Κατασκευή μοντέλου προσομοίωσης του οφθαλμοκινητικού νευρικού ολοκληρωτή σακκαδικών κινήσεων των ματιών

Abstract

Ένας από τους κύριους στόχους της επιστήμης των Νευροεπιστημών είναι να διερευνήσει και ακολούθως να προβάλλει τη νευρωνική βάση μιας Συμπεριφοράς όπως είναι οι σακκαδικές κινήσεις των ματιών. Οι κινήσεις αυτές έχουν σαν στόχο τη μεταφορά της εικόνας του ενδιαφέροντος στο κέντρο του αμφιβληστροειδή, εκεί δηλαδή που επιτυγχάνεται η μέγιστη οπτική οξύτητα, και κατόπιν η σταθεροποίηση των ματιών πάνω στην εικόνα συνεισφέρει στην περαιτέρω ανάλυση και επεξεργασία της. Κύριο χαρακτηριστικό των σακκαδικών κινήσεων των ματιών είναι η υψηλή ταχύτητα αυτών σε σύντομο χρονικό διάστημα. Ο προγραμματισμός και εκτέλεση της ταχύτητας συντελείται από τα πρόσθια και συμπληρωματικά οπτικά πεδία του φλοιού του εγκεφάλου αντίστοιχα και κωδικοποιείται από κυτταρικούς πληθυσμούς του εγκεφαλικού στελέχους οι οποίοι φροντίζουν ώστε αυτή να φτάσει στα κατάλληλα εκτελεστικά όργανα, τους οφθαλμικούς μύες, οι οποίοι αναπτύσσουν τα κατάλληλα ποσά δύναμης για τη σωστή οδήγηση των ματιών. Ο μηχανισμός της σταθεροποίησης των ματιών πάνω σε στόχο απαιτεί συνεχή πληροφορία της θέσης αυτών. Η τελευταία, είναι αποτέλεσμα της νευτώνειας ολοκλήρωσης του σήματος της ταχύτητας από κέντρα επεξεργασίας του εγκεφαλικού στελέχους διαφορετικά για κάθε άξονα κίνησης. Στο οριζόντιο, ο παράμεσος δικτυωτός σχηματισμός της γέφυρας κωδικοποιεί το σήμα της ταχύτητας και τροφοδοτεί με την πληροφορία αυτή τον οριζόντιο Νευρικό Ολοκληρωτή, που εκπροσωπείται από το σύμπλεγμα του έσω αιθουσαίου πυρήνα και του προέτακτου του υπογλωσσίου για την δημιουργία του σήματος της θέσεως των ματιών. Αντίστοιχα στο κατακόρυφο επίπεδο κίνησης, ο ενδιάμεσος κεφαλικός πυρήνας της έσω επιμήκους δεσμίδας και ο ενδιάμεσος πυρήνας του Cajal που εκπροσωπεί τον κατακόρυφο Νευρικό Ολοκληρωτή μεταφέρουν αντίστοιχα την πληροφορία της ταχύτητας και της θέσεως των ματιών. Η κατασκευή του νευρωνικού δικτύου αναπαράστασης του πληθυσμού του κατακόρυφου Νευρικού Ολοκληρωτή και ακολούθως η απόδοση αυτού στην προσομοίωση της σακκαδικής κίνησης και σταθεροποίησης των ματιών σε κατακόρυφη θέση μετά στο τέλος της κίνησης, αποτελεί το θέμα της παρούσας μελέτης. Ο ενδιάμεσος πυρήνας της έσω επιμήκους δεσμίδας, που αναπαριστά τη μονάδα εισόδου του παραπάνω μοντέλου, προβάλλει το σήμα της σακκαδικής ταχύτητας των ματιών στον ενδιάμεσο πυρήνα του Cajal μέσω συνάψεων συμβατών με την ανατομία και φυσιολογία των περιοχών αυτών, με στοχαστικά αριθμητικά βάρη. Η μέση τιμή των βαρών αυτών είναι συνάρτηση του αριθμού των μονάδων που χρησιμοποιούμε για την σύνθεση του πληθυσμού του κατακόρυφου Νευρικού Ολοκληρωτή και ο συντελεστής μεταβλητότητας αυτών είναι 100%. Επίσης, πάντα σε συνέπεια με την ανατομία του ενδιάμεσου πυρήνα του Cajal, οι μονάδες του κατακόρυφου Νευρικού Ολοκληρωτή (που αποτελεί συνολικά τη μονάδα επεξεργασίας του μοντέλου) με διαφορετική προτιμώμενη κατεύθυνση στον κατακόρυφο άξονα κίνησης των ματιών, αναπτύσσουν ανασταλτικές και διεγερτικές συνάψεις διαμέσου του οπίσθιου συνδέσμου και των οποίων τα αριθμητικά βάρη κατανέμονται επίσης στοχαστικά. Η μέση τιμή αυτών είναι, όπως και παραπάνω, συνάρτηση του αριθμού των μονάδων που χρησιμοποιούμε για την σύνθεση του πληθυσμού του κατακόρυφου Νευρικού Ολοκληρωτή και ο συντελεστής μεταβλητότητας αυτών είναι 50%. Στο μοντέλο αυτό η είσοδος και η επεξεργασία αυτής μεταφέρονται απευθείας στην μονάδα εξόδου που αποτελείται από τους κατακόρυφους κινητικούς νευρώνες. Η συστηματική ανάλυση των αποτελεσμάτων έδειξε ότι το μοντέλο του κατακόρυφου Νευρικού Ολοκληρωτή αποτελεί μια ρεαλιστική αναπαράσταση του τρόπου με τον οποίο συνδέονται μεταξύ τους οι περιοχές αυτές που εμπλέκονται στη δημιουργία και μνήμη της κατακόρυφης θέσης των ματιών μετά από σακκαδική κίνηση αυτών. Επιπλέον, η δραστηριότητα που αναπτύσσουν οι μονάδες του κατακόρυφου Νευρικού Ολοκληρωτή στη διάρκεια και στο τέλος της σακκαδικής κίνησης είναι συνεπής με αποτελέσματα από τη Νευροφυσιολογία του ενδιάμεσου πυρήνα του Cajal. Επίσης, η προσομοίωση πειραμάτων βλάβης στον κατακόρυφο Νευρικό Ολοκληρωτή επηρεάζει το μηχανισμό της μνήμης της θέσης των ματιών κατά τρόπο ανάλογο με αυτόν που έχει παρατηρηθεί μετά από πειράματα βλάβης του ενδιάμεσου πυρήνα του Cajal. Τέλος, το παραπάνω μοντέλο είναι σε θέση να τροποποιηθεί με κατάλληλο τρόπο ώστε να οδηγεί στην προσομοίωση της δημιουργίας της οριζόντιας θέσης των ματιών μετά από σακκαδική κίνηση αυτών, αποτελώντας έτσι μια περισσότερο ρεαλιστική προσέγγιση έναντι των προηγούμενων μοντέλων του οριζόντιου Νευρικού Ολοκληρωτή.