Пространственно-временная организация рецептивных полей наружного коленчатого тела кошки, выявляемая стационарными и движущимися световыми стимулами Новиков Геннадий Иванович

Содержание к диссертации

Введение

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

І.Ї. Некоторые аспекты структурной организации наружного коленчатого тела кошки 8

Ї.2. 0 рецептивных полях нейронов наружного коленчатого тела II

1.3. Методы анализа рецептивньк полей нейронов наружного коленчатого тела по ответам на световую стимуляцию.17

1.4. Роль наружного коленчатого тела в процессах переработки зрительной информации 19

2. МЕТОДИКА ЭЛЕКТРОЖИОЛОГИЧЕСКИХ ОПЫТОВ

2.1. Операция и подготовка животного к опыту 23

2.2. Микроэлектроды 25

2.3. Световая стимуляция 25

2.4. Электрофизиологическая установка для регистрации импульсной активности нейронов наружного коленчатого тела 29

2.5. Обработка экспериментальных данных 32

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ. ИССЛЕДОВ/ШИЕ РЕЦЕПТИВНЫХ ПОЛЕЙ НЕЙРОНОВ НАРУЖНОГО КОЛЕНЧАТОГО ТЕЛА МЕТОДАМИ КАРТИРОВАНИЯ.

3.1. Исследование рецептивных полей нейронов наружного коленчатого тела методом картирования мелькающим световым пятном 34

3.1.1. Задачи исследования 34

3.1.2. Постановка опытов 35

3.1.3. Обработка экспериментальных данных 37

3.1.4. Изменение пространственных характеристик рецептивных полей во времени по данным картирования поля мелькающим световым пятном 38

3.2. Исследование рецептивных полей нейронов наружного коленчатого тела методом картирования движущимся пятном 53

3.2.1. Постановка опытов по картированию рецептивных полей с помощью движущегося стимула 53

3.2.2. Результаты картирования полей движущимся пятном 57

3.2.3. Сравнительные характеристики рецептивных полей нейронов наружного коленчатого тела, полученные различными методами картирования 58

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ. ИССЛЕДОВ/ШИЕ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПИСАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ НА УРОВНЕ НАРУЖНОГО КОЛЕНЧАТОГО ТЕЛА КОШКИ.

4.1. Исследование ответов нейронов наружного коленчатого тела на движущиеся стимулы и характеристики описания движущихся изображений на уровне наружного коленчатого тела 63

4.1.1. Исследование формы постстимульных гистограмм ответов нейронов наружного коленчатого тела на движущиеся полосы 63

4.1.2. О соотношении тормозных фаз Т- и Тр ответов нейронов 69

4.1.3. Зависимость размера центральной части рецептивного поля нейрона от эксцентриситета 72

4.1.4. Зависимость величины латентного периода ответа нейрона от ширины движущейся полосы 73

4.1.5. Некоторые характеристики описания движущихся изображений на уровне наружного коленчатого тела 76

4.2. Некоторые характеристики описания стационарных изображений на уровне наружного коленчатого тела 88

4.2.1. Форма рельефа активности, возникающего при предъявлении мелькающих полос разной ширины 88

4.2.2. О геометрических характеристиках описания стационарных изображений на уровне наружного коленчатого тела 93

5. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

5.1. О некоторых "аномалиях" в ответах нейронов наружного коленчатого тела на световую стимуляцию 96

5.2. О функциональной организации межнейронных связей в НКТ 103

5.3. Модель формирования рельефа активности нейронов на уровне наружного коленчатого тела 109

5.4. Сравнение экспериментов на модели с данными электрофизиологических опытов Ііб

5.5. "Поточечное" описание изображений на уровне наружного коленчатого тела и х, у, \? - классификация нейронов. І2Ї

5.6. 0 некоторых возможных сопоставлениях полученных экспериментальных данных с результатами психофизиологических исследований 124

ВЫВОДЫ 127

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 129

• Некоторые аспекты структурной организации наружного коленчатого тела кошки
• Операция и подготовка животного к опыту
• Исследование рецептивных полей нейронов наружного коленчатого тела методом картирования мелькающим световым пятном
• Исследование ответов нейронов наружного коленчатого тела на движущиеся стимулы и характеристики описания движущихся изображений на уровне наружного коленчатого тела
• О некоторых "аномалиях" в ответах нейронов наружного коленчатого тела на световую стимуляцию

Введение к работе

Одна из центральных задач физиологии и биофизики зрения состоит в исследовании процессов переработки и кодирования зрительной информации. Важное место в решении этой задачи занимает изучение информационных процессов, протекающих в структурах прямого зрительного пути, включающего сетчатку, наружное коленчатое тело и зрительную кору. Значительная часть работ посвящена анализу этих процессов на уровне наружного коленчатого тела /НКТ/. Однако, несмотря на многообразие электрофизиологических исследований, в настоящее время нет достаточной ясности в понимании принципов переработки информации на уровне НКТ. На других уровнях зрительной системы процессы переработки информации изучены значительно полнее как экспериментально, так и теоретически,/Вызов, 1966; Шевелев, 197I; Глезер и др., 1975; Campbell, 1980; Супин, ї98і; Глезер и др., 1982;Шевелев и др., 1983/. Во многом это связано с тем, что на протяжении многих лет НКТ рассматривалось как некая релейная структура, в которой осуществляется только лишь переключение сигналов, идущих из сетчатки в зрительную кору. Позднее было обнаружено, что на уровне НКТ осуществляется несколько операций преобразования зрительного сигнала. Так в работах В.Д.Глезера было продемонстрировано наличие трех типов рецептивных полей /РІІ/,осуществляющих переработку информации по трем каналам /Глезер и др.,І97І/, в том числе канала, ответственного за передачу сведений о яркости изображения. И.А.Шевелев описал процессы пространственно-временного контрастирования сигнала /Шевелев, Ї97І/, а в ряде исследований в НКТ были обнаружены нейроны - детекторы направления движения / Arden, 1962; Wiesel, Hubel, Ї966/. Эти и некоторые другие работы позволили в рамках детекторной теории - б - рассматривать НКТ как одно из звеньев зрительной системы, выделяющее сложные признаки изображения. Ряд исследований, к которым в первую очередь следует отнести работы Сандерсона /Sanderson, 1971/, позволил уточнить известную ранее ретино-топику НКТ, показав закономерные изменения свойств РП нейронов по пространству структуры НКТ. На основании этих и ряда других исследований было сделано предположение о существовании так называемого "поточечного" описания изображений на уровне НКТ /Подвигин, ±979/. В рамках гипотезы "поточечного" описания, изображения, проецируемые на сетчатку, представляются на выходах РП нейронов НКТ в виде рельефа активности, отображающего параметры предъявляемых изображений. В настоящее время отсутствуют данные, на основании которых можно было бы предположить существование иного принципа описания изображений на подкорковых уровнях зрительной системы высших позвоночных.

В связи с этим необходимо детальное исследование пространственно - временных характеристик РП нейронов НКТ при тестировании их не только стационарными, но и приближенными к реальным условиям зрительного восприятия движущимися стимулами, что позволит подойти к количественной оценке харнктеристик рельефа активности, являющегося нейрофизиологическим субстратом описания изображений на уровне НКТ.

Цель работы состояла в изучении и количественном исследовании пространственно - временных характеристик РП нейронов НКТ; в анализе характеристик рельефов активности, возникающих на выходах перекрывающихся РП нейронов НКТ в ответ на предъявляемые стационарные и движущиеся изображения и в сопоставлении некоторых характеристик этих рельефов с соответствующими физическими параметрами тестовых изображений.

В связи с этим были поставлены задачи:

I. Получение и анализ двумерных пространственных характе- ристик РП нейронов НКТ методом картирования поля стационарньм и движущимся световым пятном малого диаметра.

Описание динамики пространственной организации РП во время действия светового стимула.

Анализ ответов нейронов на движущиеся стимулы разного размера и скорости.

Определение свойств рельефов активности, возникающих в ответ на предъявление стимулов разной формы и размера.

Изучение конвергирующих возбудительных влияний 011- и off- ганглиозных клеток на один нейрон НКТ и уточнение существующих представлений о структурно-функциональной организации межнейронных связей в НКТ. - 8 -I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Литература по морфологии, электрофизиологии и модельным разработкам нейронных сетей наружного коленчатого тела /НКТ/^Х чрезвычайно велика. В обзоре литературы приводятся лишь некоторые данные, связанные с вопросами, рассматриваемыми в предлагаемой работе. Кроме того, значительная часть литературных данных приводится при обсуждении результатов экспериментов в последующих главах диссертации.

I.I. Некоторые аспекты структурной организации наружного коленчатого тела кошки

Характерной чертой морфологии наружного коленчатого тела -основного подкоркового центра зрительного анализатора - является его ламинарная структура: клетки НКТ группируются в три слоя, причем волокна оптического тракта от контрзлатерального глаза проецируются в дорзальный /А/ и вентральный /В/ слои /рис. I.I/, в то время как ипсилатеральные волокна проецируются в средний СЛОЙ НКТ /Aj/ /vlinkowslci, 1913; Haykow, 1958; Guillery, 1966; Laties, Sprague, 1966; Stone, Hansen, 1966; Garey, Powell, 1957; Sanderson, Sherman, 197I/. В одной ИЗ работ /Guillery, 1970/ описан дополнительный подслой вентрального слоя, который получает ипсилатеральную проекцию. Имеются сведения о наличии промежуточного СЛОЯ между слоями А и Aj /Hickey, Guillery, 1974/, имеющего как ипси-, такиконтралатеральные проекции. Слой В состоит из трех подслоев: С, Ст и Ср.

Наряду с наличием ламинарности ипси- и контралатеральных проекций нейронов структуры, НКТ обладает еще одним замечательным свойством, а именно, ретинотопической организацией. Следует

Наружное коленчатое тело подразделяется на два основных ядра - дорзальное и вентральное. В работе анализируется только дорзальное наружное коленчатое тело.

Рис. I.I Проекции назальной и т^упоральной частей ипси- и контралатеральной сетчатки на наружные коленчатые тела /LGN / и медиальные интраламцнарные ядра /мін / кошки, фронтальный срез. Вертикальные линии - азимуты /угл.град/. A, Aj и В -три основных слоя'ШТ'/ Sanderson, Sherman , 1971/.

Anterior (mm)

Рис. 1.2 Полусхематическое изображение проекций поля зрения на ЩТ кошки. Саггитальный срез. Прямыми линиями обозначены проекции участков поля зрения на НКТ, которые расположены на различных расстояниях /цифры -угловые градусы/ от экваториальной линии /Bishop et al. 1962а/. отметить, что это качество присуще также и другим центрам зрительной системы. Наличие ретинотопической организации в НКТ было отмечено еще в начале нынешнего столетия /Неп-schen, 1897; Minkowski, 1913, 1920; Brouwer et al., 1923/. Однако наиболее полные экспериментальные данные в этой области получены В последнее время В ряде работ /Bishop et al., 1962; Sanderson, 197I; Sanderson et al., 197I; Kaas et al., 1972; Alhus, 1975/. В нескольких работах /Bishop et al., 1952; Sanderson, 1971/ было проведено наиболее детальное исследование проекции поля зрения на НКТ кошки,и показано четкое проекционное соответствие координат поля зрения и координат нейронных структур НКТ /рис. 1.2/. Это соответствие имеет вместе с тем закономерные проекционные искажения различных частей поля зрения. Так, участок поля зрения, находящийся на расстоянии одного углового градуса от центра поля зрения, занимает 0,6 мм поверхности НКТ, а такой же участок, расположенный на расстоянии 20 угловых градусов от центра поля зрения - всего 0,05 мм поверхности /Sanderson, 197I/. Такая зависимость, выраженная отношением расстояния по нейронной структуре /в мм/ к размеру соответствующего участка поля зрения /в угловых градусах/ называется фактором магнифика-ции /усиления/. Значение фактора магнификации закономерно уменьшается к периферии поля зрения /Sanderson, 1971/. Полученная закономерность оказалась также присущей и другим отделам зрительной системы /stone, 1965; Alhus, 1975/.

Еще одной интересной особенностью структуры НКТ оказалось его "колоннообразное" строение. Каждый участок поля зрения проецируется в определенную часть - "колонку" - НКТ, то есть на группу нейронов, имеющих близкие координаты в пространстве НКТ, но расположенньк в различных его слоях. Колонки имеют некоторую степень перекрытия, и диаметр колонок закономерно меняется, уменыпа- - Ii - ясь к периферии.

Приведенные выше сведения об упорядоченности в организации нейронных структур НКТ, а также существующие закономерности в свойствах рецептивных полей НКТ существенно облегчают работу исследователя - электрофизиолога, анализирующего деятельность отдельных нейронов и пытающегося найти методические подходы к изучению нейронных структур в целом. Именно эта упорядоченность, наряду с рассматриваемой ниже конвергенцией связей, облегчает возможность анализа деятельности НКТ, как и зрительной системы в целом, в терминах так называемых рецептивных полей /РП/.

1.2. О рецептивных полях нейронов наружного коленчатого тела

Структура, состоящая из групп рецепторов, конвергирующих через промежуточные элементы на выходной нейрон /в данном случае нейрон НКТ/ была названа "физиологической воронкой" или рецептивным полем нейрона /Hartiine, 1940/. В физиологическом эксперименте рецептивное поле нейрона определяется как часть рецепторов сетчатки, в пределах которой изменение световой энергии во времени или пространстве вызывает изменение реакции выходного нейрона поля ^х. Между рецепторами и выходным нейроном могут располагаться и промежуточные элементы /нейроны/, у которых также существуют свои РП.

Каждый из аксонов ганглиозных клеток сетчатки , приходящий в НКТ, дивергирует в среднем на 10 нейронов НКТ, в то время как на каждый нейрон НКТ конвергируют 2-3 ганглиозные клетки /creutzfeldt, 1968; Famig.iietti, Peters, 1972/. Рецептивные поля

Следует отметить некоторые разночтения в понятии "рецептивное поле" у разных авторов. В настоящем исследовании автор придерживался приведенного определения. нейронов НКТ обладают определенной степенью перекрытия с соседними РП. Степень перекрытия нейронов составляет в среднем 35 /Fisher, , 1973/.

Релейные нейроны НКТ ^х, как и ганглиозные клетки сетчатки, имеют концентрически организованные РП, обычно состоящие из центральной /возбуждающей/ и периферической /тормозной/ зон /Kuffler, 1953; Y/iesel, 1950/.

Диаметры центральных зон РП нейронов НКТ того же порядка, что и у ганглиозных клеток, причем размеры полей увеличиваются с эксцентриситетом по сетчатке /НиЪе1, Wiesel, 1961; Sanderson, 1971; Hoffman et al., 1972/. Обнаружен также тот факт, что диаметры центральных зон РП нейронов НКТ, расположенных в пределах небольшой окрестности каждого слоя НКТ, имеют достаточно близкие размеры /Sanderson, 1971/. Что касается величины тормозной периферической зоны поля, то в литературе по этому поводу нет общей точки зрения. Была высказана гипотеза, что периферия РП нейронов НКТ и оптического тракта может достигать значительных /до 90 угл. град./ размеров /Mcllwain, 1964/. Флуктуации размеров периферии РП автор объясняет специфическим воздействием барбитуратов, широко применяемых в экспериментах.

Подобно РП ганглиозных клеток сетчатки, РП нейронов НКТ практически не обладают специфичностью к ориентации и направлению движения стимула /Kozak, Rodieck, Bishop,1955/, хотя некоторые авторы / Daniels et al. , 1977; Allous et al., 1983/ обнаружили, что определенный процент нейронов НКТ /23%/ ориентационно избирателен. Ориентационная избирательность РП ^х Нейроны НКТ подразделяются на два класса - релейные и вставочные нейроны /интернейроны/. В обзоре литературы, как и во всей настоящей работе, рассматриваются РП релейных нейронов, которые составляют большинство /90%/ нейронов НКТ. - ІЗ - нейронов проявлялась лишь при низких скоростях движения стимулов и элиминировала при увеличении скорости.

К настоящему времени в литературе появились данные о наличии в РП определенной части нейронов НКТ третьей зоны, не отмеченной на уровне ганглиозных клеток сетчатки. Речь идет о кольцевой области, окружающей условную периферическую зону поля, которая имеет тот же тип ответа /_оп_или off-/, что и центр поля. Наличие третьей "растормаживающей" зоны РП было показано во многих работах / ikeda, Wright,1972; Hammond, 1973; Подвигин, 1974; Shevelev et al., 1976/. В ряде работ /Подвигин, 1974; Шевелев, Вердеревская, 1979/ было экспериментально показано наличие даже нескольких концентрических кольцевых зон в РП нейронов НКТ. При стимуляции наружной периферической зоны тормозится активность внутренней периферии и, таким образом, растормаживается центр. Совершенно иная ситуация рассматривается в работе Клеланда с соавторами / cieland et al., 1971/, в которой также описана третья зона в РП. В работе показано, что стимуляция этой зоны может уменьшить или даже уничтожить ответ центра, не вызывая возбуждения нейрона. Этот третий компонент поля, названный в этой работе "suppressive field" , по мнению ее авторов является чертой, присущей только РП нейронов НКТ.

Различия между РП ганглиозных клеток сетчатки и нейронов НКТ имеют еще одну интересную функциональную особенность. В РП нейронов НКТ периферия оказывает большее тормозное влияние на центральную часть поля по сравнению с периферией ганглиозных клеток сетчатки, увеличивая таким образом чувствительность нейронов НКТ к градиентам освещенности /ниЬеі, Wiesel, 1961; Va-loisde,I97I; Hammond, 1973/. Периферия РП нейронов НКТ отвечает даже на скотопические уровни освещенности, являющиеся подпоро-говьми для РП нейронов сетчатки /Hammond, 1972; _{Maffei Fiore}n- "Ьіпі, 1972/. Перечисленные выше различия РП ганглиозных клеток сетчатки и нейронов НКТ определяются, по-видимому, характером связей первых с последними.

Каким же образом связаны ганглиозные клетки сетчатки с нейронами НКТ? В опытах по одновременной регистрации импульсной активности ганглиозных клеток сетчатки и нейронов НКТ рядом исследователей был сделан вывод о том, что большинство нейронов НКТ иннервируются, в основном, одним или несколькими аксонами ганглиозных клеток / Singer, Creutzfeldt, 1970; Gle-land et al., Ї97Ї; Hoffman et al.,I972; Hammond, 1973/. Эти опыты навели на мысль, что on-центральные нейроны НКТ имеют возбудительные входы только от on-центральных ганглиозных клеток, a off-центральные нейроны НКТ возбуждаются только off- центральными ганглиозными клетками / Cleland et al., 1971/. Кроме того, в этих экспериментах было показано, что при увеличении диаметра тестового пятна импульсация в аксоне ганглиозной клетки может расти, а реакция связанного с ней нейрона НКТ - снижаться. Этот факт был отнесен в пользу участия тормозных механизмов НКТ в организации структур РП нейронов НКТ.

Аналогичные данные были получены Зингером и КрейцрельДтом і /Singer, Creutzfeldt,1970/. Используя внутриклеточное отведение авторы показали, что on- центральные нейроны НКТ тормозятся off- центральными ганглиозными клетками, a off- центральные нейроны НКТ - on- центральными ганглиозными клетками. Этот вывод был сделан в результате сравнения амплитуд и латентных периодов тормозных и возбуждающих яостсинаптических потенциалов при точечной стационарной стимуляции центра и периферии РП нейрона .

На основе этих данных Зингером и Крейцфельдтом была предложена схема организации межнейронных связей в НКТ /Creutzf-eldt , 1970; Singer, Creutzf eldt, 1970/. Согласно этой модели /рис. 1.3.1/ каждый on -/off -/ нейрон НКТ возбуждается только одной on -/off -/ центральной ганглиозной клеткой, а тормозится через тормозные интернейроны несколькими off -/ on -/ ган-глиозными клетками сетчатки. Впоследствии эта схема была уточнена этими же авторами /Singer et al. , 1972/, предположившими, что тормозное действие на нейрон НКТ через интернейроны может быть оказано как on- , так и off - элементами. Стивене и Герштейн /Stevens, Gerstein , 1976а,в/, получили ряд сведений о пространственно-временной структуре РП нейронов НКТ и предложили несколько иную схему организации межнейронных связей в НКТ /рис. 1.3.2/, согласно которой аксоны on - и off - ганглиозных клеток реципрокно тормозят через интернейроны off - и on -нейроны НКТ. Следует подчеркнуть две основные особенности этой схемы. Во-первых, в ней отсутствует собственное возвратное торможение, во-вторых, on- и off-ганглиозные клетки сетчатки могут оказывать тормозное влияние на нейроны НКТ только противоположного типа.

Врубель /Yrobel, 1981/ предложил новый вариант схемы организации межнейронных связей в НКТ. В этой модели /рис. 1.3.3/ принимают участие два типа тормозных интернейронов: собственно интернейроны НКТ и интернейроны on-off-типа перигеникуляторш> го ядра, имеющие возбудительные входы от on - и off-нейронов НКТ с перекрывающимися РП. Нейроны on-off-типа в этой схеме принимают участие в возвратном торможении, а через вставочные интернейроны НКТ осуществляется прямое тормозное действие on -/off -/ ганглиозных клеток сетчатки на off -/ on-/ нейроны НКТ.

СЕТЧАТКА СОП

_@ () (Я) HKT

№

Рис. I.3.1. Рис. 1.3.2. Рис. т.3.3.

Схемы организации межнейронных связей в НКТ: Зингера - Крейцфельдта /рис. 1.3.1/, Стивен- са - Герштейна /рис. 1.3.2./, Врубеля /рис. і.3.3/. Светлые кружки - релейные нейроны, темные - интернейроны.

Такая схема объединяет несколько особенностей ранее предложенных схем Зингера - Крейцфельдта и Стивенеа - Герштейна.

Вместе с тем, в последнее время появились данные, о том, что нейроны НКТ могут иметь одновременно возбудительные входы как от on -, так и от off -ганглиозных клеток сетчатки /Мо-lotclmikoff, Lashapelle , 1978/. Эти результаты, полученные с использованием электрической стимуляции оптического нерва, также как и наши данные со световой стимуляцией соответствуют такому предположению и обсуждаются в главе 5 настоящей работы, где рассматривается модифицированный вариант схемы нейронных сетей НКТ.

I. 3. Методы анализа рецептивных полей нейронов наружного коленчатого тела по ответам на световую стимуляцию

Учитывая описанную выше концентрическую организацию РП нейронов НКТ очевиден давно отмеченный факт эффективности локальной световой стимуляции отдельных зон РП по сравнению с диффузной засветкой всего поля. Диффузная засветка менее эффективна, т.к. она действует одновременно на центральную и периферическую части поля, порождая тем самым разнонаправленные процессы возбуждения и торможения. Поэ ому основным подходом к изучению свойств РП явились методы стимуляции рецептивных полей дозированными во времени и пространстве световыми стимулами. В экспериментах использовались как стационарные, так и движущиеся световые стимулы. Движущиеся стимулы являются, по-видимому, наиболее приближенным к естественным условиям видом световой стимуляции, поскольку в реальных условиях видения зрительный мир непрерывно перемещается относительно сетчатки или же неподвижный объект сканируется движениями глаз или головы. Неподвижное изображение вызывает реакцию нейрона /у обездвиженного животного/ в моменты включения или выключения света, т.е. реакцию на изменение освещенности объ- екта во времени.

В исследованиях пространственных и пространственно-временных характеристик нейронов НКТ использовались разнообразные методы стационарной световой стимуляции. РЇЇ тестировались световыми пятнами малого диаметра, предъявляемыми в разных местах поля вдоль какой-либо произвольно выбранной координатной оси /например, Kozak et al., , 1965; Singer, Creutzfeldt , 1970/, полосой или другими геометрическими фигурами /Подвигин, і979/.

Исследования с применением вспыхивающих круглых световых пятен разного диаметра /центры всех пятен совпадали и соответствовали центру РП исследуемого нейрона/ выявили механизмы временной перестройки РП /Подвигин и др., 1973а/. Было показано, что диаметр зоны суммации РП, имея сначала величину порядка 8 - 10 угл.град, резко уменьшается во времени /в ходе действия стимула/ до десятков угловых минут к 40 - 70 мс и затем снова растет. Это говорит в пользу чрезвычайной нестабильности организации РП нейронов НКТ.

Свойства РП нейронов НКТ выявлялись также и по ответам на движущиеся стимулы. Этот вид стимуляции оказался весьма адекватным для нейронов НКТ и был первоначально применен Хьюбелем /Hubel , I960/ и более детально позднее другими авторами /fcozak et al. , 1965; Dreger, Sanderson, ±973; Hess, Y/olters , 1979/. В этих работах было показано, что организация рецептивных полей, выявляемая при тестировании стационарными световыми стимулами, в известной степени позволяет предсказать реакцию нейрона на движущийся стимул, хотя связать пространственно-временные свойства РП нейронов, получаемые при стимуляции стационарными и движущимися стимулами и поныне представляет большую проблему.

I. 4. Роль наружного коленчатого тела в процессах переработки зрительной информации.

Длительное время роль НКТ в переработке зрительной информации сводилась исследователями к некой релейной структуре, переключающей сигналы, идущие из сетчатки в кору.

В последнее время НКТ стали приписывать роль структуры, перекодирующей информацию, поступающую из сетчатки в мозг. Так, в работе В.Д.Глезера /Глезер и др., 1979/ было показано, что на уровне НКТ осуществляется передача сведений о яркости, кодируемой числом импульсав в групповых разрядах, нейрона, в отличие от ганглиозных клеток сетчатки, где та же информация передается за счет изменения средней частоты разряда нейронов. И.А.Шевелев /Шевелев, i97I/ указывает на роль НКТ в процессах снижения избыточного афферентного потока, дополнительного контрастирования во времени и в пространстве за счет операции, близкой к операции дифференцирования импульсного сигнала нейронов сетчатки. Такие процедуры увеличивают быстродействие системы с одной стороны, а с другой стороны обеспечивают рост временной разрешающей способности. В.Д.Глезер /Глезер и др., 1970; 1971/ показал существование трех типов рецептивных полей нейронов НКТ, осуществляющих переработку зрительной информации по трем каналам. Один из этих каналов принимает участие в описании пространственных свойств изображений. Другой канал ответственен за передачу сведений об освещенности изображений. Третий канал служит для инвариантного к освещенности описания размеров изображений.

Как отмечалось выше, нейронные структуры НКТ обладают свойством упорядоченности; перекрывающиеся РП нейронов НКТ имеют достаточно близкие пространственно-временные характеристики /локальная гомогенность/. Эти факты, а также существующие данные о ретинотопике НКТ позволили высказать предположение о "поточечном" характере описания изображений на уровне НКТ /Подвигин и др., 1975/. Под "поточечным" понимается такое описание, в результате которого на выходах перекрывающихся РП нейронов HifT образуется рельеф активности, соответствующий /в определенных пределах/ по форме предъявляемому изображению. Ввиду практической невозможности получения такого рельефа путем одновременной электрофизиологической регистрации импульсной активности группы нейронов, рядом расположенных, рельеф активности реконструировался по ответам одиночных нейронов на предъявление изображения в разных участках их рецептивных полей /Подвигин, 1974; Подвигин и др., 1975/. Идея такого полумодельного эксперимента по реконструкции рельефа принадлежит Ратлиффу и Хартлайну, которые изучали механизмы подчеркивания контуров в глазе мечехвоста /Ratiiff, Hartline, 1959/. В экспериментах /Подвигин, 1974/ было получено, что форма рельефа активности, возникающего на выходах: перекрывающихся рецептивных полей НКТ, соответствует форме предъявляемых изображений, а его размер и величина /частота и число импульсов в каждой точке рельефа/ определяются размером и контрастом изображения. К этой же гипотезе приводит работа японских исследователей /Kaji et al., 1974/, изучавших механизмы подчеркивания контуров /полос Маха/ на уровне НКГ, а также работа Крейцфельдта і. Нотдурфта /creutzfeidt, Nothdurft, 1978/. Они использовали описанный вьше метод реконструкции рельефа активности по ответам одиночных нейронов.

Наряду с описанной выше гипотезой "поточечного" описания изображений на уровне НКТ, существует другая, называемая детекторной, гипотеза, описывающая работу зрительной системы от фото-рецепторов до коры. В рамках этой гипотезы в зрительной системе происходит выделение сначала простых, а затем более сложных приз- - 21 -наков изображения по мере обработки сигнала от фоторецепторов до высших отделов центральной нервной системы / Lettvin et al. , 1959; Hubel, Y/iesel, 1961; Barlow, 1969/. В качестве признаков рассматриваются такие, как ориентация линий, размер, скорость и направление движений, контраст, пространственная частбта, удаленность объекта и т.д. Однако, экспериментальные данные в пользу этой гипотезы получены лишь для некоторых животных, таких как лягушка, белка, кролик и пр., т.е. стоящих в эволюционном ряду ниже, чем объект нашего исследования -кошка. Выделение определенных признаков на различных уровнях зрительной системы также зависит от положения объекта исследований в эволюционном ряду.

На уровне НКТ, по мнению ряда авторов / Arden, 1962; Stewart et al., 197I; Супин, 1974/, обработка информации также идет по пути выделения отдельных признаков изображений. Так, в отличие от РП нейронов НКТ кошки, для которых характерна, как правило, круглая концентрическая, у некоторых других животных описаны РП нейронов НКТ, имеющие вытянутую форму, например, у крысы / Iwama, Sumitomo, 1970/ И кролика / Arden, 1962; Stewart et al., 1971/. Нейроны НКТ кролика, получающие афферентные входы от соответствующих избирательных к направлению движения стимулов ганглиозных клеток, обостряют избирательность к направлению движения /Супин, 1974/, т.е. один и тот же признак детектируется последовательно на двух уровнях зрительной системы. Нейроны НКТ кошки,как уже говорилось, не обнаруживают в целом специфичности к направлению движения стимула.

Дальнейшее развитие детекторная теория получила в работе С.В.Фомина и соавторов /Фомин и др., 1979/. Согласно представлениям этих авторов, сигналы кодируются номером канала - детектора, что обеспечивает совмещение процессов переработки информации по некоторому числу параллельных каналов. Нейрональ-ный анализатор каждой модальности состоит из рецепторов, первичных детекторов и вторичных селективных детекторов /в работе рассматриваются анализаторы интенсивности, цвета, наклона линии, направления и скорости движения, стереоанализатор и т.д./. Множество стимулов, преобразованное на каждом уровне, "отображается на п - мерной:сфере, образованной нейронами - детекторами" /Фомин и др., 1979, стр. 4/. Точность работы каждого из таких анализаторов увеличивается за счет некоторых общих нейронных механизмов, таких, как адаптация и латеральное торможение.

Таким образом, литературные данные по физиологии НКТ весьма обширны и многообразны. Вместе с тем, следует отметить, что работ, рассматривающих общие принципы переработки зрительной информации на уровне НКТ, крайне мало. Мы, как и некоторые другие авторы / Creutzfeidt, llothdurft, 1978/ полагаем, что на подкорковых уровнях зрительной системы у высших позвоночных осуществляется описание изображений, близкое к "поточечному". Этого предположения мы придерживаемся при обсуждении собственных экспериментальных данных в настоящей работе. - 23 -2. МЕТОДИКА ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ОПЫТОВ

2.1. Операция и подготовка животного к опыту

Опыты ставились на кошках весом 2,5 - 3,5 кг. Накануне эксперимента животные подвергались следующим оперативньм вмешательствам: секции бедренной вены /v. femoralis / с последующим введением в нее канюли с пробкой и трепанации черепа. Операции делались под эфирным рауш-наркозом. Координаты трепанационного отверстия, соответствующие положению наружного коленчатого тела, определялись стереотаксически /Ajmone-Marson, Jasper , 1952/ /P=6;L =9/. Диаметр трепанационного отверстия составлял 10 мм. Твердая мозговая оболочка /dura mater / сохранялась.

В процессе операции на черепе кошки с помощью винтов и акрела крепилось устройство, позволяющее жестко фиксировать голову животного во время эксперимента, используя с этой целью стереотаксис. Это давало возможность избежать болевых воздействий, вызываемых в течение опыта введением установочных винтов стереотаксиса в наружные слуховые проходы.

Опыты проводились на ненаркотизированных обездвиженных кошках. Общее обездвиживание достигалось внутривенным введением флакседила или трикурана /2,5 - 3,0 мг^г^^ас"-'-/. Животное подвергалось интубации и переводилось на искусственное дыхание, которое обеспечивал аппарат искусственного дыхания типа ЖД. Затем животное помещалось в стереотаксис. Для предотвращения пульсаций мозга иногда проводился отсос спиномозговой жидкости через атланто-окципитальное отверстие, с этой же целью трепа-национное отверстие закрывалось пастой /Knochenpaste / и затем заливалось смесью воска с вазелиновым маслом./1:1/.

Для устранения дрейфа глаз в условиях длительной регистрации глаза животного пришивались за конъюктиву к кольцу, закреп- ленному на опоре и прикрывались контактными линзами. Перед этим роговица и конъюктива анестезировались 0,5% раствором дикаина.

С целью контроля состояния животного в течение опыта регистрировалась ЭКГ.. Опыты проводились на животных, имеющих частоту сердечных сокращений порядка 150 - 200 ударов в минуту.

Температура тела животного поддерживалась в течении опыта на уровне 37 - 38С. В случае необходимости дополнительного обогрева включалась водяная грелка, расположенная под животным. Ее нагрев обеспечивался термостатическим устройством.

Описанные условия эксперимента позволяли проводить длительную регистрацию импульсных ответов нейронов. Время отведения импульсной активности каждого нейрона варьировало в зависимости от программы исследований в пределах 1-8 часов. В работе рассматриваются данные, полученные при анализе импульсной активности 210 нейронов НКТ.

Центр рецептивного поля исследуемого нейрона определялся с помощью мелькающего светлого пятна. При этом для грубой локализации центра поля использовались светлые пятна большого диаметра, затем, последовательно уменьшая размер тестового пятна до 0,1 угл.град., находили точное расположение центра поля ^J\ В каждом опыте рассчитывались координаты центра рецептивного поля относительно area centralis. Положение area centralis определялось с помощью электрического офтальмоскопа Э0-61 по методу Бишопа /Bishop et al., 1962а/.

Для осуществления гистологического контроля в конце опыта ^ В опытах по регистрации импульсной активности on- центральных нейронов наружного коленчатого тела даже незначительное смещение тестового пятна малого диаметра относительно центра поля приводит <К' уменьшению частоты импульсации или появлению off- ответов периферии поля. делалась коагуляционная метка, отмечавшая положение кончика микроэлектрода в исследуемом локусе мозга /рис. 2.1/. Для ее получения через электрод пропускали постоянный ток около 100 мкА в течение 15 с.

2.2. Микроэлектроды

Отведение импульсной активности нейронов НКТ осуществлялось с помощью вольфрамовых микроэлектродов. Заготовки из вольфрамовой проволоки диаметром 200 мкм электролитически затачивались /под визуальным контролем/ в насыщенном растворе ЯаЖ)₂ . На границе раствора происходит реакция вольфрама со средой, в результате которой кончик заготовки утончался до диаметра 0,5 - 2,0 мкм. После заточки микроэлектрод покрывался последовательно несколькими слоями лака "цапон". Сопротивление электродов измерялось с помощью мостовой схемы на частоте I кГц и составляло 3 - 7м0м.

Микроэлектроды погружали в мозг с помощью шагового погру-жателя^х/один шаг - 2,8 мкм/. Шаговый погружатель, управляемый электронной схемой, позволял осуществлять погружение микроэлектрода в ткань дискретно по I, 5, 10, 15 шагов или непрерывно с частотой 5 шагов в секунду.

2.3. Световая стимуляция

В качестве световых стимулов использовались стационарные и движущиеся изображения круглых световых пятен разного диаметра, одиночных полос разной ширины, креста.

Световые стимулы проецировались на плоский белый экран, расположенный на расстоянии 1,5 м от животного. Для проекции

Шаговый погружатель ЭРИ разработан в научно-техническом отделе Института физиологии им. И.П.Павлова АН СССР.

Рис. 2.1 Локализация кончика микроэлектрода в НКТ. Фронтальный срез правого полушария мозга кошки. Местоположение метки ука-зано стрелкой /масштаб 1:5/. стимулов использовались две независимые оптические установки: установка для проекции стационарных /мелькающих/ стимулов и установка для проекции движущихся стимулов.

В оптической установке для проекции стационарных стимулов /рис. 2.2/ свет от источника света ЛНт фокусируется линзой Лу, проходит через диафрагму Дт и конденсор Кт. Между диафрагмой Д| и конденсором Kj в фокальной плоскости линзы JIj на оси электродвигателя типа СД расположен диск /скорость вращения диска I оборот в секунду/ с вырезом /Пр/. Размер выреза в диске мог меняться, что позволяло подавать на экран световые вспышки разной длительности /от 5 до 500 мс/. В параллельном световом пучке после конденсора К-j- располагался кадродержательКДу, в котором помещались сменные слайды с тестовыми изображениями или сменные шторки с центрированными круглыми отверстиями разного диаметра. Кадродержатель был закреплен в приспособлении, которое позволяло перемещать тестовые изображения в плоскости, перпендикулярной оптической оси, и, соответственно, проецировать тестовое изображение с достаточной степенью точности в исследуемую часть зрительного поля. Более грубое перемещение изображений по всему зрительному полю обеспечивалось поворотом всей оптической установки, закрепленной на поворотном столе, управляемом электроприводом. Оптическая установка позволяла ослаблять световой поток с помощью нейтральных светофильтров Ш. После объектива 0у и зеркала Зт световой поток падал на экран 3.

Оптическая установка для проекции движущихся стимулов была разработана на базе автоматического кадропроектора "Протон" /источник света ЛН, конденсор Кр, теплофильтр Т3> и кадродержатель КДр ^на Р^ис« 2.2/. Световой пучок после объектива 0р попадает на зеркало Зр отклоняющей системы и проецируется на экран Э. Отклоняющая система собрана на основе магнитоэлектрического вибратора с жестко закрепленным на его оси зеркалом. Управление «Дт 2 цеир рацепммого воля _т

Рис. 2.2 Схема двухлучевой оптической установки. В правой части рисунка приведена схема работы отметки раздражения. Фотодиоды /ФД/ фиксированы на одной линии. Стрелкой показано направление хода луча. Объяснение в тексте. канал I _t ОСЦИЛЛОГРАФ CI-I7 "АГ** _ ОСЩШОГРАФ "ТЕМБР" «гёдадП-»

БЛОК ЮНИГОВАНИЯ ОТМЕТКИ РАЗДРАЖЕНИЯ

БЛОК АМПЛИТУДНОЙ

ДИСКРИМИНАЦИИ

ИМПУЛЬСОВ

ОСЦИЛЛОГРАФ СІ-І8

КАТОДНЫЙ

ПОВТОРИТЕЛЬ

УСИЛИТЕЛЬ БИОПОТЕНЦИАЛОВ

ТЕЛЕФОН | ШАГОВЫЙ ! ПОГРУЖАТЕЛЬ іихроаіштрод

ОСЦИЛЛОГРАФ СІ-І7

, МАГНИТОФОН _^ ОСЦМЛОГРМ "ТИШГ

ТЕРМОСТАТ _к

ОБЫЗСТ

ОФТАЛЬМОСКОП канал 2

ЭДЕКТРОТЕРМОМЕТР

ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФ

Рис. 2.3 Блок-схема экспериментальной установки для регистрации и записи импульсной активности двух нейронов. Объяснение в тексте. движением зеркала осуществлялось подачей на обмотку вибратора сигнала треугольной формы, формируемого генератором НГПК-3. Изменение амплитуды и частоты сигнала позволяло перемещать тестовое изображение по экрану в широком диапазоне угловых скоростей /от 0,05 до 300 угловых градусов в секунду/.

2.4. Электрофизиологическая установка для регистрации импульсной активности нейронов наружного коленчатого тела

Электрофизиологическая установка для регистрации импульсной активности нейронов НКТ /рис. 2.3/ состояла из устройства для погружения микроэлектродов, катодного повторителя, усили-теля биопотенциалов УБП , блока амплитудной дискриминации импульсов БАДИ ^хх, двух независимых симметричных каналов записи импульсной активности нейронов, каждый из которых включал двух-лучевой осциллограф типа СІ-І7, магнитофон типа "Тембр" и одно-лучевой осциллограф СІ-4.

Отметка светового раздражения регистрировалась с помощью фотодиодов и формировалась в виде прямоугольных импульсов отрицательной полярности блоком амплитудной дискриминации импульсов. В случае стимуляции мелькающим светом включение светового стимула кодировалось одним импульсом, а выключение, соответственно, двумя импульсами /Дуцкин, Гаузельман, 1972/ Для движущихся световых стимулов момент времени, соответствующий подходу стимула к рецептивному полю при движении стимула в одном направлении кодировался одним прямоугольньм импульсом отрицательной полярности, при движении в противоположном направлении - двумя импульсами ^х' ^хх Усилитель биопотенциалов УБП и блок амплитудной дискриминации импульсов БАДИ разработаны в научно-техническом отделе Института физиологии им. И.П.Павлова АН СССР. - зо - /Куперман, Подвигин, 1979/. Фотодиоды /ФД/, регистрирующие прохождение стимула, крепились с помощью магнитных держателей к экрану и могли быть смещены в любую часть экрана в зависимости от метоположения центра рецептивного поля исследуемого нейрона /рис. 2.2/.

В опытах регистрировали импульсную активность одного или двух соседних нейронов, отводимую одним электродом. При регистрации селектировалась пара таких нейронов, амплитуды импульсов которых были достаточно хорошо различимы /отношение амплитуд должно составлять, по крайней мере, I : 2/. Регистрируемые импульсы двух нейронов с выхода УБП поступают на вход БАДИ. БДЦИ имеет два независимых выхода, с каждого из которых снимаются сформированные стандартные импульсы положительной полярности, соответствующие импульсации одного из нейронов, а также сформированные стандартные импульсы отметки раздражения /рис. 2.4/.

Флуктуации амплитуды регистрируемых импульсов компенсировались регулировкой усиления входного сигнала и изменением порога по амплитуде в каждом из каналов БАДИ /БАДИ позволяет селектировать импульсы, имеющие амплитуду л<Х<4 по первому каналу и C

Рис. 2.4. Схема амплитудной дискриминации импульсного штор регистрации импульсной активности двух нейронов.

1 - импульсный поток с выхода усилителя биопотенциалов /спайки двух нейронов разной амплитуды/; - импульсы отметки раздражения; - сформированные импульсы и импульсы отметки раздражения в 1~ом канале записи;

4 - сформированные импульсы и импульсы отметки раздражения во 2-ом канале записи. предусмотрен также акустический контроль /головные телефоны/ импульсной активности на выходе УБП. При регистрации импульсной активности одного нейрона использовался только один из каналов.

2.5. Обработка экспериментальных данных

Анализируемым в работе экспериментальным материалом были постстимульные гистограммы /ПСТГ/ ответов нейронов на различные световые стимулы. ПСТГ показывает изменение частоты импульсации нейрона во времени /в последовательные интервалы времени в период раздражения/. Ответы синхронизировались по отметке раздражения. Каждая ПСТГ строилась путем суммирования ответов нейрона на многократные предъявления одного стимула /число реализаций/. Число реализаций для каждой ПСТГ варьировало в разных опытах от 10 до 80. Временной интервал усреднения /бин/ составлял 5-80 мс.

Экспериментальные данные, записанные на магнитную ленту, обрабатывались на ЭЦВМ М4030. Данные вводились в машину с помощью специального устройства ввода, разработанного в Межинститутском вычислительном центре АН СССР /г.Ленинград/. Программирование задач осуществлялось на языке 2ЮРТРАН-ІУ.

С целью выявления динамических свойств анализируемых рецептивных полей при обработке экспериментального материала, полученного в виде ПСТГ ответов нейронов, применялся метод "временных срезов" /Подвигин и др., 1973а/, разработанный на основе модификации метода, предложенного В.Д.Глезером /Глезер, Бертулис, 1967/. Последовательность импульсов в ПСТГ разбивалась на одинаковых временных интервалов ^_t>, рассчитывалось число импульсов hi/i-натуральное число/ в каждом временном интервале /бине/ и общее число импульсов в ПСТГ ЖІ П; . Дальнейший анализ ПСТГ сводился к выявлению зависимости числа импульсов /щ/ в каждом временном интервале /А^ / от определенного параметра стимула.

Некоторые специфические методические приемы, связанные с задачей картирования рецептивных полей нейронов ШСТ стационарными и движущимися световыми стимулами, описаны в главе 3 диссертации.

Часть экспериментальных данных, связанная с картированием ре цептивных полей, была обработана на ЭВМ БЭШ-6 Ленинградского научно-исследовательского вычислительного центра АН СССР. Программы для графического представления экспериментальных данных в виде трехмерных поверхностей были разработаны автором и реализованы с помощью методов ГРАФОРа /комплекса графических программ на ФОРТРАНе/ на ЭВМ БЭШ-6 /Баяковский, Галактионов, 1976/. - 34 -3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЦЕПТИВНЫХ ПОЛЕЙ НЕЙРОНОВ НАРУЖНОГО КОЛЕНЧАТОГО ТЕЛА МЕТОДАМИ

КАРТИРОВАНИЯ

3.1. Исследование рецептивных полей нейронов наружного коленчатого тела методом картирования мелькающим световым пятном

Для достаточно полного понимания функционирования рецептивных полей /РП/ нейронов НКТ представляется необходимым знание их пространственных весовых характеристик. Эти характеристики оказываются существенными при анализе и интерпретации ответов нейронов на стимулы сложной формы, а также при моделировании нейронных сетей. Такого рода характеристики могут быть получены разными путями. В работе использованы методы картирования движущимся и стационарным пятном малого диаметра /порядка 0,3 угл.град/.

3.I.I. Задачи исследования

Задачей настоящего исследования являлось изучение динамических изменений пространственных весовых характеристик РП нейронов НКТ, рассмотрение формы этих характеристик у разных нейронов, а также изучение пространственных характеристик on- и off-разрядных центров в РП.

Следует отметить новизну двух аспектов предлагаемого исследования. Во-первых, мы изучали весовые характеристики поля по всему пространству РП, используя для этой цели стационарную стимуляцию. Ранее были получены лишь профильные /одномерные по пространству/ весовые характеристики РП нейронов HKT/.Hammond, 1972; Wassle, Greutzfeldt, Ї973; Подвигин, 1979/. Метод, близкий к нашему, использовал Сасаки с коллегами /Sasaki et al., 1971/при анализе пространственных весовых характеристик РП нейронов стри- арной коры кошки. Двумерные пространственные характеристики РП нейронов НКТ, полученные путем сканирования поля не стационарным, а движущимся световым стимулом, были исследованы в ряде работ И.А.Шевелева с сотрудниками /shevelev et al., 1976; Шевелев, Вердеревская, 1979/.

Во-вторых, условия применения именно стационарной стимуляции позволили изучить изменение пространственных весовых характеристик РП нейронов НКТ во времени, т.е. получить динамические пространственные характеристики поля.

3.1.2. Постановка опытов

Рецептивные поля нейронов НКТ тестировались круглыми вспыхивающими световыми пятнами малого диаметра ^х. Световое пятно проецировалось последовательно в разные части РП. Для удобства работы на экран, на который проецировался стимул, наносилось низкоконтрастное изображение сетки с квадратными ячейками, которое позволяло легко описать положение центра тестового пятна в декартовой системе координат./рис. 3.1/. Центр рецептивного поля исследуемого нейрона совмещался с центром координат сетки, а тестовое пятно поочередно помещалось в узлах координатной сетки. Каждый нейрон, анализируемый таким образом, тестировался в 49 - 169 точках его РП.

Каждая ПСТГ ответов нейрона строилась по 30 предъявлениям светового пятна. Таким образом, при картировании каждого РП было получено от 1470 до 5070 ответов исследуемого нейрона. Для выполнения всей программы такого эксперимента требовалось 3 - б часов стабильного отведения импульсной активности клетки.

Подробнее см. главу2.

I lllfllll) t_tt₂ . .. t,

Рис. 3.1 Координатная сетка на экране /9 х 9/. Иллюстрация построения изолиний равной частоты импульсации для различных участков РП /в декартовой прямоугольной системе координат/ в в последовательные временные интервалы "t, , 1>_t , ... t^ . Начало координат совмещено с центром РП нейрона. Замкнутая кривая - изолиния, соотве₍тстщпщая ; нормированному значению импульсации 0,3. Точки, по которым проведены изолинии, рассчитаны путем линейной интерполяции значений частоты импульсации в четырех соседних точках /узлах сетки/.

Для анализа брались лишь те нейроны, у которых импульсная активность в ходе регистрации поддерживалась на постоянном уровне. С целью контроля.на протяжении опыта сравнивались ответы при стимуляции одних и тех участков РП. В таких опытах удалось подробно проанализировать II РП нейронов НКТ. У остальных десяти нейронов программа картирования была выполнена лишь частично.

3.1.3. Обработка экспериментальных данных

Импульсные ответы нейронов, записанные на магнитную ленту, обрабатывались на ЭВМ М-4030 и БЭСМ-6. На основании ПСТГ ответов нейронов строились карты РП. На картах линиями соединялись точки РП, при тестировании которых нейрон генерировал ответы одинаковой частоты /метод изолиний/. Такие изолинии рассчитывались с помощью набора программ, специально разработанных для этого исследования. В соответствии с задачами настоящего исследования карты полей строились на основе разных способов расчета изменения импульсации в ПСТГ ответов.

Первая часть программы включала расчет карт изолиний, соединяющих значения одинаковой частоты импульсации в разных участках поля. Такие карты РП строились по числу импульсов в последовательных временных интервалах ПСТГ ответов t_1tU_z%tt.t_n /через каждые 10 мс/, /рис. 3.1/. Этот способ расчета давал возможность выявить "моментальные" состояния пространственной весовой характеристики поля и проследить ее изменение за время действия стимула.

При этом все значения нормировались по отношению: а/ к максимальному значению частоты импульсации среди всех анализируемых интервалов для ответов данных РП. Карты, рассчитанные таким образом, демонстрируют общую картину амплитудного изменения пространственной весовой характеристики поля за время действия стимула. б/ к максимальному значению частоты импульсации внутри каждого временного интервала для ПСТГ ответов в пределах всего РП. Это позволило обнаружить те изменения в весовой характеристике поля, которые оказались бы "стертыми" в программе, описанной в пункте а/. Сравнение таких весовых характеристик в разных временных интервалах исключает.их зависимость от максимальной частоты импульсации из всех анализируемых временных интервалов полученного набора ПСТГ.

Во второй части программы рассчитывалась сумма импульсов в ПСТГ ответов в первые 10 мс, 20 мс, 30 мс, ... 270 мс развития ответа. Значение импульсации нормировалось по отношению к максимуму в каждом анализируемом временном интервале. Такой расчет карт поля позволил получить "итоговую" к соответствующему моменту времени весовую характеристику поля.

Во всех задачах изолинии сглаживались за счет линейной интерполяции импульсации в 4-х соседних участках РП /4-х узлах сетки/. Нормированные значения импульсации определялись на уровнях 0.1, 0.2 ... 0.9 от максимума /1.0/.

Для получения более наглядного представления об изменениях в развитии РП экспериментальные данные, рассчитанные на ЭВМ М-4030 в виде матриц нормированных значений импульсации, вводились в ЭВг/1 БЭСМ-б, и затем с помощью методов ГРАФОРа строились трехмерные картины /рис. 3.2.2/ развития РП. В этом случае путем квадратичной интерполяции рассчитывалось значительно большее число точек РП /например, в случае анализа 81 ПСТГ число расчетных точек составляло 81000/.

3.1.4. Изменение пространственных характеристик рецептивных полей во времени по данным картирования поля мелькающим световым пятном

Анализ карт РП нейронов выявил ряд свойств, характерных для

II - 20 мс мах 9 21-30 не мах Э

Рис. 3.2.1 Карты рецептивного поля on- центрального нейрона НКТ в последовательные временные интервалы /"срезы"/. Контрала-теральный глаз. Внизу под каждой картой - временной интервал. Отсчет времени от начала предъявления стимула. Цифры на изолиниях-значения частоты импульсации в анализируемом временном интервале. Значения максимумов импульсации в каждом врменном интервале приведены под каждой из карт. На этих картах РП, также как и на всех последующих картах полей, нормированным значениям импульсации 0,х соответствует цифра I, уровню 0,2 - 2 и т.д. Угловые размеры каждой ячейки - 0,28 угл.град. Диаметр тестового пятна -0,25 угл.град. Освещенность пятна - 20 лк, фона - 5 лк.

Рис. 3.2.2 Трехмерные изображения карт РП нейрона, полученные методами ГРАФОРа. По осям абсцисс и ординат: пространственные координаты поля. По аппликате: частота импульсации в ПСТГ ответов нейрона на стимул, картирующий РП. Вверху: на карте РП, рассчитанной за 21 - 30 мс от начала действия стимула, видны локальные максимумы, окружающие зону предвозбудитель-ного торможения. Внизу: карта РП к 41 - 50 мс от начала действия стимула - зона возбуждения. всех проанализированных РП. В качестве примера рассмотрим изменение весовой функции поля одного из нейронов /рис.3.2.1/. В первые моменты времени /11-20 мс/ после включения стимула в зоне, пространственно соответствующей центральной части поля, появляется зона предвозбудительного торможения^х , окруженная рядом локальных максимумов, на 40-70% превышающих фоновую импульсацию нейрона. К 21-30 мс происходит дальнейшее "углубление" зоны предвозбудительного торможения. Наряду с пространственной устойчивостью зоны предвозбудительного торможения в эти временные интервалы некоторые локальные максимумы могут смещаться.

В дальнейшем, в зоне, пространственно соответствующей зоне предвозбудительного торможения, к 41-50 мс развивается возбуждение /рис. 3.2.1/. Процесс нарастания возбуждения достаточно быстр: для данного нейрона он составляет 10 мс. У остальных нейронов эта величина обычно не превышает 20 мс. Следует отметить, что время от момета включения стимула до начала развития зоны возбуждения /латентный период возбуждения/ неодинаково для разных РП и колеблется в пределах от 40 до 80 мс. Пространственная конфигурация зоны возбуждения РП не была, как правило, круглой, а имела более сложные очертания и зависела от пространственного распределения ограничивающих ее тормозных зон /локальных максимумов/.

Процесс изменения конфигурации поля продолжается в ходе его развития. Для данного нейрона к 61-70 мс от начала действия стимула поле вытягивается в вертикальном направлении. Такая конфигурация поля поддерживается и далее, однако к 91-100 мс РП начинает "разваливаться" и в нем появляется несколько отдельных максимумов, пространственно окружающих центр, возникший после 41 мс зоны воз-

Мы полагаем, что это-предвозбудительно'е торможение, поскольку это торможение развивается в центре рецептивного поля и предшествует развитию возбуждения в этой части поля. буждения. С течением времени процесс "разваливания" структуры поля продолжается и к 300 мс карта РП представляет собой группу четко выраженных максимумов, окружающих зону минимальной импульсации, пространственно соответствующую ранее существовавшей зоне возбуждения.

Итак, в результате исследования РП нейронов НКТ получено, что с течением времени от начала действия стимула конфигурация карты РП нейрона НКТ претерпевает значительные изменения. Развивающаяся первоначально зона предвозбудительного торможения по своей форме сугубо индивидуальна для каждого нейрона и определяется пространственньм расположением локальных максимумов и измененижли этого расположения во времени /рис. 3.3.1, 3.3.2, 3.3.3/. Мы полагаем, что именно локальные максимумы формируют зону предвозбудительного торможения. Процесс формирования этой зоны может быть обусловлен неравномерностью динамических характеристик связей исследуемого нейрона с соседями. Под такого рода неравномерностью понимаются различия в величинах латентных периодов и весов возбуждающих и тормозных связей.

Выявление описываемых изменений в структуре рецептивного поля /таких как появление локальных максимумов и зоны предвозбудительного торможения/ оказалось возможным только благодаря методу исследования импульсации в последовательные короткие временные интервалы развития ответа. При анализе пространственной весовой функции поля за более длительный период такие изменения в структуре РП или малозаметны или не выявляются совсем.

Следует отметить стабильность возникновения зоны предвозбудительного торможения именно в центральной части рецептивного поля /этот факт отмечен у всех исследованных нейронов/. Время появления предвозбудительного торможения варьирует от нейрона к нейрону в пределах 11-40 мс от начала действия стимула. Время

Рис. 3.3.I Карта рецептивного поля on- центрального нейрона НКТ с одним максимумом. На картах пространственно совмещены возникающие в разные временные интервалы зоны пред-возбудительного торможения /II - 20 мс, наклонная штриховка/ и возбуждения /41 - 50 мс/. Расположение локальных максимумов показано сетчатой штриховкой. Угловые размеры каждой ячейки 0,28 утл.град., тестового пятна - 0,25 угл.град.

Рис. 3.3.2 Карта РЇЇ ^оп-центрального нейрона НКТ с одним максимумом. Обозначения те же, что и на рис. 3.3.1. Угловые размеры каждой ячейки - 0,3 угл.град, тестового пятна - 0,28 угл.град.

Рис. 3.3.3 Карта рецептивного поля ^оп -центрального нейрона ffiCT с одним максимумом. Обозначения те же, что и на рис. 3.3.1. Угловые размеры каждой ячейки 0,28 угл.град., тестового пятна - 0,25 угл.град. существования зоны составляет 20-30 мс. Локальные максимумы на картах РП также наблюдаются в этом временном интервале.

Расчет расстояний от центра поля /центра зоны возбуждения/ до центров локальных максимумов показал, что эти расстояния /А / близки между собой /для данного нейрона, представленного на рис. 3.2.1 Д = 0.9+ 0.4 /, что справедливо для всех исследованных нейронов. В соответствии с высказанной выше гипотезой о происхождении локальных максимумов можно было бы предположить, что пространственное расположение локальных максимумов связано с пространственным расположением соседних нейронов НКТ /центров рецептивных полей/, окружающих анализируемый нейрон /рис. 3.3.1-3.3.3./.

Ранее В ряде работ /Angstrom, 1963; Testa de, 1966; ЇЇод-угольникова, Максимов, 1973/ на основе гистологических исследований была показана упорядоченность расположения /типа кристаллической решетки/ нейронов в различных слоях сетчатки. Учитывая характер ретинотопики НКТ / Sanderson, 1971/, а также приведенные выше данные об относительном постоянстве величины А можно предположить, что такого рода упорядоченность расположения нейронов имеет место и в НКТ, что функционально проявляется в описанном нами- феномене локальных максимумов. Не исключено, что геометрически упорядоченное расположение локальных максимумов вокруг центра РП лежит в основе возникновения концентрических зон в РП нейронов НКТ /Ikedd, Wright, 1972/.

Расстояние от центра поля до локальных максимумов / Д / несколько увеличивается с ростом эксцентриситета поля / р / /рис. 3.4/.

Таким образом, эти данные указывают на то, что конфигурация зоны возбуждения /как,(Впрочем, и упомянутая выше форма зоны пред-возбудительного торможения/ определяется пространственно-временными характеристиками связей данного нейрона с сосодпи;."', что

^⁶] А(Угл. град.)

1.4 J

1.2-1.0-0.8 . 0.6 0.4 _{о.а Ч щ і і} —і— 15 і і і р(угл. град.)

Рис. 3.4 Зависимость углового расстояния между центром рецептивного поля и локальными максимумами /А / от эксцентриситета / Р /. Вертикальными линиями показана С величины Л . Данные 9 нейронов. L* ^Sb-ata^ W/jS*- ^ * . южно наблюдать при рассмотрении разнообразия карт полей, представленных на рис. 3.3.1, 3.3.2, 3.3.3. На каждом рисунке пространственно совмещены две карты, полученные во время развития предвозбудительного торможения и во время развития зоны возбуждения.

Ряд исследователей, анализировавших пространственные характеристики РП ганглиозных клеток сетчатки / Kuffler, 1953; Rodieck, Stone, 1965 Ъ ; Spinelli, 1966,* Hammond, 1974/ пришел К ВЫВОДУ о некоторой радиальной асимметрии РП этих нейронов. В этих работах отмечается также тот факт, что торможение может быть обнаружено только в части РП или совсем отсутствовать. В соотвествии с нашими данными рецептивные поля нейронов НиТ также обладают свойством радиальной асимметрии и, как уже отмечалось, форма РП нейрона НКТ претерпевает существенные изменения во времени. Аналогичные данные по пространственным характеристикам РП ганглиозных клеток отсутствуют в литературе.

Наряду с описанными выше были обнаружены нейроны со свойствами несколько отличными. В первую очередь, отличие проявлялось в присутствиии у них не одной, а нескольких зон возбуждения /2--3 зоны/. Как у описываемых выше нейронов, появлению зон возбуждения предшествовали зоны предвозбудительного торможения /рис. 3.5.1, 3.5.2/, опять же имеющие пространственное совпадение. Следует отметить, что появление зон возбуждения могло быть неодновременным и, кроме того, в процессе развития поля эти максимумы могли пространственно перемещаться /в небольших, однако, пределах ~ 0.5/.

Наличие двух или более зон возбуждения могло быть с достаточной четкостью выделено только с помощью метода измерения пространственных характеристик РП в последовательные временные ин-

Рис. 3.5.1 Карта рецептивного поля нейрона НКТ с тремя зонами возбуждения. Обозначения те же, что и на рис. 3.3.1. Угловые размеры каждой ячейки 0,3 угл.град., тестового пятна -0,28 угл.град. Время развития максимумов соответствует времени начала возбуждения.

Рис. 3.5.2 Карта рецептивного поля ^оп~центрального нейрона НКТ 2 двумя зонами возбуждения. Обозначения те же, что и на рис. 3.3.I. /гловые размеры каждой ячейки 0,32 угл.град., тестового пятна - 0,3 /гл.град. тервалы*. При суммации импульсации за большие промежутки времени от начала ответа эти процессы оказываются не столь заметными, хотя на них проявляется "двугорбость" зоны возбуждения / рис. 3.6/. В последующих фазах развития эти РП практически не имеют отличий от описываемых выше.

Таким образом, проведенное нами картирование РП нейронов НКТ мелькающим пятном малого диаметра обнаружило ряд закономерностей, характеризующих циклическую временную организацию РП. Метод картирования по всему пространству РП позволил выявить последовательные временные изменения із структуре РП /рис. 3.2.1/. Их можно условно разделить на три фазы. Первая фаза, развивающаяся к 10-30 мс от начала действия стимула, называемая фазой пред-возбудительного торможения, проявляется в вытормаживании импульсации в центральной части поля и длится 20-30 мс. Затем, к 40--60 мс в зоне, пространственно соответствующей зоне предвозбуди-тельного торможения, за короткий /10-20 мс/ промежуток времени растет и достигает максимального значения импульсация, выражающаяся на карте РП отчетливым рельефом куполообразной формы. Это -вторая фаза - фаза возбуждения. Ее продолжительность 30-50 мс. И,наконец, третья фаза - фаза "разваливания" РП. Ранее существовавшая зона возбуждения к 80-100 мс "разваливается" на несколько максимумов, окружающих центр поля - то место, где был максимум возбуждения. Процесс "разваливания" структуры РП начинается именно в том же временном интервале, в котором происходит расширение зоны суммации и функциональная дезорганизация РП /Подвигин и др.,

1973/. К 130-150 мс частота импульсации значительно уменьшается.

Наличие нескольких максимумов /зон возбуждения/ в РП не является следствием флуктуации импульсации в разных участках РП. Эти максимумы статистически значюлы, поскольку они поддерживаются в течение продолжительного времени развития РП.

Рис. З.б Карты рецептивного поля on- центрального нейрона НКТ, полученные двумя способами. Вверху: карта РП, рассчитанная за период с 51 по 70 мс от начала ответа. Внизу: карта РП, рассчитанная за 70 мс от начала ответа. Штриховкой на нижнем рисунке отмечены два максимума, наиболее четко различимые на верхнем рисунке. Угловые размеры каждой ячейки 0,3 угл.град., тестового пятна - 0,28 угл.град.

Карта РП оказывается сильно преформированной и представляет собой несколько максимумов возбуждения, а в центре РП появляется явно выраженный "провал". Структура РП "распадается" и оянзыва-ется "подготовленной" для следующего цикла обработки зрительной информации после очередного сдвига изображения на сетчатке после саккады - в этом, возможно, и заключается физиологический смысл описываемого явления.

Помимо описанных выше результатов, экспериментально показано, что on-и off-разрядные центры РП on-центральных нейронов НКТ могут совпадать или же быть пространственно разнесены /рис. 5.3, 5.4/. Эти данные и их обсуждение приводятся в главе 5 настоящего исследования, в которой описаны также и другие результаты, позволившие предложить новую схему организации межнейронных связей в НКТ.

3.2. Исследование рецептивных полей нейронов наружного коленчатого тела методом картирования движущимся пятном

В предыдущей главе были рассмотрены пространственно-временные характеристики РП нейронов НКТ, полученные при картировании РП мелькающим светлым пятном.

Вместе с тем, такая процедура картирования, позволившая выявить ряд особенностей в общей картине формирования и развития РП во времени, оказывается слишком трудоемкой. Для экспресс -анализа пространственных характеристик РП может быть использован движущийся стимул / Shevelev et al.₅ 1976/. В настоящей главе проводится анализ пространственных характеристик с использованием движущегося стимула, сканирующего все участки РП в двух противоположных направлениях, и сравнение этих двух способов картирования РП зрительной системы.

3.2.1. Постановка опытов по картированию рецептивных полей с помощью движущегося стимула

РП нейронов НКТ картировались движущимся светлым пятном малого диаметра /~0,3 угл.град./. Импульсная активность нейрона НКТ регистрировалась при прохождении стимула через его РП поочередно в двух противоположных направлениях. Каждое РП было таким образом просканировано в 15 - 35 его участках /рис. 3.7/ и получен набор из 30 - 70 ПСїГ, отражающих импуль-сацию нейрона при раздражении практически всех участков его РП. Этот метод позволил достаточно быстро /по сравнению с методом картирования, описанньм в разделе 3.1/ оценить пространственные характеристики РП. Карты РП, полученные этим_методом, строились следующим образом. Значения импульсации, генерируемой стимулом при прохождении стимула через каждый анализируемый участок РП, могут быть рассчитаны для каждого участка РП при известной угловой скорости О движения стимула и времени t_L прохождения стимула через анализируемый участок. Тогда частота импульсации f_t. , генерируемая нейроном при прохождении тестового пятна через анализируемый участок РП, может быть получена по значению частоты импульсации в ПСТГ ответа в момент времени ~tc По значениям -fa. , рассчитанным для разных участков поля, строилась карта РП /рис. 3.8/. Координата рассчитывалась по исходному положению тестового пятна относительно центра РП. Координата Х- , определяющая положение анализируемого участка по оси X. определялась как #; - Cjti . Таким образом, определялась частота импульсации /*. для каждого участка поля с координатами 1%; _;* иП . Значения частоты импульсации, привязанные к определенной части поля,/т.е. та частота импульсации, которая возникала при прохождении тестового пятна через эту точку - участок поля/, рассчитывались на ЭВМ, причем расчет

_{Л У* ч}

Рис. 3.7 Схемы, иллюстрирующие метод картирования рецептивного поля нейрона движущимся пятном. Вверху: стрелками показаны траектории движения светового пяенн /показано кружками/ через РП исследуемого нейрона. Цифрами отмечены траектории сканирования. Внизу: матрица, рассчитываемая на ЭВМ по ЇЇСТГ ответов нейронов, полученных при картировании РП. Каждому узлу матрицы соответствует определенное значение частоты импульсации /J. . Ординаты u_t , Ц_г ,..., Ч^ соответствуют номерам траекторий сканирования на верхнем рисунке.

Рис. 3.8 Карта рецептивного поля on-центрального нейрона НКТ, полученная при тестировании РП движущимся пятном /толстые изолинии/ и мелькающим пятном /тонкие изолинии/. Стрелкой обозначено направление движения стимула. Угловые размеры ячейки указаны на рисунке. Диаметр тестового пятна - 0,3 угл.град. Освещенность тестового пятна - 20 лк, фона - 5 лк. делался таким образом, чтобы анализируемые участки РП оказались квадратными, т.е. 1 ~^\.«(* |Яч"*«ЭСи1» и масштаб по обеим координатным осям был одинаков. Эта операция облегчала задачу картирования РП, заключавшуюся, как и в разделе 3.1, в проведении изолиний через точки РП, в которых была зарегистрирована одинаковая импульсация. Для каждой карты РП /для стимулов одного направления/ рассчитывалась матрица значений частоты импуль-сации, содержащая от 5 до 8 тысяч точек, причем значения частоты импульсации в каждой из этих точек поля сглаживались путем линейной интерполяции значений частоты импульсации в четырех соседних точках матрицы.

3.2.2. Результаты картирования полей движущимся пятном

Движущимся пятном было прокартировано 20 РП нейронов НКТ. Анализ полученных карт показал, что карты всех 20 РП имеют в той или иной степени "бобовидную" форму, т.е. вытянутую в направлении, перпендикулярном движению пятна /рис. 3.8/.. Карты, взятые для иллюстрации, типичны для результатов, полученных в данной серии опытов. У проанализированных карт соотношение ортогональных диаметров поля на уровне импульсации 0,3 от максимума составило 0,5 /в целом для всех нейронов эта цифра колебалась от 0,4і до 0,78/. На представленных картах заметна разница в градиенте весовой функции поля ^х по разным направлениям от центра РП. У всех нейронов градиент был наи- ^х Градиентом весовой функции мы называем величину ^ ^ Mctcf pf _а'^А , где П_Р/9 , h,_ofi - уровни импульсации, составляющие 0,9 и 0,3 от максимального значения импульсации соответственно, a ^>₉-_oi - расстояние в угл.град. между изолиниями импульсации /г₀₉ и tb_0J> . . ибольшим у переднего фронта поля /для данного нейрона 0_у = = 47 t 5/ и меньшим у заднего фронта / Cj_z = 29 - 5/. В направлении, перпендикулярном движению, градиент был всегда меньше градиента переднего и заднего фронтов / О_ъ = 18 і 5?. Следует отметить, что эти закономерности практически не зависят от направления движения стимула /рис. 3.9/. При движении в противоположном исходному направлении карта поля зеркально симметрична, хотя и не вполне строго/зеркально - осевая симметрия/, т.е. при повороте карты РП на 180 она оказывается почти тождественной карте того же РП, полученной при движении стимула в противоположном направлении.

Метод картирования движущимся пятном обладает специфическими особенностями. Именно благодаря этой специфичности на всех картах, полученных таким способом, видны две области торможения: область перед входом стимула в зону возбуждения поля и область торможения, возникающая при выходе стимула из зоны возбуждения.

3.2.3. Сравнительные характеристики рецептивных полей нейронов наружного коленчатого тела, полученные различными методами картирования

Первая попытка такого сравнения карт РП нейронов зрительной системы была предпринята Родекой. и Стоуном /Rodieck, stone, Ї965в/, анализировавшими РП ганглиозных клеток. Авторы пришли к выводу, что карты РП нейронов, полученные при использовании движущегося пятна, имеют определенную корреляцию с картами РП нейрона, полученными с помощью стационарных /мелькающих/ стимулов. Мы сделали попытку такого анализа РП нейронов НКТ.

На рис. 3.8 совмещены две карты РП одного и того же ней-

_I

Рис. 3.9 Карта рецептивного поля нейрона НКТ, полученная при движении светового пятна в двух противоположных направлениях. Стрелкой отмечено направление движения. Диаметр тестового пятна -0,28 угл.град. Освещенность стимула - 25 лк, фона -7 - лк. -борона, полученные разными способами ^х. Карта РП, полученная при использовании мелькающего стимула, соответствует моменту развития максимума возбуждения в поле /карта рассчитана для 51 -70 мс от включения стимула/. Заметим, что специально был выбран такой нейрон, на картах РП которого максимальные значения импульсации в обоих случаях картирования совпадают. Поэтому изолинии каждого уровня, полученные при любом методе картирования, имеют одинаковые величины импульсации. Это облегчает сравнение пространственных характеристик РП. Соотношение ортогональных диаметров РП, построенного в опыте с мелькающим стимулом /на уровне 0,3 от максимума импульсации/ составляет 0,8 /то же измерение при картировании движущимся пятном составило 0,5/. Таким образом, в зависимости от метода картирования РП нейрона, мы получаем либо вытянутую/"бобовидную^п/ форму РП /при картировании движущимся пятном/, либо форму РП, приближающуюся к круглой /при картировании мелькающим пятном/. Кроме того, заметна разница в величинах градиентов на картах РП, полученных разньми способами /рис. 3.8/ картирования, т.к. линейные размеры карт, полученных с использованием движущегося стимула больше, чем при стационарной стимуляции.

Градиенты, рассчитанные для карт, полученных с помощью мелькающего стимула, несущественно меняюгся с изменением направления измерения градиента. Если для этих карт характер флуктуации градиента в зависимости от направления носит случайный характер /для карты поля, представленной на рис. 3.8 г = 53, #_э = 45/, то для карт, полученных при картировании РП движущимся пятном, изменения кривизны ^х Пространственное совмещение карт РП осуществлено путем совмещения максимумов импульсации в обеих картах поля. закономерны.

Различия в форме карт РП, полученных с помощью стационарных и движущихся пятен, обусловлены различными механизмами. Так, если при использовании стационарной световой стимуляции периферия поля в той или иной степени имеет форму, близкую к концентрической, то зоны торможения, проявляющиеся при стимуляции движущимся пятном, обусловлены некоторыми дополнительными тормозными механизмами. Можно полагать, что при вхождении светлого пятна на периферию Р11 развивается предстимульное торможение, которое не проявляется при тестировании Р11 стационарным стимулом. При выходе стимула из центральной зоны РП вызывается как собственное возвратное, так и латеральное торможения. Поэтому линейные размеры карт, получаемых при тестировании движущимся стимулом, меньше или равны соответствующих размеров для карт, полученных с применением стационарной стимуляции, если рассматривать размер карты по оси, совпадающей с направлением движения стимула.

Метод картирования мелькающим световым пятном безусловно имеет многие преимущества по сравнению с методом картирования движущимся пятном. Применяя этот метод, можно проследить некоторые тонкие конфигурационные изменения в структуре РП в последовательные микроинтервалы времени /предвозбудительное торможение, локальные максимумы, "разваливание" зоны возбуждения/, не выявляемые в картах РП, полученных с использованием движущихся стимулов. Во-первых, при использовании этого метода существует возможность проследить характер изменения пространственных характеристик поля во времени. Во-вторых, только при этом методе исследования выявляется описанная выше зона предвозбудительного торможения, а также тонкая структура РП, например, локальные максимумы.

Вместе с тем, картирование движущимся пятном более приближено к естественным условиям зрительной стимуляции. Здесь используется движущийся стимул, что особенно важно в опытах с обездвиженньми лшвотными. Кроме того, картирование движущимся пятном дает возмолшость быстрой качественной оценки таких общих характеристик поля, как его размер, число максимумов и тормозных зон ПОЛЯ.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННО--ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПИСАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ НА УРОВНЕ НАРУЖНОГО КОЛЕНЧАТОГО ТЕЛА КОІШіИ

В предыдущей главе была проанализирована пространственно-временная организация РП нейронов НКТ по их ответам на стимулы малых размеров. Такие стимулы позволяют выявить весовые функции рецептивных полей. Эти данные были необходимы для дальнейшего количественного анализа ответов нейронов НКТ на движущиеся и стационарные стимулы, значительно превышающие размеры РП нейронов. Именно такие стимулы применялись в экспериментах, описываемых в настоящем разделе диссертации. В главе приведены данные, полученные при использовании в качестве стимулов движущихся и стационарных /мелькающих/ полос /светлых/ разной ширины и изображения креста. Применение этих стимулов было использовано для исследования зависимости характеристик ответов нейронов НКТ от размера и скорости движения стимулов через РП нейрона.

Переменньми величинами стимула являлись: его размер, форма, скорость движения. В главе делается попытка сопоставления этих параметров стимула с определенными параметрами ответов нейрона, которые, как мы полагаем, являются информативными при описании изображений нейронными структурами НКТ.

4.1. Исследование ответов нейронов наружного коленчатого тела на движущиеся стимулы и характеристики описания движущихся изображений на уровне наружного коленчатого

Анализировались ответы on-центральных нейронов НКТ на движущиеся по темному фону полосы и изображение креста. В опытах менялись угловые размеры и скорость движения стимулов. Выбор стимулов именно такой формы был продиктован следующими причинами.

Во-первых, полосы, длина которых заведомо больше размеров РП, являются удобными стимулами для изучения зависимости реакции нейрона от одного изменяемого параметра стимула - его ширины. В наших опытах менялась только ширина полос. Во-вторых, движущиеся полосы являются достаточно адекватными стимулами как для зрительной системы в целом, так и для РП нейронов НКТ и уже применялись рядом исследователей, изучавших РП нейронов НКТ /Kozak et ai., 1965; Dreher, Sanderson, 1973; Hess, Wolters, 1979; Lee et al., 1977/. Это позволяет сравнивать собственные результаты с данными других авторов.

В нашей работе по сравнению с другими исследованиями влияние изменения ширины полосы и скорости движения стимула анализировалось на одном и том же нейроне в значительно более широком диапазоне размеров и скоростей движений полос. Движущееся изображение креста было выбрано в качестве стимула как наиболее "простая" из сложных геометрических фигур, состоящих из нескольких полос. Выбор разных геометрических фигур оказался необходимым для исследования передачи сведений о форме изображений на уровне НКТ.

4.1.1. Исследование;формыиостстимульных гистограмм ответов нейронов наружного коленчатого тела на движущиеся полосы

Для получения количественных характеристик зависимости описания размера движущихся изображений на уровне НКТ от физического размера изображения необходимо исследование формы ПСТГ ответов нейронов НКТ на движущиеся полосы разной ширины. В ряде работ анализ такого рода проводился на уровне ганглиозных клеток /ко-dieck, Stone, 1965 а, Ь/ И нейронов НКТ /Dreher, Sanderson, 1973/, однако он был неполным-. оказался недостаточным для того, чтобы можно было бы использовать данные этих работ в целях поиска - 65 -информативного параметра ответа нейрона, который служил бы коррелятом физичекого размера изображения.

В результате исследования было получено, что форма пост-стимульных гистограмм импульсных ответов нейронов НКТ при варьировании ширины и скорости движения тестовой полосы претерпевает ряд изменений /рис. 4.1/. Исходя из общепринятых представлений о концентрической центр-периферической организации РП нейронов НКТ /см. обзор литературы^ попытаемся объяснить полученные изменения в форме ответа нейрона. Каждая пост-стимульная гистограмма характеризуется чередующимися участками возбуждения /В/ и торможения /Т/, которые мы будем в дальнейшем именовать фазами ответа /Тт, Вт, Вр, То на рис. 4.2 и

Как правило, в опытах использовался набор из семи изображений полос разной ширины, каждая из которых двигалась по экрану с семью различными скоростями. Из полученных ПСТГ ответов нейронов на каждую комбинацию ширины и скорости /7x7= 49 комбинаций/ мы рассмотрим три варианта стимуляции: движение широкой полосы с малой скоростью /скорости до 20 угл.град.*с /, движение узкой полосы с той же скоростью и, наконец, третий вариант - движение широкой или узкой полосы с большой скоростью /скорости движения выше 25 угл.град.-с^-1/. Выбор этих вариантов определялся характерньми изменениями формы ПСТГ ответов нейронов в зависимости от условий стимуляции. а/. Рассмотрим фазы ПСТГ ответов on- центрального нейрона на широкую светлую полосу /ширина полосы превышает размер поля/, движущуюся с малой скоростью. Фаза Т_т /рис. 4.2/ развивается на входе светлого края полосы на off- периферию on- центрального РП. Затем,когда передний светлый край входит в центральную часть поля, развивается фаза возбуждения Вт. Дальнейшее продвижение по-

Рис. 4.1 Постстимульные гистограммы ответов on- центрального нейрона ШгГ на движущиеся светлые полосы разной ширины. Цифры справа - ширина полос в угл.град. Цифры вверху - скорость движения полос в угл.град..с .По оси абсцисс - текущее время и расстояние/в угл.град./, проходимое тестовым изображением со скоростью CJ за 20 мс для 6J = 13 угл.град.с*"""¹; 10 мс для CJ = 124 угл.град.«с^-1. ПСТГ ответов построены в каждом случае но 20 предъявлениям стимула. п(имп)

3.3 Ус

13 "л. ііііі.іп! Iili hiiiilnllii'lliliiil

,i,ij,i.iii„iiiii,l,,iliiii.i.i.ili..iilili llinil.li

,l hll.liil lllillllilnllllliililLiii..,1

111L1111 ] 1 r 11 , ill, .lull llllll,,,, I Illll, I ,,

,iii... і .iLiiliilnil lilihililil 1.1'¹ .llhJIlllllllllllilljJnllllll.llnlllllllllllllllll .ІІІІІ.ІІ..І..ІІІ.ІІІІІ.І.ІІІ.ІІІІІІІІ .. ll ll...., .. ,I,Jllllll.ll.h.lll..,11,,1,,11, I ll. .. . 1.86

III. .„.II hllll,.III,hi.I .I..I.I..I..I..I.I....I.. . .llli.ii ill НИНІШНІ

I,.,.., , .„ . ,.i .1.,1.,1 ,hl. II.I,Illll,,

1,,.1 ... ,,,11 I ,. I.I ..І .и). ...II I, T . 1 1 1 ' 1 ' I ' 1

2.0 2.4

2D 25 i,ll Ll.1..1 ill, 11 I llllnl llllll і шиї hill I 11,1,1

I,.III nil,її,,I lIllllllLll.ll,llllll hill,і illll

Illll , ill і. ll,i,liiiiliUll,llili,iii,li!il,l.lli.ll|ill,|||, .ііііііііііііііііііііііі iiiiii,iiiilii,ii,iiili_M|,iiiiiiiH...„,jlttlUIIOIUII Mil І.ІІІ.ІІ..ІІІІІІ.ІІІ.ІІІ.І...І..ІІІ1 ни ilililniililllllllllllllllll.i.lll.Ul.ilill.lli і 1 1 1 1 1 T ' llllll,llllll.ll .,.1,1 liiiil Н.ПІ..І. , -Ii-іііін..іч.іііііііі 1'ijilgl — і—'—'—'—'—'—'—' ' ' *'₀

0.4 0.8 1.2

1Г 550 5

Ю /5 20 25

,1.,11.111111,. .... 10J06" ¹ ' ' ' ' ' ' ± lr\

0 0.1 0.2 0.3 t <^c' 0 10 20 30~40 L dp*

Некоторые аспекты структурной организации наружного коленчатого тела кошки

Характерной чертой морфологии наружного коленчатого тела -основного подкоркового центра зрительного анализатора - является его ламинарная структура: клетки НКТ группируются в три слоя, причем волокна оптического тракта от контрзлатерального глаза проецируются в дорзальный /А/ и вентральный /В/ слои /рис. I.I/, в то время как ипсилатеральные волокна проецируются в средний СЛОЙ НКТ /Aj/ /vlinkowslci, 1913; Haykow, 1958; Guillery, 1966; Laties, Sprague, 1966; Stone, Hansen, 1966; Garey, Powell, 1957; Sanderson, Sherman, 197I/. В одной ИЗ работ /Guillery, 1970/ описан дополнительный подслой вентрального слоя, который получает ипсилатеральную проекцию. Имеются сведения о наличии промежуточного СЛОЯ между слоями А и Aj /Hickey, Guillery, 1974/, имеющего как ипси-, такиконтралатеральные проекции. Слой В состоит из трех подслоев: С, Ст и Ср.

Наряду с наличием ламинарности ипси- и контралатеральных проекций нейронов структуры, НКТ обладает еще одним замечательным свойством, а именно, ретинотопической организацией.

Операция и подготовка животного к опыту

Опыты ставились на кошках весом 2,5 - 3,5 кг. Накануне эксперимента животные подвергались следующим оперативньм вмешательствам: секции бедренной вены /v. femoralis / с последующим введением в нее канюли с пробкой и трепанации черепа. Операции делались под эфирным рауш-наркозом. Координаты трепанационного отверстия, соответствующие положению наружного коленчатого тела, определялись стереотаксически /Ajmone-Marson, Jasper , 1952/ /P=6;L =9/. Диаметр трепанационного отверстия составлял 10 мм. Твердая мозговая оболочка /dura mater / сохранялась.

В процессе операции на черепе кошки с помощью винтов и акрела крепилось устройство, позволяющее жестко фиксировать голову животного во время эксперимента, используя с этой целью стереотаксис. Это давало возможность избежать болевых воздействий, вызываемых в течение опыта введением установочных винтов стереотаксиса в наружные слуховые проходы.

Опыты проводились на ненаркотизированных обездвиженных кошках. Общее обездвиживание достигалось внутривенным введением флакседила или трикурана /2,5 - 3,0 мг г ас"- -/. Животное подвергалось интубации и переводилось на искусственное дыхание, которое обеспечивал аппарат искусственного дыхания типа ЖД. Затем животное помещалось в стереотаксис. Для предотвращения пульсаций мозга иногда проводился отсос спиномозговой жидкости через атланто-окципитальное отверстие, с этой же целью трепа-национное отверстие закрывалось пастой /Knochenpaste / и затем заливалось смесью воска с вазелиновым маслом./1:1/.

Для устранения дрейфа глаз в условиях длительной регистрации глаза животного пришивались за конъюктиву к кольцу, закреп - 24 ленному на опоре и прикрывались контактными линзами. Перед этим роговица и конъюктива анестезировались 0,5% раствором дикаина.

С целью контроля состояния животного в течение опыта регистрировалась ЭКГ.. Опыты проводились на животных, имеющих частоту сердечных сокращений порядка 150 - 200 ударов в минуту.

Температура тела животного поддерживалась в течении опыта на уровне 37 - 38С. В случае необходимости дополнительного обогрева включалась водяная грелка, расположенная под животным. Ее нагрев обеспечивался термостатическим устройством.

Описанные условия эксперимента позволяли проводить длительную регистрацию импульсных ответов нейронов. Время отведения импульсной активности каждого нейрона варьировало в зависимости от программы исследований в пределах 1-8 часов. В работе рассматриваются данные, полученные при анализе импульсной активности 210 нейронов НКТ.

Исследование рецептивных полей нейронов наружного коленчатого тела методом картирования мелькающим световым пятном

Для достаточно полного понимания функционирования рецептивных полей /РП/ нейронов НКТ представляется необходимым знание их пространственных весовых характеристик. Эти характеристики оказываются существенными при анализе и интерпретации ответов нейронов на стимулы сложной формы, а также при моделировании нейронных сетей. Такого рода характеристики могут быть получены разными путями. В работе использованы методы картирования движущимся и стационарным пятном малого диаметра /порядка 0,3 угл.град/.

Исследование ответов нейронов наружного коленчатого тела на движущиеся стимулы и характеристики описания движущихся изображений на уровне наружного коленчатого тела

Анализировались ответы on-центральных нейронов НКТ на движущиеся по темному фону полосы и изображение креста. В опытах менялись угловые размеры и скорость движения стимулов. Выбор стимулов именно такой формы был продиктован следующими причинами.

Во-первых, полосы, длина которых заведомо больше размеров РП, являются удобными стимулами для изучения зависимости реакции нейрона от одного изменяемого параметра стимула - его ширины. В наших опытах менялась только ширина полос. Во-вторых, движущиеся полосы являются достаточно адекватными стимулами как для зрительной системы в целом, так и для РП нейронов НКТ и уже применялись рядом исследователей, изучавших РП нейронов НКТ /Kozak et ai., 1965; Dreher, Sanderson, 1973; Hess, Wolters, 1979; Lee et al., 1977/. Это позволяет сравнивать собственные результаты с данными других авторов.

В нашей работе по сравнению с другими исследованиями влияние изменения ширины полосы и скорости движения стимула анализировалось на одном и том же нейроне в значительно более широком диапазоне размеров и скоростей движений полос. Движущееся изображение креста было выбрано в качестве стимула как наиболее "простая" из сложных геометрических фигур, состоящих из нескольких полос. Выбор разных геометрических фигур оказался необходимым для исследования передачи сведений о форме изображений на уровне НКТ.

О некоторых "аномалиях" в ответах нейронов наружного коленчатого тела на световую стимуляцию

Как уже указывалось в обзоре литературы, в настоящее время в физиологии зрения доминирует точка зрения об on- И off-системах, как о раздельных каналах, взаимодействие между которыми осуществляется не по возбуждающим, а лишь по взаимотормозным связям.

Вместе с тем, в последние годы были получены данные, свидетельствующие о конвергенции как on- , так и off- центральных ганглиозных клеток сетчатки на один нейрон НКТ / Molotchnikoff, Lashapelle, 1978/. Таким образом, появилось основание полагать, что в нейронных структурах НКТ могут наблюдаться не только тормозные, но и конвергирующие возбудительные взаимовлияния. В данной работе описывается ряд фактов, свидетельствующих в пользу такой конвергенции возбуждающих сигналов от on- и off-ганглиозных клеток сетчатки на один нейрон НКТ.

Обычно оп_ /off-/ центральные нейроны сетчатки и НКТ порождают on-/off- / ответы при стимуляции центральной части поля и off- /on-/ ответы при стимуляции периферии. На основе всего экспериментального материала, насчитывающего более 200 подробно проанализированных нейронов, были отобраны клетки, способные генерировать в ответ на стимуляцию только центральной части РП как on- , так и off- ответы. Число этих нейронов составило около 10%. Этот феномен говорит в пользу предположения о возможной конвергенции на описываемые нейроны НКТ возбуждающих сигналов от ганглиозных клеток сетчатки обоих типов. Привое димые результаты были получены в разных формах опыта.