Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Выводы из наблюдения над корой головного мозга бодрствующих обезьян, сделанные посредством хронической имплантации многочисленных микроэлектродов

ВАК РФ 03.00.00, Биологические науки

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидат биологических наук, Бондарь, Игорь Вечеславович, Фрайбург (Германия)

6? 1 Р/Я5

Выводы из наблюдения над корой головного мозга бодрствующих обезьян, сделанные посредством хронической имплантации многочисленных микроэлектродов

Инаугурационная диссертация на

соискание докторской степени Факультет Биологии Университет Альберта-Людвига Фрайбург в Брасгау

представлена

Игорем Бондарем

рожденным в г. Барановичи (Беларусь), 1

РгеШи^ ¡т Breisgau 1999

Эта работа была выполнена в Группе исследования мозга, Институт Биофизики и Радиобиологии, Университет Альберта-Людвига в г. Фрайбург под руководством Проф. Др. Й. Крюгера

Декан: Проф. Др. X. Кляйниг

Председатель промоционной комиссии: Проф. Др. С. Россель Руководитель работы: Проф. Др. Й. Крюгера Рецензент: Проф. Др. Э. Эртсен Корецензент:

СОДЕРЖАНИЕ

I. ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................................................1

1. Первичная зрительная кора.....................................................................................................1

1.1 Месторасположение в коре мозга. Топография и ретинотопия...............1

1.2 Афферентные и эфферентные связи поля 17.

Типы клеток и их организация в слои.......................................................................3

1.3 Микроанатомическое описание первичной

зрительной коры................................................................................................................4

1.4 Функциональные свойства нейронов в VI......................................................7

2. Перманентные имплантации множественных электродов......................................12

3. Замечания к использованию парадигмы с фиксацией движений глаз в электрофизиологических эксприментах

по изучению зрительной системы....................................................................................18

II. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ...................................................................................................................21

III. МЕТОДИКА............................................................................................................................................25

1. Подопытные животные...........................................................................................................25

2. Имплантат....................................................................................................................................27

3. Определение места регистрации активности

с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ)............................................31

4. Имплантация электродов.......................................................................................................34

5. Порядок проведения зрительных экспериментов........................................................41

5.1 Эксперимент с ограниченным полем зрения.................................................41

5.2 Эксперимент с вращающимся диском.............................................................42

5.3 Эксперимент с нефиксированным направлением взора...........................42

6. Регистрация электрофизиологических сигналов.........................................................44

7. Регистрация движений глаз с помощью

метода обработки видеоизображения..............................................................................46

8. Обработка экспериментальных данных..........................................................................48

IV. РЕЗУЛЬТАТЫ.....................................................................................................................................50

1. Результаты имплантаций, проведенных на яванских макаках............................52

2. Исследование стабильности отведений у игрунки...................................................61

3. Поведение обезьян в экспериментах с разными

способами предъявления зрительных стимулов.......................................................69

3.1. Три предварительных эксперимента

с направлением взгляда....................................................................................71

3.2. Локальные полевые потенциалы в экспериментах

с ограниченным полем зрения........................................................................76

3.2.1. Высокочастотные осцилляции на цветные

стимулы в экспериментах с обезьяной "Z"..............................77

3.2.2. Локальные полевые потенциалы экспериментах с ограниченным полем з

рения на обезьяне "W".................................................................................84

3.3. Регистрация направления взгляда с помощью

анализа видеоизображений......................................................................................86

V. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ................................................................................................93

1. Методика эффективной регистрации нейронных

сигналов у бодрствующих обезьян...............................................................................93

2. Организация естественного предъявления зрительных стимулов..................93

3. Долговременные отведения клеточной активности

в зрительной коре обезьян...............................................................................................95

4. Проблема закрепления имплантатов..........................................................................98

VI. ОБОБЩЕНИЕ................................................................................................................................101

VII. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................................103

VIII. ПРИЛОЖЕНИЕ.........................................................................................................................109

БЛАГОДАРНОСТИ............................................................................................................................113

БИОГРАФИЯ И СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ............................................................................114

I. ВВЕДЕНИЕ

В эволюционном аспекте кора головного мозга является самой молодой структурой мозга. Примитивная кора мозга имется уже у рыб и рептилий, однако, максимальное ее развитие наблюдается в ряду млекопитающих. В связи с этим развитием также наблюдается усложнение поведенческого репертуара млекопитающих. Предшествующие исследования мозга показали, что такие сложные проявления человеческой психики как язык, память и когнитивные функции локализованы в коре головного мозга.

На основании анатомических, физиологических и нейрофизиологических данных в коре мозга можно различить несколько десятков областей. В настоящее время каждую из них связывают с определенной функцией мозга. Принято различать первичные сенсорные и ассоциативные области коры. В первичных сенсорных полях происходит первичная обработка информации, которая приходит из подкорковых структур, обрабатывающих информацию разных модальностей. В ассоциативных полях информация от различных модальностей сводится воедино для построения сложных функций (например: для создания внутреннего представления окружающей среды в мозге).

Первичные сенсорные области коры головного мозга относятся в физиологическом плане к наиболее исследованным. Реакции клеток в этих областях можно вызывать с помощью простых сенсорных стимулав, что облегчает их изучение. Среди прочих первичная зрительная кора причисляется к хорошо изученным областям мозга.

1. Первичная зрительная кора

1.1. Месторасположение в коре мозга. Топография и ретинотопия.

Первичная зрительная кора (или поле 17 в классификации по Бродманну) является первой станцией в мозге, где оказывается информация, приходящая от

подкорковых структур зрительной системы. Она находится в затылочной доле большого мозга. У обезьян поле 17 лежит частично на боковой поверхности, хотя большая часть его скрыта в шпорной борозде, которая находится на медиальной поверхности мозга. У человека первичная зрительная кора практически полностью скрыта в шпорной борозде (рис. 1).

Рисунок 1. Классификация областей коры головного мозга обезьяны (А.а. - боковая повехность; Л.б. -медиальная поверхность) и человека (В.а. - боковая повехность; Б.б. - медиальная поверхность). Первичная зрительная кора обозначена красным цветом (из Вгос1тапп, 1904).

В неокрашенном срезе мозга данную область можно распознать по светлой полоске (полоска Вик д'Азира или Дженнари). Эта полоска образована миелинизированными окончаниями входящих волокон, приходящих из латерального коленчатого тела. В связи с наличием полоски Дженнари первичная зрительная кора

называется еще полосатой корой («Area striata», англ. «striate cortex»). Общепринятой является также аббревиатура VI ( от английского „visual 1" - «зрительная I»),

Поле 17 организовано топографически и ретинотопически. Топография означает, что соседние нейроны получают информацию от расположенных по соседству областей других структур. Под ретинотопией подразумевается такая организация, при которой соседние области сетчатки иннервируют (не напрямую) соседние области поля 17. В первичной зрительной коре центральная область сетчатки (фовеа или центральная ямка), которая отвечает за зрение с высокой разрешающей способностью, занимает до 50% общей поверхности. Что показывает насколько важна обработка той части зрительной информации, которая приходит из центральной ямки.

1.2. Афферентные и эфферентные связи ноля 17. Тины клеток и их организация в слои.

Первичная зрительная коре получает афференты из латерального коленчатого тела (JIKT), ядер подушки, верних бугров двухолмия, клауструма и перистриарной коры (поле 18 в классификации Бродманна). Эффереитныр сигналы посылаются из VI в двух основных направлениях: к высшим ассоциативным областям коры и к подкорковым структурам зрительной системы.

Клетки нервичной зрительной коры принято разделять на два класса, собственно пирамидальные клетки, которые посылают свои аксоны за пределы VI, и интернейроны, которые образуют локальные связи внутри поля 17 (Рис. 2).

Клетки поля 17 по классификации Бродманна (Brodman, 1904) организованы в шесть слоев, Слой IV получает афрентные сигналы из латерального коленчатого тела. Клетки подслоев IVa и IVb распределяют информацию по локальным цепям первичной зрительной коры. Так информация попадает в слой I, который содержит апикальные дендриты пирамидальных нейронов слоев II, III, V и VI. Эфферентные проекции поля

17 берут свое начало в пирамидальных нейронах слоев U, 111, V и VI. При этом первые два слоя посылают информацию в основном к ассоциативным областям коры мозга, тогда как два последних собирают информацию по всему поперечному срезу поля 17 и отсылают се, большей частью, к подкорковым структурам зрительной системы.

Рисунок 2. Нейроны коры мозга: А. Пирамидальная клетка первичной зрительной коры обезьяны; Б. Звездчатая клетка первичной зрительной коры кошки. Знамение сокращений', ап.депдр. - апикальный дендрит; баз. дендр. базальный дендрит; акс. - аксон (из Valverde. 1985).

1.3. Микроанатомическое описание первичной зрительной коры

Основной анатомической и физиологической единицей организации коры является микроколонка. Микроколонка представляет собой группу расположенных по соседству нейронов, которые простираются в вертикальном направлении через все шесть слоев коры. Нейроны различных клеточных фенотипов (пирамидальные клетки, звездчатые клетки, клетки-зерна и т.д.) принимают участие в образовании колонки. В первичной зрительной коре миниколонка состоит приблизительно из 150-250 нейронов.

Многие колонки, соединенные друг с другом короткими горизонтальными синаптическими связями, образуют сверхколонки - более крупные модули коры головного мозга (Mountcastle. 1997).

Хьюбель и Визель в 1977 году с помощью микроэлектродной техники показали, что в первичной зрительной коре клетки с похожими фунциональными свойствами образуют кластеры, которые пронизывают всю толщу коры (Hubel & Wiesel. 1977). Они назвали такие группы нейронов колонками.

В настоящее время в первичной зрительной коре различают два типа колонок: колонки глазодоминантности и колонки ориентационной чувствительности. В колонках глазодоминантности находятся клетки, которые получают афферентацию от одного глаза и поэтому преимущественно возбуждаются стимулами, проецируемыми в данный глаз. Стоит отметить, что подобный принцип организации можно встретить не у всех видов животных. В отличии от кошек и обезьян Старого Света у обезьян Нового Света (например: Callitrix jacchus или мармозетка) колонки глазодоминантности отсутствуют.

Клетки первичной зрительной коры демонстрируют свойства отличные от свойств клеток, находящихся на предыдущих стадиях обработки зрительной информации. Так оптимальным стимулом для возбуждения клеток в поле 17 являются линии различной ориентации. Клетки, возбуждаемые линиями определенной ориентации, также организованы в колонки. Таким образом, можно отметить еще один тип колонок - колонки ориентационной чувствительности.

Дальнейшие структурные подразделения первичной зрительной коры были открыты с помощью метода, способного улавливать изменения в метаболизме активных регионов коры. Так методом окрашивания цитохромоксидазы и методом меченой 2-дезоксиглюкозы были открыты «ЫоЪ» и «interblob» регионы поля 17 (Hendrickson & Wilson. 1979: Wong-Riley, 1979; Horton & Hubel, 1981; Horton, 1984) .

«В1оЬ»-регионы особенно хорошо заметны в слоях 2 и 3 поля 17. Они имеют диаметр 150-200 мкм и отделены друг от друга «пПегЬ1оЬ»-регионами протяженностью в 500 мкм. Клетки в «ЫоЬ»-регионах чувствительны к цвету в отличие от нейронов в «¡п1егЫоЬ»-регионах, которые чувствительны к пространственно-временным параметрам стимула (например: к ориентации стимула в пространстве). «Blob»- и «¡тегЫоЬ»-регионы кроме того различаются по их афферентным и эфферентным связям.

Рисунок 3. Структурная организация первичной зрительной коры. Л. Схематическое изображение организации VI (модель «ледяной куб»), которая была предложена ненапрямую на основе нейрофизиологических и анантомических данных (Hubel & Wiesel. 1977): Б. Реальное изображение моду;ярмой организации первичной зрительной коры, полученной с помощью метода оптического картировани мозга. Прослеживаются пространственные взамоотпошения между колонками глазодоминантности и колонками ориентационной чувствительности. Цветные линии изоориентации получены из карты ориентационной селективности. Все точки на линии определенного цвета соответствуют корковой ткани, которая была активирована при определенной ориентации стимула. Контуры колонок глазодоминантности (серые области) извлечены из карты глазодоминантности того же участка корковой поверхности (из Hübeneret al., 1997).

В результате электрофизиологических экспериментов была предложена схематическая модель (рис. ЗА) структурной организации первичной зрительной коры (Hubel & Wiesel. 1974). Лишь с развитием методов оптического картирования, которые

обеспечивают прямое наблюдение за пространственным распределением активности в коре мозга, стало возможным установление фактического расположения различных модулей в VI (В1азс1е1 & 8а1аша, 1986). В работах групп А. Гринвальда (Вай1ёЫ & (тппуаШ, 1992) и Т. Бонхёффера (НиеЬепег ег а1., 1997) можно найти детальное отображение модулярной организации первичной зрительной коры обезьян и кошек. Эти работы были проведены с помощью метода оптического картирования нейронной акивности. На рисунке ЗБ можно видеть, что колонки ориентационной чувствительности образуют так называемые «ветряки», центры которых лежат в середине колонок глазодоминантности. Таким образом модули в VI выстроены в перекрывающуюся мозаику, в которой отдельные модули сложным образом соединены друг с другом.

Первичная зрительная кора обладает строго определенной структурно-функциональной организацией. Одной из особенностей этой организации является тот факт, что клетки образуют функциональные группы. Такое расположение клеток однозначно играет важную роль в обработке зрительной информации. Поэтому кажется самим собой разумеющимся, что физиологические иследования первичной зрительной коры должны быть направлены в сторону исследования функциональных групп нейронов. Однако, классическая нейрофизиология в основном имеет дело с физиологией отдельных клеток.

1.4. Функциональные свойства нейронов в VI

Для функционального описания нейронов чаще всего используется классификация, основанная на типах ответов данных нейронов на стимулы. В первичной зрительной коре можно насчитать по крайней мере десять значимых параметров, хотя данное утверждение носит скорее характер примера: ориентация и длина вытянутого стимула в зрительном поле, направление движения, скорость

движения, бинокулярность, бинокулярное различие, изменения в бинокулярном различии, пространственная частота, длина волны (насыщенность) и яркость (Van Essen, 1985).

В том случае, когда речь идет об этих параметрах, имеются в виду искусственные зрительные стимулы, которые используются для исследования физиологиии нейронов. Все эти параметры можно хорошо контролировать во время эксперимента, что позволяет получать статистически достоверные данные. Дополнительно достигается стандартизация эксперимента: данные, производимые в разных лабораториях, могут быть сравнены друг с другом. Итак, эти параметры чрезвычайно важны для экспериментатора. Но имеет ли силу это утверждение в отношении зрительной системе?

Зрение в естественных условиях отичается от зрительной стимуляции во время классического электрофизиологического эксперимента. Естественные зрительные стимулы обладают более широким спектром свойств (напр. цветовыми вариациями и контрастами освещения) нежели типичные искусственные стимулы. Кроме того, естественные объекты непрерывно представлены на обозрение, и они равномерно расположены по всему зрительному полю. Вдобавок ко всему, во время естественного процесса зрения животные совершают исследующие движения глаз. Эти различия между искусственным экспериментом и естественным зрительным процессом необходимо иметь в виду в процессе исследования свойств нейронов в зрительн