Исследование методом оптического картирования первичной зрительной коры головного мозга кошки при предъявлении изображений различного уровня сложности

Размещено на http://www.allbest.ru/

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ИНСТИТУТ

ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И НЕЙРОФИЗИОЛОГИИ РАН

На правах рукописи

03.00.13 - физиология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата биологических наук

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОМ ОПТИЧЕСКОГО КАРТИРОВАНИЯ ПЕРВИЧНОЙ ЗРИТЕЛЬНОЙ КОРЫ ГОЛОВНОГО МОЗГА КОШКИ ПРИ ПРЕДЪЯВЛЕНИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ РАЗЛИЧНОГО УРОВНЯ СЛОЖНОСТИ

ИВАНОВ Ростислав Сергеевич

Москва - 2008



Работа выполнена в Лаборатории физиологии сенсорных систем (заведующий - академик РАН, д.б.н., профессор И.А. Шевелёв) Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН (директор Института - д.б.н., профессор П.М. Балабан).

Научный руководитель:

академик, доктор биологических наук, Игорь Александрович Шевелёв профессор

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, Александр Васильевич Латанов доцент

доктор биологических наук Галина Христофоровна Мержанова

Ведущая организация:

Отдел мозга государственного учреждения Научного центра неврологии РАМН

Защита состоится «17» декабря 2008 года в 11 часов 00минут на заседании Диссертационного совета Д-002.044.01 при Институте высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН (Москва, 117485, ул. Бутлерова, д. 5А).

Факс: (495) 338 8500; E-mail: admin@ihna.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института ВНД и НФ РАН.

Автореферат разослан «14» ноября 2008 года.

Учёный секретарь

Диссертационного совета доктор биологических наук В.В. Раевский



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования

Известно, что локальное кровоснабжение мозга зависит от изменений его метаболической и нейронной активности. В последние десятилетия новые методы визуализации активности мозга позволили исследовать тонкую организацию его функций по изменениям локального кровотока (позитронно-эмиссионная томография, функциональная магнитно-резонансная томография и оптическое картирование по внутреннему сигналу).

Нейроны коры, имеющие схожие свойства, как ответ на определённый стимул или его движение, собраны в вертикальные колонки, каждая из которых оплетена сетью артериол и венул. Известно, что активность нейронов коры сопровождается усилением потребления кислорода крови, что влечёт локальное изменение химического состава и физических свойств крови и сосудов. Эти изменения (например, соотношения концентраций двух форм гемоглобина) являются компонентами внутреннего оптического сигнала, посредством регистрации которого можно судить о расположении активных элементов коры мозга. В итоге колончатая структура может быть точно зафиксирована с применением метода оптического картирования по внутреннему сигналу в виде функциональной карты коры мозга.

Ранее в электрофизиологических экспериментах было показано, что около половины нейронов поля 17 зрительной коры кошки наиболее чувствительны не к ориентации отрезков линий [Hubel, Wiesel, 1974], а к их пересечениям и ветвлениям [Shevelev et al., 1994,1995,1998b,c; Sillito et al., 1995]. Остаётся открытым вопрос, включены ли детекторы крестообразных фигур в классические ориентационные колонки или локализованы в иных корковых модулях.

Нейрон зрительной коры, чувствительный к ориентации светлой или темной полоски, вспыхивающей или движущейся в его рецептивном поле, принято называть детектором ориентации, а зависимость ответа от ориентации стимула - ориентационной настройкой [Супин, 1981; Шевелев, 1984; см. обзоры: Orban, 1984; Hubel, Wiesel 1962, 1965]. До последнего времени считалось, что нейроны первичной зрительной коры кошки и обезьяны оптимально настроены только на выделение из изображения светлых или темных полосок определенной ориентации и не детектируют более сложные изображения [Hubel, Wiesel 1962, 1965; см. обзоры: Супин, 1981; Шевелев, 1984; Orban, 1984].

Детекторы более сложных, чем полоска, признаков изображений (будем называть их «признаками второго порядка»), содержащих пересечение или ветвление линий: крестообразных или У-образных фигур, углов, - а также человеческих лиц - до последнего времени находили только в нижневисочной коре кошек и обезьян [Baylis, Rolls, 1987; Rolls, 1992; Tanaka et al., 1991].

В регистрации ответов одиночных нейронов на более сложные, чем полоски, зрительные стимулы достигнут прогресс - несколько лет назад в первичной проекционной области зрительной коры кошки были обнаружены детекторы пересечений и узлов ветвления линий [Лазарева с соавт., 1995a, 1998; Шевелев, 1999; Шевелев с соавт., 1993, 1996; Shevelev et al., 2001], а в первичной коре кошек и обезьян найдены нейроны, выделяющие “локальные нарушения ориентационной непрерывности” [Sillito et al., 1995]. Оказалось, что от трети до половины нейронов увеличивают свою реакцию в среднем в несколько раз по сравнению с максимальным ответом на оптимальную одиночную полоску при стимуляции их рецептивных полей вспыхивающей крестообразной фигурой со специфической для каждой клетки конфигурацией и ориентацией.

Исследуя детекторы крестообразных фигур, исследователи пришли к выводу, что механизмы детекции этих достаточно простых фигур существенно сложнее, чем механизмы детекции полосок. При этом характеристики популяционного ответа таких нейронов до настоящего времени не были исследованы, не была установлена их функциональная архитектура, учитывающая распределение детекторов признака пересечения линий в первичной зрительной коре и взаимное расположение детекторов крестов и ориентаций.

Кроме того, в литературных данных наше внимание привлекла неоднозначная интерпретация исследований представительства нейронов-детекторов области V1 первичной зрительной коры, настроенных на горизонтальные и вертикальные линии. Рядом авторов была установлена предпочтительная настройка на эти стимулы в сравнении с ответом на наклонные ориентации (например, 45° и 135°). Однако другие авторы, используя те же методы исследований, такой анизотропии в восприятии линий разной ориентации не нашли. Участие в этом споре также позволяло более полно использовать возможности новой системы для исследования функциональной структуры мозга.

Целью настоящей работы является установление функциональной архитектуры первичной зрительной коры мозга кошки (поле 17) методом оптического картирования по внутреннему сигналу, что включает в себя:

Создание установки и отладка протокола по оптическому картированию внутреннего сигнала для исследования популяционного нейронного ответа на индивидуальные зрительные стимулы.

Исследование тангенциальной упаковки в первичной зрительной коре кошки нейронов-детекторов признаков формы изображения второго порядка (ветвление и пересечение линий).

Использование оптического картирования для изучения «эффекта наклона» - преимущественного представительства в первичной зрительной коре нейронов, настроенных на вертикальные и горизонтальные ориентации по сравнению с наклонными.

Для достижения поставленной цели были выбраны следующие задачи исследования: зрительный кора мозг кошка

Впервые в нашей стране наладить метод оптической регистрации внутреннего сигнала от первичной зрительной коры мозга кошки в условиях in vivo (анестезированное животное).

Добиться стабильной во времени регистрации внутреннего оптического сигнала.

Обнаружить участки популяционного ответа, то есть, колонки ориентационной чувствительности в первичной зрительной коре мозга кошки.

Провести сравнительный анализ паттерна ориентационной чувствительности в поле 17 с известными экспериментальными данными, полученными методом оптического картирования по внутреннему сигналу [Шевелёв с соавт., 2005] и другими методами [Лазарева с соавт., 1986].

Провести сравнительный анализ активации коры при разных ориентациях одиночных полосок с целью проверить так называемый «эффект их наклона» («oblique effect»).

Обнаружить в коре поля 17 популяционный оптический ответ на признаки изображения второго и более высоких порядков.

Охарактеризовать полученные данные с точки зрения расположения доменов нейронов-детекторов, настроенных на признаки ветвления и пересечения линий, в границах поля 17 первичной зрительной коры.

Оценить их возможно комплексный состав (сумма ли это ответов ориентационных колонок или их более сложное объединение) и количественную выраженность «эффекта крестов» и составляющих их линий.

Научная новизна исследования

Метод оптической регистрации активности мозга совсем недавно начал получать распространение в России. На базе Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН нами впервые была налажена установка для оптического картирования и запущен протокол регистрации внутреннего оптического сигнала от коры головного мозга кошки. Исследована возможность усовершенствования метода с целью получения ответа от нейронов коры головного мозга в режиме реального времени с высоким пространственным разрешением за счёт получения его «внешнего» оптического сигнала при окрашивании коры потенциал-зависимыми красителями.

Проведенное исследование впервые выявило популяционный оптический ответ нейронов коры головного мозга кошки на предъявление крестообразных и угловых зрительных стимулов. Исходя из полученных данных, предложена и обоснована гипотеза о топографии тангенциальной упаковки нейронов-детекторов признаков изображения второго порядка в границах поля 17 первичной зрительной коры, в том числе, относительно других её клеточных элементов.

Проверена также гипотеза о существовании в поле 17 так называемого «эффекта наклона», то есть, количественного преобладания в этом поле детекторов вертикали и горизонтали над детекторами диагональных ориентаций. По полученным нами данным этот эффект не нашел подтверждения.

Научно-практическая значимость работы

Применение метода оптического картирования нейронной активности на основе регистрации внутреннего картирующего сигнала открывает новые возможности в установлении функциональной структуры коры мозга. Благодаря высокому пространственному разрешению (а при определённой модификации метода - и временному), относительной неинвазивности, возможности проведения длительных экспериментов с применением различных стимульных ситуаций и анестезирующих агентов, совмещения с электрофизиологическими и другими картирующими методами исследования, этот метод даёт возможность по-новому оценить данные нейрофизиологических экспериментов на отдельных нейронах и дополнить их популяционными данными в надежде заполнить разрыв в понимании механизмов восприятия и обработки простых и сложных изображений.

Картирование мозга животных при разных видах зрительной стимуляции позволило установить взаимное расположение различных функциональных модулей коры - ориентационных колонок и сверхколонок, а также полос глазодоминантности [Hubener et al., 1997]. Применение оптического картирования по внутреннему сигналу помогло в понимании детальной функциональной архитектуры зрительной коры кошек и обезьян [Frostig et al., 1990; Grinvald et al., 1986; Ts'o et al., 1990]. Сегодня оптическое картирование является важным инструментом для изучения функциональной архитектуры моторной, соматосенсорной, слуховой коры и обонятельных луковиц, построения карт активации коры у бодрствующих животных; исследования функционального коркового развития и пластичности при нормальных и патологических условиях. В последнее время данная методика также активно используется для визуализации распространения локальных эпилептических очагов и реорганизации функциональных корковых карт в окружении очага ишемического поражения, метод адаптирован также для картирования коры мозга человека в процессе нейрохирургического вмешательства [Zepeda et al., 2004].

Основные положения, выносимые на защиту

Создан протокол и апробирована в экспериментальных условиях методика картирования популяционной активности нейронов первичной зрительной коры мозга кошки по внутреннему оптическому сигналу.

Нулевая гипотеза о наличии в поле 17 большего числа нейронов, детектирующих вертикаль и горизонталь по сравнению с детекторами диагональных ориентаций («эффект наклона») в условиях наших опытов не подтвердилась: не выявлено достоверных различий в площади активированных ориентационных колонок при действии решеток вертикальной и горизонтальной ориентации по сравнению с диагонально ориентированными решетками.

В первичной зрительной коре мозга кошки нейроны-детекторы признаков изображения второго порядка располагаются, в основном, в границах классических ориентационных колонок.

Ответ нейронов-детекторов на присутствующие в стимулах признаки ветвления и пересечения линий включает в себя помимо ответов на ориентационные составляющие стимулов ответ на сам признак пересечения как таковой.

Апробация работы

Основные материалы диссертации докладывались на международных конференциях (I и II Съезд физиологов СНГ (2005; ISIR-2008); XIV Международной конференции по нейрокибернетике (ICNC-05); 29th European Conference on Visual Perception (ECVP-2006); PENS Training Center “Imaging brain function: from molecules to mind” (PENS-2006); III Lemanic-Neurosciences Annual Meeting-2006; International Symposium “Topical problems of biophotonics - 2007”); XIX и XX Съездах Физиологического общества им. И.П. Павлова (2004; 2007), в докладах по важнейшим достижениям за 2003-2005 годах на заседаниях Учёного совета Института ВНД и НФ РАН, на ежегодных Конференциях молодых учёных в 2004-2008 гг., проводимых в Институте ВНД и НФ РАН.

Исследование «эффекта наклонных линий» удостоено золотой медали и премии РАН за лучшую работу среди молодых ученых по физиологии.

Апробация диссертации проведена 26 июня 2008 года на совместном заседании лаборатории физиологии сенсорных систем (зав. - акад. РАН, д.б.н., проф. Шевелёв И.А.), лаборатории нейрофизиологии обучения (зав. - к.б.н. Маркевич В.А.) и лаборатории условных рефлексов и физиологии эмоций (зав. - д.б.н. Мержанова Г.Х.) Института ВНД и НФ РАН.

По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объём диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, глав с изложением методов, результатов и их обсуждения, выводов, списка литературы. Работа изложена на 109 страницах, иллюстрирована 31 рисунком и 1 таблицей. Список литературы включает 170 источников, из них 28 - на русском и 142 - на иностранных языках.

ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объект исследований

Острые эксперименты проведены на 13 взрослых кошках со средним весом 3.0 кг.

Подготовка и проведение хирургической операции

Животные были анестезированы смесью кетамина и ксилазина и иммобилизованы ардуаном, интубированы и переведены на искусственное дыхание. В течение всего эксперимента им непрерывно внутривенно инфузировали раствор Рингера с 1.25% раствором глюкозы и тиопенталом со скоростью 2-4 мг/кг/час или раствор Рингера с 1.25% раствором глюкозы и пропофолом со скоростью 1-2 мг/кг/час. Каждые два часа внутривенно инъецировали ардуан для дополнительной релаксации животного. Температуру тела и содержание СО2 в выдыхаемом воздухе поддерживали на постоянном уровне. Трепанацию выполняли над полем 17 левого полушария по координатам Хорсли-Кларка. Над трепанационным отверстием устанавливали специальную титановую шахту для оптического картирования, которую заполняли силиконовым маслом и герметично закрывали прижимным стеклом, что обеспечивало изоляцию коры от внешних воздействий и дополнительную защиту от артефактов движения коры, предоставляя оптический доступ к поверхностным слоям коры мозга. Твёрдую мозговую оболочку удаляли.

Оптическое картирование по внутреннему сигналу

Под внутренним оптическим сигналом понимается изменение интенсивности падающего и отражённого от коры мозга света. Такое изменение обусловлено метаболическими процессами в кровеносных сосудах мозга, вызванными популяционной нейронной активностью и выраженными отношением концентраций оксигенированной и дезоксигенированной форм гемоглобина крови: кровь в сосудах, обеспечивающих активные нейроны, в начальный момент и в продолжение активности нервных клеток активно отдаёт кислород и темнеет, что приводит к лучшему поглощению тканью падающего света. На оптических картах активные участки мозга, соответственно, выглядят более тёмными в сравнении с окружающими их областями.

В установку для оптического картирования (Рис. 1) входят: специализированная CCD-камера для регистрации отражённого корой света, снабжённая макроскопом (комплексом объективов, позволяющим добиться малой глубины резкости и производить регистрацию на заданном расстоянии от поверхности коры); источник света с фильтрами заданной длины волны, световодом и кольцевым осветителем - во время регистрации сигнала мозг равномерно освещается красным светом, позволяющим наиболее полно отследить изменения физических свойств крови; блок управления камерой; компьютер для накопления данных и другой компьютер для проведения зрительной стимуляции животного, выводящий на монитор зрительные стимулы: решётки из линий разной ориентации, из крестов или углов двух ориентаций, а также из составляющих их полосок.

Рис. 1. Схема установки для оптического картирования мозга. Объяснение в тексте.

Высокочувствительную CCD-камеру размещали над закреплённой на голове животного шахтой для оптического картирования. Фокус камеры устанавливали для оптической регистрации из слоев коры на глубине порядка 700 m от поверхности коры. В момент регистрации кору освещали красным светом (л=630 нм).

Для предупреждения загрязнения экспериментальных данных артефактами движения коры вследствие дыхания и сердцебиения, момент зрительной стимуляции программно синхронизовали с пиками электрокардиограммы и тактом аппарата искусственного дыхания.

Суть регистрации и накопления данных заключается в записи последовательностей «мгновенных карт» коры размером 256 на 256 пикселей с частотой 25 Гц и возможным пространственным разрешением до 50 мкм. Регистрация сигнала в ответ на один стимул занимает 10 секунд, начинаясь за 100 мс до предъявления стимула, и включает 5 секунд стимуляции движущимся стимулом и пять секунд после её завершения. Результатом такой записи после усреднения служит функциональная карта первичной зрительной коры, содержащая ответ на предъявленный стимул. Каждый стимул предъявляли от 20 раз в начале исследования до 63 раз к заключительной его части.

Обработка данных оптического картирования первичной зрительной коры

Данные оптического картирования обрабатывали в программной среде MATLAB. Процесс обработки функциональной карты (Рис. 2) предусматривал усреднение интенсивности накопленного оптического сигнала с вычитанием первого кадра из каждого последующего кадра серии (число усреднений в процессе построения одной функциональной карты за время исследования увеличили с 2000 до 6500), фильтрацию (двумерная линейная фильтрация) и логистическое преобразование (наложение логистической кривой на кривую распределения интенсивности сигнала), которые после дополнительного контрастирования дают карту с выделенными пятнами активации конкретным стимулом.



Рис. 2. Пример обработки функциональной карты первичной зрительной коры. Крайняя левая карта - усреднённые «сырые» данные для одного стимула, крайняя правая карта - итоговая карта с ответом нейронов коры на предъявленный стимул. Остальные объяснения в тексте.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Оптические карты коры

Методом оптического картирования по внутреннему сигналу получены оптические карты первичной зрительной коры мозга кошки. На картах видны пятна затемнения, которые являются тангенциальными проекциями популяционных ответов нейронов-детекторов в колонках, активированных определённым стимулом.

Стабильность регистрируемого оптического сигнала

Внутренний сигнал имеет очень низкую интенсивность и его накопление требует от 20 до 100 предъявлений каждого стимула. Соответственно, важно так провести подготовку к опыту и сам опыт, чтобы добиться высокой стабильности экспериментальной системы, которая позволила бы на протяжении длительного времени проводить стимуляцию и накопление сигнала. Состояние системы проверяется путём регулярных построений карт коры в ответ на контрольные стимулы.



Рис. 3. Стабильность регистрации оптического сигнала. Две серии карт, полученные с разницей в 5 часов. Стрелками показаны области активации, сохраняющие своё положение и распределение.

Как видно из Рисунка 3, через пять часов регистрации распределение пятен активации идентично в каждой стимульной ситуации рисунку активации в начале записи. Таким же распределение пятен активации сохраняется и через сутки после начала процедуры накопления данных. Изучение ориентационной чувствительности нейронов поля 17. Нами получены карты ответов поля 17 на предъявление решёток разной ориентации (Рис. 4): от 0 до 157,5?с шагом в 22,5?. Так эти карты выглядят после обработки данных. Каждая карта содержит оригинальный паттерн активации колонок нейронов-детекторов ориентаций. Площадь активации отдельной ориентацией линии занимает от 35 до 55% общей площади регистрации.

Рис. 4. Карты мозга кошки при стимуляции глаза линиями разной ориентации. Над картой приведен угол наклона решётки.



Изучение чувствительности нейронов первичной зрительной коры к признакам изображения второго порядка

Рис. 5. Карты ответов на признаки изображений второго порядка.

В ответ на предъявление стимулов, содержащих признаки изображения второго порядка: ветвления или пересечения линий - нами были получены функциональные карты ответов нейронов первичной зрительной коры на решётки из крестов и решётки, составленные из крестов с маскированными центрами пересечения (Рис. 5). Данные карты, соответствующие участку поля 17, содержат зоны активации, общий узор которых различен для отдельных стимулов. Следует отдельно отметить, что активация на предъявленные стимулы располагается в той же области интереса, в которой регистрировали ответ и на предъявление ориентационных решёток.

Различен и ответ первичной зрительной коры на стимуляцию решётками, составленными из полосок, которыми крестообразные фигуры образованы (Рис. 6). Мы видим разный рисунок активации в различных стимульных ситуациях, причем размер пятен активации на этих картах сходен.



Рис. 6. Карты активации коры при стимуляции крестообразными фигурами и полосками линий, образующих эти фигуры: А) для случая решётки из диагональных крестов и наклонных отрезков; Б) для случая решётки из прямых крестов и горизонтальных и вертикальных отрезков.

Количественный анализ оптических карт, полученных при экспозиции изображений, содержащих признаки второго порядка

Так как на качественном уровне нейронные ответы на стимулы разной сложности лежат в пределах одной области коры, логичным казалось рассмотреть количественные отношения зон их перекрытия. В ходе анализа полученных результатов провели количественную обработку данных (Табл. 1) для двух случаев: карт с ответами на прямой крест и составляющие его горизонтальные и вертикальные полоски (пул прямого креста, первые три колонки численных значений в Табл. 1) и карт с ответами на диагональный крест и составляющие его полоски с ориентацией 45? и 135? (пул диагонального креста (вторые три колонки численных значений в Табл. 1).

В таблице отражены следующие процентные отношения: 1) для площади активации (Sa) коры стимулом (указан в заголовке колонки с количественными данными) к площади области интереса (в таблице и далее в тексте обозначено как ROI; строка 1 в Табл. 1); 2) для площади перекрытия (Sover) активации стимулом с активацией двумя другими стимулами пула при совмещении карт коры и свободной от такого перекрытия площади активации стимулом к ROI (строки 2 и 3 таблицы, соответственно); 3) к Sa в ответ на данный стимул (строки 4 и 5 таблицы, соответственно; этими строками описываются 100% Sa отдельного стимула); 4) для площади попарного перекрытия активации двумя стимулами к ROI (строка 6 таблицы); 5) равные для трёх стимулов значения площади общей активации в ответ на все три стимула при совмещении карт ответа на них (строка 7 таблицы), 6) площади общего перекрытия (строка 8 таблицы) и 7) площади тройного перекрытия (строка 9 таблицы) к ROI.

Введённое автором понятие «тройного перекрытия» описывает ситуацию, в которой рисунок активации крестообразной фигурой может перекрываться в одной своей части с рисунками активации обеими составляющими одновременно. Здесь в ROI присутствует активность в ответ на все три стимула пула одновременно (в противоположность ситуации «перекрытия», когда активация крестообразным стимулом в данной области совпадает только с рисунком активации для одной из составляющих крест полосок, но не с активацией второй полоской). Процент тройного перекрытия для наглядности также пересчитан к Sa стимулом (строка 10 таблицы) и к Sover активации стимулом (строка 11 таблицы).

Из табличных данных следует количественное различие в активации в ответ на пул прямого креста и пул диагонального креста.

Особо следует отметить разницу в Sover и свободной активации в пересчёте к Sa стимула: если для активации прямым крестом процент перекрытия с активацией полосками составляет 96% Sa прямым крестом, то для случая диагонального креста это значение составляет 58% Sa диагональным крестом (строка 4 таблицы); соответственно, свободные от перекрытия области составляют 4% Sa прямым крестом против 42% Sa диагональным крестом (строка 5 таблицы). При этом Sover/Sa для полосок велика и колеблется в промежутке от 67 до 82% (строка 4 таблицы) и Sa прямым крестом к ROI наименьшая в своём пуле, а Sa диагональным крестом к ROI в 2-2.5 раза превышает Sa составляющими крест полосками к ROI (строка 1 таблицы). Также интересны общие для трёх стимулов пула значения из строк 7-11: в указанных строках процентное отношение для пула прямого креста превышает таковое для пула диагонального креста.

Изучение «эффекта наклона»

На основе полученных карт ориентационной чувствительности было проведено сравнение площади активации нейронов-детекторов вертикальных и горизонтальных линий с площадью активации диагоналями 45 и 135? (Рис. 7). К контрастированным картам применили критерий отсечения по степени активации колонок ориентационной чувствительности от максимальной активации. На уровнях 80, 60 и 40% от максимальной активации отношение указанных площадей было близко к единице, то есть, преобладания по площади активации или количеству ориентационных колонок, чувствительных к определённой ориентации, выявлено не было. Таким образом, наши данные, полученные методом оптического картирования по внутреннему сигналу, не подтвердили анизотропного представления ориентаций в первичной зрительной коре мозга кошки.

Рис. 7. Площадь стриарной коры, активированной решётками двух базисных и промежуточных ориентаций.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Стабильность регистрируемого сигнала

Структура функциональных карт зрительной коры, наблюдаемая в наших опытах, в целом соответствует структуре карт, описанных в литературе по ее оптическому картированию. Показано, что структура функциональных карт не зависит от незначительных изменений условий стимуляции и протокола анализа данных. Важен тот факт, что оптический сигнал от функциональных модулей коры может быть зарегистрирован на протяжении времени, достаточного для проведения серии стимуляций по выявлению функциональных модулей, кодирующих различные признаки зрительного образа. Такого результата удалось добиться за счёт создания необходимых условий жизнеобеспечения животного в процессе хирургической операции и накопления данных. Получение стабильного оптического сигнала позволяет ставить и добиваться поставленных научных целей.

Ориентационная чувствительность

Обсуждая полученные данные, следует подчеркнуть, что упаковка ориентационных детекторов в колонки и сверхколонки в наших опытах соответствует известным литературным данным [Buzas et al., 1998; Hubener et al., 1997; Payne et al., 2002]. В большинстве случаев ориентационные колонки визуализуются как регулярные паттерны. Отдельные колонки ориентационной чувствительности сопоставимы друг с другом по размерам. Различия в структуре функциональных карт связаны с индивидуальными особенностями кровоснабжения мозга у конкретной особи. Популяционный ответ на ортогональные ориентации смещается при движении стимула из стороны в сторону, что приводит к частичному наложению друг на друга пятен активации на итоговых картах. Такой факт уже описан в литературе [Payne et al., 2002], что позволяет учитывать некоторое несоответствие результирующих карт теоретическим предпосылкам.

Эффект наклонных ориентаций

В острых опытах на анестезированных и обездвиженных кошках с помощью оптического картирования поля 17 мы не обнаружили достоверного различия в тангенциальной площади ориентационных колонок, активированных решетками базисных и диагональных ориентаций. Таким образом, наши экспериментальные данные не подтвердили «эффекта промежуточных ориентаций», то есть, увеличенного представительства в первичной зрительной коре кошки детекторов вертикали и горизонтали. Теоретически, в ходе постнатального онтогенеза мозга на любой участок сетчатки глаза могут проецироваться элементы контуров любых ориентаций, поэтому логично предположить, что все ориентации должны быть представлены в зрительной коре в равной степени [Coppola, White, 2004; Purves et al., 2002]. С другой стороны, считают [Coppola et al., 1998a,b], что ориентационная анизотропия отражает преобладание в зрительном мире линий двух базисных ориентаций - горизонтальной и вертикальной. Действительно, анализ цифровых фотографий показывает, что наш зрительный мир анизотропен - в нем преобладают контуры, ориентированные горизонтально и вертикально [Coppola et al., 1998a]. Исследования на нескольких видах млекопитающих с использованием различных методов подтверждают, что анизотропия в корковом представлении ориентационной чувствительности может быть общей чертой корковой зрительной организации, во всяком случае, у хищных и приматов [Coppola et al., 2004]. Итак, существующие литературные свидетельства в пользу исходной гипотезы не вызывают сомнения в их достоверности [Appelle, 1972; Chapman, Bonhoeffer, 1998; Coppola et al., 1998a,b; Li et al., 2003].

Различие наших и литературных данных можно объяснить следующим. Во-первых, особенность нейронных исследований заключается в том, что микроэлектрод при погружении в кору, как правило, избирательно выделяет активность сравнительно крупных нейронов. В отличие от этого, использованный нами в качестве критерия внутренний оптический сигнал коры имеет популяционную природу и в равной мере отражает вклад в ее активацию всех клеточных элементов данной области коры. Оптическое картирование позволяет проводить длительное исследование пространственной упаковки разных функциональных популяций нейронов коры, то есть, тангенциального распределения ее нейронных модулей.

Нельзя не отметить, что оптическим методом нейронная активность картируется только в верхних слоях коры (700-800 м). В них сконцентрированы, в основном, нейроны с торцевым торможением в рецептивном поле (2 и 3 слои) и полями простого типа (верхние подслои 4 слоя). Можно было бы полагать, что их ориентационная настройка изотропна в отличие от нейронов 5 и 6 слоев со сложными рецептивными полями. Однако этому противоречат убедительные электрофизиологические данные на 4418 нейронах о выраженной анизотропии в субпопуляции простых, а не сложных клеток [Li et al., 2003]. Таким образом, противоречие между этими данными и результатом нашего оптического картирования не снимается. Во-вторых, в литературе в основном описаны данные, полученные на хорьках. Эффект анизотропии исследован лишь в одной работе с оптическим картированием зрительной коры кошки [Wang et al., 2003]. Что касается протокола эксперимента, то ранее мы обнаружили роль вида и уровня наркоза в оценке данных, полученных оптическим картированием [Шевелёв с соавт., 2005]. Так, в части опытов при использовании ингаляционного наркоза (галотан с закисью азота и с кислородом) в коре кошки обнаружены не только классические ориентационные колонки, но и реакции на пересечения линий. В отличие от этого, при внутривенном введении тиопентала (более глубокий наркоз) выявлены лишь ориентационные эффекты. В-третьих, возможная причина различия наших и литературных данных - особенность зрительного опыта в онтогенезе экспериментальных животных. Как было показано на хорьках, эффект анизотропии сильнее всего проявляется на ранних стадиях онтогенеза, а в процессе накопления зрительного опыта он в значительной мере нивелируется. Существенно, что во всех работах, где выявлен «эффект промежуточных ориентаций», использовали животных, рожденных и выращенных в виварии для экспериментальных целей. Можно полагать, что обедненная зрительная среда вивария в процессе выращивании таких животных определяет превалирование базисных ориентаций [Coppola et al., 1998b]. Хорошо известно, что особенности среды, то есть зрительный опыт, значительно влияют на развитие связей нейронов зрительной коры и на характер представительства в ней ориентационной чувствительности [Coppola et al., 1998b,2004; Crair et al., 1998; Imbert, 1979; Li et al., 2003]. Важно, что в коре зрительно депривированных хорьков ориентационная анизотропия выражена значительно больше, чем в нормальных условиях. Поэтому авторы полагают, что нормальный зрительный опыт постепенно обеспечивает изотропное представление в коре ориентационной чувствительности [Coppola, White, 2004].

Из результатов количественной обработки данных для крестообразных фигур и составляющих их полосок (Табл. 1) следует, что суммарная площадь активации элементов коры, детектирующих пул прямых крестов, занимает 54% ROI, в то время как для пула диагонального креста это значение равно 47% ROI. Таким образом, можно говорить о том, что площадь коры, занимаемая детекторами горизонтальной и вертикальной ориентаций, приблизительно соответствует площади коры, занимаемой детекторами ориентаций в 45? и 135?. То есть, эффект наклона в границах первичной зрительной коры отсутствует.

Чувствительность к признакам формы второго порядка

Проведённое в работе сравнение тангенциального распределения по стриарной коре кошки популяционной нейронной активности, зарегистрированной по внутреннему оптическому сигналу, показало, что зоны активации коры линиями разной ориентации (классические ориентационные колонки и сверхколонки) перекрываются с зонами активации признаками второго порядка в зрительном образе (пересечения линий). Это свидетельствует о том, что анализ этих признаков осуществляется в одних и тех же нейронных модулях (колонках и сверхколонках) первичной зрительной коры.

Исходя из литературных данных [Шевелёв с соавт., 1983], можно предположить, что в детекции признака пересечения задействованы моно- и бимодальные нейроны, описанные в первичной зрительной коре: мономодальных клеток больше в 2-3 раза и они отвечают преимущественно либо на вертикаль, либо на горизонталь, из них от трети до половины сильнее отвечает на крест, чем на предпочтительную ориентацию. Такие характеристики ответа уже могут объяснять высокий процент перекрытия активации для прямого креста и его составляющих. Бимодальные нейроны имеют два ориентационных максимума ответа (часто это наклонные ориентации), но с разным углом между ними.

Одновременно следующую из количественных данных разницу в перекрытии активации для случаев прямого и наклонного креста можно описать различиями в работе нейронов-детекторов, относящихся к «сканерам» и «таймерам» в другой классификации [Лазарева с соавт., 1986]. Клетки-таймеры устойчиво отвечают преимущественно на предъявление горизонтали и вертикали, в то время как сканеры характеризуются динамическим ответом на разные ориентации линий.

Отвечающие на данный стимул таймеры располагаются в определённых ориентационных колонках, а сканеры активны во всех колонках на всей площади первичной зрительной коры. Следовательно, активация на прямой крест топографически более компактна, и перекрытие площади активации крестообразной фигурой с активацией горизонтальными и вертикальными полосками должно быть высоким (в процентном отношении к площади активации крестообразной фигурой). Активация же наклонным крестом диффузна и характеризуется меньшим перекрытием с активацией колонок, предпочтительно отвечающих на составляющие такую крестообразную фигуру полоски.

Сходство и различие оптической активации коры в ответ на признаки первого и второго порядка

Ранее высказывалось следующее предположение [Зенкин, Петров, 1967; Марр, 1987]: для эффективного анализа изображений необходимо наличие не только классических ориентационных детекторов [Henry et al., 1974; Hubel, Wiesel, 1962], но и элементов, настроенных на выделение признаков изображения более высокого порядка (например, «семантических признаков второго порядка» по Марру [Марр, 1987]). Такие системы должны обладать способностью обнаруживать пересечения линий (узловые точки) и измерять углы между фрагментами контуров изображения, с одной стороны, а также между ними и внутренней реперной вертикалью - с другой [Buchanan-Smith, Heeley, 1993].

В стриарной коре кошки авторы [Лазарева с соавт., 1992; Шевелёв, 1984; Шевелёв с соавт., 1983; Fujita et al., 1992; Shevelev et al., 1994] обнаружили нейроны с двойной ориентационной настройкой, которые в принципе могли бы выделять углы между пересекающимися линиями. Авторы подчёркивают [Шевелёв с соавт., 1996], что описанная селективность нейронов к конфигурации и ориентации крестообразной фигуры не может пока считаться прямым и окончательным доказательством её детекции.

Также найдены инвариантные к размеру и форме стимула нейроны, не изменявшие величину реакции и чувствительность к крестообразным фигурам при их частичной маскировке [Лазарева с соавт., 1998]. В работах [Шевелёв с соавт., 1993; Shevelev et al., 1995,1998c; Sillito et al., 1995] показано, что от трети до половины нейронов у кошки и обезьяны существенно усиливают реакцию на оптимальные угловые и/или крестообразные фигуры или на две решётки с ортогональной ориентацией линий, локализованные центрально и периферически в рецептивном поле [Sillito et al., 1995]. Авторами было высказано предположение [Шевелёв с соавт., 1993; Shevelev et al., 1995,1998c; Sillito et al., 1995], что такие нейроны способны эффективно кодировать информацию о пересечении линий или контрастных границ в изображениях, а также [Sillito et al., 1995] о «локальных нарушениях ориентационной непрерывности».

Ранее было показано [Tsunoda et al., 2001], что при упрощении сложного зрительного стимула в нижневисочной коре обезьян изменяется вариабельность сочетания колонок активации на простые стимулы. При этом частичное удаление зрительных характеристик изображения активирует только часть участков, составлявших ответ на оригинальный объект. Авторы работы предполагают, что сопутствующее возрастание числа колонок служит для точной дифференциации различных объектов с различными наборами черт. Внеклеточная регистрация нейронной активности в этих опытах подтверждает, что тормозный механизм вовлечён в определение характеристической колонки как активной или неактивной.

Возможно, что и в первичной зрительной коре реализована подобная схема взаимодействия колонок, при которой усложнение предъявляемого геометрического стимула (крестообразная фигура) характеризуется изменением рисунка (положения, количества) активированных колонок. При этом вычитание рисунка активации, составленного из ответов на составляющие сложного стимула, не приведёт к полному исчезновению участков активности на карте коры мозга. Такое предположение выглядит тем более привлекательным, что в первичной зрительной коре принято выделять детекторы на направление движения, цвет и ориентацию линейного стимула, а буквально на следующих этапах обработки информации происходит распознавание лиц и реальных сложных объектов. Предложенный эффект «сканирования ориентационного диапазона» - существенное динамическое смещение предпочитаемой ориентации полоски и креста во время генерации ответа большей части нейронов зрительной коры - может быть использован системой для временного кодирования признаков зрительного стимула [Лазарева с соавт., 1986, 2003; Шевелёв, 1984; Shevelev et al., 1993]. Реализации тормозного механизма (торцевое торможение и его растормаживание) также отводят важное место в модели рецептивного поля нейронов-детекторов признаков изображения второго порядка [Лазарева с соавт., 1995б,2001,2006; Салтыков, 2004; Шевелёв.



ВЫВОДЫ

Создан протокол и апробирована в экспериментальных условиях методика оптического картирования по внутреннему сигналу, позволившая регистрировать стабильную популяционную активность нейронов первичной зрительной коры мозга анестезированной кошки. В ответ на зрительную стимуляцию методом оптического картирования по внутреннему сигналу получены функциональные карты первичной зрительной коры с ответом нейронов-детекторов признаков изображения первого (ориентационные решётки) и второго порядка (крестообразные фигуры, углы, решётки из пересекающихся линий).

Площадь активированных в первичной зрительной коре мозга кошки ориентационных колонок при действии решеток вертикальной и горизонтальной ориентации сопоставима с площадью активации этой области диагонально ориентированными решетками. Наличие эффекта наклона для нейронов первичной зрительной коры мозга кошки методом оптического картирования по внутреннему сигналу не подтверждено.

В первичной зрительной коре мозга кошки нейроны-детекторы признаков изображения второго порядка располагаются, в основном, в границах классических ориентационных колонок.

Ответ нейронов-детекторов на присутствующие в стимулах признаки ветвления и пересечения линий включает в себя помимо ответов на ориентационные составляющие стимулов ответ на сам признак пересечения.



ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи:

1. И.А.Шевелёв, И.В.Бондарь, У.Айзел, З.Кисварди, П.Бузас, Р.С.Иванов, К.А.Салтыков Наркоз и тангенциальная упаковка в стриарной коре кошки нейронов с чувствительностью к крестообразным фигурам.-- Доклады Академии наук, 2005, том 402, № 4, с. 566-570. УДК 612.825.54.

2. Иванов Р.С., Бондарь И.В., Салтыков К.А., Шевелев И.А. Площадь зон оптической активации поля 17 коры мозга кошки при предъявлении решёток разной ориентации.-- Журнал Высшей нервной деятельности им. И.П. Павлова, 2006, том 56, № 4, с. 516-522. УДК 612.825.54.

3. Золотая медаль РАН (диплом лауреата конкурса № 279) и премия для молодых учёных за лучшую научную работу по физиологии 2007 года.

Тезисы:

4. И.В. Бондарь, И.А. Шевелев, К.А. Салтыков, Р.С. Иванов, А.С. Тихомиров Исследование популяций нейронов первичной зрительной коры кошки методом оптического картирования.-- Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова, Тезисы XIX Съезда Физиологического общества им. И.П. Павлова, часть 1, Екатеринбург, 23-24 сентября 2004 год.-- СПб.: Наука, 2004, т. 90, № 8, с. 298.

5. Бондарь И.В., Иванов Р.С., Салтыков К.А., Шевелев И.А. Особенности функциональных карт ориентационной чувствительности по данным оптического картирования первичной зрительной коры кошки.-- Научные труды I Съезда физиологов СНГ, т. 1. Сочи, Дагомыс, 19-23 сентября 2005 года.-- М.: Медицина-Здоровье, 2005, с.62-63.

6. Иванов Р.С., Бондарь И.В., Салтыков К.А., Шевелев И.А. Особенности функциональных карт ориентационной чувствительности по данным оптического картирования первичной зрительной коры кошки.-- Проблемы нейрокибернетики. Сборник докладов XIV Международной конференции по нейрокибернетике (ICNC-05), т. 1. Ростов-на-Дону, 28-30 сентября 2005 года.-- Ростов-на-Дону: Изд-во ООО «ЦВВР», 2005, с.28-30.

7. R S Ivanov, I V Bondar, K A Saltykov, and I A Shevelev Are the details of oriented visual stimuli better resolved when they are horizontal or vertical rather than oblique?-- Perception, 2006, volume 35, supplement ECVP-2006 (29th European Conference on Visual Perception, St Petersburg, 20-25 August 2006) Abstracts.-- London, UK: Pion Ltd, 2006, p. 109.

8. Иванов Р.С., Бондарь И.В., Салтыков К.А., Шевелев И.А. Представленность и распределение детекторов признаков в первичной зрительной коре кошки.-- Тезисы XX Съезда Физиологического общества имени И.П. Павлова. Москва, 04-08 июня 2007 года.-- М.: 2007, с. 245.

9. I.V. Bondar, R.S. Ivanov, K.A. Saltykov ”Oblique effect”: optical imaging of orientation detectors representation in cat primary visual cortex.-- Proceedings of International Symposium “Topical problems of biophotonics - 2007”. Russia, Nizhny Novgorod-Moscow-Nizhny Novgorod, 2007, 04-11 August.-- Nizhny Novgorod: 2007, pp.279-280.

10. Р.С. Иванов, Д.М. Лямзин, И.В. Бондарь Паттерн оптической активации нейронов первичной зрительной коры при стимуляции крестообразными фигурами и их составляющими.-- ISIR-2008, Научные труды II Съезда физиологов СНГ «Физиология и здоровье человека». Кишинэу, Молдова, 29-31 октября 2008 года.-- М., Кишинэу: Медицина-Здоровье, 2008, с.113-114.

Работа выполнена при поддержке: Российского Фонда Фундаментальных Исследований (проект № 03-04-48084а) (2003-2005 г.г.);

Программы Отделения биологических наук РАН «Интегративные механизмы регуляции функций в организме» (2003-2005 гг.) и «Физиологические механизмы регуляции внутренней среды и организации поведения живых систем» (2006-2008 г.г.);

Президентской Программы «Научная школа» (НШ-2336.2003.4; 2003-2005) и (НШ-10086.2006.4; 2006-2007 г.г.).

Размещено на Allbest.ru

...