Исследование методом оптического картирования первичной зрительной коры головного мозга кошки при предъявлении изображений различного уровня сложности

Иванов, Ростислав Сергеевич

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Исследование методом оптического картирования первичной зрительной коры головного мозга кошки при предъявлении изображений различного уровня сложности
ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Автореферат диссертации по теме "Исследование методом оптического картирования первичной зрительной коры головного мозга кошки при предъявлении изображений различного уровня сложности"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И НЕЙРОФИЗИОЛОГИИ

На правах рукописи

ИВАНОВ Ростислав Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОМ ОПТИЧЕСКОГО КАРТИРОВАНИЯ ПЕРВИЧНОЙ ЗРИТЕЛЬНОЙ КОРЫ ГОЛОВНОГО МОЗГА КОШКИ ПРИ ПРЕДЪЯВЛЕНИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ РАЗЛИЧНОГО УРОВНЯ СЛОЖНОСТИ

03.00.13 - физиология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук

Москва-2008

003456605

Работа выполнена в Лаборатории физиологии сенсорных систем (заведующий - академик РАН, д.б.н., профессор И.А. Шевелёв) Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН (директор Института - д.б.н., профессор П.М. Балабан).

Научный руководитель:

академик, доктор биологических наук, Игорь Александрович Шевелёв

профессор

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, Александр Васильевич Латанов

доцент

доктор биологических наук Галина Христофоровна Мержанова

Ведущая организация:

Институт мозга Центра неврологии РАМН

Защита состоится ?» декабря 2008 года в часов на заседании Диссертационного совета Д-002.044.01 при Институте высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН (Москва, 117485, ул. Бутлерова, д. 5А).

Факс: (495) 338 8500; E-mail: admin@ihna.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института ВНД и НФ РАН.

Автореферат разослан «f \ » ноября 2008 года.

Учёный секретарь Диссертационного совета доктор биологических наук В.В. Раевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования

Известно, что локальное кровоснабжение мозга зависит от изменений его метаболической и нейронной активности. В последние десятилетия новые методы визуализации активности мозга позволили исследовать тонкую организацию его функций по изменениям локального кровотока (позитронно-эмиссионная томография, функциональная магнитно-резонансная томография и оптическое картирование по внутреннему сигналу).

Нейроны коры, имеющие схожие свойства, как ответ на определённый стимул или его движение, собраны в вертикальные колонки, каждая из которых оплетена сетью артериол и венул. Известно, что активность нейронов коры сопровождается усилением потребления кислорода крови, что влечёт локальное изменение химического состава и физических свойств крови и сосудов. Эти изменения (например, соотношения концентраций двух форм гемоглобина) являются компонентами внутреннего оптического сигнала, посредством регистрации которого можно судить о расположении активных элементов коры мозга. В итоге колончатая структура может быть точно зафиксирована с применением метода оптического картирования по внутреннему сигналу в виде функциональной карты коры мозга.

Ранее в электрофизиологических экспериментах было показано, что около половины нейронов поля 17 зрительной коры кошки наиболее чувствительны не к ориентации отрезков линий [Hubel, Wiesel, 1974], а к их пересечениям и ветвлениям [Shevelev et al., 1994,1995,1998b,с; Sillito et al., 1995]. Остаётся открытым вопрос, включены ли детекторы крестообразных фигур в классические ориентационные колонки или локализованы в иных корковых модулях.

Нейрон зрительной коры, чувствительный к ориентации светлой или темной полоски, вспыхивающей или движущейся в его рецептивном поле, принято называть детектором ориентации, а зависимость ответа от ориентации стимула -ориентационной настройкой [Супин, 1981; Шевелев, 1984; см. обзоры: Orban, 1984; Hubel, Wiesel 1962, 1965]. До последнего времени считалось, что нейроны первичной зрительной коры кошки и обезьяны оптимально настроены только на выделение из изображения светлых или темных полосок определенной ориентации и не детектируют более сложные изображения [Hubel, Wiesel 1962, 1965; см. обзоры: Супин, 1981; Шевелев, 1984; Orban, 1984].

В регистрации ответов одиночных нейронов на более сложные, чем полоски, зрительные стимулы достигнут прогресс - несколько лет назад в первичной проекционной области зрительной коры кошки были обнаружены детекторы пересечений и узлов ветвления линий [Лазарева с соавт., 1995а, 1998; Шевелев, 1999; Шевелев с соавт., 1993, 1996; БЬеуе1еу е1 а1., 2001], а в первичной коре кошек и обезьян найдены нейроны, выделяющие "локальные нарушения ориентационной непрерывности" [БШко й а1., 1995]. Оказалось, что от трети до половины нейронов увеличивают свою реакцию в среднем в несколько раз по сравнению с максимальным ответом на оптимальную одиночную полоску при стимуляции их рецептивных полей вспыхивающей крестообразной фигурой со специфической для каждой клетки конфигурацией и ориентацией.

Исследуя детекторы крестообразных фигур, исследователи пришли к выводу, что механизмы детекции этих достаточно простых фигур существенно сложнее, чем механизмы детекции полосок. При этом характеристики популяционного ответа таких нейронов до настоящего времени не были исследованы, не была установлена их функциональная архитектура, учитывающая распределение детекторов признака пересечения линий в первичной зрительной коре и взаимное расположение детекторов крестов и ориентаций.

Кроме того, в литературных данных наше внимание привлекла неоднозначная интерпретация исследований представительства нейронов-детекторов области VI первичной зрительной коры, настроенных на горизонтальные и вертикальные линии. Рядом авторов была установлена предпочтительная настройка на эти стимулы в сравнении с ответом на наклонные ориентации (например, 45° и 135°). Однако другие авторы, используя те же методы исследований, такой анизотропии в восприятии линий разной ориентации не нашли. Участие в этом споре также позволяло более полно использовать возможности новой системы для исследования функциональной структуры мозга.

Целью настоящей работы является установление функциональной архитектуры первичной зрительной коры мозга кошки (поле 17) методом оптического картирования по внутреннему сигналу, что включает в себя:

1. Создание установки и отладка протокола по оптическому картированию внутреннего сигнала для исследования популяционного нейронного ответа на индивидуальные зрительные стимулы.

2. Исследование тангенциальной упаковки в первичной зрительной коре кошки нейронов-детекторов признаков формы изображения второго порядка (ветвление и пересечение линий).

3. Использование оптического картирования для изучения «эффекта наклона» - преимущественного представительства в первичной зрительной коре нейронов, настроенных на вертикальные и горизонтальные ориентации по сравнению с наклонными.

Для достижения поставленной цели были выбраны следующие задачи исследования:

1. Впервые в нашей стране наладить метод оптической регистрации внутреннего сигнала от первичной зрительной коры мозга кошки в условиях in vivo (анестезированное животное).

2. Добиться стабильной во времени регистрации внутреннего оптического сигнала.

3. Обнаружить участки популяционного ответа, то есть, колонки ориентационной чувствительности в первичной зрительной коре мозга кошки.

4. Провести сравнительный анализ паттерна ориентационной чувствительности в поле 17 с известными экспериментальными данными, полученными методом оптического картирования по внутреннему сигналу [Шевелёв с соавт., 2005] и другими методами [Лазарева с соавт., 1986].

5. Провести сравнительный анализ активации коры при разных ориентациях одиночных полосок с целью проверить так называемый «эффект их наклона» («oblique effect»).

6. Обнаружить в коре поля 17 популяционный оптический ответ на признаки изображения второго и более высоких порядков.

7. Охарактеризовать полученные данные с точки зрения расположения доменов нейронов-детекторов, настроенных на признаки ветвления и пересечения линий, в границах поля 17 первичной зрительной коры.

8. Оценить их возможно комплексный состав (сумма ли это ответов ориентационных колонок или их более сложное объединение) и количественную выраженность «эффекта крестов» и составляющих их линий.

Научная иовизна исследования

Метод оптической регистрации активности мозга совсем недавно начал получать распространение в России. На базе Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН нами впервые была налажена установка для оптического картирования и запущен протокол регистрации внутреннего оптического сигнала от коры головного мозга кошки. Исследована возможность усовершенствования метода с целью получения ответа от нейронов коры головного мозга в режиме реального времени с высоким пространственным разрешением за счёт получения его «внешнего» оптического сигнала при окрашивании коры потенциал-зависимыми красителями.

Проведенное исследование впервые выявило популяционный оптический ответ нейронов коры головного мозга кошки на предъявление крестообразных и угловых зрительных стимулов. Исходя из полученных данных, предложена и

обоснована гипотеза о топографии тангенциальной упаковки нейронов-детекторов признаков изображения второго порядка в границах поля 17 первичной зрительной коры, в том числе, относительно других её клеточных элементов.

Проверена также гипотеза о существовании в поле 17 так называемого «эффекта наклона», то есть, количественного преобладания в этом поле детекторов вертикали и горизонтали над детекторами диагональных ориентации. По полученным нами данным этот эффект не нашел подтверждения.

Научно-практическая значимость работы

Применение метода оптического картирования нейронной активности на основе регистрации внутреннего картирующего сигнала открывает новые возможности в установлении функциональной структуры коры мозга. Благодаря высокому пространственному разрешению (а при определённой модификации метода - и временному), относительной неинвазивности, возможности проведения длительных экспериментов с применением различных стимульных ситуаций и анестезирующих агентов, совмещения с электрофизиологическими и другими картирующими методами исследования, этот метод даёт возможность по-новому оценить данные нейрофизиологических экспериментов на отдельных нейронах и дополнить их популяционными данными в надежде заполнить разрыв в понимании механизмов восприятия и обработки простых и сложных изображений.

Картирование мозга животных при разных видах зрительной стимуляции позволило установить взаимное расположение различных функциональных модулей коры - ориентационных колонок и сверхколонок, а также полос глазодоминантности [Hubener et al., 1997]. Применение оптического картирования по внутреннему сигналу помогло в понимании детальной функциональной архитектуры зрительной коры кошек и обезьян [Frostig et al., 1990; Grinvald et al., 1986; Ts'o et al., 1990]. Сегодня оптическое картирование является важным инструментом для изучения функциональной архитектуры моторной, соматосенсорной, слуховой коры и обонятельных луковиц, построения карт активации коры у бодрствующих животных; исследования функционального коркового развития и пластичности при нормальных и патологических условиях. В последнее время данная методика также активно используется для визуализации распространения локальных эпилептических очагов и реорганизации функциональных корковых карт в окружении очага ишемического поражения, метод адаптирован также для картирования коры мозга человека в процессе нейрохирургического вмешательства [Zepeda et al., 2004].

Основные положения, выносимые на защиту

1. Создан протокол и апробирована в экспериментальных условиях методика картирования популяционной активности нейронов первичной зрительной коры мозга кошки по внутреннему оптическому сигналу.

2. Нулевая гипотеза о наличии в поле 17 большего числа нейронов, детектирующих вертикаль и горизонталь по сравнению с детекторами диагональных ориентаций («эффект наклона») в условиях наших опытов не подтвердилась: не выявлено достоверных различий в площади активированных ориентационных колонок при действии решеток вертикальной и горизонтальной ориентации по сравнению с диагонально ориентированными решетками.

3. В первичной зрительной коре мозга кошки нейроны-детекторы признаков изображения второго порядка располагаются, в основном, в границах классических ориентационных колонок.

4. Ответ нейронов-детекторов на присутствующие в стимулах признаки ветвления и пересечения линий включает в себя помимо ответов на ориентационные составляющие стимулов ответ на сам признак пересечения как таковой.

Апробация работы

Основные материалы диссертации докладывались на международных конференциях (I и II Съезд физиологов СНГ (2005; ISIR-2008); XIV Международной конференции по нейрокибернетике (ICNC-05); 29th European Conférence on Visual Perception (ECVP-2006); PENS Training Center "Imaging brain fonction: from molecules to mind" (PENS-2006); III Lemanic-Neurosciences Annual Meeting-2006; International Symposium "Topical problems of biophotonics - 2007"); XIX и XX Съездах Физиологического общества им. И.П. Павлова (2004; 2007), в докладах по важнейшим достижениям за 2003-2005 годах на заседаниях Учёного совета Института ВНД и НФ РАН, на ежегодных Конференциях молодых учёных в 2004-2008 гг., проводимых в Институте ВНД и НФ РАН.

Исследование «эффекта наклонных линий» удостоено золотой медали и премии РАН за лучшую работу среди молодых ученых по физиологии.

Апробация диссертации проведена 26 июня 2008 года на совместном заседании лаборатории физиологии сенсорных систем (зав. - акад. РАН, д.б.н., проф. Шевелёв И.А.), лаборатории нейрофизиологии обучения (зав. - к.б.н. Маркевич В.А.) и лаборатории условных рефлексов и физиологии эмоций (зав. -д.б.н. Мержанова Г.Х.) Института ВНД и НФ РАН.

По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объём диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, глав с изложением методов, результатов и их обсуждения, выводов, списка литературы. Работа изложена на 109 страницах, иллюстрирована 31 рисунком и 1 таблицей. Список литературы включает 170 источников, из них 28 - на русском и 142 - на иностранных языках.

ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объект исследований

Острые эксперименты проведены на 13 взрослых кошках со средним весом 3.0 кг.

Подготовка и проведение хирургической операции

Животные были анестезированы смесью кетамина и ксилазина и иммобилизованы ардуаном, интубированы и переведены на искусственное дыхание. В течение всего эксперимента им непрерывно внутривенно инфузировали раствор Рингера с 1.25% раствором глюкозы и тиопенталом со скоростью 2-4 мг/кг/час или раствор Рингера с 1.25% раствором глюкозы и пропофолом со скоростью 1-2 мг/кг/час. Каждые два часа внутривенно инъецировали ардуан для дополнительной релаксации животного. Температуру тела и содержание С02 в выдыхаемом воздухе поддерживали на постоянном уровне. Трепанацию выполняли над полем 17 левого полушария по координатам Хорсли-Кларка. Над трепанационным отверстием устанавливали специальную титановую шахту для оптического картирования, которую заполняли силиконовым маслом и герметично закрывали прижимным стеклом, что обеспечивало изоляцию коры от внешних воздействий и дополнительную защиту от артефактов движения коры, предоставляя оптический доступ к поверхностным слоям коры мозга. Твёрдую мозговую оболочку удаляли.

Оптическое картирование по внутреннему сигналу

Под внутренним оптическим сигналом понимается изменение интенсивности падающего и отражённого от коры мозга света. Такое изменение обусловлено метаболическими процессами в кровеносных сосудах мозга, вызванными популяционной нейронной активностью и выраженными отношением концентраций оксигенированной и дезоксигенированной форм гемоглобина крови: кровь в сосудах, обеспечивающих активные нейроны, в начальный момент и в продолжение активности нервных клеток активно отдаёт кислород и темнеет, что приводит к лучшему поглощению тканью падающего света. На оптических картах активные участки мозга, соответственно, выглядят более тёмными в сравнении с окружающими их областями.

В установку для оптического картирования (Рис. 1) входят: специализированная ССО-камера для регистрации отражённого корой света, снабжённая макроскопом (комплексом объективов, позволяющим добиться малой глубины резкости и производить регистрацию на заданном расстоянии от поверхности коры); источник света с фильтрами заданной длины волны, световодом и кольцевым осветителем - во время регистрации сигнала мозг равномерно освещается красным светом, позволяющим наиболее полно отследить изменения физических свойств крови; блок управления камерой; компьютер для

накопления данных и другой компьютер для проведения зрительной стимуляции животного, выводящий на монитор зрительные стимулы: решётки из линий разной ориентации, из крестов или углов двух ориентации, а также из составляющих их полосок.

компьютер для накопления данных

запускающим _ импульс от аппарата искусственно«! дыхания

компьютер для зрительной стимуляции

ССЭ-кам ера

«макроскоп» осветитель

сэетовод

Рис. 1. Схема установки для оптического картирования мозга. Объяснение в тексте.

Высокочувствительную ССБ-камеру размещали над закреплённой на голове животного шахтой для оптического картирования. Фокус камеры устанавливали для оптической регистрации из слоев коры на глубине порядка 700 цт от поверхности коры. В момент регистрации кору освещали красным светом (1=630 нм).

Для предупреждения загрязнения экспериментальных данных артефактами движения коры вследствие дыхания и сердцебиения, момент зрительной стимуляции программно синхронизовали с пиками электрокардиограммы и тактом аппарата искусственного дыхания.

Суть регистрации и накопления данных заключается в записи последовательностей «мгновенных карт» коры размером 256 на 256 пикселей с частотой 25 Гц и возможным пространственным разрешением до 50 мкм. Регистрация сигнала в ответ на один стимул занимает 10 секунд, начинаясь за 100 мс до предъявления стимула, и включает 5 секунд стимуляции движущимся стимулом и пять секунд после её завершения. Результатом такой записи после усреднения служит функциональная карта первичной зрительной коры,

содержащая ответ на предъявленный стимул. Каждый стимул предъявляли от 20 раз в начале исследования до 63 раз к заключительной его части.

Обработка данных оптического картирования первичной зрительной коры

Данные оптического картирования обрабатывали в программной среде МАТЬАВ. Процесс обработки функциональной карты (Рис. 2) предусматривал усреднение интенсивности накопленного оптического сигнала с вычитанием первого кадра из каждого последующего кадра серии (число усреднений в процессе построения одной функциональной карты за время исследования увеличили с 2000 до 6500), фильтрацию (двумерная линейная фильтрация) и логистическое преобразование (наложение логистической кривой на кривую распределения интенсивности сигнала), которые после дополнительного контрастирования дают карту с выделенными пятнами активации конкретным

Исходная Вычитаемая Карта о вычтенной После линейной Та же карта после

карта засветка засветкой фильтрации контрастирования

Рис. 2. Пример обработки функциональной карты первичной зрительной коры. Крайняя левая карта - усреднённые «сырые» данные для одного стимула, крайняя правая карта - итоговая карта с ответом нейронов коры на предъявленный стимул. Остальные объяснения в тексте.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Оптические карты коры

Методом оптического картирования по внутреннему сигналу получены оптические карты первичной зрительной коры мозга кошки. На картах видны пятна затемнения, которые являются тангенциальными проекциями

стимулом,

! 5 ч а с

0 в

Рис. 3. Стабильность регистрации оптического сигнала. Две серии карт, полученные с разницей в 5 часов. Стрелками показаны области активации, сохраняющие своё положение и распределение.

Как видно из Рисунка 3, через пять часов регистрации распределение пятен активации идентично в каждой стимульной ситуации рисунку активации в начале записи. Таким же распределение пятен активации сохраняется и через сутки после начала процедуры накопления данных.

Изучение ориентационной чувствительности нейронов поля 17

Нами получены карты ответов поля 17 на предъявление решёток разной ориентации (Рис. 4): от 0 до 157,5°с шагом в 22,5°.

Так эти карты выглядят после обработки данных. Каждая карта содержит оригинальный паттерн активации колонок нейронов-детекторов ориентации.

популяционных ответов нейронов-детекторов в колонках, активированных определённым стимулом.

Стабильность регистрируемого оптического сигнала

Внутренний сигнал имеет очень низкую интенсивность и его накопление требует от 20 до 100 предъявлений каждого стимула. Соответственно, важно так провести подготовку к опыту и сам опыт, чтобы добиться высокой стабильности экспериментальной системы, которая позволила бы на протяжении длительного времени проводить стимуляцию и накопление сигнала. Состояние системы проверяется путём регулярных построений карт коры в ответ на контрольные стимулы. _____

Площадь активации отдельной ориентацией линии занимает от 35 до 55% общей площади регистрации.

0° 22.5° 45° 67.5°

90° 112.5° 135° 157.5°

Рис. 4. Карты мозга кошки при стимуляции глаза линиями разной ориентации. Над картой приведен угол наклона решётки.

Изучение чувствительности нейронов первичной зрительной коры к признакам изображения второго порядка____________

Рис. 5. Карты ответов на

признаки изображений второго порядка.

Решётка из «прямых» крестов с маскированными центрами пересечения

В ответ на предъявление стимулов, содержащих признаки изображения второго порядка: ветвления или пересечения линий - нами

были получены функциональные карты ответов нейронов первичной зрительной коры на решётки из крестов и решётки, составленные из крестов с маскированными центрами пересечения (Рис. 5). Данные карты, соответствующие участку поля 17, содержат зоны активации, общий узор которых различен для отдельных стимулов. Следует отдельно отметить, что активация на предъявленные стимулы располагается в той же области интереса, в которой регистрировали ответ и на предъявление ориентационных решёток.

Различен и ответ первичной зрительной коры на стимуляцию решётками, составленными из полосок, которыми крестообразные фигуры образованы (Рис. 6). Мы видим разный рисунок активации в различных стимульных ситуациях, причем размер пятен активации на этих картах сходен.

Рис. 6. Карты активации коры при стимуляции крестообразными фигурами и полосками линий, образующих эти фигуры: А) для случая решётки из диагональных крестов и наклонных отрезков; Б) для случая решётки из прямых крестов и горизонтальных и вертикальных отрезков.

Количественный анализ оптических карт, полученных при экспозиции изображений, содержащих признаки второго порядка

Так как на качественном уровне нейронные ответы на стимулы разной сложности лежат в пределах одной области коры, логичным казалось рассмотреть количественные отношения зон их перекрытия. В ходе анализа полученных результатов провели количественную обработку данных (Табл. 1) для двух случаев: карт с ответами на прямой крест и составляющие его горизонтальные и вертикальные полоски (пул прямого креста, первые три колонки численных значений в Табл. 1) и карт с ответами на диагональный крест и составляющие его полоски с ориентацией 45° и 135° (пул диагонального креста (вторые три колонки численных значений в Табл. 1).

Таблица 1. Количественный анализ данных оптического картирования коры при стимуляции крестообразными фигурами и составляющими их полосками, в %: к области интереса (ROI), к площади активации стимулом (Sa), и к площади перекрытия активации активацией другими стимулами (Sover). ,

№ № --—-_________ % Условие -----_____ крест 90° комп-т 0° комп-т 90° крест 45° комп-т 45° комп-т 135°

1 Активация (А) в ответ на стимул, площадь активации (Sa), к ROI 26.80 42.90 37.16 40.06 15.46 20.91 "100%" Sa

2 Перекрытие А в ответ на стимул, площадь перекрытия (Sover), к ROI 25.62 28.77 30.59 23.20 12.64 16.78 "100%"

3 Свободная от перекрытия А в ответ на стимул, к ROI 1.18 14.13 6.57 16.85 2.83 4.13 Sa

4 Перекрытие А в ответ на стимул, Sover к Sa стимулом 95.60 67.06 82.31 57.91 81.76 80.25 100%

5 Свободная от перекрытия А в ответ на стимул, к Sa стимулом 4.40 32.94 17.68 42.06 18.31 19.75 Sa

Попарное перекрытие А в ответ на 2 стимула, к ROI Общая активация для 3 стимулов, к ROI 22.09 - 12.59 -

6 23.92 - 23.92 16.74 - 16.74

7 27.06 54.18 6.17 47.06

8 Общее перекрытие А для 3 стимулов, к ROI 32.30 23.25

9 Тройное перекрытие (сразу 3 стимулами) А, к ROI 20.39 6.13

10 к Sa стимулом 76.08 47.52 54.87 15.30 39.65 29.32

11 к Sover 79.59 70.87 66.66 26.42 48.50 36.53

В таблице отражены следующие процентные отношения: 1) для площади активации (Sa) коры стимулом (указан в заголовке колонки с количественными данными) к площади области интереса (в таблице и далее в тексте обозначено как ROI; строка 1 в Табл. 1); 2) для площади перекрытия (Sover) активации стимулом с активацией двумя другими стимулами пула при совмещении карт коры и свободной от такого перекрытия площади активации стимулом к ROI (строки 2 и 3 таблицы, соответственно); 3) к Sa в ответ на данный стимул (строки 4 и 5 таблицы, соответственно; этими строками описываются 100% Sa отдельного стимула); 4) для площади попарного перекрытия активации двумя стимулами к ROI (строка 6 таблицы); 5) равные для трёх стимулов значения площади общей активации в ответ на все три стимула при совмещении карт ответа на них (строка 7 таблицы), 6) площади общего перекрытия (строка 8 таблицы) и 7) площади тройного перекрытия (строка 9 таблицы) к ROI.

Введённое автором понятие «тройного перекрытия» описывает ситуацию, в которой рисунок активации крестообразной фигурой может перекрываться в одной своей части с рисунками активации обеими составляющими одновременно. Здесь в ROI присутствует активность в ответ на все три стимула пула одновременно (в противоположность ситуации «перекрытия», когда активация крестообразным стимулом в данной области совпадает только с рисунком активации для одной из составляющих крест полосок, но не с активацией второй полоской). Процент тройного перекрытия для наглядности также пересчитан к Sa стимулом (строка 10 таблицы) и к Sover активации стимулом (строка 11 таблицы).

Из табличных данных следует количественное различие в активации в ответ на пул прямого креста и пул диагонального креста.

Особо следует отметить разницу в Sover и свободной активации в пересчёте к Sa стимула: если для активации прямым крестом процент перекрытия с активацией полосками составляет 96% Sa прямым крестом, то для случая диагонального креста это значение составляет 58% Sa диагональным крестом (строка 4 таблицы); соответственно, свободные от перекрытия области составляют 4% Sa прямым крестом против 42% Sa диагональным крестом (строка 5 таблицы). При этом Sover/Sa для полосок велика и колеблется в промежутке от 67 до 82% (строка 4 таблицы) и Sa прямым крестом к ROI наименьшая в своём пуле, a Sa диагональным крестом к ROI в 2-2.5 раза превышает Sa составляющими крест полосками к ROI (строка 1 таблицы). Также интересны общие для трёх стимулов пула значения из строк 7-11: в указанных строках процентное отношение для пула прямого креста превышает таковое для пула диагонального креста.

Изучение «эффекта наклона»

На основе полученных карт ориентационной чувствительности было проведено сравнение площади активации нейронов-детекторов вертикальных и горизонтальных линий с площадью активации диагоналями 45 и 135° (Рис. 7). К

контрастированным картам применили критерий отсечения по степени активации колонок ориентационной чувствительности от максимальной активации. На

уровнях 80, 60 и 40% от максимальной активации отношение указанных площадей было близко к единице, то есть, преобладания по площади активации или количеству ориентационных колонок, чувствительных к определённой ориентации, выявлено не было. Таким образом, наши данные, полученные методом оптического картирования по внутреннему сигналу, не подтвердили анизотропного представления ориентации в первичной зрительной коре мозга кошки.

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Актавация базисными ориентациями, отн. ед

Рис. 7. Площадь стриарной коры, активированной решётками двух базисных и промежуточных ориентаций.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Стабильность регистрируемого сигнала

Структура функциональных карт зрительной коры, наблюдаемая в наших опытах, в целом соответствует структуре карт, описанных в литературе по ее оптическому картированию. Показано, что структура функциональных карт не зависит от незначительных изменений условий стимуляции и протокола анализа данных. Важен тот факт, что оптический сигнал от функциональных модулей коры может быть зарегистрирован на протяжении времени, достаточного для проведения серии стимуляций по выявлению функциональных модулей, кодирующих различные признаки зрительного образа. Такого результата удалось добиться за счёт создания необходимых условий жизнеобеспечения животного в процессе хирургической операции и накопления данных. Получение стабильного оптического сигнала позволяет ставить и добиваться поставленных научных целей.

Ориентационная чувствительность

Обсуждая полученные данные, следует подчеркнуть, что упаковка ориентационных детекторов в колонки и сверхколонки в наших опытах соответствует известным литературным данным [Buzas et al., 1998; Hubener et al., 1997; Payne et al., 2002]. В большинстве случаев ориентационные колонки визуализуются как регулярные паттерны. Отдельные колонки ориентационной

чувствительности сопоставимы друг с другом по размерам. Различия в структуре функциональных карт связаны с индивидуальными особенностями кровоснабжения мозга у конкретной особи. Популяционный ответ на ортогональные ориентации смещается при движении стимула из стороны в сторону, что приводит к частичному наложению друг на друга пятен активации на итоговых картах. Такой факт уже описан в литературе [Payne et al., 2002], что позволяет учитывать некоторое несоответствие результирующих карт теоретическим предпосылкам.

Эффект наклонных ориентации

В острых опытах на анестезированных и обездвиженных кошках с помощью оптического картирования поля 17 мы не обнаружили достоверного различия в тангенциальной площади ориентационных колонок, активированных решетками базисных и диагональных ориентации. Таким образом, наши экспериментальные данные не подтвердили «эффекта промежуточных ориентацию), то есть, увеличенного представительства в первичной зрительной коре кошки детекторов вертикали и горизонтали. Теоретически, в ходе постнатального онтогенеза мозга на любой участок сетчатки глаза могут проецироваться элементы контуров любых ориентации, поэтому логично предположить, что все ориентации должны быть представлены в зрительной коре в равной степени [Coppola, White, 2004; Purves et al., 2002]. С другой стороны, считают [Coppola et al., 1998a,b], что ориентационная анизотропия отражает преобладание в зрительном мире линий двух базисных ориентаций - горизонтальной и вертикальной. Действительно, анализ цифровых фотографий показывает, что наш зрительный мир анизотропен - в нем преобладают контуры, ориентированные горизонтально и вертикально [Coppola et al., 1998а]. Исследования на нескольких видах млекопитающих с использованием различных методов подтверждают, что анизотропия в корковом представлении ориентационной чувствительности может быть общей чертой корковой зрительной организации, во всяком случае, у хищных и приматов [Coppola et al., 2004]. Итак, существующие литературные свидетельства в пользу исходной гипотезы не вызывают сомнения в их достоверности [Appelle, 1972; Chapman, Bonhoeffer, 1998; Coppola et al., 1998a,b; Li et al., 2003].

Различие наших и литературных данных можно объяснить следующим. Во-первых, особенность нейронных исследований заключается в том, что микроэлектрод при погружении в кору, как правило, избирательно выделяет активность сравнительно крупных нейронов. В отличие от этого, использованный нами в качестве критерия внутренний оптический сигнал коры имеет популяционную природу и в равной мере отражает вклад в ее активацию всех клеточных элементов данной области коры. Оптическое картирование позволяет проводить длительное исследование пространственной упаковки разных

функциональных популяций нейронов коры, то есть, тангенциального распределения ее нейронных модулей.

Нельзя не отметить, что оптическим методом нейронная активность картируется только в верхних слоях коры (700-800 цм). В них сконцентрированы, в основном, нейроны с торцевым торможением в рецептивном поле (2 и 3 слои) и полями простого типа (верхние подслои 4 слоя). Можно было бы полагать, что их ориентационная настройка изотропна в отличие от нейронов 5 и 6 слоев со сложными рецептивными полями. Однако этому противоречат убедительные электрофизиологические данные на 4418 нейронах о выраженной анизотропии в субпопуляции простых, а не сложных клеток [Li et al., 2003]. Таким образом, противоречие между этими данными и результатом нашего оптического картирования не снимается. Во-вторых, в литературе в основном описаны данные, полученные на хорьках. Эффект анизотропии исследован лишь в одной работе с оптическим картированием зрительной коры кошки [Wang et al., 2003]. Что касается протокола эксперимента, то ранее мы обнаружили роль вида и уровня наркоза в оценке данных, полученных оптическим картированием [Шевелёв с соавт., 2005]. Так, в части опытов при использовании ингаляционного наркоза (галотан с закисью азота и с кислородом) в коре кошки обнаружены не только классические ориентационные колонки, но и реакции на пересечения линий. В отлична от этого, при внутривенном введении тиопентала (более глубокий наркоз) выявлены лишь ориентационные эффекты. В-третьих, возможная причина различия наших и литературных данных - особенность зрительного опыта в онтогенезе экспериментальных животных. Как было показано на хорьках, эффект анизотропии сильнее всего проявляется на ранних стадиях онтогенеза, а в процессе накопления зрительного опыта он в значительной мере нивелируется. Существенно, что во всех работах, где выявлен «эффект промежуточных ориентации», использовали животных, рожденных и выращенных в виварии для экспериментальных целей. Можно полагать, что обедненная зрительная среда вивария в процессе выращивании таких животных определяет превалирование базисных ориентаций [Coppola et al., 1998Ь]. Хорошо известно, что особенности среды, то есть зрительный опыт, значительно влияют на развитие связей нейронов зрительной коры и на характер представительства в ней ориентационной чувствительности [Coppola et al., 1998b,2004; Crair et al., 1998; Imbert, 1979; Li et al., 2003]. Важно, что в коре зрительно депривированных хорьков ориентационная анизотропия выражена значительно больше, чем в нормальных условиях. Поэтому авторы полагают, что нормальный зрительный опыт постепенно обеспечивает изотропное представление в коре ориентационной чувствительности [Coppola, White, 2004].

Из результатов количественной обработки данных для крестообразных фигур и составляющих их полосок (Табл. 1) следует, что суммарная площадь активации

элементов коры, детектирующих пул прямых крестов, занимает 54% ROI, в то время как для пула диагонального креста это значение равно 47% ROI. Таким образом, можно говорить о том, что площадь коры, занимаемая детекторами горизонтальной и вертикальной ориентаций, приблизительно соответствует площади коры, занимаемой детекторами ориентаций в 45° и 135°. То есть, эффект наклона в границах первичной зрительной коры отсутствует.

Чувствительность к признакам формы второго порядка

Проведённое в работе сравнение тангенциального распределения по стриарной коре кошки популяционной нейронной активности, зарегистрированной по внутреннему оптическому сигналу, показало, что зоны активации коры линиями разной ориентации (классические ориентационные колонки и сверхколонки) перекрываются с зонами активации признаками второго порядка в зрительном образе (пересечения линий). Это свидетельствует о том, что анализ этих признаков осуществляется в одних и тех же нейронных модулях (колонках и сверхколонках) первичной зрительной коры.

Исходя из литературных данных [Шевелёв с соавт., 1983], можно предположить, что в детекции признака пересечения задействованы моно- и бимодальные нейроны, описанные в первичной зрительной коре: мономодальных клеток больше в 2-3 раза и они отвечают преимущественно либо на вертикаль, либо на горизонталь, из них от трети до половины сильнее отвечает на крест, чем на предпочтительную ориентацию. Такие характеристики ответа уже могут объяснять высокий процент перекрытия активации для прямого креста и его составляющих. Бимодальные нейроны имеют два ориентационных максимума ответа (часто это наклонные ориентации), но с разным углом между ними.

Одновременно следующую из количественных данных разницу в перекрытии активации для случаев прямого и наклонного креста можно описать различиями в работе нейронов-детекторов, относящихся к «сканерам» и «таймерам» в другой классификации [Лазарева с соавт., 1986]. Клетки-таймеры устойчиво отвечают преимущественно на предъявление горизонтали и вертикали, в то время как сканеры характеризуются динамическим ответом на разные ориентации линий.

Отвечающие на данный стимул таймеры располагаются в определённых ориентационных колонках, а сканеры активны во всех колонках на всей площади первичной зрительной коры. Следовательно, активация на прямой крест топографически более компактна, и перекрытие площади активации крестообразной фигурой с активацией горизонтальными и вертикальными полосками должно быть высоким (в процентном отношении к площади активации крестообразной фигурой). Активация же наклонным крестом диффузна и характеризуется меньшим перекрытием с активацией колонок, предпочтительно отвечающих на составляющие такую крестообразную фигуру полоски.

Сходство и различие оптической активации коры в ответ на признаки первого и второго порядка

Ранее высказывалось следующее предположение [Зенкин, Петров, 1967; Марр, 1987]: для эффективного анализа изображений необходимо наличие не только классических ориентационных детекторов [Henry et al., 1974; Hubel, Wiesel, 1962], но и элементов, настроенных на выделение признаков изображения более высокого порядка (например, «семантических признаков второго порядка» по Марру [Марр, 1987]). Такие системы должны обладать способностью обнаруживать пересечения линий (узловые точки) и измерять углы между фрагментами контуров изображения, с одной стороны, а также между ними и внутренней реперной вертикалью - с другой [Buchanan-Smith, Heeley, 1993].

В стриарной коре кошки авторы [Лазарева с соавт., 1992; Шевелёв, 1984; Шевелёв с соавт., 1983; Fujita et al., 1992; Shevelev et al., 1994] обнаружили нейроны с двойной ориентационной настройкой, которые в принципе могли бы выделять углы между пересекающимися линиями. Авторы подчёркивают [Шевелёв с соавт., 1996], что описанная селективность нейронов к конфигурации и ориентации крестообразной фигуры не может пока считаться прямым и окончательным доказательством её детекции.

Также найдены инвариантные к размеру и форме стимула нейроны, не изменявшие величину реакции и чувствительность к крестообразным фигурам при их частичной маскировке [Лазарева с соавт., 1998]. В работах [Шевелёв с соавт., 1993; Shevelev et al., 1995,1998с; Sillito et al., 1995] показано, что от трети до половины нейронов у кошки и обезьяны существенно усиливают реакцию на оптимальные угловые и/или крестообразные фигуры или на две решётки с ортогональной ориентацией линий, локализованные центрально и периферически в рецептивном поле [Sillito et al., 1995]. Авторами было высказано предположение [Шевелёв с соавт., 1993; Shevelev et al., 1995,1998с; Sillito et al., 1995], что такие нейроны способны эффективно кодировать информацию о пересечении линий или контрастных границ в изображениях, а также [Sillito et al., 1995] о «локальных нарушениях ориентационной непрерывности».

Ранее было показано [Tsunoda et al., 2001], что при упрощении сложного зрительного стимула в нижневисочной коре обезьян изменяется вариабельность сочетания колонок активации на простые стимулы. При этом частичное удаление зрительных характеристик изображения активирует только часть участков, составлявших ответ на оригинальный объект. Авторы работы предполагают, что сопутствующее возрастание числа колонок служит для точной дифференциации различных объектов с различными наборами черт. Внеклеточная регистрация нейронной активности в этих опытах подтверждает, что тормозный механизм вовлечён в ¡определение характеристической колонки как активной или неактивной.

Возможно, что и в первичной зрительной коре реализована подобная схема взаимодействия колонок, при которой усложнение предъявляемого геометрического стимула (крестообразная фигура) характеризуется изменением рисунка (положения, количества) активированных колонок. При этом вычитание рисунка активации, составленного из ответов на составляющие сложного стимула, не приведёт к полному исчезновению участков активности на карте коры мозга. Такое предположение выглядит тем более привлекательным, что в первичной зрительной коре принято выделять детекторы на направление движения, цвет и ориентацию линейного стимула, а буквально на следующих этапах обработки информации происходит распознавание лиц и реальных сложных объектов. Предложенный эффект «сканирования ориентационного диапазона» -существенное динамическое смещение предпочитаемой ориентации полоски и креста во время генерации ответа большей части нейронов зрительной коры -может быть использован системой для временного кодирования признаков зрительного стимула [Лазарева с соавт., 1986, 2003; Шевелёв, 1984; БЬеуеку е1 а1., 1993]. Реализации тормозного механизма (торцевое торможение и его растормаживание) также отводят важное место в модели рецептивного поля нейронов-детекторов признаков изображения второго порядка [Лазарева с соавт., 19956,2001,2006; Салтыков, 2004; Шевелёв, 1984].

ВЫВОДЫ

1. Создан протокол и апробирована в экспериментальных условиях методика оптического картирования по внутреннему сигналу, позволившая регистрировать стабильную популяционную активность нейронов первичной зрительной коры мозга анестезированной кошки. В ответ на зрительную стимуляцию методом оптического картирования по внутреннему сигналу получены функциональные карты первичной зрительной коры с ответом нейронов-детекторов признаков изображения первого (ориентационные решётки) и второго порядка (крестообразные фигуры, углы, решётки из пересекающихся линий).

2. Площадь активированных в первичной зрительной коре мозга кошки ориентационных колонок при действии решеток вертикальной и горизонтальной ориентации сопоставима с площадью активации этой области диагонально ориентированными решетками. Наличие эффекта наклона для нейронов первичной зрительной коры мозга кошки методом оптического картирования по внутреннему сигналу не подтверждено.

Публикации автора по материалам диссертации

Статьи:

1. И.А.Шевелёв, И.В.Бондарь, У.Айзел, З.Кисварди, П.Бузас, Р.С.Иванов, К.А.Салтыков Наркоз и тангенциальная упаковка в стриарной коре кошки нейронов с чувствительностью к крестообразным фигурам.— Доклады Академии наук, 2005, том 402, № 4, с. 566-570. УДК 612.825.54.

2. Иванов P.C., Бондарь И.В., Салтыков К.А., Шевелев И.А. Площадь зон оптической активации поля 17 коры мозга кошки при предъявлении решёток разной ориентации.— Журнал Высшей нервной деятельности им. И.П. Павлова, 2006, том 56, № 4, с. 516-522. УДК 612.825.54.

3. ' Золотая медаль РАН (диплом лауреата конкурса № 279) и премия для молодых учёных за лучшую научную работу по физиологии 2007 года.

Тезисы:

1. И.В. Бондарь, И.А. Шевелев, К.А. Салтыков, P.C. Иванов, A.C. Тихомиров Исследование популяций нейронов первичной зрительной коры кошки методом оптического картирования.— Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова, Тезисы XIX Съезда Физиологического общества им. И.П. Павлова, часть 1, Екатеринбург, 23-24 сентября 2004 год.— СПб.: Наука, 2004, т. 90, № 8, с. 298.

2. Бондарь И.В., Иванов P.C., Салтыков К.А., Шевелев И.А. Особенности функциональных карт ориентационной чувствительности по данным оптического картирования первичной зрительной коры кошки.— Научные труды I Съезда физиологов СНГ, т. 1. Сочи, Дагомыс, 19-23 сентября 2005 года.— М.: Медицина-Здоровье, 2005, с.62-63.

3. Иванов P.C., Бондарь И.В., Салтыков К.А., Шевелев И.А. Особенности функциональных карт ориентационной чувствительности по данным оптического картирования первичной зрительной коры кошки.— Проблемы нейрокибернетики. Сборник докладов XIV Международной конференции по нейрокибернетике (ICNC-05), т. 1. Ростов-на-Дону, 28-30 сентября 2005 года.— Ростов-на-Дону: Изд-во ООО «ЦВВР», 2005, с.28-30.

4. R S Ivanov, IV Bondar, К A Saltykov, and IA Shevelev Are the details of 'ented visual stimuli better resolved when they are horizontal or vertical rather than lique?— Perception, 2006, volume 35, supplement ECVP-2006 (29th European onference on Visual Perception, St Petersburg, 20-25 August 2006) Abstracts.— ondon, UK: Pion Ltd, 2006, p. 109.

5. Иванов P.C., Бондарь И.В., Салтыков K.A., Шевелев И.А. редставленность и распределение детекторов признаков в первичной зрительной ре кошки.— Тезисы XX Съезда Физиологического общества имени И.П. Павлова, осква, 04-08 июня 2007 года.— М.: 2007, с. 245.

6. I.V. Bondar, R.S. Ivanov, К.А. Saltykov "Oblique effect": optical imaging f orientation detectors representation in cat primary visual cortex.— Proceedings of ternational Symposium "Topical problems of biophotonics - 2007". Russia, Nizhny ovgorod-Moscow-Nizhny Novgorod, 2007, 04-11 August.— Nizhny Novgorod: 2007, p.279-280.

7. P.C. Иванов, Д.М. Лямзин, И.В. Бондарь Паттерн оптической ктивации нейронов первичной зрительной коры при стимуляции крестообразными игурами и их составляющими.— ISIR-2008, Научные труды II Съезда физиологов НГ «Физиология и здоровье человека». Кишинэу, Молдова, 29-31 октября 2008 ода.— М., Кишинэу: Медицина-Здоровье, 2008, с. 113-114.

Работа выполнена при поддержке:

Российского Фонда Фундаментальных Исследований (проект № 03-04-48084а) (2003-2005 г.г.);

Программы Отделения биологических наук РАН «Интегративные механизмы регуляции функций в организме» (2003-2005 гг.) и «Физиологические механизмы регуляции внутренней среды и организации поведения живых систем» (2006-2008 г.г.);

Президентской Программы «Научная школа» (НШ-2336.2003.4; 2003-2005) и (НШ-10086.2006.4; 2006-2007 г.г.).

Подписано в печать 13.11.2008 г.

Печать трафаретная

Заказ № 1177 Тираж: 100 экз.

Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Иванов, Ростислав Сергеевич

Список используемых сокращений

Введение

Глава 1 Обзор литературы

1.1. Обработка информации о форме объекта в 14 зрительной коре

1.1.1. Передача и преобразование зрительного сигнала в 14 ' мозге

1.2. Выделение признаков зрительного образа

1.3. Ориентационная чувствительность нейронов поля

1.4. Нейронная организация первичной зрительной коры

1.4.1. Модули первого порядка — одиночный нейрон как 24 детектор признаков зрительного образа

1.4.2. Микроколонка - модуль второго порядка

1.4.3. Сверхколонка нейронов - модуль третьего порядка

1.4.4. Корковая пластичность

1.5. Чувствительность к признакам изображения второго 30 порядка - углам, крестам, У-образным фигурам

1.6. Эффект "наклонных ориентаций"

1.7. Метод оптического картирования нейронной 37 активности

1.7.1. Хирургическая операция и подготовка животного

1.7.2. Применение оптического картирования по 47 внутреннему сигналу '

1.7.3. Анализ главных компонент и родственные методы ^

Глава 2 Объект и методы исследования

2.1. Подготовка животного к эксперименту

2.1.1. Выборка животных

2.1.2. Анестезия

2.1.3. Система жизнеобеспечения животного

2.1.4. Хирургическая операция

2.2. Метод оптического картирования по внутреннему 54 сигналу

2.2.1. Хирургическая операция и подготовка животного

2.2.2. Основа экспериментальной установки

2.2.3. Методы обработки оптического сигнала

2.2.4. Анализ данных

2.2.5. Связанное с событием картирование (event-related 56 imaging)

2.3. Экспериментальная установка для оптического 60 картирования активности нейронов коры мозга по внутреннему сигналу

2.3.1. Макроскоп

2.3.2. CCD-камера и ее крепление

2.3.3. Перехват изображения

2.3.4. Передача кадров

2.3.5. Биологические источники шума

2.3.6. Осветитель мозга 64 2.4. Оптическая стимуляция и накопление экспериментальных данных

2.4.1. Зрительные стимулы

2.4.2. Протокол эксперимента 66 2.5.1 Обработка экспериментальных данных

2.5.1. Усреднение и цифровая обработка сигналов

2.5.2. Построение карт ориентационной чувствительности

2.5.3. Построение функциональных карт ответа на 70 крестообразные фигуры

2.5.4. Традиционный метод анализа оптических данных 71 (event-related imaging)

2.5.5. Методы главных компонент

Глава 3 Результаты исследования

3.1. Оценка стабильности регистрируемого оптического 74 сигнала

3.2. Оценка ориентационной чувствительности

3.3. Исследование эффекта наклонных ориентаций

3.4. Чувствительность к крестообразным фигурам

3.4.1. Функциональные карты ответа на крестообразные 80 стимулы

3.4.2. Функциональные карты ответа на составляющие 81 крестообразного стимула

3.5. Количественный анализ оптических карт, 83 полученных при экспозиции изображений, содержащих признаки второго порядка

Глава 4 Обсуждение полученных результатов

4.1. Стабильность регистрируемого сигнала

4.2. Ориентационная чувствительность

4.3. Эффект наклонных ориентаций

4.4. Чувствительность к признакам формы порядка

4.5. Сходство и различие оптической активации коры в 93 ответ на признаки первого и второго порядка

Выводы

Введение Диссертация по биологии, на тему "Исследование методом оптического картирования первичной зрительной коры головного мозга кошки при предъявлении изображений различного уровня сложности"

Актуальность проблемы

Известно, что локальное кровоснабжение мозга зависит от изменений его метаболической и нейронной активности. В последние десятилетия новые методы визуализации активности мозга позволили исследовать тонкую организацию его функций по изменениям локального кровотока (позитронно-эмисионная томография, функциональная магнитно-резонансная томография и оптическое картирование по внутреннему сигналу (ОКвс)).

Метод ОК коры мозга [Bonhoeffer, Grinvald, 1996; Buzas, 1998; Vanzetta, Grinvald, 1999] основан на различиях в оптических свойствах оксигемоглобина и его восстановленной формы — дезоксигемоглобина. Локальное уменьшение концентрации оксигемоглобина и увеличение концентрации дезоксигемоглобина в мозговой ткани происходит в результате активации нейронов, которые усиленно потребляют кислород. Такие изменения в соотношении концентраций двух форм гемоглобина могут быть измерены с помощью высокочувствительной оптической камеры с «зарядовой связью» (CCD-камеры). Регистрация этого «внутреннего» оптического сигнала позволяет строить функциональные карты поверхности мозга, на которых активированные участки выглядят более тёмными.

Картирование мозга животных при разных видах зрительной стимуляции позволило установить взаимное расположение различных функциональных модулей коры - колонок ОЧ и сверхколонок, а также полос глазодоминантности [Hubener et al., 1997]. Применение ОКвс помогло в понимании детальной функциональной архитектуры ЗК кошек и обезьян [Frostig et al., 1990; Grinvald et al., 1986; Ts'o et al., 1990]. Сегодня OK является важным инструментом для изучения функциональной архитектуры моторной, соматосенсорной, слуховой коры и обонятельных луковиц, построения карт активации коры бодрствующих животных; исследования функционального коркового развития и пластичности при нормальных и патологических условиях. В последнее время данная методика также активно используется для визуализации распространения локальных эпилептических очагов и реорганизации функциональных корковых карт в окружении очага ишемического поражения, метод адаптирован также для картирования коры мозга человека в процессе нейрохирургического вмешательства [Zepeda et al., 2004].

Ранее в электрофизиологических экспериментах было показано, что около половины нейронов поля 17 ЗК кошки наиболее чувствительны не к ориентации отрезков линий [Hubel, Wiesel, 1974], а к их пересечениям и ветвлениям [Shevelev et al., 1994,1995,1998b,с; Sillito et al., 1995]. Остаётся открытым вопрос, включены ли детекторы крестообразных фигур в классические колонки ОЧ или локализованы в иных корковых модулях. Поэтому целью нашей работы стало исследование тангенциальной упаковки в пЗК кошки нейронов-детекторов признаков формы второго порядка (решёток из пересекающихся линий, наборов крестов и углов) с помощью метода ОК коры мозга по внутреннему сигналу.

Нейрон ЗК, чувствительный к ориентации светлой или темной полоски, вспыхивающей или движущейся в его рецептивном поле, принято называть детектором ориентации, а зависимость ответа от ориентации стимула — ориентационной настройкой (ОН) [Супин, 1981; Шевелев, 1984; см. обзоры: Orban, 1984; Hubel, Wiesel 1962,1965]. До последнего времени считалось, что нейроны пЗК кошки и обезьяны оптимально настроены только на выделение из изображения светлых или темных полосок определенной ориентации и не детектируют более сложные изображения [Hubel, Wiesel, 1962,1965; см. обзоры: Супин, 1981; Шевелев, 1984; Orban, 1984].

Детекторы ориентации исследованы детально с применением многих методов - картированы их рецептивные поля [Hubel, Wiesel, 1962,1965], определены временные параметры ответов [Шевелев, 1984; Singer et. al., 1975] и, в основном, понятны механизмы детекции [Супин, 1981; Шевелев, 1984].

Детекторы более сложных, чем полоска, признаков изображений (будем называть их «признаками второго порядка»), содержащих пересечение или ветвление линий: крестообразных или У-образных фигур, углов, - а также человеческих лиц - до последнего времени были обнаружены только в нижневисочной коре кошек и обезьян [Baylis et al., 1987; Rolls, 1992; Tanaka et al., 1991]. В этих исследованиях акцент делался на описание структуры ответа нейрона, в то время как механизмы детекции по умолчанию считались принципиально теми же, что у детекторов ориентации. По результатам картирования рецептивных полей детекторов сложных изображений, как правило, трудно что-либо сказать о механизмах детекции, так как практически у всех таких нейронов рецептивное поле не имеет дифференцированных тормозных и возбудительных зон (рецептивное поле сложного типа, по Хьюбелу и Визелу).

В регистрации ответов одиночных нейронов на более сложные, чем полоски, зрительные стимулы достигнут прогресс - несколько лет назад в первичной проекционной области ЗК кошки были обнаружены детекторы пересечений и узлов ветвления линий [Лазарева с соавт., 1995а, 1998; Шевелев," 1999; Шевелев с соавт., 1993,1996; Shevelev et al., 2001], а в первичной коре кошек и обезьян найдены нейроны, выделяющие "локальные нарушения ориентационной непрерывности" [Sillito et al., 1995]. Оказалось, что от трети до половины нейронов увеличивают свою реакцию в среднем в несколько раз по сравнению с максимальным ответом на оптимальную одиночную полоску при стимуляции их рецептивных полей вспыхивающей крестообразной фигурой со специфической для каждой клетки конфигурацией и ориентацией.

Исследуя детекторы крестообразных фигур, исследователи пришли к выводу, что механизмы детекции этих достаточно простых фигур существенно сложнее, чем механизмы детекции полосок. При этом характеристики популяционного ответа таких нейронов до настоящего времени не были исследованы, не была установлена их функциональная архитектура, учитывающая распределение детекторов признака пересечения линий в пЗК и взаимное расположение детекторов крестов и ориентаций.

Применение метода OK нейронной активности на основе регистрации внутреннего картирующего сигнала открывает новые возможности в установлении функциональной структуры коры мозга. Благодаря высокому пространственному разрешению (а при определённой модификации метода — и временному), относительной неинвазивности, возможности проведения длительных экспериментов с применением различных стимульных ситуаций и анестезирующих агентов, совмещения с электрофизиологическими и картирующими методами исследования, этот метод даёт возможность по-новому оценить данные нейрофизиологических экспериментов на отдельных нейронах и дополнить их популяционными данными в надежде заполнить разрыв в понимании механизмов восприятия и обработки простых и сложных изображений.

Цели и задачи исследования

В соответствии с такой целью в процессе исследования, в первую очередь, необходимо было решить следующие задачи:

1. Впервые в нашей стране наладить метод оптической регистрации внутреннего сигнала от пЗК мозга кошки в условиях in vivo (анестезированное животное).

2. Добиться стабильной во времени регистрации внутреннего оптического сигнала.

Когда результат по этим двум задачам был достигнут, нами были поставлены следующие задачи:

3. Обнаружить участки популяционного ответа, то есть, колонки 04 в пЗК мозга кошки.

4. Провести сравнительный анализ паттерна 04 в поле 17 с известными экспериментальными данными, полученными методом ОКвс [Шевелёв с соавт., 2005] и другими методами [Лазарева с соавт., 1986].

7. Охарактеризовать полученные данные с точки зрения: расположения доменов нейронов-детекторов, настроенных на признаки ветвления и пересечения линий, в границах поля 17 пЗК.

8. Оценить их возможно комплексный состав (сумма ли это ответов колонок 04 или их более сложное объединение) и количественную выраженность «эффекта крестов» и составляющих их линий.

Научная новизна работы

Метод оптической регистрации активности мозга совсем недавно начал применяться в России. На базе Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН нами впервые была налажена установка для ОК и запущен протокол регистрации внутреннего оптического сигнала от коры головного мозга кошки. Исследована возможность усовершенствования метода с целью получения ответа от нейронов коры головного мозга в режиме реального времени с высоким пространственным разрешением за счёт получения его «внешнего» оптического сигнала при окрашивании коры потенциал-зависимыми красителями.

Проведенное исследование впервые выявило популяционный оптический ответ нейронов коры головного мозга кошки на предъявление крестообразных зрительных стимулов. Исходя из полученных данных, предложена и обоснована гипотеза о топографии тангенциальной упаковки нейронов-детекторов признаков изображения второго порядка в границах поля 17 пЗК, в том числе, относительно других её клеточных элементов.

Проверена также гипотеза о существовании в поле 17 так называемого «эффекта наклона», то есть, преобладания в этом поле детекторов вертикали и горизонтали над детекторами диагональных ориентаций. По полученным нами данным этот эффект не нашел подтверждения.

Научно-практическая значимость работы

Применение метода оптического картирования нейронной активности на основе регистрации внутреннего картирующего сигнала открывает новые возможности в установлении функциональной структуры коры мозга. Благодаря высокому пространственному разрешению (а при определённой модификации метода — и временному), относительной неинвазивности, возможности проведения длительных экспериментов с применением различных стимульных ситуаций и анестезирующих агентов, совмещения с электрофизиологическими и другими картирующими методами исследования, этот метод даёт возможность по-новому оценить данные нейрофизиологических экспериментов на отдельных нейронах и дополнить их популяционными данными в надежде заполнить разрыв в понимании механизмов восприятия и обработки простых и сложных изображений.

Положения, выносимые на защиту

2. Нулевая гипотеза о наличии в поле 17 большего числа нейронов, детектирующих вертикаль и горизонталь, по сравнению с детекторами диагональных ориентаций («эффект наклона»), в условиях наших опытов не подтвердилась: не выявлено достоверных различий в площади активированных колонок ориентационной чувствительности при действии решеток вертикальной и горизонтальной ориентации по сравнению с диагонально ориентированными решетками.

3. В первичной зрительной коре мозга кошки нейроны-детекторы признаков изображения второго порядка располагаются, в основном, в границах классических колонок ориентационной чувствительности.

Работа выполнена при поддержке: Российского Фонда Фундаментальных Исследований (проект № 03-04-48084а) (2003-2005 г.г.); Программы Отделения биологических наук РАН «Интегративные механизмы регуляции функций в организме» (2003-2005 гг.) и «Физиологические механизмы регуляции внутренней среды и организации поведения живых систем» (2006-2008 г.г.); Президентской Программы «Научная школа» (НШ-2336.2003.4; 2003-2005) и (НШ-10086.2006.4; 2006-2007 г.г.).

Заключение Диссертация по теме "Физиология", Иванов, Ростислав Сергеевич

Выводы

1. В рамках экспериментальной деятельности создан протокол и апробирована в экспериментальных условиях методика оптического картирования по внутреннему сигналу, позволяющая регистрировать стабильную популяционную активность нейронов первичной зрительной коры мозга анестезированной кошки. В ответ на зрительную стимуляцию методом оптического картирования по внутреннему сигналу получены функциональные карты первичной зрительной коры с ответом нейронов-детекторов признаков изображения первого (ориентационные решётки) и второго порядка (крестообразные фигуры, углы, решётки из пересекающихся линий).

2. Площадь активированных в первичной зрительной коре мозга кошки. ориентационных колонок при действии решеток вертикальной и горизонтальной ориентации сопоставима с площадью активации этой области диагонально ориентированными решетками. Наличие эффекта наклона для нейронов первичной зрительной коры мозга кошки методом оптического картирования по внутреннему сигналу не подтверждено.

3. В первичной зрительной коре мозга кошки нейроны-детекторы признаков изображения второго порядка располагаются, в основном, в границах ориентационных колонок.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Иванов, Ростислав Сергеевич, Москва

1. Иванов Р.С., Бондарь И.В., Салтыков К.А., Шевелев И.А. Площадь зон оптической активации поля 17 коры мозга кошки при предъявлении решёток разной ориентации // Журнал Высшей нервной деятельности им. И.П. Павлова. 2006. Т. 56. №4. С. 516-522.

2. Лазарева Н.А., Новикова Р.В., Тихомиров А. С., Шевелёв И.А., Шараев Г.А. Ориентационная настройка нейронов зрительной коры кошки при разных интенсивностях стимула// Нейрофизиология. 1983. Т. 15. № 4. С. 347-354.

3. Лазарева Н.А., Новикова Р.В., Шевелёв И.А., Тихомиров А.С. Различие свойств двух групп ориентационных детекторов зрительной коры кошки // Нейрофизиология. 1986. Т. 18. № 1. С. 85-91.

4. Лазарева Н.А., Новикова Р.В., Тихомиров А.С., Шевелёв И.А., Шараев Г.А. Влияние сомбревина на ориентационную настройку нейронов зрительной коры кошки // Нейрофизиология. 1989. Т. 21. № 6. С. 812-820.

5. Лазарева Н.А., Новикова Р.В., Тихомиров А.С., Шараев Г.А., Шевелёв И.А. Ориентационная настройка нейронов зрительной коры кошки до и после введения нембутала// Нейрофизиология. 1991. Т. 23. № 6. С. 669-676.

6. Лазарева Н.А., Шевелёв И.А., Новикова Р.В., Тихомиров А.С., Шараев Г.А. Двойная ориентационная настройка нейронов первичной зрительной коры кошки при разном уровне бодрствования // Нейрофизиология. 1992. Т. 24. № 3. С. 260-269.

7. Лазарева Н.А., Новикова Р.В., Тихомиров А. С., Шевелёв И.А., Шараев F.A . . Избирательная чувствительность стриарных нейронов кошки к крестообразным и угловым фигурам разной ориентации // Нейрофизиология. 1995а. Т. 27. № 5/6. С. 403-412.

8. Лазарева Н.А., Шевелёв И.А., Айзел У.Т., Шараев Г.А. Бикукуллин и ориентационная настройка нейронов зрительной коры // Нейрофизиология. 19956. Т. 27. № 1.С. 54-62.

9. Марр Д. Зрение: Пер. с англ. М.: «Радио и связь», 1987. - 400с. Ноздрачёв А.Д., Баженов Ю.И., Баранникова И.А., Батуев А.С. с соавт. Начала физиологии:Учебник для вузов. / Под ред. акад. Ноздрачёва А.Д. — СПб.: «Лань», 2004. - 1088с.

10. Салтыков К.А. Модельное исследование механизмов настройки нейронов зрительной коры на У-образные фигуры // Журнал высшей нервной деятельности им. И. П. Павлова. 2004. Т. 54. № 2. С. 250-259.

11. Смит К.Ю.М. Биология сенсорных систем: Пер. с англ. М.: БИНОМ, 2005.-583с.

12. Супин А.Я. Нейрофизиология зрения млекопитающих. М.: Наука. - 1981. - 252 с.

13. Шевелёв И.А. Нейроны зрительной коры: адаптивность и динамика рецептивных полей. М.: Наука, 1984. 232с.

14. Шевелев И.А. Какие признаки изображения выделяются нейронами первичной зрительной коры кошки. Российский физиологический журнал им. И.М.Сеченова. 1999. Т. 85. № 6. С. 766-779.

15. Шевелёв И.А., Шараев Г.А., Лазарева Н.А., Новикова Р.В., Тихомиров А.С. Двойная ориентационная настройка нейронов зрительной коры кошки // Нейрофизиология. 1983. Т. 15. № 5. С. 459-466.

16. Шевелёв И.А., Лазарева Н.А., Новикова Р.В., Тихомиров А.С., Шараев Г.А. Настройка нейронов зрительной коры кошки на крестообразные фигуры // Нейрофизиология. 1993. Т. 1. № 5. С. 362-365.

17. Шевелёв И.А., Новикова Р.В., Лазарева Н.А., Тихомиров А. С., Шараев Г.А. Нейроны поля 17 зрительной коры кошки как детекторы крестообразных фигур // Сенсорные системы. 1996. Т. 10. № 2. С. 86-96.

18. Шевелев И.А., Айзел У.Т., Гирман К.У., Шараев Г.А. Настройка стриарных нейронов на крестообразные фигуры при локальной блокаде внутрикоркового торможения // Журнал высшей нервной деятельности им. И.П.Павлова. 1999. Т. 49. №2. С. 271-278.

19. Шевелёв И.А., Лазарева Н.А. Характеристики ответов нейронов зрительной коры с чувствительностью к полоскам или крестообразным фигурам у кошки // Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. 2006. Т. 92. № 2. С. 152-163.

20. Albus К. A quantitative study of the projection area of the central and the paracentral visual field in area 17 of the cat // Exp. Brain Res. 1975. V. 24(2). P. 159202.

21. Andrews D.P. Perception of contours in the central fovea // Nature. 1965. V. 205. P. 1218-1220.

22. Appelle S. Perception and discrimination as a function of stimulus orientation: the "oblique effect" in man and animals // Psychol. Bull. 1972. V. 78. P. 266-278.

23. Arakawa K., Tobimatsu S., Kurita-Tashima S., Nakayama M., Kira J.-I., Kato M. Effects of stimulus orientation on spatial frequency function of the visual evoked potential // Exp. Brain Res. 2000. V. 131. № 1. P. 121-125.

24. Arieli A., Grinvald A., Slovin H. Dural substitute for long-term imaging of cortical activity in behaving monkeys and its clinical implications // J. Neurosci. Methods. 2002. V. 114. P. 119-133.

25. Basole A., White L.E., Fitzpatrick D. Mapping multiple features in the population response of visual cortex I I Nature. 2003. V. 423. P. 986-990.

26. Bauer J.A. Jr., Owens D.A., Thomas J., Held R. Monkeys show an oblique effect //Perception. 1979. V. 8. P. 247-253.

27. Bauer R., Jordan W. Different anisotropics for texture and grating stimuli in the visual map of cat striate cortex // Vision Res. 1993. V. 33. P. 1447-1450.

28. Baylis G.C., Rolls E.T. Responses of neurons in the inferior temporal cortex in short term and serial recognition memory tasks // Exp. Brain Res. 1987. V. 65(3). P. 614-622.

29. Bell A.J., Sejnowski T.J. An information-maximization approach to blind separation and blind deconvolution // Neural Comput. 1995. V. 7. P. 1129-1159.

30. Berkley M.A., Kitterle F., Watkins D.W. Grating visibility as a function of orientation and retinal eccentricity// Vision Res. 1975. V. 15. P. 239-244.

31. Blasdel G.G., Salama G. Voltage-sensitive dyes reveal a modular organization in monkey striate cortex //Nature. 1986. V. 321. P. 579-585.

32. Blasdel G., Campbell D. Functional retinotopy of monkey visual cortex // J. Neurosci. 2001. V. 21. P. 8286-8301.

33. Bonds A.B. An "oblique effect" in the visual evoked potential of the cat // Exp. Brain Res. 1982. V. 46. P. 151-154.

34. Bonhoeffer Т., Grinvald A. Iso-orientation domains in cat visual cortex are arranged in pinwheel-like patterns // Nature. 1991. V. 353. P. 429-431.

35. Bonhoeffer Т., Grinvald A. The layout of iso-orientation domains in area 18 of cat visual cortex: optical imaging reveals a pinwheel-like organization // J. Neurosci. 1993. V. 13. P. 4157-4180.

36. Bonhoeffer Т., Kim D.S., Malonek D., Shoham D., Grinvald A. Optical imaging of the layout of functional domains in area 17 and across the area 17/18 border in cat visual cortex // Eur. J. Neurosci. 1995. V. 7. P. 1973-1988.

37. Bonhoeffer Т., Grinvald A. Optical imaging based on intrinsic signals. The methodology. In: Toga A., Mazziota J., editors. Brain mapping: the methods. London: Academic Press. 1996. P. 55-97.

38. Boshing W.H., Zhang Y., Schojield В., Fitzpatrick D. Orientation selectivity and the arrangement of horizontal connections in tree shrew striate cortex // J. Neurosci.1997. V. 17(6). P. 2112-2127.

39. Boshing W.H., KretzR., PucakM.L., Fitzpatrick D. Functional specificity of callosal connections in tree shrew striate cortex // J. Neurosci. 2000. V. 20. P. 23462359.

40. Boshing W.H., Crowley J.C., Fitzpatrick D. Spatial coding of position and orientation in primary visual cortex // Nature Neuroscience. 2002. V. 5(9). P. 874882.

41. Bouma H., Andriessen J.J. Perceived orientation of isolated line segments // Vision Res. 1968. V. 8. P. 493-507.

42. Boynton G.M., Engel S.A., Glover G.H., Heeger D.J. Linear systems analysis of functional magnetic resonance imaging in human VI //J. Neurosci. 1996. V.16. P. 4207-4221.

43. Buchanan-Smith H.M., Heeley D. W. Anisotropic axes in orientation perception are not retinotopically mapped // Perception. 1993. V. 22. № 12. P. 1389-1402.

44. Buzas P., Eysel U.T., Kisvarday Z.F. Functional topography of single cortical cells: an intracellular approach combined with optical imaging // Brain Res. Brain Res. Protoc. 1998. V.3. № 2. P. 199-208.

45. Campbell F.W., Kulikowski J.J. Orientational selectivity of the human visual system//J. Physiol. 1966. V. 187. P. 437^45.

46. Chapman В., Bonhoeffer T. Overrepresentation of horizontal and vertical orientation preferences in developing ferret area 17 // Proc. Natl. Acad. Sci. USA.1998. V. 95. P. 2609-2614.

47. Chen L.M., Heider В., Williams G. V., Healy F.L., Ramsden B.M., Roe A. W. A chamber and artificial dura method for long-term optical imaging in the monkey // J. Neurosci. Methods. 2002. V. 113.P .41-49.

48. Cohen L.B. Changes in neuron structure during action potential propagation and synaptic transmission // Physiol. Rev. 1973. V. 53. P. 373-418.

49. Coppola D.M., Purves H.R., McCoy A.N., Purves D. The distribution of oriented contours in the real world // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1998a. V. 95(7). P. 40024006.

50. Coppola D.M., White L.E., Fitzpatrick D., Purves D. Unequal representation of cardinal and oblique contours in ferret visual cortex // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1998b. V. 95(5). P. 2621-2623.

51. Coppola D.M., White L.E. Visual experience promotes the isotropic representation of orientation preference // Vis. Neurosci. 2004. V. 21. P. 39-51.

52. Crair M.C., Gillespie D.C., Stryker M.P. The role of visual experience in the development of columns in cat visual cortex // Science. 1998. V. 279(5350). P. 566570.

53. De Valois R.L., Yund E. W., Hepler N. The orientation and direction selectivity of cells in macaque visual cortex // Vision Res. 1982. V. 22. P. 531-544.

54. Engel S.A., Rumelhart D.E., Wandell B.A., Lee А. Т., Glover G.H., Chichilnisky E.J., Shadlen M.N. fMRI of human visual cortex // Nature. 1994. V. 369. P. 525.

55. Eysel U. Т. Lateral inhibitory interactions in area 17 and 18 of the cat visual cortex // Progr. Brain Res. 1992. V. 90. P. 407-422.

56. Ferezou I., Bolea S., Petersen C.C.H. Visualizing the cortical representation of whisker touch: voltage-sensitive dye imaging in freely moving mice // Neuron. 2006. V. 50. P. 617-629.

57. Fregnac Y., Imbert M. Early development of visual cortical cells in normal and dark-reared kittens: relationship between orientation selectivity and ocular dominance // J. Physiol. 1978. V. 278. P. 27-44.

58. Frost B.J., Kaminer J.J. The orientation anisotropy and orientation constancy: a visual evoked potential study // Perception. 1975. V. 4. P. 51-58.

59. Frostig R.D. What does in vivi optical imaging tell us about the primary visual cortex in primates // Cerebral Cortex. 1994. V. 10. P. 331-358.

60. Fujita I., Тапака К., Ito M., Cheng K. Columns for visual features of objects in monkey inferotemporal cortex //Nature. 1992. V. 360. P. 343-346.

61. Furmanski C.S., Engel S.A. An oblique effect in human primary visual cortex // Nat. Neurosci. 2000. V. 3. P. 535-536.

62. Gabbay M., Brennan C., Kaplan E., Sirovich L. A principle components-based method for the detection of neuronal activity maps: application to optical imaging // Neuroimage. 2000. V. 11. P. 313-325.

63. Ghose G.M., Ts'o D.Y. Form processing modules in primate area V4 // J. • Neurophysiol. 1997. V. 77. P. 2191-2196.

64. Gilbert C.D., Wiesel T.N. The influence of contextual stimuli on the orientation selectivity of cells in primary visual cortex of the cat // Vision Res. 1990. V. 30. P. 1689-1701.

65. Grinvald A., Hildesheim R. VSDI: a new era in functional imaging of cortical dynamics //Nature. 2004. V. 5. P. 874-885.

66. Grinvald A., Lieke E., Frostig R.D., Gilbert C.D., Wiesel T.N. Functional architecture of cortex revealed by optical imaging of intrinsic signals // Nature. 1986. V. 324. P. 361-364.

67. Grinvald A., Frostig R.D., Siegel R.M., Bartfeld E. High-resolution optical imaging of functional brain architecture in the awake monkey // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1991. V. 88. P. 11559-11563.

68. Heeley D.W., Buchanan-Smith H.M. Recognition of stimulus orientation // Vision Res. 1990. V. 30. P. 1429-1437.

69. Henry G.H., Dreher В., Bishop P.O. Orientation specificity of cells in cat striate cortex//J. Neurophysiol. 1974. V. 37. P. 1394-1409.

70. Hill D.K., Keynes R.D. Opacity changes in stimulated nerve // J. Physiol. 1949. V. 108. P. 278-281.

71. Hubel D.H., Wiesel T.N. Receptive fields, binocular interaction and functional architecture in the cat's visual cortex // J. Physiol. (Engl.). 1962. V. 160. P. 106-154.

72. Hubel D.H., Wiesel T.N. Receptive fields and functional architecture in two non-striate visual areas (18 and 19) of the cat // J. Neurophysiology. 1965. V.28. P. 229289.

73. Hubel D.H., Wiesel T.N. Sequence regularity and geometry of orientation columns in the monkey striate cortex // J. Сотр. Neurol. 1974. V. 158. P. 267-294.

74. Hubel D.H., Wiesel T.N. Functional architecture of macaque monkey visual cortex //Proc. R. Soc. Lond. B. 1977. V. 198. P. 1-59.

75. Kalatsky V.A., Stryker M.P. New paradigm for optical imaging: temporally encoded maps of intrinsic signal // Neuron. 2003. V. 38. P. 529-545.

76. Kim D.S., Matsuda Y., Ohki K, Ajima A., Tanaka S. Geometrical and topological relationships between multiple functional maps in cat primary visual cortex // NeuroReport. 1999. V.10. P. 2515-2522.

77. Kisvarday Z.F., Kim D.S., Eysel U.T., Bonhoeffer T. Relationship between lateral inhibitory connections and the topography of the orientation map in cat visual cortex // Eur. J. Neurosci. 1994. V. 6. P. 1619-1632.

78. Malach R., Tootell R.B., Malonek D. Relationship between orientation domains, cytochrome oxidase stripes, and intrinsic horizontal connections in squirrel monkey area V2 // Cereb. Cortex. 1994. V. 4. P. 151-165.

79. Malach R., Schirman T.D., Harel M., Tootell R.B., Malonek D. Organization of intrinsic connections in owl monkey area MT // Cereb. Cortex. 1997. V. 7. P. 386393.

80. Maldonado P.E., Godecke I., Gray C.M., Bonhoeffer T. Orientation selectivity in pinwheel centers in cat striate cortex // Science. 1997. V. 276. P. 1551-1555.

81. Malonek D., Tootell R.B., Grinvald A. Optical imaging reveals the functional architecture of neurons processing shape and motion in owl monkey area MT // Proc. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci. 1994. V. 258. P. 109-119.

82. Mansfield R.J.W. Neural basis of the orientation preference in primates // Science. 1974. V. 186. P. 1133-1135.

83. Mansfield R.J. W, Ronner S.F. Orientation anisotropy in monkey visual cortex // Brain Res. 1978. V. 149. P. 229-234.

84. Masino S.A., Frostig R.D. Quantitative long-term imaging of the functional representation of a whisker in rat barrel cortex // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1996. V. 93. P. 4942-4947.

85. Mayhew J.E. W., Askew S., Zheng Y, Porrill J., Westby G. W.M., Redgrave P., Rector D.M., Harper R.M. Cerebral vasomotion: a 0.1 -Hz oscillation in reflected light imaging of neural activity // Neuroimage. 1996. V. 4. P. 183-193. .

86. McLoughlin N.P., Blasdel G.G. Wavelength-dependent differences between optically determined functional maps from macaque striate cortex // Neuroimage. 1998. V. 7. P. 326-336.

87. Meister M., Bonhoeffer T. Tuning and topography in an odor map on the rat olfactory bulb // J. Neurosci. 2001. V. 21. P. 1351-1360.

88. Monier C., Chavane F., Baudot P., Graham L.J., Fregnac Y. Orientation and direction selectivity of synaptic inputs in visual cortical neurons: a diversity of combinations produces spike tuning // Neuron. 2003. V. 37(4). P. 663-680.

89. Mountcastle V.B. The columnar organization of the neocortex // Brain. 1997. V. 120. P. 701-722.

90. Mountcastle V.B. Modality and topographic properties of single neurons of cat's somatic sensory cortex // J. Neurophysiol. 1957. V. 4. P. 408-434.

91. Mrsic-Flogel Т., Hubener M., Bonhoeffer T. Brain mapping: new wave optical imaging // Curr. Biol. 2003. V. 13(19). P. 778-780.

92. Nakagama H., Tani Т., Tanaka S. Theoretical and experimental studies of relationship between pinwheel centers and ocular dominance columns in the visual cortex//Neurosci Res. 2006. V. 55(4). P. 370-382.

93. Narayan S.M., Santori E.M., Blood A.J., Burton J.S., Toga A. W. Imaging optical reflectance in rodent barrel and forelimb sensory cortex // Neurolmage. 1994. V. 1. P. 181-190.

94. Nelson J.I., Frost B.J. Intracortical inhibition among co-oriented, co-axially aligned simple cells in cat striate cortex // Experimental Brain Research. 1985. V. 61. № l.P. 54-61.

95. Orban G.A. Neuronal operations in the visual cortex // Berlin: Springer. 1984. 368 p.

96. Orban G.A., Kennedy H. Receptive field organization in areas 17 and 18 of the cat // Arch. Int. Physiol. Biochim. 1979. V. 87. P. 766-767.

97. Orban G.A., Kennedy H. The influence of eccentricity on receptive field types and orientation selectivity in areas 17 and 18 of the cat // Brain Res. 1981. V. 208. P. 203-208.

98. Parriss J.R.A. A technique for testing cat's discrimination of differently oriented rectangles //Nature. 1964. V. 202. P. 771-773.

99. Payne B.R., Berman N., Murphy E.H. Organization of direction preferences in cat visual cortex // Brain Res. 1981. V. 211. P. 445-450.

100. Payne B.R., Peters A., Huebener M., Bonhoeffer Т., Loewel S. et al. Cat primary visual cortex, The. / Edited by: Payne B.R., Peters A. San Diego, California, USA: "Academic press", 2002. - 725 p.

101. Perkel D.H., Bullock Т.Н. Neural coding // Neurosci. Res. Symp. Summ. 1969. V. 6. P. 405-527.

102. Pettigrew J.D., Nikara Т., Bishop P.O. Binocular interaction on single units in cat striate cortex: simultaneous stimulation by single moving slit with receptive fields in correspondence //Exp. Brain Res. 1968. V. 6(4). P. 391-410.

103. Polley D.B., Chen-Bee C.H., Frostig R.D. Two directions of plasticity in the sensory-deprived adult cortex // Neuron. 1999. V. 24. P. 623-637.

104. Purves D., Lotto R.B., Nundy S. Why we see what we do // American Scientist. 2002. V. 90(3). P. 236-243.

105. Ratzlaff E.H., Grinvald A.A. A tandem-lens epifluorescence macroscope: hundred-fold brightness advantage for wide-field imagigng // J. Neurosci Methods. 1991. V. 36. P. 127-137.

106. Rolls E.T. Neurophysiological mechanisms underlying face processing within and beyond the temporal cortical visual areas // Philos. Trans. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci. 1992. V. 335(1273). P. 11-21.

107. Rose D., Blakemore C. An analysis of orientation selectivity in the cat's visual cortex // Exp. Brain Res. 1974. V. 20. P. 1-17.

108. Roy C.S., Sherrington C.S. On the regulation of the blood supply to the brain // Journal of pshychology. 1890. V. 11. P. 85-108.

109. Sengpiel F., Bonhoeffer T. Orientation specificity of contrast adaptation in visual cortical pinwheel centres and iso-orientation domains // Eur. J. Neurosci. 2002. V. 15. P. 876-886.

110. Schuett S., Bonhoeffer Т., Hubener M. Mapping of retinotopy in rat visual cortex by combined linear extraction and principle component analysis of optical imaging data // Eur. J. Neurosci. 2000. V. 12(Suppl 11). P. 74.

111. Schuett S., Bonhoeffer Т., Hubener M. Mapping retinotopic structure in mouse visual cortex with optical imaging // J. Neurosci. 2002. V. 22. P. 6549-6559.

112. Shevelev L.A. Functional imaging of the brain by infrared radiation (thermoencephaloscopy) // Progress in Neurobiology. 1998a. V. 56. P. 269-305.

113. Shevelev LA. Second-order features extraction in the cat visual cortex: Selective and invariant sensitivity of neurons to the shape and orientation of crosses and corners //Biosystems. 1998b. V. 48. P. 195-204.

114. Shevelev I.A., Sharaev G.A., Lazareva N.A., Novikova R. V., Tikhomirov A.S. Dynamics of orientation tuning in the cat striate cortex neurons // Neuroscience. 1993. V. 56. №4. P. 865-876.

115. Shevelev J.A., Lazareva N.A., Novikova R. V., Tikhomirov A.S., Sharaev G.A. Double orientation tuning of units in cat visual cortex // Neuroscience. 1994. V. 61. № 4. P. 965-973.

116. Shevelev I.A., Novikova R. V., Lazareva N.A., Tikhomirov A.S., Sharaev G.A. Sensitivity to cross-like figures in the cat striate neurons // Neuroscience. 1995. V.69. №1. P. 51-57.

117. Shevelev I.A., Eysel U. Т., Lazareva N.A., Sharaev G.A. Orientation tuning and receptive field structure in cat striate cortex neurons under local blockade of intracortical inhibition // Neuroscience. 1998a. V. 84. P. 25-36.

118. Shevelev L.A., Jirmann K.-U., Sharaev G.A., Eysel U.T. Contribution of GABAergic inhibition to sensitivity to cross-like figures in striate- cortex // Neuroreport. 1998b. V. 9(14). P. 3153-3157.

119. Shevelev I.A,, Lazareva N.A., Sharaev G.A., Novikova R.V., Tikhomirov A.S. Selective and invariant sensitivity to crosses and corners in cat striate neurons // Neuroscience. 1998c. V. 84. P. 713-721.

120. Shevelev LA, Lazareva NA, Novikova RV, Tikhomirov AS, Sharaev GA, Cuckiridze DY. Tuning to Y-like figures in the cat striate neurons // Brain Res. Bull. 2001. V. 54(5). P. 543-551.

121. Shoham D., Hubener M., Schulze S., Grinvald A., Bonhoeffer T. Spatio-temporal frequency domains and their relation to cytochrome oxidase staining in cat visual cortex//Nature. 1997. V. 385.P. 529-533.

122. Sillito A.M., Grieve K.L., Jones H.E., Cudeiro J., Davis J. Visual cortical mechanisms detecting focal orientation discontinuities // Nature. 1995. V. 378. P. 492-496.

123. Singer W., Tretter F., Cynader M. Organization of cat striate cortex: a correlation of receptive-field properties with afferent and efferent connections // J. Neurophysiol. 1975. V. 38(5). P. 1080-1098.

124. Singer W., Freeman В., Rauschecker J. Restriction of visual experience to a single orientation affects the organization of orientation columns in cat visual cortex. A study with deoxyglucose // Exp. Brain Res. 1981. V. 41. P. 199-215.

125. SirovichL., Everson R.M. Management and analysis of large scientific datasets // Int'l. J. Supercomp. Appl. 1992. V. 6. № 1. P. 50-68.

126. Stepnoski R.A., LaPorta A., Raccuia-Behling F., Blonder G.E., Slusher R.E., Kleinfeld D. Noninvasive detection of changes in membrane potential in cultured neurons by light scattering // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1991. V. 88. № 21. P. 9382-9386.

127. Stetter M, Schiessl I., Otto Т., Sengpiel F., Hubener M., Bonhoeffer Т., Obermayer К Principal component analysis and blind separation of sources for optical imaging of intrinsic signals // Neurolmage. 2000. V. 11. P. 482-490.

128. Swindale N.V., Shoham D., Grinvald A., Bonhoeffer Т., Hubener M. Visual cortex maps are optimized for uniform coverage // Nat. Neurosci. 2000. V. 3. P. 822826.

129. Tanaka K, Saito H., Fukada Y., Moriya M. Coding visual images of objects in the inferotemporal cortex of the macaque monkey // J. Neurophysiol. 1991. V. 66(1). P. 170-189.

130. Tani Т., Yokoi I., Ito M., Tanaka S., Komatsu H. Functional organization of the cat visual cortex in relation to the representation of a uniform surface // Journal of neurophysiology. 2003. V. 89. P. 1112-1125.

131. Tootell R.B., Silverman M.S., De Valois R.L. Spatial frequency columns in primary visual cortex // Science. 1981. V. 214. P. 813-815.

132. Ts'o D.Y., Frostig R.D., Lieke E.E., Grinvald A. Functional organization of primate visual cortex revealed by high resolution optical imaging // Science. 1990. V. 249. P. 417-20.

133. Ts 'o D. Y., Roe A. W., Gilbert C.D. A hierarchy of the functional organization for color, form and disparity in primate visual area V2 // Vision Res. 2001. V. 41. P. 1333-1349.

134. Tsunoda K., Yamana Y., Nishizaki M., Tanifuji M. Сложные объекты представлены в инферотемпоральной коре макаки комбинацией характеристических колонок //Nature neuroscience. 2001. V. 4(8). P.832-838.

135. Vanzetta /., Grinvald A. Increased cortical oxidative metabolism due to sensory stimulation: implications for functional brain imaging // Science. 1999. V.286. P. 1555-1558.

136. Villringer A, Dirnagl U. Coupling of brain activity and cerebral blood flow: basis of functional neuroimaging // Cerebrovasc. Brain Metab. Rev. 1995. V. 7. P. 240-276.

137. Wang G., Tanaka K., Tanifuji M. Optical imaging of functional organization in the monkey inferotemporal cortex // Science. 1996. V. 272. P. 1665-1668.

138. Wang Y., Fujita I., Murayama Y. Neuronal mechanisms of selectivity for object features revealed by blocking inhibition in inferotemporal cortex // Nature Neuroscience. 2000. V. 3. P. 807-813.

139. Wang G., Ding S., Yunokuchi K. Difference in the representation of cardinal and oblique contours in cat visual cortex //Neurosci. Lett. 2003. V. 338. P. 77-81.

140. Weliky M., Bosking W.H., Fitzpatrick D. A systematic map of direction preference in primary visual cortex // Nature. 1996. V. 379. P. 725-728.

141. White L.E., Coppola D.M., Fitzpatrick D. The contribution of sensory experience to the maturation of orientation selectivity in ferret visual cortex // Nature. 2001. V. 411. P. 1049-1052.

142. Wong-Riley M.T. Histochemical changes in cytochrome oxidase of cortical barrels after vibrissal removal in neonatal and adult mice // PNAS. 1980. V. 71. № 4. P. 2333-2337.

143. Zepeda A., Vaca L., Arias C., Sengpiel F. Reorganization of visual cortical maps after focal ischemic lesions // J. Cereb. Blood Flow Metab. 2003. V. 23. P. 811-820.

144. Zepeda A., Arias C., Sengpiel F. Optical imaging of intrinsic signals: recent developments in the methodology and its applications // Journal of neuroscience methods. 2004. V. 136. P. 1-21.

145. Xiao Y., Wang Y., Felleman D.J. A spatially organized representation of colour in macaque cortical area V2 // Nature. 2003. V. 421. P. 535-539.у /1. Благодарности:

Информация о работе

Иванов, Ростислав Сергеевич
кандидата биологических наук
Москва, 2008
ВАК 03.00.13

Диссертация

Исследование методом оптического картирования первичной зрительной коры головного мозга кошки при предъявлении изображений различного уровня сложности - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы