Введение к работе
Актуальность проблемы. Актуальной проблемой
нейробиологии является исследование обработки информации о различных параметрах светового стимула на ранних этапах зрительной системы - в наружном коленчатом теле (НКТ), в верхнем двухолмии (ВД) и в первичной зрительной коре (ЗК), а также о взаимодействии этих характеристик в реакциях нейронов данных структур.
Эта тема актуальна для нейрофизиологии еще и потому, что в настоящее время в среде исследователей идут споры о том, в каких структурах мозга происходит сложный анализ изображений. Действительно ли, что первичная зрительная кора и подкорковые структуры производят простую параллельную фильтрацию зрительной информации по отдельным каналам, передавая её дальше, в ассоциативные зоны коры, где и строится зрительный образ. Или уже на ранних стадиях происходит сложная обработка информации, и элементы сложного зрительного образа определяются уже на уровне первичной зрительной коры.
Исследованию этих вопросов и посвящена данная работа.
Цели и задачи исследования. Целью исследования является изучение нейронных механизмов анализа зрительных стимулов.
Для осуществления этой цели были поставлены следующие задачи:
установление роли нейронов наружного коленчатого тела кролика в кодировании цветовой и ахроматической информации.
исследование кодирования цветовой и ахроматической информации нейронами верхнего двухолмия кролика.
изучение ответов нейронов зрительной коры кролика на изменение ориентации и интенсивности стимулов. Исследование реакций нейронов на замены комплексов «интенсивность + ориентация».
Основные положения, выносимые на защиту
1. Для нейронов НКТ характерна фазическая реакция в ответ
на изменения спектральной или яркостнои характеристики
предъявляемого стимула. На основе величин фазических разрядов
нейронов НКТ с помощью факторного анализа удаётся
реконструировать цветовые четырёхмерные сенсорные пространства и двумерные ахроматические пространства.
В ответ на замену цветового или яркостного стимула нейроны ВД реагируют фазическим разрядом с латентностью 50-80 мс. Для нейронов ВД характерен также поздний фазический ответ в диапазоне 120 - 300 мс. На основе частот ранних фазических разрядов нейронов ВД можно построить двумерные ахроматические сенсорные пространства. Частоты позднего фазического разряда позволяют реконструировать четырёхмерные цветовые сенсорные пространства.
Тонический разряд части нейронов НКТ и ВД градуально изменяется в зависимости от интенсивности предъявляемого стимула и проявляет предетекторные свойства с точки зрения теории векторного кодирования.
Величины амплитуд ЗВП и активность нейронов первичной зрительной коры кролика позволяют реконструировать пространства ориентации стимулов, а также пространства, отражающие взаимодействие и интеграцию таких атрибутов, как интенсивность и ориентация.
Научная новизна. В работе показано, что частоты тонических разрядов части нейронов НКТ и ВД градуально зависят от интенсивности предъявляемого светового стимула. В рамках теории векторного кодирования такое свойство тонических разрядов охарактеризовано как предетекторное.
На основе анализа амплитуд фазы N85 ЗВП и ответов нейронов зрительной коры кролика на замену линий с различной ориентацией и интенсивностью реконструированы сенсорные пространства комплексных стимулов «интенсивность + ориентация». Возможность подобной реконструкции позволяет утверждать, что ориентация стимула кодируется зрительной системой в векторной форме. Кроме того, полученные данные показывают, что нейроны первичной зрительной коры кролика осуществляют более сложную обработку зрительной информации, чем предполагалось ранее.
Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные результаты расширяют теоретические представления о функционировании нейронных механизмов зрительной системы, в частности, анализа межстимульных различий. Кроме того, данная работа существенно дополняет нейрофизиологические основы теории
векторного кодирования Е.Н. Соколова - нового подхода к описанию функционирования нервной системы.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на XIII конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов - 2006» (Москва, 2006); 13 Международном конгрессе по психофизиологии (Стамбул, 2006); конференции «Психофизика сегодня» (Москва, 2006); XX съезде физиологического общества имени И.П. Павлова (Москва, 2007); 14 Международном конгрессе по психофизиологии (Санкт-Петербург, 2008); XV Международной конференции по нейрокибернетике (Ростов-на-Дону, 2009).
Основные положения работы отражены в 14 научных публикациях.
Объект исследования. Исследования проводились на 18 взрослых самцах европейских кроликов (Orictolagus cuniculus). Координаты НКТ, ВД и зрительной коры определялись по атласу мозга кролика. Над исследуемыми структурами фиксировалась шахта, предназначенная для крепления микроманипулятора. С его помощью перемещался вольфрамовый микроэлектрод, регистрирующий активность отдельных нейронов. Для регистрации ЗВП в кость над зрительной корой вживлялись посеребрённые стальные электроды толщиной 0.8 мм.
Экспериментальная установка. В опытах бодрствующий кролик фиксировался в деревянном станке, в положении лёжа. Опыт проходил в звуконепроницаемой экранированной камере в условиях фотопической адаптации. Кролик находился на расстоянии 50 см от экрана цветного выпуклого 14-дюймового ЭЛТ-монитора SVGA. Активность нейронов и ЗВП регистрировались с полушария, контралатерального стимулируемому глазу.
Программирование эксперимента. В эксперименте применялась методики экстраклеточной регистрации активности отдельных нейронов и регистрации ЗВП на замены стимулов в парах. В каждом опыте использовалось 8 стимулов, различающихся по своим характеристикам. Применялись пары, составленные из всех
возможных комбинаций стимулов, включая 8 пар при замене идентичных стимулов («самих на себя»). В каждой паре один стимул без паузы заменялся другим. При этом регистрировался ответ нейронов или вызванный потенциал, как на прямые, так и на обратные замены. Длительность каждого стимула составляла 2.5+0-^0.5 с.
Характеристика стимулов. Стимулами служили однородные засветы полного экрана монитора, проецирующиеся на всю сетчатку глаза кролика. Световое раздражение было монокулярным.
При изучении свойств нейронов НКТ и ВД использовались 8 хроматических и 8 ахроматических стимулов. В качестве ахроматических использовались стимулы с интенсивностями 4, 6, 8, 10, 12, 13.5, 15 и 19 кд/м . Спецификация стимулов с разным спектральным составом проводилась в системе МКО-31. Поскольку эта система разработана для зрения человека, названия используемых цветов достаточно условны. В качестве цветовых использовались белый, красный, жёлтый, жёлто-зелёный, зелёный, сине-зелёный, синий и чёрный стимулы. Белый, жёлтый, жёлто-зелёный и зелёный цветовые стимулы были равнояркими.
В опытах по регистрации ЗВП и реакций нейронов зрительной коры предъявлялись стимулы, представляющие собой белые линии на чёрном фоне. В зависимости от серии опытов применялись линии разных угловых размеров и разной интенсивности. Ширина линий на экране монитора составляла 6 см (6 град.), длина линий - 20 см (20 град.).
Первая серия опытов заключалась в замене пар белых линий (на черном фоне) разной ориентации и одинаковой интенсивности (15 кд/м ).
Вторая серия опытов включала замену стимулов в виде линий одинаковой ориентации (0 град, относительно вертикали) и разной интенсивности (5, 8, 10, 13, 15, 16, 17 и 21 кд/м ).
В третьей серии опытов использовались комплексные стимулы, которые отличались друг от друга и по интенсивности, и по ориентации. Проводились два варианта опытов. В первом варианте стимулы начальных ориентации (0-38.6 град) имели интенсивность 5 кд/м , а остальные стимулы (51.4 - 90 град) - 15 кд/м . Во втором варианте линия каждой ориентации (0 - 90 град) имела свою собственную интенсивность (в диапазоне 5-21 кд/м ).
Обработка экспериментальных данных включала в себя измерение средней частоты ранних фазных спайковых разрядов нейронов зрительной коры, НКТ и ВД, а так же амплитуд ЗВП (фаза N85). Амплитуды фаз ЗВП измерялись «от пика до пика». По результатам измерений строились матрицы 8x8, ячейки которых содержали средние частоты ранних разрядов (спайк/с) или амплитуды ЗВП (мкВ) при замене соответствующих стимулов друг на друга. Кроме того, для ответов нейронов НКТ и ВД вычислялась средняя частота поздних тонических разрядов (латентность 500 - 1500 мс) при замене диффузных хроматических и ахроматических стимулов. Полученные для разных нейронов НКТ и ВД частоты усреднялись.
На основе матриц, составленных из частот разрядов нейронов или величин амплитуд ЗВП, строились матрицы парных корреляций между векторами, представляющими стимулы. Корреляционные матрицы обрабатывались методом факторного анализа в программах STADIA (автор - д.б.н. А.П. Кулаичев) и STATISTICA (Statsoft). Полученные таким образом факторы служили осями сенсорных пространств.
Для изучения зависимости тонического разряда от яркостных и цветовых характеристик стимулов использовались средние частоты ответов (спайк/с) в диапазоне 400 - 1500 мс при замене стимулов «самих на себя». Зависимость частоты тонического разряда нейрона от интенсивности предъявляемых стимулов определялась с использованием методов однофакторного дисперсионного анализа и линейной регрессии.
