Войти
Логин:
Пароль:
Забыли пароль?
научная деятельность
структура институтаобразовательные проектыпериодические изданиясотрудники институтапресс-центрконтакты
русский | english
Научные подразделения >> Лаборатория № 8 >> Электрофизиологические исследования

Богатый репертуар зрительно управляемых поведенческих реакций у рыб обслуживается сравнительно просто устроенной зрительной системой, что делает рыб удобной экспериментальной моделью при исследовании общих принципов переработки и использования зрительной информации. В настоящее время нами проводится исследование нейронных механизмов восприятия движения на уровне ганглиозных клеток (ГК) сетчатки (детекторов движения разных типов), посылающих свои аксоны в основной зрительный центр рыб – крышу среднего мозга (тектум).

Исследованию ретино-тектальных проекций рыб было посвящено около десятка работ, проведенных в шестидесятых-восьмидесятых годах, в которых в общих чертах была установлена картина стратификации окончаний аксонов ГК в тектуме. Однако тогда не были проведены ни строгая классификация элементов, ни подробное исследование их свойств – в основном из-за ограниченности набора стимулов, предъявляемых от руки или механически.

Один из ключевых моментов методики – регистрация реакций ГК сетчатки от окончаний их аксонов в тектуме рыб тонкими заключенными в стекло металлическими платинированными микроэлектродами с очень низким сопротивлением (200-500 кОм). Другой определяющий момент – использование современных цифровых технологий для стимуляции, регистрации и управления экспериментом, что позволяет, в частности, оперативно применять широкий спектр разнообразных стимулов в ходе поиска адекватных признаков классификации регистрируемых элементов. В электрофизиологических опытах при отведении экстраклеточных реакций от окончаний аксонов ГК в тектуме рыб с предъявлением на мониторе разнообразных движущихся и стационарных стимулов применяется разработанная нами система управления экспериментом на основе трех связанных друг с другом синхронизованных компьютерных модулей: стимулирующего, регистрирующего и управляющего. Для оперативного управления параметрами стимуляции и регистрации разработан удобный в обращении интерфейс, позволяющий экспериментаторам легко ориентироваться в трех десятках параметров и быстро перестраивать программу опыта.

Исследовали реакции детекторов движения ретино-тектальной системы серебряного карася Carassius auratus gibelio Bloch: дирекционально-избирательных (ДИ) ГК, проецирующихся в верхний ретино-реципиентный слой тектума, и ориентационно-избирательных (ОИ) ГК, проецирующихся во второй ретинореципиентный слой. Разработаны системы классификационных признаков, проведена классификация детекторов движения и исследованы их свойства. Показано, что у рыб ДИ ГК представлены шестью физиологическими типами, различающимися по предпочтительным направлениям и по знаку предпочтительного контраста. В отличие от наземных позвоночных (кролика), ДИ ГК которых избирательны к четырем взаимно-перпендикулярным направлениям, у рыб они оказались избирательны к трем направлениям, отстоящим друг от друга примерно на 120° – Рис. 1а. Также в отличие от кролика, имеющего только смешанный ON OFF тип ДИ ГК, проецирующихся в крышу среднего мозга, рыбы имеют чистые on-клетки, отвечающие на введение в рецептивное поле (РП) светлой границы, и чистые off-клетки, отвечающие на введение темной границы. По остальным свойствам, включая размеры и структуру их РП, специфичность к форме и скорости движения стимулов, типы ДИ ГК рыб не отличаются друг от друга. Совпадение числа преимущественных направлений с числом полукружных каналов в вестибулярной системе говорит о том, что ДИ ГК, проецирующиеся в тектум рыб, могут быть вовлечены в систему мультимодальной сенсорной интеграции, обеспечивающей управление позой, локомоцией и движением глаз рыб в подвижной водной среде.

В отличие от ДИ элементов ОИ элементы ретино-тектальной системы рыб делятся всего на два физиологических типа с взаимно ортогональными предпочтительными ориентациями – Рис. 1б. В боковом поле зрения эти ориентации близки к вертикали и горизонтали – «детекторы вертикального и горизонтального краев». И те, и другие детекторы (в отличие от ДИ ГК) являются элементами on-off-типа. По всем остальным свойствам, кроме ориентации, ОИ ГК неотличимы друг от друга. ОИ ГК известны и у других животных, но функциональная роль их не ясна.

                

 Рис. 1. Полярные гистограммы распределения предпочтительных направлений движения стимулов для ДИ ГК (а) и ОИ ГК (б), регистрируемых в тектуме карася. По радиусам отложено количество клеток в каждом угловом секторе. Цифры рядом с отдельными модами гистограмм обозначают суммарное количество зарегистрированных клеток соответствующего типа.

В колориметрических исследованиях детекторов движения ретино-тектальной системы рыб с использованием высококонтрастных цветных стимулов показано, что любые пары цветов можно уравнять изменениями интенсивности, что говорит о цветовой слепоте этих элементов. Измерена относительная спектральная чувствительность детекторов движения. У всех шести типов ДИ ГК и обоих типов ОИ ГК она оказалась примерно одинаковой и сосредоточена в красном конце спектра, однако определяется не только красными колбочками, но также и зелеными и синими, которые вносят слабый вклад с отрицательным знаком. Это можно считать приспособлением к водной среде, где из-за существенного рассеяния в сине-зеленой области спектра четкое видение возможно только в красном его конце.

При исследовании экстрастриарных зон коры мозга кошки была обнаружена зона с необычной организацией. Рецептивные поля нейронов этой зоны были сильно вытянуты и ориентированы как спицы колес радиально на центры сетчатки (Рис. 2).

                             

 

             Рис. 2. Топография рецептивных полей экстрастриарных зон коры мозга кошки.

Аналогичная зона была обнаружена нами и в коре обезьян, где она совпала с ранее упоминавшейся, но практически не исследованной зоной V4A. Этого названия мы будем придерживаться и для аналогичной зоны в коре кошек. Радиальная организация зоны V4A наталкивала на предположение об особой ее роли в анализе зрительной информации в процессе поступательного движения животного (в т.н. анализе оптического потока). Для исследования активности нейронов зоны V4A была построена специальная установка (Рис. 3), где платформа с кошкой и всей сопутствующей регистрирующей аппаратурой (а) двигалась по рельсовому пути (б) по направлению к стационарной трехмерной зрительной сцене - гофрированному экрану (в).

        

             Рис. 3. Экспериментальная установка.

В ходе этих опытов было обнаружено, что часть нейронов зоны V4A обладают абсолютной чувствительностью к расстоянию до зрительной сцены. Эти нейроны демонстрировали разный уровень активности при расположении кошки вдали от экрана (3 м), или вблизи от него (25 см). Для исследования этих нейронов, чтобы обеспечить сходные сетчаточные изображения сцены при положении животного вблизи и вдали, в центре большого экрана располагали его пропорционально уменьшенную копию (Рис. 3г). Активность одного такого нейрона показана на Рис. 4. Здесь сверху (а) схематически показана траектория движения кошки. Снизу (б) дана усредненная по десяти прокатам активность нейрона в зрительной зоне V4A. Черная линия - среднее значение. Серое облако - ± 2 стандартных ошибки среднего. Кривая отражает изменение во времени частоты импульсации нейрона. При положении кошки вблизи от экрана активность нейрона была низкой. Затем возрастала в процессе отъезда платформы от экрана и оставалась постоянно высокой в течение всего времени нахождения животного вдали от экрана.

                           

                Рис. 4. Активность нейрона чувствительного к расстоянию до зрительной сцены.

Удивительным оказалось то, что нейроны с аналогичной чувствительностью к глубине были найдены нами и в первичной зрительной коре, на ранних этапах обработки зрительной информации. Сейчас начато специальное исследование этих нейронов в первичной зрительной коре.

И.Н. Пигарев принимал участие в исследованиях, проводимых нашими коллегами в Мельбурнском Университете (Австралия). В этих опытах были раскрыты механизмы, обеспечивающие увеличение ответов нейронов зрительной коры обезьян при направлении внимания на стимул.

Эксперименты по изучению зрительной системы проводятся в хронических экспериментах на бодрствующих животных. В процессе монотонных опытов животные устают и начинают засыпать. В последние годы мы стали совмещать эти работы с изучением состояния сна.

Ранее нами было обнаружено, что нейроны коры мозга, в частности, и нейроны зрительной коры во сне начинали отвечать на электрическую стимуляцию кишечника и желудка. Пример такого ответа приведен на Рис. 5. На верхней гистограмме показан ответ нейрона на электрическую стимуляцию кишечника во время сна (момент стимуляции отмечен вертикальными серыми линиями). Ответы на такую же висцеральную стимуляцию прекращались сразу после пробуждения (нижняя гистограмма).

              

               Рис. 5. Пример ответа нейрона зрительной коры на электрическую стимуляцию кишечника и желудка во время бодрствования и во сне.

 Переключение корковой активности на обработку висцеральной информации в период сна было подтверждено нами в совместных исследованиях с испанскими коллегами в экспериментах на обезьянах. На Рис. 6 приведены усредненные (n – число усреднений) электрические ответы коры обезьяны, вызванные электрической стимуляцией кишечника во сне (сверху) и в бодрствовании (снизу). Аналогичные результаты были получены и в ответ на магнитную стимуляцию живота.

                

            Рис. 6. Усредненные (n – число усреднений) электрические ответы коры обезьяны, вызванные электрической стимуляцией кишечника во сне (сверху) и в бодрствовании (снизу).

Детально вызванные ответы коры на интраперитонеальную электрическую стимуляцию были исследованы в экспериментах на кроликах, где при компонентном анализе этих ответов была обнаружена сложная их динамика по ходу сна. Эти опыты впервые показали наличие топографической организации представительства висцеральных систем, проявляющейся только в состоянии сна. В бодрствовании те же отделы коры вовлекаютя в анализ экстероцептивной сенсорной информации.

В последние годы совместно с лабораторией ныне покойного проф. В.А. Багаева из Института физиологии им. И.П. Павлова РАН в С.-Петербурге мы отошли от искусственной электрической или магнитной стимуляции и начали исследование отражения в активности коры мозга естественной фоновой активности висцеральных органов. В гладкомышечные стенки желудка и кишечника имплантировали регистрирующие электроды и проводили сопоставление миоэлектрической активности этих органов в состоянии сна с активностью отдельных нейронов зрительных зон коры мозга и с суммарной электроэнцефалограммой. Для возможности автоматического анализа миоэлектрической активности и последующей статистической обработки результатов были написаны специальные программы. Результаты этого исследования показали, что естественная активность органов желудочно-кишечного тракта отражается (и видимо определяет) активность значительной доли нейронов коры мозга в состоянии сна. Пример одновременно зарегистрированной миоэлектрической активности кишечника и коркового нейрона приведен на Рис. 7.

                 

             Рис. 7. Одновременная регистрация миоэлектрической активности кишечника и коркового нейрона.

Здесь показана активность на протяжении трех перистальтических кишечных циклов (б, серая кривая). Усреднение проведено по отрицательному пику среднего цикла. Сверху (а, черная кривая) представлена усредненная кривая, отражающая частоту импульсации коркового нейрона. Видно их хорошее совпадение. В состоянии сна у 30% нейронов зрительных зон коры была показана достоверная связь с активностью органов желудочно-кишечного тракта. У 25% нейронов показана связь с ритмикой дыхания. Эти эксперименты показывают важную роль процесса сна в управлении работой висцеральных систем организма и подчеркивают значение гигиены сна для здоровья. Кроме того, вовлечение одних и тех же нейронных систем в обработку как экстероцептивной (в бодрствовании) так и интероцептивной (во сне) информации заставляет пересмотреть существующие представления об организации и взаимодействии мозговых структур.

Частотная перестройка слуховой системы ночных чешуекрылых

На основе анализа физических закономерностей восприятия акустических сигналов ночными чешуекрылыми (Noctuidae, Lepidoptera) нами была предложена гипотеза о переменности частотной настройки тимпанальной системы этих насекомых. Из гипотезы следовало, что бабочки могут подстраиваться к параметрам биологически важных сигналов. Кроме того, подобная система потенциально способна производить последовательный частотный анализ воспринимаемых звуков. Аналогичный принцип используется в технических системах, но в животном мире не был известен.

В серии электрофизиологических экспериментов проведено исследование возможности перестроек частотно-пороговых характеристик слуховой системы бабочек-совок при искусственно вызванном сокращении мышц метаторакса. Аппликация хлорида калия в гемолимфу метаторакса в течение нескольких минут приводила к сокращению прилежащих мышц и росту слуховых порогов на низких частотах (в диапазоне 10–30 кГц на 10–14 дБ), в то время как на частотах выше 60 кГц разница в порогах до и после введения хлорида калия была обратной. Разнонаправленные изменения слуховой чувствительности на низких и высоких частотах можно объяснить одновременным действием двух факторов: перестройкой частоты тимпанальной мембраны от 24 кГц до 48–50 кГц за счёт ее продольного растяжения мышцами метаторакса и общим падением чувствительности тимпанальной системы насекомого. В нескольких опытах наблюдались аналогичные перестройки, происходившие самопроизвольно, то есть без действия препарата, вызывающего сокращение мышц.

В ходе этих исследований у совок были обнаружены признаки активной настройки слуховой системы на несущую частоту воспринимаемого сигнала. В процессе такой настройки резко (в 6–8 раз) возрастала слуховая чувствительность к стимулам с частотой заполнения 80–100 кГц. По комплексу признаков, в частности, по динамике нарастания и спада нейронной импульсации при воздействии стимулов с околопороговыми интенсивностями был сделан вывод, что на периферическом уровне слуховой системы происходит перестройка высокодобротного механического резонанса к несущей частоте воспринимаемого сигнала.

Данные электрофизиологических экспериментов были проверены в серии поведенческих тестов. Совок двух видов Enargia paleacea Esp. и Blepharita satura Schiff. стимулировали в условиях закреплённого полёта акустическими пульсами, следовавшими с задержкой относительно собственных эхолокационных щелчков. В качестве признака ответной реакции бабочки использовали учащение эмиссии щелчков. При интервале 1 мс между щелчками бабочки и началом стимулирующих пульсов минимальные пороги реакций наблюдались в диапазоне частот 40–60 кГц, но при увеличении задержки до 12 мс зона оптимума слухового восприятия смещалась к частоте 20 кГц. При задержке 6 мс оптимум занимал промежуточное положение (в среднем на 30 кГц). Эти опыты подтвердили нашу гипотезу, согласно которой у совок могут происходить быстрые перестройки частотной характеристики слуховой системы.

В других поведенческих экспериментах на совках Scoliopteryx libatrix L. было показано, что пороги защитных реакций этих насекомых (остановки полёта) на стимулы с шумовым заполнением в 1.5–4 раза превышают пороги на моночастотные посылки равной длительности. Этот эффект нельзя объяснить меньшей чувствительностью слуховой системы бабочек к шумоподобным звукам, поскольку другие типы поведенческих реакций насекомых, например, рыскание по курсу, наблюдались примерно на одних и тех же уровнях, независимо от типа заполнения стимулирующих пульсов. Эти результаты указывают на способность тимпанатных чешуекрылых различать акустические сигналы по степени их широкополосности, то есть на их способность к последовательному частотному анализу воспринимаемых звуков.

                   

         Рис. 1. Частотно-пороговые характеристики совок B. satura, полученные при трёх значениях задержек стимулов относительно собственных щелчков бабочек (обозначения - в верхней части рисунка. По горизонтальной оси - частота заполнения стимулирующих посылок, по вертикальной - порог реакций. Каждая кривая построена по результатам усреднения данных 8 однотипных опытов.

Приборы для исследования критической частоты слития мельканий

Разработана компьютерная система для исследования критической частоты слияния мельканий (макулярная и мультифокальная  КЧСМ на цветные стимулы), электрической чувствительности и лабильности зрительного нерва, и для проведения терапевтических сеансов светотерапии  и электростимуляции. Система содержит автономное микропроцессорное устройство для исследования КЧСМ  в  З6 точках  поля зрения  и блока электростимуляции с возможностью управления от персонального компьютера через USB-порт или по радиоканалу. Разработаны методики выявления некоторых патоло-гических изменений зрительного тракта на ранней стадии заболевания и проведения восстановительной терапии. Предварительные испытания отдельных компонентов системы в ФГУ МНТК «Микрохирургия глаза» им.  акад. С.Н. Федорова и МНИИ глазных болезней им. Гельмгольца показали высокую эффективность диагностики и лечения зрения. Работа выполнялась по гранту.

Был разработан  компьютерной  вариант прибора для исследования КЧСМ с условным названием «Блик-5», который в настоящее время проходит испытание в МНИИ ГБ им. Гельмгольца,  для  динамического  исследования  зрения детей с высокой степенью миопии.

           

           БЛИК-5

Разработаны варианты прибора «Радуга–3ДЛ», приборы «Радуга–4ДЛ» и «КЧСМ–ЭЛ», в последнем объедены два метода диагностики: исследования КЧСМ и исследование электрической чувствительности и лабильности зрительного нерва. При этом на  основе полученных показателей устанавливается режим терапевтической светостимуляции.

          

          Радуга–4ДЛ

           

           КЧСМ–ЭЛ

НОВОСТИ И ОБЪЯВЛЕНИЯ
Биологи Михаил Гельфанд и Юрий Панчин вместе с другими учеными рассуждают о когнитивных способностях...
22 июня 2017 года на 87 году жизни после продолжительной болезни скончался главный научный сотрудник...
На этой неделе совместными усилиями учёных из ИППИ РАН и научных журналистов портала “Чердак” в свет...
С понедельника 19 июня направление связей с общественностью в ИППИ РАН возглавил научный журналист Д...
Семинар, посвященный 80-летию со дня рождения В.И. Арнольда: 21.06.2017 (среда), факультет математик...
Семинар Добрушинской математической лаборатории: 20.06.2017 (вторник), 16:00, ауд. 307 ИППИ РАН. Анд...
12 июня 2017 года на 92 году жизни скончался старейший сотрудник ИППИ, ветеран ВОВ Владимир Нейман....
В Сколтее и НИУ ВШЭ состоялись презентации новой, только что вышедшей в свет книги «Математические п...
Все новости   
 

 

  © Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт проблем передачи информации им. А.А. Харкевича Российской академии наук, 2017
Об институте  |  Контакты  |  Старая версия сайта