Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. CLASS Обзор литератур CLASS ы б
1.1. Основные феномены бинокулярного зрения (психофизические сведения) 6
1.2. Развитие представлений о механизмах бинокулярного зрения 7
1.3. Анатомическая организация зрительной системы и отображение объектов внешнего мира в зрительной коре 10
1. 4. Общие характеристики зрительных полей коры 16
1.4.1. Морфологические типы клеток 16
1.4.2. Ретинотопическая упорядоченность корковых полей 18
1.4.3. Вертикальная упорядоченность корковых полей. Корковая колонка 19
1.5. Нейронные связи зрительной коры 24
1.5.1. Вертикальные и горизонтальные связи коркового поля 24
1.5.2. Внутренние и внешние связи полей коры 29
1.6. Особенности организации переходной зоны между зрительными полями 17 и 18 коры у кошки 36
1.7. Нейронные механизмы бинокулярного зрения 39
1.8. Конструкция нейронных связей, обеспечивающих бинокулярное зрение 51
1.9. Роль мозолистого тела в бинокулярном зрении 53
1.10. Постановка задачи 58
Глава 2. Отображение зрительного пространства в коре кошки 61
2.1. Построение ретинотопической карты представительства зрительного пространства в коре головного мозга кошки 61
2.2. Варианты организации внутрикорковых связей для реконструкции зрительного пространства 69
Глава 3. Методика экспериментальных исследований 73
3.1. Процедура введения маркера в отдельную колонку коры 74
3.2. Перфузия и гистохимическая обработка 76
3.3. Реконструкция области меченых клеток 80
3.4. Кластерный анализ распределения меченых клеток 86
3.5. Оценка "исходной" глазодоминантности колонок 88
Глава 4. Исследование внутриполушарных связей корковых полей 17, 18 89
4.1. Послойные различия горизонтальных связей корковых колонок 89
4.2. Распределение внутренних связей полей 17, 18 относительно проекции поля зрения 92
4.3. Кластерная организация связей колонок коры 98
4.4. Нейронные связи между колонками полей 17 и 18 коры 101
4.5. Обсуждение результатов 105
Глава 5. Исследование межполушарных связей полей 17, 18 114
5.1 Асимметрия межполушарных связей корковых колонок 114
5.2. "Исходная" глазодоминантность корковых колонок 120
5.3. Обсуждение результатов 123
Глава 6. Исследование бинокулярных связей нейронов корковых колонок 130
6.1. Диспаратные входы нейронов полей 17 и 18 130
6.2. Диспаратные связи полей 17, 18 с другими полями (19, 21а) 131
6.3. Обсуждение результатов 137
Глава 7. Общее обсуждение результатов работы 145
Заключение 159
Выводы 162
Список использованной литературы 165
- Анатомическая организация зрительной системы и отображение объектов внешнего мира в зрительной коре
- Конструкция нейронных связей, обеспечивающих бинокулярное зрение
- Варианты организации внутрикорковых связей для реконструкции зрительного пространства
- Кластерный анализ распределения меченых клеток
Введение к работе
Восприятие трехмерных объектов и оценка их удаленности основаны на реконструкции в неирональных структурах головного мозга пространственной картины окружающего мира из ее двумерных изображений на сетчатках глаз. Изучением механизмов бинокулярного зрения занимались Гален, Декарт, Ньютон, Уитстоун (изобретатель стереоскопа) и многие другие естествоиспытатели. В настоящее время организация бинокулярного зрения интересует не только физиологов и психологов, ведущих фундаментальные исследования, но и математиков, инженеров, конструкторов, создающих устройства для автоматического распознавания изображений трехмерных сцен.
Анатомические, нейрофизиологические и психофизические исследования в значительной мере прояснили структурно-функциональную организацию бинокулярной зрительной системы. У высших млекопитающих, а также у человека информация о зрительных объектах поступает в первичную зрительную кору головного мозга по четырём раздельным путям, исходящим из назальной и темпоральной половин двух сетчаток. Каждый из этих путей обеспечивает во входном слое зрительной коры двумерное топографически упорядоченное отображение (карту) части поля зрения одного глаза [Tusa et al., 1981; Kaas, 1987; Van Essen et al., 2001]. Создание целостного трехмерного отображения внешнего пространства происходит на основе объединения таких карт.
В исследовании процессов зрительного восприятия психофизическим, психофизиологическим и электрофизиологическим методами достигнуты большие успехи [Hubel, Wiesel, 1962, 1967; Ле-ушина, 1978; Зрительное опознание, 1975; Подвигин, 1979; Супин, 1981; Orban, 1984; Шевелев, 1984; Глезер, 1985, 1995; Дуд-кин, 1985; Подвигин и др., 1986; Невская, Леушина, 1990; Шеле-
пин и др., 1985; Физиология зрения, 1992; Бондарко и др., 1999]. Однако, многие аспекты структурной организации бинокулярной зрительной системы остаются нераскрытыми. Настоящее исследование направлено на решение одной из проблем зрительного восприятия - выяснение структурно-функциональной организации начальных этапов процесса реконструкции трехмерного зрительного пространства.
Анатомическая организация зрительной системы и отображение объектов внешнего мира в зрительной коре
В конструкцию зрительной, как и других сенсорных систем, заложен принцип симметрии. На ранних этапах эволюции билате-рализация зрительной системы обеспечивала панорамное зрение. У травоядных копытных, рыб, птиц и многих других животных совместное функционирование глаз, повернутых в разные стороны, обеспечивает круговой или близкий к круговому обзор зрительного " — пространства. Однако даже у этих животных существует небольшое перекрытие полей зрения обоих глаз. Это позволяет им использовать бинокулярные механизмы для оценки пространственного расположения близкорасположенных объектов. У курицы зона бинокулярного зрения (15) начинается на расстоянии около 2,5 см от клюва, у кролика зона шириной 34 начинается в 1 см от носа (Tschermak, 1902 - цит.по [Кропман, 1966]). Для улучшения бинокулярного зрения у хищных птиц имеется дополнительная фовеа на периферических участках темпоральных частей сетчаток. Сравнительно большое межглазное расстояние и движения глаз дают им возможность точно фиксировать объекты в большом диапазоне расстояний впереди головы. У животных с фронтальным расположением глаз поля зрения левого и правого глаз перекрываются (у приматов бинокулярный сектор составляет 124, у кошки - 98, у филина - 60 ), в результате чего возможна бификсация и бинокулярная оценка удаленности объектов, расположенных в большой части зрительного пространства.
Принцип организации зрительных проводящих путей у животных с панорамным и бинокулярным зрением одинаков: зрительные волокна из сетчаток идут параллельно до высшего зрительного центра [Walsh, Gulllery, 1984]. У высокоорганизованных животных таким центром является зрительная кора. Поточечная проекция сетчатки создает экранное отображение зрительной картины в ядрах подкорковых образований и в слое входных клеток первичной зрительной коры обоих полушарий. Однако анатомия зрительных путей у животных с панорамным и бинокулярным зрением отличается и, соответственно, меняется отображение объектов в коре.
У животных с панорамным зрением нервные волокна из левого глаза проходят в правую половину мозга, а из правого глаза - в левую (полный перекрест волокон). Схема проекций на кору у животных с боковым расположением глаз представлена на рис. 1. В зрительном пространстве показано 5 объектов, обозначенных цифрами, но только один из них (объект 3) животное видит обоими глазами (он расположен в бинокулярной части поля зрения).. За счет полного перекреста волокон из глаз в коре левого полушария представлены входы только из правого глаза, а в правом - из левого. Видно, что объект 3 проецируется на периферические части обеих сетчаток, следовательно, ось бинокулярного зрения не совпадает с центральной осью глаза. Такое несовпадение бинокулярной оси глаза с его основной осью имеется и у животных с фронтальным расположением глаз. Таким образом, в каждом полушарии представлена, в основном, одна половина поля зрения и только через один глаз. Очевидно, что для восстановления целостности объектов, проецирующихся в оба полушария, нужны межполушар-ные связи. Оценка глубины в окрестности объекта 3 также может быть обеспечена только межполушарными связями.
У некоторых животных с фронтальным расположением глаз, например, сиамская кошка, также наблюдается полный перекрест волокон (рис. 2). В этом случае, каждое полушарие мозга имеет входы только из одного глаза, но они представляют все поле зрения. Поскольку поля зрения глаз перекрываются, у таких животных возможно стереозрение. Необходимое для этого объединение клеток, получающих входы из разных глаз, может быть обеспечено в коре только межполушарными связями. Это происходит не в полях 17, 18, где нейроны имеют мелкие рецептивные поля, а в ассоциативных полях коры, характеризующихся крупными рецептивными полями [Zeki, Fries, 1980; Marzi et al., 1980].
У высших млекопитающих (в основном это хищники и человек) при фронтальном расположении глаз наблюдается частичный перекрест волокон в зрительной хиазме. Зрительные пути из глаза разделяются в хиазме на 2 части и направляются в разные полушария (рис.3). Волокна из назальной (носовой) половины сетчатки поступают в противоположное (контралатеральное) полушарие, а из темпоральной (височной) половины - в то же (ипсилатеральное) полушарие. В результате такого разделения путей в каждом полушарии мозга представлена только одна контралатеральная половина поля зрения, но через оба глаза. Очевидно, что объединение входов из двух глаз (формирование бинокулярных нейронов) в данном случае может быть обеспечено, в основном, внутриполу-шарными, т.е. относительно более короткими связями. Однако при этом также возникает проблема объединения двух половин поля зрения, представленных в разных полушариях.
Таким образом, в зависимости от анатомической организации зрительной системы кора головного мозга получает входы из 2-х или 4-х проводящих путей, по которым передается информация о двумерных изображениях зрительных объектов на сетчатках. Восстановление "утраченного третьего измерения" (так называется эта проблема в психологии, см. [Логвиненко, 1985]), восприятие объектов целостными и трехмерными обеспечивается нейронными структурами зрительной коры.
Конструкция нейронных связей, обеспечивающих бинокулярное зрение
В зрительной коре кошек и приматов геникуло-корковые аф-ференты четко разделяются на чередующиеся глазоспецифичные зоны в слое IV (у обезьян в слое IVc), образуя анатомическую базу физиологически выявляемых колонок глазного доминирования [Shatz et al., 1977; Hubel, Wiesel, 1968]. Клетки, локализованные в супрагранулярных (верхних) и инфрагранулярных (нижних) слоях коры, бинокулярны, что должно быть обеспечено конвергенцией входов от монокулярных нейронов слоя IV. Работы, посвященные выявлению конструкции таких связей, практически отсутствуют.
Некоторые подобные связи можно представить на основании данных, полученных у обезьян в результате визуализации аксонов и дендритов клеток слоя IVc с помощью внутриклеточно введенного флуоресцентного маркера и выявления глазодоминантных колонок методом антероградного транспорта родамина, инъецированного в НКТ [Katz et al., 1989]. Было показано, что дендритные ветвления клеток слоя IVc четко направлены в сторону афферентных входов из одного глаза, т.е. расположены в пределах отдельных глазодоминантных колонок. Короткие диффузно распределенные коллатерали аксонов большинства шипиковых гранулярных клеток слоя IVc не выходят за пределы этого слоя и изредка простираются в соседнюю глазодоминантную колонку. Коллатерали, достигающие слоя III, могут компактно оканчиваться в соседней глазодоминантной колонке, но не дальше. Шипиковые звездчатые клетки имеют возбуждающие синапсы, и поэтому подобные связи могут обеспечить фасилитирующие взаимодействия между разными глазодоминантными колонками. Аксоны бесшипиковых (пред-г - положительно, тормозных) клеток слоя IVc свободно пересекают границу между соседними глазодоминантными колонками. Из ранних работ Хьюбела и Визела [Hubel, Wiesel, 1962, 1977] известно, что соседние глазодоминантные колонки, принадлежащие разным гиперколонкам, имеют неперекрывающиеся рецептивные поля. В связи с этим, клетка слоя IV, получающая вход из одного глаза, может получать тормозный вход от нейрона с неперекрывающимся рецептивным полем другого глаза, вызывая таким образом избирательность к диспаратности у реципиентной клетки. Такие локальные синаптические взаимодействия внутри колонок и между колонками могут объяснить некоторые психофизические феномены: ощущение глубины возникает при стимуляции точечными стимулами, а восприятие глубины линии определенной ориентации может меняться при наличии в окружении точек и линий различных ориентации [Mitchison, Westheimer, 1984]. По-видимому, это связано с тем, что нейроны слоя IV, которые участвуют в вычислении диспаратности, ориентационно неизбирательны.
Таким образом, на основании данных этих исследований можно предположить как обеспечивается избирательность бинокулярных клеток к нулевой диспаратности или близкой к ней. Конструкция внутрикорковых связей, которые обеспечивают настройку на близко и далеко расположенные локусы пространства, неясна. Кроме того, отсутствует информация о структурной организации более глобальных нейронных сетей, объединяющих диспаратные нейроны коры. Можно только предполагать, что объединение бинокулярных клеток, каждая из которых настроена на локус в зрительном пространстве, обеспечивает интеграцию выделенных ло кусов в различные стереоплоскости и поверхности. Расположение таких стереоповерхностеи определяется тем, какие разновидности бинокулярных нейронов по избирательности к диспаратности объединены связями. При этом, активация тормозных связей между бинокулярными клетками может обеспечивать сегментацию стереоповерхностеи. К настоящему времени подобной детализации источников горизонтальных связей в коре не проводилось.
Варианты организации внутрикорковых связей для реконструкции зрительного пространства
Созданная нами карта (рис. 12) позволяет предположить варианты организации внутрикорковых нейронных связей, необходимых для формирования целостного трехмерного отображения пространства. Для реконструкции местоположения отдельного ло-куса пространства, оценки удаленности от точки фиксации взора стимула, который расположен в этом локусе, должны существовать внутрикорковые связи, объединяющие те из 2-х - 4-х монокулярных центров в слое IV, которые получают входы из разных глаз. Такие связи обусловливают бинокулярные свойства нейронов, избирательных к диспаратности, и которые были выявлены в зри- тельной коре (раздел 1. 7). Из рис.12, очевидно, что конструкция связей для настройки бинокулярных нейронов на стимулы в разных секторах пространства должна быть различной.
Монокулярные центры (левого и правого глаз), представляющие локусы большинства секторов пространства, за исключением секторов НН и ТТ, представлены в одном полушарии. Их объединение могут обеспечить внутриполушарные (внутризональные) связи.
Для настройки на стимулы в секторах НН и ТТ необходимы межполушарные связи между монокулярными центрами, которые получают входы из перекрещивающихся (сектор НН) или непере-крещивающихся (сектор ТТ) в хиазме путей из сетчаток.
Стимулы, расположенные в секторах пространства ДД, НД, ДН, ДТ, ТД, представлены в 3-х - 4-х корковых монокулярных центрах, локализованных в обоих полушариях. Это обусловлено проекцией этих стимулов на зону назо-темпорального перекрытия одной или обеих сетчаток. Настройка бинокулярных нейронов на эти стимулы может обеспечиваться внутриполушарными и межполу-шарными связями. К настоящему времени отсутствуют данные о том, какая часть из возможных комбинаций взаимосвязей между тремя или четырьмя монокулярными центрами реализована в зрительной коре.
Протяженность внутренних горизонтальных связей в первичной зрительной коре (до 6 - 8 мм [Gilbert, Wiesel, 1983]) является лимитирующим фактором для настройки бинокулярных нейронов путем прямого объединения монокулярных центров. Это относится и к межполушарным связям, которые, как известно [Wilson, 1968; Hubel, Wiesel, 1967; Toyama et al., 1969; Berlucchi, 1972], не простираются между теми периферическими участками коры, в которых локализованы монокулярные центры, представляющие стимулы в секторе ТТ. Следовательно, настройка на локусы в этом секторе пространства должна обеспечиваться с переключением связей на дополнительные вставочные нейроны.
Очевидно, что и другая задача реконструкции - объединение двух половин поля зрения, представленных в разных полушариях, также осуществляется посредством корковых нейронных связей. На основании карты представительства пространства (рис. 12) можно предположить несколько вариантов организации межполу-шарных связей, обеспечивающих решение такой задачи.
Объединение может происходить на основе связей между монокулярными центрами, получающими входы из разных глаз, то есть связей, обеспечивающих бинокулярные свойства нейронов. Экспериментальные данные с перерезкой оптической хиазмы, рассечением мозолистого тела предполагают наличие таких связей у нейронов, расположенных вблизи проекции вертикального меридиана [Marzi, 1980; Lepore, Guillemot, 1982; Lepore et al., 1983, 1992]. Все бинокулярные нейроны, настроенные на "даль" (far) входят в эту категорию. Однако в анатомических исследованиях межполушарные связи между клетками, получающими входы из разных глаз, до сих пор не показаны.
Кроме того, объединение полуполей зрения могут обеспечивать глазоспецифичные межполушарные связи, то есть, связи между однотипными монокулярными центрами, получающими входы из одного и того же глаза При этом, важное значение могут иметь связи между проекциями на оба полушария зон назо-темпорального перекрытия сетчаток. В этом случае, межполушар-ную связь должны обеспечивать клетки переходной зоны 17/18 одного полушария и клетки коркового поля (вне переходной зоны) другого полушария. Причем, клетки коркового поля, получающие вход из контралатерального глаза, не должны иметь каллозальных связей, поскольку в переходной зоне 17/18 противоположного полушария отсутствуют входы из этого глаза. Последнее обусловлено асимметричным расположением зоны назо-темпорального перекрытия на сетчатке у кошки. Отметим, что по этой же причине клетки коркового поля, получающие вход из контралатерального глаза, не должны иметь внутриполушарных моносинаптических связей с клетками переходной зоны 17/18.
Данные Харви [Harvey, 1980], полученные в электрофизиологических исследованиях, можно считать некоторым подтверждением предположения об отсутствии в переходной зоне входа из ипсилатерального глаза. Было показано, что нейроны, имеющие рецептивные поля в ипсилатеральной половине поля зрения, орто-дромно активируются на электрическую стимуляцию и зрительной хиазмы, и мозолистого тела. После работы Пэйне [Payne, 1990] стало известно, что ипсилатеральное полуполе зрения представлено в переходной зоне 17/18. Следовательно, исследованные Хар-веем клетки переходной зоны, получающие каллозальные входы, управляются из контралатерального глаза. Однако анатомические данные, подтверждающие это предположение, отсутствуют.
Кластерный анализ распределения меченых клеток
Для оценки количественных характеристик группирования меченых клеток, которое было видно на графиках распределения клеток в тангенциальной плоскости, а также и на отдельных срезах мозга, проводили кластерный анализ. Для этого использовали программу, написанную В.А Ляховецким [Илюшов и др., 2002].
Каждая клетка Xj описывается двумя признаками (х(1), х(2)) , которые соответствуют X и Y координатам клетки относительно зоны введения маркера, восстановленным из серии срезов мозга (рис. 17). Экспертный анализ исходных данных показал, что области меченых клеток имеют удлиненную форму. Этот факт позволил использовать в качестве метрики не обычное, а "взвешенное" эвклидово расстояние [Айвазян и др., 1989]. В нем расстояние между клетками составляет d(x„ x,) = (гР-х + СхР-х (1) где wi и W2 - "веса" признаков. «Веса» признаков определялись с учетом глобальной ориентации клеточного распределения. Чем больше вытянуто «облако» данных вдоль оси абсцисс, тем меньшее значение будет принимать вес Wi. Напротив, чем больше вытянуты данные вдоль оси ординат, тем меньшее значение будет принимать вес W2.
Разбиение на кластеры проводилось с использованием алгоритма "ближнего соседа", как в автоматическом, так и в интерактивном режимах. Данный алгоритм обеспечивает цепочечный эффект, т.е. последовательное объединение нейронов, расположенных близко друг к другу, в кластеры, что приводит к их естественному группированию. Разбиение на кластеры позволило определять расстояния между центрами тяжести выявленных групп клеток.
Расстояние между кластерами Si и Sm/ измеренное по принципу "ближнего соседа", составляет r(Si, Sm) = min d(Xj, Xj), ХІЄ Si, XjeSm (2).
Общая схема используемого алгоритма включает следующие этапы.
1. Вычисляется матрица D попарных расстояний между клетками по формуле (1). Задается Dmax - максимальное "взвешенное" расстояние, на котором возможно слияние кластеров.
2. Каждая клетка размещается в отдельном кластере. Номер итерации, п := 0.
3. Два самых близких кластера (по матрице межклассовых расстояний) объединяются в один. Расстояние между нимиЪбозна чим как D(n) (минимальное оценочное расстояние). D (n) := D(n) -D(n-l). D (n) - приращение межкластерного расстояния, n : n+1.
4. Пересчитывается матрица межкластерных расстояний по формуле (2).
5. Проверяется условие останова (осталось 2 кластера или D(n) Dmax). Если оно ложно, то переход к пункту 3.
6. Оценка качества группировки. Визуализация результатов.
Качество группировки оценивается по форме графика функции минимального оценочного расстояния и графика функции приращения межкластерного расстояния. Наиболее естественное разбиение на кластеры имеет место на итерации, предшествующей скачку D(n). Очевидно, что скачку D(n), то есть итерации, на которой произошло "насильственное" объединение естественных кластеров, отвечает локальный максимум D (n).
Алгоритм реализован в среде программирования Delphi 4. Результаты кластерного анализа экспортировались в виде графиков в Microsoft Excel 97. 3.5. Оценка "исходной" глазодоминантности колонок
Раздельные пути из сетчаток левого и правого глаз через глазоспецифичные слои дорсального ядра наружного коленчатого тела (НКТ) поступают в слой IV коры, образуя чередующиеся зоны (размером около 500 мкм) монокулярных клеток [Shatz et al., 1977; Hubel, Wiesel, 1962]. Эти монокулярные нейроны являются основными входными клетками вертикальных колонок (ориентационных, глазодоминантных) коры. Принадлежность инъецированной колонки одному из зрительных путей можно определить по локализации ретроградно меченых клеток в слоях ипсилатерального НКТ. В большинстве случаев меченые клетки были выявлены в обоих анализируемых слоях А и А1 НКТ, что свидетельствует об определенном перекрытии зрительных путей из разных глаз, однако, количество меченых клеток в слоях А и А1 было разным. В связи с этим, преимущественный глазной вход колонки, ее "исходную" глазодо- / минантность, оценивали отношением количества меченых клеток в слоях А и А1.
Были исследованы связи 30 корковых колонок в разных участках полей 17 и 18 обоих полушарий (координаты Хорсли-Кларка Р7 - А12). По зрительно-топическим картам коры [Tusa et al., 1981] определено, что эти колонки находились в зоне проекции от -40 до +10 поля зрения, удаленность от центрального вертикального меридиана до 10. При введении пероксидазы хрена в корковую колонку выявляли до 100 меченых клеток за пределами зоны диффузии, при этом, на отдельном срезе мозга выявляли до 7 клеток. Большинство меченых клеток было расположено в верхних (П/Ш) и в нижних (V, VI) слоях коры. Анализ формы тел и их отростков показал, что в основном это пирамидные клетки (рис. 15). В верхней части слоев П/Ш и V были выявлены малые пирамидные клетки, в слое II - редкие модифицированные пирамидные клетки, в нижних слоях - крупные пирамидные клетки, а также веретено-видные и инвертированные пирамидные клетки, описанные О Лири [O Leary, 1941]. При некоторых введениях, описание которых приведено ниже, меченые клетки локализовались в слое IV. В основном это были непирамидные клетки.
