniwersytetu w Toronto, Williego Wonga, mogły ujawnić wcześniej przeoczoną zasadę regulującą fizjologię.

Biolodzy od dawna wiedzą, że organizmy przystosowują się do stałego bodźca w podobny sposób, mówi Wong.

„Wyobraź sobie, że wchodzisz do pokoju, który ktoś właśnie pomalował. Prawdopodobnie pomyślisz: „To nieprzyjemny zapach”. Ale odczucie zmniejsza się, im dłużej w nim przebywasz. Cząsteczki nie znikają, nie w tym czasie ramy czasowe. Właśnie się do tego przyzwyczaiłem”.

Od stanu początkowego aktywność odpowiedzi organizmu wzrasta do szczytowej odpowiedzi, a następnie spada do nowego końcowego stanu ustalonego. Wong odkrył, że te trzy stałe punkty na krzywej adaptacji tworzą matematyczną zależność, której przestrzega się we wszystkich modalnościach i obiektach sensorycznych.

„Porównałem 250 pomiarów adaptacji z różnych gałęzi fizjologii sensorycznej i stwierdziłem, że wszystkie są zgodne z jednym prostym równaniem” – mówi Wong.

Jego odkrycia, pierwsze ilościowe porównanie odpowiedzi adaptacyjnych, przedstawiono w A papier w nim Granice ludzkiej neuronauki.

Ostatnie prace Wonga dotyczące interfejsów mózg-maszyna, takich jak: Proteza siatkówki przywracająca wzrok niewidomym pacjentom, opiera się na swojej wieloletniej fascynacji kodem neuronowym – tym, jak neurony przetwarzają informacje. Chociaż dzisiejsze rozumienie kodu jest wciąż dalekie od doskonałości, im więcej badacze rozumieją, w jaki sposób nasze mózgi przekształcają sygnały w percepcje, tym lepsze techniki mogą zaprojektować, aby zastąpić utracone funkcje lub ulepszyć istniejące.

Idea krzywej reakcji sensorycznej, która z czasem zanika, może wydawać się nielogiczna: czy silne doznanie nie powinno konsekwentnie zwracać silnego wskaźnika odpowiedzi? Ale od lat dwudziestych fizjolodzy tacy jak Edgar Adrian wyjaśniali, dlaczego tak się nie stało.

Adrian, którego prace zdobyły w 1932 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny, wykorzystał próbkę żab do prześledzenia zjawiska adaptacji do poziomu pojedynczych neuronów. Odkrył, że neurony wykorzystują podstawową jednostkę komunikacji, impuls nerwowy zwany potencjałem czynnościowym, który uwalnia tę samą siłę sygnału, dopóki osiągany jest próg.

„Potencjał biznesowy nie pojawia się na pół metra” – mówi Wong. „Albo dostajesz jeden, albo nie. Jeśli to zrobisz, neuron potrzebuje trochę czasu, aby się naładować, zanim będzie mógł wystrzelić kolejny. W procesie adaptacji tempo generowania potencjału czynnościowego stopniowo spada do niezerowego stanu ustalonego ”.

Reakcja adaptacyjna występuje u wszystkich zwierząt, od kręgowców, takich jak ssaki, po bezkręgowce, takie jak owady, i we wszystkich szlakach sensorycznych. Obejmuje to pięć tradycyjnych zmysłów wzroku, słuchu, dotyku, smaku i węchu, wraz z funkcjami somatosensorycznymi, takimi jak propriocepcja – percepcja ciała – i odbiór elektryczny, które występują u węży.

Jedną z największych niespodzianek Wonga było to, że jego równanie odnosiło się do niektórych najstarszych organizmów wielokomórkowych, takich jak meduzy, które mają bardzo różne systemy sensoryczne.

„Jeśli oświetlisz je światłem, albo wlatują w światło, albo oddalają się od niego — ale tylko dlatego, że ich fotoreceptory są tak ściśle połączone z ich mocą silnika”, mówi. Co rodzi pytanie, czy to równanie jest uniwersalne? Czy w przyszłości, jeśli znajdziemy istoty pozaziemskie o egzogennej biologii, której nigdy nie widziano na tej planecie, czy będą one ograniczone tymi samymi ograniczeniami lub zasadami? „

W naukach fizycznych o kompletności decyduje powtarzalność wyników, niezależnie od tego, kiedy, gdzie i jaką metodą są one uzyskiwane. Ale nie zawsze jest to możliwe w eksperymentach biologicznych, które mogą stanowić poważne przeszkody w powtarzaniu pomiarów.

Jednak gdy dane z niepowiązanych niezależnych badań – z różnych okresów, badaczy i metod – zbiegają się jako dowody, wzmacniają one argumentację za wnioskiem. Zasada ta, zwana Consilience, opiera się na założeniu, że nauka jest zunifikowana, wzmacniając konsensus między innymi w teoriach, takich jak ewolucja i teoria Wielkiego Wybuchu.

„Wszystkie te dane tam były”, mówi Wong, „wziąłem krzywą tutaj, krzywą tam i porównałem je — nawet kanoniczne wykresy Adriana. Wszystkie odpowiadają temu samemu związkowi średniej geometrycznej. badacza, lub jaki sprzęt jest używany, lub na obiekcie”. Sąsiedztwo. Z tej perspektywy jest globalne”.

„To pouczająca praca profesora Wonga” – mówi profesor Deepa Kondor, przewodnicząca Wydziału Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej na Uniwersytecie w Toronto. „Przypomina to, jak powszechna jest inżynieria elektryczna i komputerowa – w jaki sposób naukowcy mogą przyczynić się do wielu pozornie dalekosiężnych dziedzin badań”.

Odkrycie nowego równania fizjologicznego nie zdarza się codziennie i nadal jest mało prawdopodobne, aby pochodziło od inżyniera. Chociaż Wong rozwija te pomysły od lat, przypisuje pandemii trochę czasu na ponowne skupienie się, a także produktywne okresy postępu w badaniach.

„Byłem w pozycji eliptycznej”, mówi, gdy został poproszony o wybranie swojego „momentu ha”. „Albo czytając wiadomości, albo myśląc o mojej pracy. Myślę, że to był ten moment.”