Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Асимметрии параметров саккад и движений рук у обезьян в норме и патологии

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Терещенко, Леонид Викторович, Москва

1 ц и _ /

V ^ / 1 / """"" 1 '

/ ! /

московский ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В.ЛОМОНОСОВА

БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ Кафедра высшей нервной деятельности

УДК: 612.846:612.821.1:612.812.2:616.858

ТЕРЕЩЕНКО Леонид Викторович

АСИММЕТРИИ ПАРАМЕТРОВ САККАД И ДВИЖЕНИЙ РУК У ОБЕЗЬЯН В НОРМЕ И ПАТОЛОГИИ

(Специальность - физиология человека и животных, № 03.00.13)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук Научный руководитель: доктор биологических наук профессор В.В. Шульговский

МОСКВА 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Введение 2

2. Обзор литературы 6

2.1. Феноменология саккад 6

2.2. Саккады и процессы внимания 10

2.3. МФТП-индуцированный паркинсонподобный синдром 14

2.4. Асимметрии саккад 18

2.5. Методики регистрации движений глаз 20

2.6. Методы выделения саккад в экспериментальных данных 24

3. Методика 30

3.1. Обучение животного и работа в эксперименте 30

3.2. Операция по имплантации витка 37

3.3. Описание рабочей установки 41

3.4. Обработка записей движения глаз 49

4. Экспериментальная часть 55

4.1 Параметры саккад у обезьян в норме при разных режимах предъявления зрительных стимулов 55

4.2 Асимметрия манипулятивной деятельности 75

4.3 Влияние МФТП-индуцированного синдрома на манипулятивную активность 77

4.4 Параметры саккад при МФТП-индуцированном синдроме 79

5. Обсуждение 88

6. Выводы 92

7. Литература 93

1. ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Проблемы физиологии зрения приматов, включая человека, привлекают внимание широкого круга специалистов: физиологов (Глезер с соавт., 1975; Шульговский 1993 и другие), психологов (Posner 1980 и другие) и врачей. Одной из проблем физиологии зрения является участие движений глаз в зрительном восприятии (Ярбус, 1965). Дело в том, что сетчатка приматов неоднородна, в ней имеется так называемая зрительная ямка (fovea), которая содержит высокую плотность колбочек, рецепторов дневного (в том числе и цветового) зрения. Угловой размер этой области сетчатки у обезьян не превышает 5 угловых градусов. В эволюции млекопитающих возник специальный механизм в виде глазодвигательной системы (ГДС) для позицирования fovea сетчатки на информационно значимый зрительный объект, другими словами для рассматривания внешнего мира. Эти движения совершаются благодаря содружественному движению глаз (вращение глазных яблок в орбитах) и головы (вращение на шее). Часть этих движений совершается без произвольного контроля (вестибулоокулярный рефлекс, оптомоторный рефлекс и ряд других рефлексов), другая часть — контролируется произвольно. Движения самих глазных яблок также многообразны - быстрые движения на неожиданно появившиеся зрительные цели (приматы способны прослеживать зрительные цели движущиеся со скоростью до 300-360 угл.град/с), произвольные движения при рассматривании внешнего мира, вергентные движения глаз при рассматривании разноудаленных объектов и многие другие. В зависимости от задачи головной мозг запускает различные типы движений глаз и головы. Обслуживание перечисленных типов движений выполняется рядом структур головного мозга - от мозгового ствола до фронтальных и теменных полей коры больших полушарий мозга.

Одним из таких движений глаз являются саккады - быстрые, скачкообразные движения глаз. При усложнении структуры зрительного изображения увеличивается латентный период саккад, а при усложнении пространственного расположения информационно значимых стимулов уменьшается точность саккад. В связи с высокой чувствительностью к изменяющимся условиям внешней среды и состоянию организма, например, уровню активации головного мозга, саккадические движения глаз широко используются для исследования когнитивных процессов.

Развитие руки как органа орудийной деятельности происходило у приматов параллельно с усовершенствованием зрения, появлением фове-ального зрения. Развитие бинокулярного зрения, fovea, и манипуляторных движений рук, по-видимому, привели к возникновению механизмов внимания, оценки глубины пространства и ряда других свойств высшей нервной деятельности, которые резко выделили приматов из общего ряда млекопитающих (Шульговский 1993).

Известно, что головной мозг приматов асимметричен. Особенно ярко это проявляется у человека. В последние годы в психофизиологии проблема асимметрии стала особенно акутальна в связи с исследованиями в клинике психических расстройств. Исследования этой проблемы на низших обезьянах практически отсутствуют.

Цели и задачи исследования.

1. На основе выработанного инструментального условного рефлекса с одношажным изменением положения зрительных стимулов определить временные, амплитудные и динамические характеристики саккад при широком диапазоне изменений временных и пространственных соотношений зрительных стимулов.

2. Определить выбор активной руки в задаче с доставанием подкрепления при пространственном затруднении.

3. Выявить изменения в характеристиках саккад и в выборе активной руки при развитии паркинсонподобного синдрома вызываемого нейроток-сином МФТП (К-метил-4-фенил-1,2,3,6,-тетрагидропиридин).

Научная новизна и практическая значимость.

В данной работе было показано, что применение схем зрительной стимуляции с широким варьированием положений стимулов позволяет определять закономерности распределений параметров саккадических движений глаз в зрительном поле с высоким пространственным разрешением. Данный подход может использоваться в различных схемах зрительной стимуляции.

Впервые показана сложновыраженная асимметрия саккадических реакций. Выявлена асимметрия манипулятивных реакций у обезьян в эксперименте максимально приближенном к естественным условиям.

Показано влияние нейротоксина МФТП на параметры совершаемых произвольных, корректирующих и предугадывающих саккад. Также было изучено влияние МФТП на асимметрию саккадических и манипулятивных реакций.

Положения, выносимые на защиту:

1. Длительности латентных периодов произвольных саккад, амплитуды корректирующих саккад и вектора предугадывающих саккад несут информацию об асимметрии саккадических реакций.

2. Изучение асимметрии саккадических и манипулятивных реакций позволяет сделать вывод о характере взаимоотношений между ними.

3. Изучение выявленных асимметрий при развитии МФТП-индуцированного синдрома свидетельствует об их стабильности под воздействием повреждающих факторов.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на VI симпозиуме "Стриатная система и поведение в норме и патологии", г. Алушта, 1996 г., на XXXIII Международном Конгрессе по физиологическим наукам, г. Санкт-Петербург, 1997 г., на конференции молодых ученых по проблемам высшей нервной деятельности, посвященной 90-летию со дня рождения чл.- корр АН и АПН СССР JL Г. Воронина, г. Москва, 1998 г. Диссертация апробирована на заседании кафедры высшей нервной деятельности биологического факультета МГУ.

По материалам диссертации опубликовано 4 работы.

Структура и объем диссертации.

Диссертация включает 105 страниц печатного текста, 23 рисунка и 2 таблицы. Текст состоит из введения, обзора литературы, описания методики и объекта исследования, 4-х разделов, содержащих собственные экспериментальные данные, обсуждения результатов и выводов. В списке литературы 118 названий, в том числе 103 источников на иностранных языках.

2. О Б 3 О Р ЛИТЕРАТУРЫ

2.1. ФЕНОМЕНОЛОГИЯ САККАД

Саккадические движения глаз являются важным компонентом оку-ломоторных реакций обеспечивающим восприятие зрительного пространства. При рассматривании окружающего пространства происходит чередование саккад и периодов фиксации взора (Ярбус, 1965).

При помощи саккад осуществляется быстрая и точная локализация изображения некоторой области зрительного пространства на центральном участке сетчатки глаза (фовеа) с наивысшим уровнем разрешения. Сакка-ды занимают около 5% времени. Остальное время приходится на периоды фиксации взора. Во время фиксации осуществляются микросаккады амплитудой 2-10 угл. мин., поддерживающие положение выбранной области пространства на фовеа. Микросаккады компенсируют смещение взора, вызываемое медленным низкоамплитудным дрейфом глаз (Глезер, Леушина, 1975). Микросаккады, медленный дрейф, а также высокочастотный низкоамплитудный тремор и вергентные движения глаз приводят к постоянному обновлению изображения на сетчатке, препятствуя ее световой адаптации.

Саккады совершаются во всех направлениях в пределах всего оку-ломоторного диапазона, то есть угла изменения положения глаз в орбитах. У приматов он составляет 45-50 градусов, соответственно амплитуды саккад могут достигать 90 градусов (Robinson, 1981). Во время осуществления саккады угловая скорость движения глаз у человека достигает максимальных значений 700 град/с. У обезьян максимальная скорость движения глаз превышает 1000 град/с (Fuchs, 1967). С увеличением амплитуды саккады растет и ее максимальная скорость. Зависимость максимальной скорости от амплитуды саккады практически линейна до амплитуд 40-50 градусов. Далее скорость увеличивается незначительно с увеличением амплитуды

саккады. Изменение скорости при осуществлении саккад неодинаково для саккад разных амплитуд. У малых саккад профиль скорости, то есть изменение скорости во времени, практически симметричен. Время разгона и замедления глаза одинаковы (Collewijn et al, 1988b). С увеличением амплитуд саккад время разгона становится короче времени замедления глаза и составляет 20-35%% от длительности саккады. У саккад с амплитудой больше 50 градусов профиль скорости имеет плато; глаз движется некоторое время с максимальной скоростью. При дальнейшем увеличении амплитуды саккады происходит увеличение длительности плато, максимальная скорость при этом практически не изменяется (van Opstal, van Gisbergen, 1987, Bon, Lucchetti, 1988).

Сравнение динамик горизонтальных и вертикальных саккад показывает различие в их максимальных скоростях. У горизонтальных саккад максимальные скорости глаз при совершении саккад вправо и влево приблизительно равны для саккад равной амплитуды. Различие объясняется тем, что центростремительные саккады каждым глазом совершаются с большими максимальными скоростями, чем центробежные. Разности скоростей при этом могут достигать 10%. (Collewijn et al, 1988а). Саккады совершаемые вниз имеют гораздо большую максимальную скорость, чем саккады вверх (Collewijn et al, 1988b, Becker, Jürgens, 1990).

Траектории горизонтальных и вертикальных саккад в двух угловых координатах практически линейны. Косые саккады обладают той или иной степенью кривизны. Наибольшей кривизной обладают саккады с направлением 45 градусов от горизонтальной и вертикальной осей. Кривизна траекторий саккад вызывается различием в динамике горизонтальной и вертикальной компонент скорости глаза. Глаз начинает двигаться по обеим координатам синхронизованно, но время достижения максимальной скорости по каждой координате неодинаково. Такое различие свидетельствует в пользу раздельного выполнения саккад и вычисления их параметров по

каждой из координат (Abrams, Jonides 1988, Becker, Jürgens, 1990) .Детальное изучение этой проблемы осложняется тем, что при выполнении косых саккад помимо поворота глаза вокруг вертикальной и горизонтальной осей происходит вращение по оси глазного яблока.

Скоростные и временные характеристики саккад помимо амплитуды и направления зависят также от уровня активности нервной системы. При повышении уровня тревожности наблюдается увеличение скорости саккад, при утомлении происходит снижение скорости и увеличение длительности саккад (Shapiro, Lim 1989). Наблюдается и возрастная динамика параметров саккад. После рождения с возрастом скорости саккад сначала увеличиваются, затем уменьшаются (Lucchetti, Cevolani 1992).

Саккады являются быстрыми баллистическими движениями глаз; физического тела, обладающего моментом инерции. Параметры саккады определяются различием между текущим и требуемым положением глаз до начала саккады. После начала саккады изменения в зрительном поле не оказывают влияния на совершаемую в данный момент саккаду. Следствием этих факторов является то, что совершаемые саккады не имеют высокой точности. Большинство полученных данных показывают, что первичные саккады гипометричны: амплитуда саккады меньше углового расстояния до цели (Kapoula, Robinson, 1986, Collewijn et al., 1988a, van Opstal, van Gisbergen, 1990). Анализ точности выполнения саккад с учетом их направления показывает, что саккады совершаемые вниз гиперметричны, больше требуемого расстояния до цели, а саккады вверх гипометричны (Collewijn, 1988b). В общем случае точность саккад во многом зависит от того, насколько обширный диапазон саккад вызывается в применяемой задаче.

В значительной части случаев за основной, первичной, саккадой следует вторая, корректирующая, малой амплитуды. Корректирующие саккады в большей степени свидетельствуют о точности первичных саккад, чем разброс конечных точек первичных саккад. Амплитуды корректи-

рующих саккад соответствуют пространственной ошибке выполненной первичной саккады. Изучение корректирующих саккад сталкивается со сложностями, вызванными малым значением их амплитуд. Электроокуло-графические методы регистрации движений глаз не позволяют с высокой точностью определять амплитуды корректирующих саккад, тем более затруднено определение характеристик корректирующих саккад совершенных после косых саккад. Поэтому большинство данных о корректирующих саккадах получено для саккад следующих за первичными, совершаемыми в горизонтальном направлении. Для горизонтальных саккад показана линейная зависимость амплитуды корректирующей саккады от амплитуды первичной саккады (Becker, 1975, Kapoula, Robinson, 1986, Collewijn et al., 1988a).

Одним из параметров характеризующих саккады является латентный период - интервал времени от смены зрительных стимулов до начала осуществления саккады. В результате многочисленных опытов по изучению зрительновызванных саккад при различных условиях стимуляции была разработана классификация саккад по длительностям их латентных периодов (Fischer, 1987). Среди саккад выделяют медленные регулярные с латентными периодами более 200 мс, быстрые регулярные - 150-200 мс, экспресс (express) саккады - 90-130 мс и предугадывающие (anticipatory) саккады с латентными периодами менее 80 мс.

Саккадические движения совершаются совместно обоими глазами. Одновременная регистрация движений двух глаз показала, что глаза начинают двигаться одновременно. При выполнении вертикальных движений глаз положения глаз изменяются практически идентично (Collewijn 1988b). При горизонтальных саккадах, в следствии, как уже упоминалось, разности скоростей при осуществлении центростремительных и центробежных движений глаз происходит рассогласование их движений. Рассогласование положений глаз во время саккады может достигать 3 угл. градусов

(Maxwell, King 1992). После саккады глаза совершают вергентные движения с целью совмещения изображения на сетчатке. Латентный период вер-гентных движений составляет около 50 мс (Busettini et al., 1996). В течение времени фиксации глаза также происходит рассогласование положений взора. Рассогласование составляет 6-8 угл. минут по горизонтали и 7-13 угл. минут по вертикали (Motter, Poggio 1984). В течение более чем 60% времени зрительной фиксации рассогласование положения осей превышает 7 угл. минут.

2.2. САККАДЫ И ПРОЦЕССЫ ВНИМАНИЯ

Влияние внимания на процесс программирования и выполнения саккад показано в экспериментах с одношажным изменением положения стимулов. В такой схеме эксперимента взор устанавливается на первом, фиксационном, стимуле. Затем появляется второй, периферический, стимул являющийся целью саккады. Показано, что латентные периоды саккад зависят от временных соотношений предъявления стимулов. В экспериментах по указанной схеме можно выделить две экспериментальные парадигмы, в которых можно оценить вклад процессов внимания в организацию сакка-дических движений глаз. В первой парадигме (Boch, Fischer, 1986; Kalesnykas, Hallett, 1987 и др.) периферический стимул предъявляется до гашения точки фиксации. В течение некоторого времени (overlap, "перекрытие") в зрительном поле присутствуют оба стимула. В данной ситуации программирование саккады начинается при конкурирующем предъявлении двух зрительных стимулов. Латентные периоды саккадических движений глаз при этом увеличены по сравнению со случаем предъявления той же цели непосредственно после исчезновения центрального стимула. Можно предположить, что в парадигме "перекрытия" такая конкуренция приводит к увеличению длительности сдвига внимания к новой цели (Fischer,

Breitmeyer, 1987), которое и обеспечивает удлиннение латентного периода саккад.

Во второй схеме (Boch et al., 1984, 1986; Fischer, Boch, 1983; Fischer et al., 1984; Fischer, Ramsberger, 1984, 1986) предъявление периферического зрительного стимула происходит через некоторое время после момента выключения точки фиксации (gap, "задержка"