Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Дирекциональные свойства элементов церкальной системы сверчка (по данным внутриклеточной регистрации активности)

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Автореферат диссертации по теме "Дирекциональные свойства элементов церкальной системы сверчка (по данным внутриклеточной регистрации активности)"



ЧШ^ОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО

КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М. В. ЛОМОНОСОВА

<<о л # 4 ч V .

^ ч Биологический факультет

на правах рукописи

ВЕДЕНИНА варвара Юрьевна

УДК 612.014.421.595.7-14

ДИРЕКЦИОНАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕМЕНТОВ ЦЕРКАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ СВЕРЧКА (ПО ДАННЫМ ВНУТРИКЛЕТОЧНОЙ РЕГИСТРАЦИИ АКТИВНОСТИ)

03.00.13 - физиология человека и животных

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА 1994

Работа выполнена в лаборатории переработки* информации в сенсорных системах Института проблем передачи информации РАН -

Научный руководитель:

доктор биологических наук Г. И. Рожкова

Оффициальные оппоненты:

доктор биологичесих наук, профессор, И. М. Родионов

доктор биологических наук, Н. Г. Бибиков

Ведущая организация: Институт эволмционной физиологии и биохимии им. И. М. Сеченова РАН, С.-Петербург.

Защита состоится года в _часов на

заседании специализированного Совета Д 053.05.35 в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова по адресу: 119899, г. Москва, Ленинские горы, биологический факультет МГУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке биологического факультета МГУ.

/Л тШс^,

Автореферат разослан г

Ученый секретарь специализированного Совета кандидат биологических наук

Б. А. Умарова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Церкальная система насекомых давно привлекает внимание электрофизиологов и энтомологов как удобный объект для исследования принципов и механизмов переработки сенсорной информации. Считается, что одной из основных функций церкальной системы является восприятие приближающихся источников опасности, в частности, хищников, вызывающих резкие смещения воздуха и низкочастотные колебания. Показано, что возбуждение церкальных рецепторов запускает характерные двигательный реакции, например, реакцию бегства при действии на церки воздушной струи, в основном изученную на тараканах (CamM et al.,.1978, etc.). У сверчков церкальная система может участвовать не только в формировании направленной реакции убегания или затаивания, но и в акустической внутривидовой коммуникации (Hamper, Dambach, 1979; 1981).

На церках сверчков и тараканов имеются нитевидные волосковые рецепторы, которые считаются адекватными приемниками ветровых и низкочастотных звуковых сигналов. Независимо от направления действия звукового или ветрового стимулов каждый волосок всегда колеблется в одной и той же плоскости, названной предпочтительной, которая определяется строением аппарата крепления волосков на церке. В случае ветровых стимулов диаграмма направленности волоскового рецептора имеет форму лепестка, тогда как в случае звукового стимула диаграмма имеет два симметричных лепестка -форму "восьмерки". Набор рецепторов с разными предпочтительными плоскостями позволяет насекомым воспринимать сигналы любого направления (Nlcklaus, 1965; Петровская и др., 1970; Gnatzy, Schmidt, 1971; Князев, Попов, 1977, 1981).

Церки сверчков являются подвижными органами и могут поворачиваться относительно оси тела насекомого в пределах нескольких десятков градусов. Диаграммы направленности рецепторов поворачиваются относительно оси тела вместе с церком. В отличие от рецепторов, центральные нейроны, которые непосредственно получают от них входные сигналы, обладают замечательным свойством инвариантности: диаграммы направленности этих нейронов практически не меняют свою ориентацию относительно оси тела при поворотах цер-ков (Рожкова, Полищук, 1976). Это свойство было названо константной дирекциональнсстыо. Таким образом, уже на уровне последнего брюшного ганглия - первого центрального отдела церкальной

лстемы обеспечивается константность восприятия положения непод-яжного источника при различных позициях подвижных воспринимав-лх органов.

Свойство константности было открыто в ходе зкстраклеточной эгистрации реакций нейронов."Используя эту методику, авторы иногда не получали аконстантные диаграммы у центральных нейронов церкальной системе сверчка. По этой причине был сделан вывод, го все центральные нейроны, чувствительные к ветровым и звуко-ым стимулам, обладают свойством константной дирекциональности. цнако в экспериментах с экстраклеточной регистрацией активности давалось исследовать лишь самые чувствительные нейроны, имеющие изкие пороги для данного стимула, поскольку реакции многих дру-их нейронов маскировались активностью наиболее чувствительного, роме того, нельзя было исключить возможности регистрации разных ейронов при разных позициях церков.

В связи с этим, Г.И. Рожковой и А.Л. Бызовым была начата се-ия экспериментов, в которых свойство константности исследова-ось внутриклеточно. Результаты этих экспериментов во многом одтвердили ранее сделанные выводы: у большинства нейронов была афиксирована константная дарекциональность. Однако были выявле-ы очень интересные особенности, например: у одного и того же ейрона диаграммы направленности для одного типа стимулов могли ыть константны, а для другого - полностью аконстантны и могли е совпадать по ориентации (Вызов и др., 1987). Кроме того, не се изученные нейроны имели диаграммы "классического" вида "восьмерки" при тестировании звуковыми сигналами и одиночные епестки при тестировании воздушными струями); диаграммы ряда ейронов имели сложную и трудно объяснимую форму.

В процессе анализа таких дирекциональных характеристик возник опрос, какие свойства центральных нейронов определяются свойс-вами рецепторов, а какие свойства есть результат обработки ин-ормации на уровне интернейронов. Несмотря на то, что морфология механизм работы нитевидных волосковых рецепторов исследовались иогими авторами, свойства самих рецепторных клеток методом внутриклеточной регистрации их активности изучены мало. Дирекциональ-:ая чувствительность интернейронов исследована лишь у самых круп-:ых и не во всем диапазоне частот. Неизвестно, имеются ли в цер-:альной системе сверчка полностью аконстантные нейроны, и все ли гейроны обладают дирекцкснальной чувствительностью. Результаты

исследования дирекциональных свойств церкальных нейронов позволили бы судить об их роли в анализе различных воздушных стимулов.

Актуальность работы. Для обнаружения движущегося объекта необходимо иметь правильное представление о локализации источника сигнала. Поскольку церки являются подвижными органами, ориентация в пространстве с помощью церкальной системы осложняется необходимостью постоянного учета меняющихся позиций рецепторов по отношению к телу. Проблема константности восприятия человеком и животными пространственных отношений между объектами внешнего мира и собственным телом при движениях органов чувств относительно тела - одна из фундаментальных проблем психофизиологии восприятия. В то же время, нейрофизиологические механизмы этой константности исследовались лишь в немногих работах, и в основном - на зрительной системе млекопитающих (Пигарев, Родионова, 1986, 1988). Церкальная система насекомых - более удобный объект для исследования механизма константности. Рецепторы располагаются в этой системе прямо на поверхности церков, тогда как у многих животных они заключены внутрь полостей. Церки легко поворачиваются относительно оси тела в пределах 50°, и наличие или отсутствие константности легко определяется по тому, повернулась ли диаграмма интернейрона при повороте церка. Многие церкальные интернейроньг идентифицированы морфологически, что позволяет всесторонне изучать их свойства.

Цель и задачи исследования. Цель работы: используя метод внутриклеточной регистрации активности, получить более точные и детальные данные о дирекциональной избирательности церкальных рецепторов и интернейронов и о механизмах дирекциональной константности. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:.

1. Исследовать дирекциональную чувствительность церкальных рецепторов сверчка для звуковых и ветровых стимулов путем внутриклеточной регистрации активности волокон церкального нерва.

2. Исследовать дирекциональную чувствительность различных идентифицируемых нейронов для звуковых и ветровых стимулов, используя внутриклеточную регистрацию реакций аксонов в брюшных и шейных коннективах.

3. Оценить влияние позиции церков на диаграммы направленности церкальных рецепторов и интернейронов.

4. Сопоставить диаграммы направленности рецепторов и цент-

ральных нейроноЕ; в ходе сравнения оценить организацию связей церкальных интернейронов с рецепторами.

Научная новизна результатов. В результате исследования свойств церкальных рецепторов и интернейронов сверчка методом внутриклеточной регистрации реакций были установлены следующие особенности их дареюшональной чувствительности. В отличие от рецепторов, имевших относительно однородные дирекциональные свойства, у интернейронов выявлено большое разнообразие дирекци-ональных характеристик. Во-первых, найдено, что разные нейроны различаются по степени дирекциональной избирательности и дирек-циональной константности. Во-вторых, обнаружено, что один и тот же нейрон демонстрирует дирекциональнув избирательность и дирек-циональную константность не во всем диапазоне воспринимаемых частот, а лишь в оптимальном частотном диапазоне. В-третьих, среди интернейронов церкальной системы сверчка впервые описаны нейроны, которые проявляют высокую чувствительность к звуковым сигналам в узком частотном диапазоне, но не обладают дирекциональной избирательностью вообще.

Апробация диссертационного материала. Материалы диссертации докладывались на 1-м Советско-Западно германском симпозиуме "Sensory systems and communication in Arthropods" (Ленинград, 1989), 2-м Международном симпозиуме "Sensory systems of Arthropods" (Гамбург. 1992), конференциях молодых ученых ИППИ РАН (Москва, 1989, 1993), YI Всесоюзном симпозиуме "Механизмы сенсорной рецепции" (Москва, 1988), 8-м и 9-м Международных симпозиумах "Insect sound and vibration" (Эрланген, 1992: Грац, 1994).

Объем и структура диссертации. Работа изложена на ... страницах машинописного текста и состоит из введения, описания методики, изложения результатов экспериментов, обсуждения, выводов и списка литературы. Диссертация иллюстрирована .. рисунками и . таблицами, список литературы содержит .. русских и .. иностранных наименований.

Большинство экспериментов с внутриклеточной регистрацией активности было проведено совместно с A. J1. Бызовым. Большую техническую помощь в ходе работы оказали А. К. Панютин и Д. Н. Лапшин. Экспериментальная работа в лаборатории нейробиологии Ульмс-кого университета была организована Г. Кемпером. Всем этим коллегам автор'выражает глубокую признательность за участие в рабо-

- 5 -

те и обсуждение экспериментов.

МЕТОДИКА

Объект исследования и подготовка препарата. Исследования проводили на сверчках Acheta domestlcus и Gryllus blmaculatus, имаго и личинках последнего возраста. Животных брали из собственной лабораторной культуры.

При подготовке препарата насекомое фиксировали булавками на восковой пластинке и, в случае отведения от церкального нерва или брюшных коннективов, обнажали дистальную часть брюшной нервной цепочки с дорсальной стороны, заполняя полость тела физиологическим раствором. В случае отведения от шейных коннективов обнажали лишь эти коннективы и проторакальный ганглий. Коннективы или церкальный нерв поднимали с помощью крючка таким образом, чтобы микроэлектрод можно было ввести под острым углом к нервным волокнам для достижения большей стабильности отведений.

Церки закрепляли в нужных позициях с помощью энтомологических булавок. Препарат тщательно прикрепляли к восковой подставке, чтобы осторожный перевод церков в новую позицию не вызывал выскакивания микроэлектрода из нейрона. Обычно использовали две позиции церков: параллельно оси тела и под углом 40-70° к оси тела.

Установка и особенности стимуляции. Препарат укрепляли в центре вращающегося массивного круга, расположенного в звукозаг-лушающей камере. Манипулятор для введения микроэлектродов был закреплен на этом же вращающемся круге. Источники сигнала - динамический громкоговоритель для подачи звуковых сигналов ■ (на расстоянии 35 см от препарата) и трубочка диаметром 2 мм для подачи воздушной струи (на расстоянии 20 см от препарата) были закреплены неподвижно. Динамик был помещен в поролоновую трубу, у конца которой располагался препарат, - во избежание отражений звуковой волны от стен камеры. Неподвижность источников сигналов позволяла сохранять неизменными все параметры стимуляции, а варьирование направления стимула относительно оси тела насекомого достигалось путем вращения самого круга с препаратом. Круг с препаратом вращался настолько плавно и легко, что это движение не нарушало стабильности внутриклеточного отведения.

Для оценки дирекциональных свойств нейронов и рецепторов

строили диаграммы направленности - графики зависимости силы реакции (числа импульсов) от направления стимула. Как правило, для звуковых сигналов использовали 16 направлений, для ветровых 8, и с каждого направления сигнал предъявляли 10 раз, усредняя показатели реакций. Силу стимулов подбирали индивидуально для каждого нейрона, выявляя те диапазоны, где дирекциональная чувствительность была выражена хорошо. Интенсивность звуковых тональных посылок (20-2000 Гц) варьировали в пределах 40 дБ, начиная приблизительно от звукового давления 50-60 дБ над уровнем 0,02 мПа. Для получения звуковых колебаний использовали генератор ГЗ-56/1 и электростимулятор ЭСЛ-2. Ветровую стимуляцию осуществляли следующим образом: воздух в трубочку подавали от микрокомпрессора через буферный сосуд (10 л), регулятор давления и вентиль, управляемый электрическим реле. Перепады давления в сосуде были в диапазоне 100-5000 Па, что соответствует примерно 0,2-5 см/с.

Небольшая серия экспериментов была проведена в лаборатории нейробиологии Ульмского университета в Германии. Установка отличалась от московской в первую очередь тем, что изменение направления стимула достигалось передвижением динамика," а не вращением препарата. По. этой причине мы использовали меньшее число направлений (10) при снятии звуковых диаграмм направленности. С другой стороны, преимущество установки заключалось в том, что она была откалибрована с помощью микрофона, чувствительного к смещениям среды. Подобная измерительная аппаратура была нам недоступна в Москве по той причине, что она имеется лишь в нескольких лабораториях мира.

Методика регистрации реакций и окрашивания нейронов. Реакции церкальных рецепторов и интернейронов регистрировали с помощью стеклянных микроэлектродов (молибденовое или пирексное стекло). Предварительно оболочку коннективов или церкального нерва обрабатывали проназой для облегчения прохождения микроэлектрода. Для маркировки исследуемых клеток микроэлектроды заполняли 5%-ным раствором краски Lucifer yellow. Кончик микроэлектрода должен был быть достаточно тонким, в особенности - в случае отведений от церкального нерва: показано, что диаметр большинства волокон в церкальном нерве не превышает 1 мкм (Edwards, Palka, 1974). С другой стороны, для выведения больших количеств краски микроэлектрод должен . был иметь относительно низкое сопротивление (не выше 100 мОм): По этой причине нам удавалось хорошо прокрашивать в первую

очередь гигантские интернейроны, диаметр аксонов которых превышает 10 мкм, и практически не удавалось прокрашивать рецепторные аксоны.

Микроэлектрод перемещали микроманипулятором; относительный электрод был в полости тела насекомого. Регистрируемые потенциалы подавали на усилитель, далее - на осциллограф С1-19Б и ЭВМ "Искра-226", которая в дальнейшем была заменена на персональный компьютер PC/AT.

Типовая программа опыта и обработка результатов. Полная программа опыта включала приблизительную оценку частотного дипазона и области оптимальных частот исследуемого элемента, снятие амплитудных характеристик (зависимость числа импульсов от интенсивности звука). снятие диаграмм направленности для разных стимулов и двух (как минимум) позиций церков. При использовании компьютера запись реакций исследуемой клетки была частично автоматизирована с помощью программы "Spike". Выполнение всей программы опыта требовало не менее 500 измерений и занимало 2-4 часа. После окончания исследования через микроэлектрод пропускали импульсы гиперполяризующего тока (1-5 нА) в течение 10-30 мин для заполнения клетки краской. Морфологию прокрасившихся нейронов исследовали под люминесцентным микроскопом. Для идентификации нейрона необходимо было прокрасить тело и основные дендритные ветвления. Обозначения идентифицированных нейронов приводятся в работе в соответствии с номенклатурой, предложенной Менденхолл и Мерфи (Mendenhall, Murphey, 1974).

Ориентацию осей диаграмм направленности вычисляли несколькими способами. Для правильных однолепестковых диаграмм и для симметричных восьмерок использовали формулу

ц? = £r.oi../ Zr,,

~о , 1 i I 1 .

где^о- угол, характеризующий ориентацию оси диаграммы, оС варьируемое направление стимула и г - среднее число импульсов в реакциях нейрона на стимул данного направления (Рожкова, 1993) (Рис.1а). По этой формуле определяли, в какую сторону относительно начала координат смещен центр тяжести диаграммы. В случае симметричных восьмерок эта формула предполагает проведение отдельных вычислений для каждого лепестка или их предварительное суммирование после поворота одного из них на 180°. Однако это неприемлемо для. определения ориентации диаграмм более сложной формы, например, несимметричных восьмерок, крестообразных или

Рис. 1. Дирекциональные характеристики церкальных рецепторов а - звуковая диаграмма: dL~ варьируемый азимут источника сигнала, у0- угол, характеризующий ориентацию оси диаграммы; доверительный интервал для заштрихован; уо=250±4°; б -веер ориентация осей звуковых диаграмм 22 рецепторов относительно церка (тестовые стимулы 100-500 Гц); в - звуковая (стимул 180 Гц, 60 мс) и ветровая диаграммы одного из рецепторов; г - звуковые диаграммы (стимул 90 Гц, 100 мс) одного из рецепторов, снятые'при двух позициях церка

многолепестковых диаграмм. В этих случаях использовали иные способы оценки ориентации, например, применяя анализ Фурье по методу, предложенному М.С.Смирновым.

Сравнение числовых данных, полученных разными способами, показало, что для относительно правильных "восьмерок" и одноле-пестковых диаграмм вычисленные значения ориентации оси практически неразличимы.

Константными мы условно считали ге нейроны, у которых вследствие поворота церков ось диаграммы поворачивалась не больше, чем на 1/4 от угла поворота церков, аконстантными - те, у которых ось диаграммы поворачивалась не меньше, чем на 3/4 от угла поворота церков.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Характеристики церкальных афферентов. У сверчков обоих видов в церкальном нерве были исследованы реакции 60 волокон, а диаграммы направленности сняты у 41 волокна. Большинство исследованных волокон церкального нерва реагировало одинаково хорошо как на звуковые сигналы, так и на воздушные струи. Меньшее число исследованных волокон (15) отвечало только на воздушные струи (необходимо учитывать, что наша основная установка не генерировала звуковой стимул ниже 20 Гц). Большинство волокон (70 %) обладало спонтанной активностью, в отличие от интернейронов, у которых спонтанную активность регистрировали гораздо реже.

Практически всегда церкальные волокна реагировали на тактильную стимуляцию волосков. Однако нам не всегда удавалось локализовать исследуемый волосок на церке; иногда можно было определить лишь небольшую область, механическая стимуляция которой вызывала реакцию исследуемого афферента. Некоторые волокна отвечали на прикосновение к любому месту на церке, то есть были чувствительны к малейшему его смещению или деформации.

Как правило, афференты реагировали на-звук в очень широком диапазоне частот: от самых низких до 1000 Гц и более; оптимальные частоты у разных волокон, как правило, варьировали в пределах 60 -200 Гц. Однако в нескольких случаях были зарегистрированы афференты, реагировавшие на звуковые сигналы в узком диапазоне частот: не выше 75 Гц, 60-80 Гц, 140-210 Гц. К сожалению, все отведения от узкополосных волокон были очень нестабильны, и по

этой причине у нас 'не было возможности исследовать их подробно.

Характер реакции на звуковой стимул был тонический. Импуль-сация была синхронна со звуковой волной, и на частотах до 300 Гц при высокой интенсивности стимула частота импульсов соответствовала частоте стимуляции. Реакция афферентов на воздушную струю также имела тонический характер, причем при наличии спонтанной активности в зависимости от направления стимула регистрировался либо возбудительный, либо тормозный ответ.

Все звуковые диаграммы направленности исследованных афферентов имели форму почти симметричных "восьмерок", а их оси были ориентированы под самыми различными углами к оси церка. У одного и того же нейрона диаграммы, снятые на разных частотах, имели сходную ориентацию. Ветровые диаграммы всегда имели форму одиночного лепестка; они были достаточно широкими и вполне могли быть описаны косинусоидальной функцией. Звуковые диаграммы были более узкими, причем увеличение интенсивности звукового стимула не приводило к насыщению реакций и обусловленному этим округлению диаграмм, что отмечалось у интернейронов. Ось ветровой диаграммы совпадала с осью звуковой. Как и следовало ожидать, изменение позиции церка приводило к повороту диаграммы вслед за цер-ксм на тот же угол (Рис. 15-г).

Характеристики церкальных интернейронов. Из 186 исследованных интернейронов 77 были идентифицированы морфологически и отнесены к 8-ми типам нейронов, характерные опознавательные признаки которых были описаны ранее (Mendenhall, Murphey, 1974; Jacobs, 1983). Еще 3 типа нейронов-были выделены только по физиологическим свойствам, морфологически их идентифицировать не удалось по причине недостаточного прокрашивания. Ниже приводится описание свойств двух типов идентифицированных и одного из неи-дентифицированных нейронов, которые обладали наиболее характерными дирекциональными свойствами.

Медиальный гигантский интернейрон (МГИ) (Рис.2а). Этот нейрон регистрировали чаще других нейронов, что объясняется, по-видимому, большим диаметром аксона - около 20 мкм на выходе из ТБГ (это второй по величине церкальный нейрон), и удобной для наших отведений локализацией его аксона в коннективе. МГИ был исследован на 44 препаратах, идентифицирован на 33 препаратах морфологически, а на остальных - по комплексу характерных свойств.

Для МГИ было типично отсутствие спонтанной активности и на-

- и -

лкчие ярко выраженной реакции на звуковые сигналы в широком диапазоне частот (20-2000 Гц). Оптимальный диапазон: 300-700 Гц. Пороговая интенсивность в этом диапазоне имела значение около 60 дБ, что соответствует ранее полученным данным (Murpney et al., 1977; Shlmozawa, Kanou, 1S84), Пороги реакции МГИ на воздушные струи были значительно более высокими - около 5 см/с. Тип реакции МГИ на звуковые и ветровые стимулы был фазо-тоническим (Рис.2б).

Для МГИ была характерна хорошо выраженная дирекциональная чувствительность к звуковым сигналам в широком диапазоне частот. Диаграммы, снятые в оптимальном диапазоне (300-700 Гц), при изменении позиции церков сохраняли свою ориентацию относительно оси тела - были константны, что в принципе соответствует ранее полученным данным (Вызов и др., 1987). Если диаграмма поворачивалась, тс не больше, чем на 1/4 от угла поворота церков, причем при симметричном разведении сдвиг оси диаграммы бывал как в сторону поворота ипсилатерального церка (в половике случаев), так и в противоположную.

Диаграммы МГИ, снятые в диапазоне 30-100 Гц, проявляли меньшую константность, чем в оптимальном диапазоне, а форма диаграмм иногда сильно отличалась от формы симметричной восьмерки. При разведении церков в половине случаев диаграмма поворачивалась незначительно; однако в другой половине случаев низкочастотные диаграммы МГИ проявляли полную аконстантнссть, причем поворот диаграмм, который происходил в результате изменения позиции церков, на первый взгляд было трудно объяснить. Его можно описать двояко - либо как поворот в сторону ипсилатерального церка, но на угол, превышающий поворот самого церка в 2-3 раза, либо как поворот в противоположную сторону - на угол поворота контралате-рального церка. Впрочем, связывать поворот диаграммы с поворотом контралатерального церка не представляется уместным, так как, во-первых, известно, что МГИ слабо связан с рецепторами этого церка (Palka, Olberg, 1977, и др.), и, во-вторых, такой необычный поворот сохранялся после блокирования всех рецепторов контралатерального церка (Рис.2в).

Мы подтвердили ранее отмеченную характерную особенность МГИ, которая заключается в различной ориентации его ветровых и звуковых диаграмм (Tobias,Murphey, 1979; Вызов и др.,1987). Кроме того, были выявили некоторые новые особенности в его дирекциональ-

Рис. 2. Характеристики МГИ

а - морфология в ТБГ; б - реакция на тон 500 Гц, зарегистрированная в шейных коннективах, калибровка 100 мс, 70 мВ; в - звуковые (стимулы 700 Гц, 100 мс и 50 Гц, 100 мс) и ветровые диаграммы, снятые при трех позициях церков; при двух позициях правого церка левый смазан вазелином; правый брюшной коннектив

ной чувствительности к ветру. Во-первых, в наших экспериментах ветровые диаграммы МГИ были гораздо более вариабельны по ориентации, чем звуковые. Например, у 10-ти животных при параллельной позиции церков ориентация ветровых диаграмм МГИ варьировала в пределах 90°, тогда как ориентация звуковых - в пределах 50°. Во-вторых, ветровые диаграммы МГИ варьировали по форме. Классическую форму одиночных лепестков, описываемых косинусоидальной функцией или более узких, они имели только в 60 % случаев, а в остальных случаях - форму неправильной кардиоиды, восьмерки или почти круговую. В-третьих, ветровые диаграммы варьировали по степени константности. В большинстве случаев изменение позиции церков приводило к повороту ветровой диаграммы МГИ вслед за ип-силатеральным церком на тот же угол, г. е. ветровые диаграммы были полностью аконстантны, что соответствует ранее полученным данным (Вызов и др., 1987). Однако, в 10 % случаев ветровке диаграммы МГИ обладали неплохой константностью.

Нейрон 10-За. Этот нейрон был исследован на 12 препаратах. Его относят к гигантским нейронам (диаметр аксона на выходе из ТБГ больше 10 мкм), поэтому его морфология в ТБГ хорошо изучена, однако ничего неизвестно о характере ветвлений в других ганглиях. При отведении от шейных коннективов нам удалось прокрасить ветвления 10-За в грудных ганглиях, подглоточном ганглии и в протоцеребруме.

В отличие от МГИ, у него всегда регистрировали спонтанную активность. 10-За реагировал на звуковые сигналы в широком диапазоне частот - до 1000 Гц и более, но, в отличие от МГИ, пороги реакции в диапазоне до 100 Гц были очень низки, а с повышением частоты возрастали. 10-За был одним из самых чувствительных к воздушным струям. Характер реакций как на ветровые, так и на звуковые стимулы был чисто тонический. В диапазоне по крайней мере до 90 Гц была заметна отчетливая синхронизация импульсации со звуковой волной.

Диаграммы направленности 10-За для звуковых сигналов низкочастотного диапазона (до 100 Гц) имели форму симметричных восьмерок, ориентированных в среднем под углом в 45° к оси тела. Диаграммы, снятые в этом диапазоне, были константны (Рис.За).

Несмотря на то, что в наших экспериментах 10-За отвечал на звуковые сигналы в широком диапазоне частот, дирекциональная чувствительность для стимулов выше 150 Гц была практически не

-WWW—nor.

vwwv

t\

Рис. 3. Характеристики нейрона 10-За (а) и узкополосного нейрона (б)

а - реакции на тоны 5 Гц и 10 Гц, калибровка 100 мс, 40 мВ; звуковые диаграммы (40 Гц, 150 мс) при двух позициях церков, левый брюшной коннектйв; б -реакции на тоны 5 Гц и 10 Гц, калибровка 100 мс, 20 мВ; звуковые диаграммы (стимулы 5 Гц, 10 Гц), правый шейный коннектйв; интенсивность всех стимулов О,16 см/с

- 15 -

выражена и диаграммы имели круговую форму.

Ветровые диаграммы 10-За имели вид относительно правильных лепестков и совпадали по ориентации со звуковыми низкочастотными. Поведение ветровых диаграмм при изменении позиций церков в наших экспериментах не исследовали, однако ранее в опытах с экстраклеточным отведением было показано, что ветровые диаграммы 10-За константны. Благодаря тому, что среди ГИН 10-За - один из самых чувствительных к воздушным струям, этот нейрон можно с большой уверенностью идентифицировать в опытах с экстраклеточной регистрацией активности.

Нейрон, отнесенный к группе узкополосных элементов. Этот тип нейронов исследован на 5 препаратах - при отведении от шейных кон-нективов. В отличие от МГИ и 10-За, он не относится к группе гигантских нейронов. К сожалению, нам не удалось прокрасить тело нейрона, лежащее в ТВГ, но его ветвления в грудных, подглоточном ганглиях и в протоцеребруме были прокрашены.

Для этого нейрона была типична спонтанная активность, а чувствительность к звуковым сигналам в диапазоне 5-50 Гц была сравнима с чувствительностью нейрона 10-За. Однако этот нейрон реагировал на звуковые сигналы в узком частотном диапазоне - не выше 100 Гц. Более того, он имел выраженный оптимум в области 10 Гц и тип реакции на этой частоте был почти тонический. На тоны 5 Гц и 30 Гц нейрон демонстрировал фазо-тоническую реакцию. При стимуляции тонами выше 100 Гц наблюдались тормозные реакции. Другое отличие от МГИ и 10-За заключалось в отсутствии отчетливо выраженной синхронности импульсации со звуковой волной даже на таких низких частотах, как 5 и 10 Гц (Рис.36).

Замечательной особенностью этого нейрона было практическое отсутствие дирекциональной избирательности во всем диапазоне звуковых частот. Диаграммы имели неправильную форму и были вытянуты вдоль оси тела. На ветровой стимул нейрон реагировал фазно, после чего демонстрировал более длительное торможение. Дирекцио-нальную чувствительность для ветровых стимулов исследовать не удалось.

АНАЛИЗ И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Внутриклеточные исследования дирекциональной чувствительности рецепторов позволили уточнить их свойства и детально оценить

некоторые зависимости. В ходе внутриклеточного отведения от волокон церкального нерва мы подтвердили, что, диаграммы направленности рецепторов для звуковых сигналов действительно имеют форму относительно симметричных восьмерок, а для воздушных струй - форму' одиночных лепестков. Мы показали, что у одного и того же афферента ветровые и звуковые диаграммы, снятые на разных частотах, как и ожидалось, совпадают по ориентации и при изменении позиции церка поворачиваются вместе с ним.

Кроме того, нами выявлены некоторые новые особенности в ди-рекциональной чувствительности рецепторов. В частности,обнаружено, что их ветровые диаграммы заметно шире, чем звуковые. Возможно, это связано с тем, что при действии воздушной струи, приходящей с определенного направления, волосковая клетка либо деполяризуется, либо гиперполяризуется. При действии звукового сигнала клетка на одном полупериоде деполяризуется, а на другом гиперполяризуется, поэтому всегда имеется подтормаживание клетки. Если сигнал действует не в предпочтительной плоскости рецептора, то по всей видимости, эффект подтормаживают сильнее.

В отличие от рецепторов, у интернейронов было выявлено большое разнообразие дирекциональных свойств. Звуковые диаграммы интернейронов не всегда имели форму правильных восьмерок, а могли иметь многолепестковую или круговую форму. Нами впервые описаны церкальные нейроны, которые, несмотря на высокую чувствительность к звуковым сигналам, не имели дирекциональной чувствительности вообще - их диаграммы направленности были круговые. Ветровые диаграммы не всегда имели форму одиночных лепестков; они могли иметь вид восьмерок или также круговую форму (например, МГИ).

В одном и том же диапазоне частот разные интернейроны различались по степени дирекциональной избирательности. Четыре типа нейронов (9-2а, 9-За, 10-2а, 10-За) обладали хорошей дирекциональной чувствительностью в самом низкочастотном диапазоне - до 100 Гц. Три типа нейронов (МГИ, латеральный гигантский интернейрон - ЛГИ, 9-2а) демонстрировали хорошую дирекциональность в более высокочастотной области. У большинства из этих нейронов звуковые диаграммы были ориентированы под углом 20°-70° к оси тела.

Дирекциональную чувствительность к ветровым стимулам проявляли практически все церкальные интернейроны ( за исключением группы узкополосных нейронов), однако они различались по степени

абсолютной чувствительности и по ориентации ветровых диаграмм.

Однако, говоря об ориентации диаграмм интернейронов, нельзя забывать, что эта ориентация относительно оси тела при повороте церков не всегда сохранялась, т. е. разные нейроны различались не только по степени дирекциональной избирательности, но и по степени дирекциональной константности. У нейронов 9-За, 10-2а, 10-За в диапазоне до 100 Гц диаграммы сохраняли свою ориентацию при повороте церков - были константны, тогда как у МГИ и ЛГИ диаграммы, снятые в этом диапазоне, были полностью аконстантны.

Большое разнообразие дирекциональных свойств было выявлено не только у разных типов нейронов, но и у одного и того же нейрона для разных стимулов и в разных диапазонах частот. Диаграммы для разных стимулов - звуковых сигналов разной частоты или звукового сигнала и воздушной струи, - часто не совпадали по ориентации или вели себя по-разному при изменении позиций церков. Например, диаграмма, снятая на одной частоте, была константна, тогда как диаграмма, полученная на другой частоте, полностью аконс-тантна, как у МГИ, ЛГИ или 9-За. Примечательно, что константность почти всегда имела место для того типа стимула, к которому нейрон проявлял высокую чувствительность.

Механизм дирекциональной константности подразумевает наличие связей центрального нейрона с группами рецепторов, имеющих разные предпочтительные направления стимуляции волосков, а также регулирование этих связей в соответствии с позицией церка. Было установлено, что позиционные сигналы идут по церкальному нерву из области церкального сустава - возможно, от церкальных мышц. Механизм регуляции связей центральных нейронов с рецепторами пока не выяснен; предполагается, что эта регуляция осуществляется путем пресинаптического торможения, однако прямые свидетельства этого пока отсутствуют (Рожкова, 1994).

Наличие у одного и того же нейрона разной дирекциональной чувствительности и разной степени константности для разных типов стимулов свидетельствует о том, что такие интернейроны, во-первых, воспринимают разные стимулы через посредство НВС с различной частотной избирательностью и, во-вторых, что веса входных сигналов от одних рецепторов регулируются, а от других - нет.

Вопрос о частотной избирательности рецепторов пока остается открытым. В церкальном нерве мы чаще всего регистрировали волокна, чувствительные одновременно как к воздушным струям, так и к

звуковым сигналам широкого диапазона частот (до 1000 Гц и выше). Оптимальные частоты всех исследованных волокон лежали ниже 200 Гц. По опубликованным данным, чем короче волосок, тем выше оптимальная частота (Петровская и др., 1970; Князев, Попов, 1977; Shlmozawa, Kaпои, 1984). То, что мы практически не регистрировали высокочастотные афференты, возможно объясняется тем, что размер волоска может коррелировать с диаметром аксона. Естественно думать, что мы чаще попадали в самые крупные аксоны, и что именно поэтому большинство исследованных нами рецепторов проявляло высокую чувствительность к воздушным струям и самым низкочастотным звуковым сигналам. Однако в ряде случаев мы, кроме широкополосных афферентов, регистрировали волокна с узкой частотной настройкой (например, работающие в диапазоне 60-80 Гц, 140-250 Гц), а также волокна, обладающие высокой чувствительностью к воздушным струям, но не реагирующие на звуковые сигналы даже такой низкой частоты как 20 Гц (звук ниже 20 Гц не позволяла генерировать установка). Такие результаты не соответствуют общепринятым представлениям о частотной избирательности волосковых рецепторов.

Среди исследованных нами интернейронов лишь нейроны 10-За и 10-2а по своим свойствам напоминают известные на данный момент свойства волосковых рецепторов: широкие кривые частотной избирательности, тонический тип реакции на воздушные струи и звуковые сигналы ниже 100 Гц, синхронность кмпульсации со звуковой волной на самых низких частотах, одинаковая дирекциональная чувствительность для ветровых и звуковых низкочастотных стимулов. Наиболее далекими от известных свойств рецепторов можно считать свойства мелких узкополосных нейронов. Узкая частотная настройка интернейрона может быть результатом получения информации от рецепторов, не описанных на данный момент, а также результатом обработки информации уже на уровне ТБГ.

Так как свойство дирекциональной константности требует специфической организации и регуляции связей с'рецепторами, очевидно, что его наличие у определенных нейронов для стимулов определенного типа не случайно. Хорошая дирекциональная чувствительность для звуковых сигналов в оптимальных диапазонах у МГИ, ЛГИ, 10-2а и 10-За, а также хорошая константность дирекциональности именно в этих диапазонах указывает на то, что эти нейроны могут участвовать в оценке направления звуковых сигналов: 10-2а и

10-За - в низкочастотной области (ниже 100 Гц), МГИ и ЛГИ - в более высокочастотной области. Так как звуковые диаграммы этих нейронов ориентированы под углом 20°-70° к оси тела, то правый и левый нейрон каждого типа различаются по дирекциональности. Отсюда следует, .что животное может оценивать направление приходящего стимула путем сравнения реакций правого и левого нейронов. Однако, как и в случае рецепторов, исключается возможность различения любых противоположных направлений.

Высокая чувствительность к ветровым стимулам и константность ветровых диаграмм нейронов 10-2а и 10-За, указывают на то, что эти нейроны могут участвовать в определении направления воздушных струй. Еще ранее было отмечено, что для оценки направления ветровых сигналов вполне достаточно этих двух типов нейронов, если подразумевать сопоставление активности левого и правого 10-2а и левого и правого 10-За (Кашрег, 1984; Вызов и др., 1987). Из шести ГИН они - самые низкопороговые; нейроны 9-2а и 9-За имеют как минимум на порядок более высокие пороги реакций на воздушные струи; МГИ и ЛГИ обладают еще более высокими порогами реакций на воздушные струи, чем 9-2а и 9-За.

С самого начала церкальная система сверчков и тараканов привлекла внимание исследователей как система, обеспечивающая реакцию бегства при действии воздушных струй. Считалось, что именно гигантские нейроны, способные быстро проводить импульсы, имеют прямые переключения на мотонейроны ног и • непосредственно запускают реакцию убегания. Однако позже было показано, что не все ГИН имеют отношение к активации ножных нервов. Электрическая стимуляция МГИ и ЛГИ приводила к возбуждению реакций в мотонейронах ног, тогда как стимуляция нейронов 10-2а и 10-За приводила к торможению реакций (Капои, БМтогата, 1985). Логично предположить, что самые крупные церкальные нейроны - МГИ и ЛГИ, - наиболее вероятные кандидаты на роль тех элементов, которые непосредственно участвуют в запуске реакции убегания. Но примечателен факт, что у обоих нейронов дирекциональная константность зафиксирована не в самом низкочастотном диапазоне, а в области 300 -700 Гц. На данный момент трудно сказать, какие биологически важные сигналы этой частоты могут слышать сверчки.

Узкополосные нейроны, имеющие плохо выраженную дирекциональ-ную чувствительность, видимо, не участвуют в оценке направления звукового стимула вообще. Скорее, они могут играть роль детекто-

ров биологически значимых низкочастотных сигналов, так как они настроены на определенные частоты. Из естественных низкочастотных сигналов хорошо известны два примера. Было показано, что при пении сверчок генерирует низкочастотный компонент звука (около 30 Гц), который может восприниматься на близком расстоянии (в пределах 20 см) от поющего самца (Karaper, Dambach, 1981; Kamper, 1984). Другой пример: роющая оса Liris niger, охотясь на сверчка Acheta domesticus, излучает низкочастотные колебания не выше 20 Гц.

Можно предположить, что узкополосные нейроны без дирекциональной избирательности , с одной стороны, и нейроны с четкой и константной дирекциовальностью, с другой стороны, являются элементами двух параллельных подсистем "что" и "где", выделяемых исследователями разных сенсорных систем (Пигарев, 1989; Ronacher, Stumpner, 1993 и др.). Согласно соответствующей концепции, подсистема "что" предназначена для узнавания сигналов или • объектов, а подсистема "где" обеспечивает локализацию их в пространстве.

ВЫВОДЫ

1. Методом внутриклеточной регистрации активности были исследованы свойства более чем 60 волокон церкального нерва, из них у 41 волокна сняты диаграммы направленности для звуковых сигналов и воздушных струй. У всех волокон церкального нерва диаграммы направленности имели классическую форму - "восьмерок" для звуковых сигналов и одиночных лепестков для воздушных струй.

2. Ветровые и звуковые диаграммы одного и того же рецептора практически всегда совпадали по ориентации и при изменении позиции церка поворачивались вместе с ним, т.е. были полностью аконстантны.

3. Методом внутриклеточной регистрации реакций были исследованы дирекциональные свойства 186 церкальных интернейронов; 77 из них были идентифицированы морфологически и отнесены к 8-ми типам. В 80 % случаев их диаграммы направленности имели классический вид, а в остальных случаях варьировали по форме. Впервые описаны нейроны, которые отличаются высокой чувствительностью к звуковым сигналам - в узком диапазоне частот, но обладают плохой дирекциональной избирательностью - их звуковые диаграммы прибли-

жаются по форме к кругсЕЫМ.

4. У 80 % интернейронов была зарегистрирована константность дирекциональности хотя бы для одного типа стимула. Обнаружено, что у одного и того же интернейрона диаграммы направленности для разных стимулов могут не совпадать по ориентации и могут демонстрировать разную степень константности при изменении позиции церков.

5. Многообразные дирекциональные свойства церкальных интернейронов свидетельствуют о том, что большинство нейронов имеет связи с рецепторами, различающимися по своей дирекциональной и частотной избирательности, но только определенные связи регулируются в соответствии с позицией церков, обеспечивая константность дирекциональности в оптимальном для каждого нейрона диапазоне частот.

6. Анализ дирекциональных свойств интернейронов позволяет предположить, что нейроны 10-2а и 10-За участвуют в оценке направления воздушных потоков и звуковых сигналов в диапазоне до 100 Гц, а МГИ и ЛГИ - в оценке направления сигналов более высоких частот. Узкополосные нейроны с плохой дирекциональной избирательностью, по-видимому, имеют отношение к узнаванию сигналов, а не к их локализации.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Веденина В.Ю. Характеристики рецепторных входов церкальной системы сверчка//Труды конференции молодых ученых ИППИ, М., 1989, С. 50-53.

2. Vedenina V. Yu., Byzov A.L. Characteristics of sensory Inputs In cricket cercal system//In: Sensory Systems and Communication in Arthropods. Eds. -F.G. Gribakin et al. Blrkhauser Verlag, Basel, 1990, P.371-376.

3. Веденина В.Ю., Вызов А.Л., Рожкова Г.И. Медиальный гигантский интернейрон сверчка: дирекциональная чувствительность и связи с рецепторами//Сенсорные системы, 1992, т.6, N3, С.18-22.

4. Rozhkova G.I., Vedenina V.Yu., ByzovA.L.. Knyazev N. Cricket cercal giant interneurons with unusual directional sensitivity to sound stimuli// 8th International Meeting on Insect Sound. Pommersfelden, 1992, P.61.

5. Vedenina V.Yu., Rozhkova G.I., Byzov A.L. Medial giant inter-

neuron of the cricket nerve cord: directional sensitivity in adults and nymphs//In: Sensory Systems in Arthropods. Eds. K. Wiese et ai. Birkhauser Verlag,Basel, 1993, P.410-416.

6. Rozhkova G.I.. Byzov A. L., Vedenina V.Yu. Complex morphophysiological characteristics of giant cercal interneurons//In: Sensory Systems in Arthropods. Eds.K.Wiese et al. Birkhauser Verlag.Basel, 1993, P.403-409.

7. Веденина В. Ю. Низкочастотные высокоселективные интернейроны церкальной системы сверчка//Труды конференции молодых ученых ИППИ PAH, M.. 1993, С. 63-66.

8. Vedenina V.Yu., Kamper G., Rozhkova G.I. Neurons in the thorax and brain of crickets responding to stimulation of the cerci//9th International Meeting on Insect Sound and Vibration. Seggau, Austria, 1994, P. 88.

9. Rozhkova G. I., Vedenina V.Yu. "What" and "where" cercal low-frequency interneurons// 9th International Meeting on Insect Sound and Vibration. Seggau, Austria, 1994, P.72.