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.

НОВОСТИ И ОБЪЯВЛЕНИЯ
Заведующий Лабораторией №12 "Изучение информационных процессов на клеточном и молекулярном уровнях" ...
13 декабря (вторник) в Сколково состоится совместный воркшоп Сколтеха и крупнейшей международной кол...
Семинар <<Глобус>> Независимого Московского Университета: 15 декабря в 15.40 в НМУ, конференц-зал. V...
Биоинформатики ИППИ РАН Егор Базыкин и Дмитрий Родионов вошли в список лучших молодых ученых России ...
Семинар лаборатории № 8: 8 декабря в 14:30 в ИПЭЭ РАН. Е.М. Максимова. Уточнение стратификации оконч...
Сотрудники сектора молекулярной эволюции №4 Егор Базыкин и Александр Панчин в программе "Один Вадим"...
Заведующий Сектором геоинформационных технологий и систем ИППИ РАН Валерий Гитис в программе "Черны...
Открытый семинар Сектора анализа данных в нейронауках №10.3: 7.12.2016 (понедельник), 11:00, ауд. 61...
Все новости   
 

 

  © Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт проблем передачи информации им. А.А. Харкевича Российской академии наук, 2016
Об институте  |  Контакты  |  Старая версия сайта