Стратегии изучения зрительной коры

Стратегии изучения коры

Стратегии изучения коры

Каким образом сигналы, определяющие маленькие, яркие, темные или цветовые пятна на сетчатке могут быть преобразованы в сигналы, которые несут информацию о форме, размере, цвете, движении и глубине расположения объектов. Методики, считающиеся сейчас рутинными, такие как оптическая регистрация, введение пероксидазы хрена или сканирование мозга, в ту пору даже не могли быть представлены. В начале работы перед Хьюбелем и Визелем стояли совершенно неизученные вопросы, которые исходили из их предположения, что зрительные центры в коре осуществляют переработку информации подобно тому, как это происходит в сетчатке, только на более высоком уровне.

Рис. 1. Аксон «off» центра из ЛКТ, заканчивающийся в слое 4 зрительной коры кошки. В аксон при помощи микроэлектрода была введена пероксидаза хрена. Терминали сгруппированы в два кластера, разделенных неокрашенной зоной, получающей иннервацию от другого глаза.

Одной из ключевых стратегий в их анализе было использование стимулов, которые имитировали сигналы, возникающие в нормальных условиях. Например, края, контуры, а также простые паттерны, представленные глазу, позволяли выявлять особенности организации, которые никогда бы не были обнаружены, используя яркие вспышки света, не имеющие какой-либо определенной формы. Другим ключевым моментом успеха подхода Хьюбеля и Визеля было то, что они искали не просто стимул, которые может вызвать ответ определенного нейрона, а наиболее эффективный для этого стимул. Исследование этой проблемы на разных этапах зрительной системы выявило много удивительных и неожиданных результатов. В ранних работах было показано, что рецептивные поля простых и сложных клеток в первичной зрительной коре составляют начальные этапы распознавания паттернов. Кроме того, анализ рецептивных полей четко выявил полезный и упрощающий принцип, что нейроны, расположенные вдоль радиальных трактов, идущих от поверхности коры в белое вещество, решают сходные задачи, формируя функциональные колонки. Эти результаты были окончательно подтверждены при помощи длинного электрода, вводимого далеко вглубь коры, одновременно с чем проводилась регистрация сигналов и идентификация свойств клеток, в зависимости от типа возбуждающего их стимула. После регистрации проводилась тщательная гистологическая реконструкция путей прохождения электрода.

Рецептивные поля коры

Сигналы кортикальных нейронов, подобно сигналам от ганглиозных клеток сетчатки и клеток ЛКТ, в основном появляются на фоне постоянной активности клеток. Наблюдения показывают, что диффузное освещение сетчатки слабо влияет на разряды кортикальных нейронов. Почти полная нечувствительность их к диффузному освещению является результатом процесса, отмеченного еще в сетчатке и в ЛКТ. Это результат в равной степени выраженного антагонистического действия тормозных и возбуждающих регионов рецептивных полей кортикальных клеток. Степень активности нейрона изменяется только при соблюдении определенных условий относительно расположения и формы стимула на сетчатке. Рецептивные поля большинства кортикальных нейронов имеют конфигурацию, отличную от таковой у клеток сетчатки и нейронов ЛКТ, поэтому отдельные пятна света часто являются слабыми стимулами (или вообще ими не являются). В своей нобелевской речи, Хьюбель описал эксперимент, благодаря которому они с Визелем впервые сумели заметить это важнейшее свойство2

Рис. 2. Ответы простых клеток полосатой коры на пятна (А) и полоски © света. Рецептивные поля (В) имеют узкую центральную «оп» -зону (+), окруженную симметрично антагонистическими «off''-зонами (-). Наилучшим стимулом для данной клетки является вертикально ориентированная полоска света в центре рецептивного поля (пятая запись сверху на С). Другие ориентации менее эффективны или вовсе неэффективны. Рассеянный свет не является каким-либо стимулом. Полоска над каждой записью в, А и С указывает продолжительность стимула.

Следуя серии маленьких удачных находок, Хьюбель и Визель нашли наиболее подходящие стимулы света для различных клеток коры; первоначально они классифицировали рецептивные поля на простые и сложные. Каждая из этих категорий включала большое количество подгрупп и важных переменных, которые определяли механизмы восприятия.

Ответы простых клеток

Большинство простых клеток расположено в слоях 4 и 6, а также в глубине слоя 3. Все эти слои получают сигналы непосредственно из ЛКТ (хотя именно слой 4С является наиболее типичным местом, куда направляются отростки из ЛКТ, как мы уже ранее указывали). Рецептивные поля простых клеток могут быть определены при помощи пятен света, проецируемых в определенные области сетчатки, и они имеют несколько разновидностей. Один тип простых клеток имеет рецептивное поле, которое состоит из удлиненной узкой центральной части, окруженной двумя антагонистическими зонами. Центр может быть либо возбуждающим, либо ингибирующим. На рис. 2 показано рецептивное поле простой клетки в полосатой коре, определенное при помощи пятен света, которые были способны лишь слабо возбудить клетки в центре поля (потому как они покрывали лишь малую часть центральной «on» -зоны).

Рис. 3. Рецептивное поле простой клетки по лосатой коры. В действительности для каждого типа поля были исследованы все возможные ориентации. Наиболее оптимальным стимулом являлось освещение в виде узкой щели или полоски в центре (для А); темная полоска была оптимальной для В и С;

Необходимые условия для активации одной простой клетки соответствуют тем, что проиллюстрированы на рис. 2. Для оптимальной активации ей необходима полоска света, размерами не более центральной зоны, которая полностью ее заполняет по длине и ширине и ориентирована под определенным углом. Освещение окружающей зоны подавляет текущую активность клетки, а также уменьшает эффективность одновременного освещения центра зоны. Как было предсказано картированием при помощи световых пятен, вертикально ориентированная полоска является наиболее эффективным стимулом. Даже небольшое отклонение от этого паттерна приводит к уменьшению сигнала. Различные клетки имеют рецептивные поля, требующие широкого диапазона различных ориентаций и расположения. Таким образом, при повороте стимула или при смещении его в пределах зрительного поля, активируется другая популяция простых клеток. Распределение ингибирующих и возбуждающих сторон у различных простых клеток может и не быть симметричным, а также поле может состоять из двух продольных регионов, расположенных друг напротив друга — одного возбуждающего, а другого ингибирующего.

На рис. 3 приведены примеры четырех подобных рецептивных полей, имеющих общую ось ориентации, но с различным распределением возбуждающих и угнетающих зон в пределах поля. Максимальный ответ от рецептивного поля, показанного на рис. 3 А, вызывает узкий щелевидный пучок, ориентированный на 1 час по воображаемому циферблату (при условии, что все рецептивное поле представляет из себя циферблат, разделенный на 12 частей). Темная полоска в том же самом месте с ярким освещением по периферии подавляет постоянную активность клетки. Клетки, имеющие поле, иллюстрированное на рис. 3 В и С, отвечают на темную полосу в центральной зоне. Для поля, показанного на рис. 3, границы между светом слева и тенью справа является наиболее эффективным «on» -ответом, а освещение, наоборот, оптимально для «off» -разрядов. В простых клетках оптимальная ширина узкого пучка света или полоски тени сравнима с диаметрами регионов с «on» — и «off» -центрами для рецептивных полей в форме бублика у ганглиозных клеток и клеток ЛКТ. Таким образом, кортикальные клетки, которые имеют рецептивные поля в области зрительного пятна, лучше всего возбуждаются узкими полосками света, по сравнению с клетками, имеющими рецептивные поля на периферии сетчатки, что обусловлено более маленькими рецептивными полями ганглиозных клеток ямки.

Также были описаны и другие типы простых клеток. И снова наиболее важными моментами являются ориентация и расположение стимула, так как рецептивное поле состоит из антагонистичных «on» — и «off» -зон. Но кроме того, также важна длина полосы или края: растягивание полоски более оптимальной длины уменьшает эффективность стимула. Это аналогично тому, как если бы существовала дополнительная «off» -зона, расположенная сверху и снизу от полей, показанных на рис. 3и которая стремится к подавлению активности при ее освещении (торцевое торможение или конечное прерывание (end-stopping)). Отсюда можно сделать вывод, что для такой простой клетки наиболее оптимальным стимулом является правильно ориентированная полоска или край, которые имеют определенные размеры (и заканчивается в определенном месте поля).

Общими свойствами простых клеток являются то, что: (1) они наилучшим образом отвечают на правильно ориентированные и расположенные стимулы, т. е. которые не вторгаются на антагонистические зоны, и (2) постоянные щелевидные или округлые пятна могут быть использованы для определения «on» — и «off» -зон. Другой постоянной и значимой особенностью является то, что, несмотря на различные соотношения между возбуждающими и ингибируюшими зонами, вклады каждой из них абсолютно одинаковы, и одни способны полностью подавить эффекты других, поэтому диффузное освещение всего рецептивного поля дает в лучшем случае слабый ответ. «Off» зоны корковых полей не всегда способны вызвать сигналы в ответ на темные полоски. Часто (в основном в случае конечного ингибирования, а также в хорошо изученных зонах) освещение «off» -зоны может быть обнаружено только по уменьшению сигнала, вызываемого одновременным освещением «on» -зоны. Перемещающиеся края и полоски определенной ориентации очень высоко эффективны в вызывании сигналов. Однако и в данном случае имеется специализация клеток для распознавания различных уровней освещенности, но контрастное представление в виде пятна, свойственное ганглиозной клетке, трансформируется и расширяется в линии или край. При этом пространственное и временное разрешение не теряются, а включаются в более сложный паттерн активности

Синтез простого рецептивного поля

Схема организации поля была предложена ранее Хьюбелем и Визелем для объяснения происхождения корковых рецептивных полей. Схема имела преимущество: она базировалась на известных механизмах для объяснения того, каким образом нервная клетка может настолько избирательно отвечать на зрительные паттерны — такие как определенным образом ориентированные линии, которые возбуждают простые клетки. Они предположили, что в коре простые клетки ведут себя, как если бы они были составлены из большого количества рецептивных полей ЛКТ. Эта идея проиллюстрирована на рис. 4, где поля нейронов ЛКТ, соединенные с клеткой коры, выровнены таким образом, что определенным способом ориентированная полоска света, проходящая через центр, вызвала бы их значительное возбуждение. Если бы полоска была чуть шире, или расположена чуть в стороне, она бы попала в область угнетающего фона каждой клетки, что привело бы к снижению или полному исчезновению возбуждающего сигнала. Конвергенция сигнала от нейронов ЛКТ, имеющих свои рецептивные поля определенной формы, способствует формированию на кортикальной клетке «большого» рецептивного поля, наиболее чувствительного как раз к подобным образом ориентированной полоске света.

Связи между клетками, которые были постулированы Хьюбелем и Визелем, являются простейшими в своем роде, способными объяснить избирательность поля к ориентации полоски света. Таким образом, паттерны связей между нейронами ЛКТ и коры сами по себе определяют физиологические свойства кортикальных нейронов. Простые рецептивные поля усложняются при помощи большого количества интернейронов, которые формируют сложную внутреннюю структуру связей. Ферстер сумел экспериментально показать, каким образом рецептивные поля простых клеток синтезируются в коре кошки при помощи внутриклеточной регистрации сигналов от нейронов слоя 4 зрительной коры кошки. В подобного рода исследованиях можно следить за синаптическими потенциалами, вызываемыми зрительными стимулами. Считается, что большинство синаптических сигналов происходит благодаря высвобождению медиатора из афферентных волокон нейронов ЛКТ. При этом происходит суммация их эффектов, что в результате выражается в более высокой амплитуде сигнала при определенной «предпочтительной» ориентации, чем это можно было бы ожидать на основании той схемы, что показана нарис.4.

Еще более тщательный тест был проведен при охлаждении коры, подавляя таким образом полисинаптическую активность. При этих условиях остается только прямой моносинаптический сигнал от ЛКТ (хотя и более медленный и меньше по амплитуде) (рис. 4), однако ориентационная чувствительность при этом сохраняется (рис. 4). Хотя паттерн входящих сигналов от ЛКТ и достаточен для создания определенной ориентационной чувствительности простых клеток, дополнительная «настройка» осуществляется при помощи тормозных возбуждающих нутрикорковых связей. Внутриклеточная регистрация на простых клетках показала, что освещение окружающих «off» -зон вызывает тормозные синаптические потенциалы, которые служат для придания большей резкости ориентационной избирательности и способствуют более тонкой настройке при изменении контраста

Ответы сложных клеток

При отведении сигналов от отдельных нейронов зрительной коры кроме простых клеток также можно обнаружить и клетки, которые отличаются по своему поведению. Эти сложные клетки, которые преобладают в слоях 2, 3 и 5, имеют два важных свойства, общих с простыми клетками: освещение всего их рецептивного поля неэффективно, и им необходима определенная ориентация границы света и тени в пределах поля. Однако они не так критичны к точному расположению стимула, как простые клетки. Более того, у них также нет четких «on» — и «off» -зон, которые можно определить с помощью световых пятен. Большинство сложных клеток отвечает импульсацией на протяжении всего времени, пока определенным образом ориентированный пучок света падает в пределах границ рецептивного поля, как показано в примере на рис. 4 Значение же сигнала, поступающего от сложных клеток, значительно отличается от сигналов от простых клеток. Простая клетка локализует определенным образом ориентированную полосу света, расположенную в определенной области рецептивного поля; сложная клетка посылает сигналы в ответ на определенную ориентацию, абстрагируясь от четкой локализации стимула в пределах рецептивного поля.

Рис. 4 Ответы сложных клеток в полосатой коре кошки. Клетка реагирует наилучшим образом на вертикальную границу, проходящую через ее рецептивное поле (серый квадрат в центре). (А) При освещении левой половины и затемнении (заштриховано) справа (первая запись) возникает «on» -ответ. При освещении справа (пятая запись) возникает «off» -ответ. Любая ориентация освещения, отличная от вертикальной, менее эффективна. (В) Расположение границы света в пределах поля не играет существенной роли. Освещение всего рецептивного поля (самая нижняя запись) не вызывает никакого ответа.

Можно различить два основных класса сложных клеток, причем оба они наилучшим образом реагируют на перемещение краев или узких полосок света фиксированной ширины и определенной ориентации. Один тип клеток отвечает сигналами, показанными на рис. 4 Сигналы возникают в ответ на границу света определенной ориентации в любом месте в пределах ограниченной области. В этом примере вертикальная граница света вызывает практически одинаковые по амплитуде сигналы в любой из четырех локализаций, как показано на рис. 4 Другие ориентации границы являются неэффективными. Для клеток этого типа ответы становятся более стабильными и высокоамплитудными при удлинении размеров границы или узкого пучка до определенного предела, после которого параметры сигналов уже не меняются.

Другие сложные клетки, подобно конечно-прерывистым простым клеткам (end-stopped simple cells), требуют узких пучков или краев, которые кончаются в пределах их рецептивного поля. Наилучшим стимулом для таких клеток, следовательно, будет не только определенная ориентация, но и какая-то прерывистость, такая как прерывание линии, внутренний или наружный угол (angle and corner) какого-либо контура. Однако диффузное освещение правого поля не дает ослабление сигнала (последний сигнал на рисунке). Таким образом, это нельзя назвать «off» -зоной. Оптимальным стимулом для этой зоны является наружный угол. Более того, стимул должен перемещаться в определенную сторону. Такая чувствительность к направлению перемещения — свойство, как правило, присущее сложным клеткам. Однако можно найти и более требовательные сложные клетки, особенно в пределах экстрастриарной коры).

Синтез сложного рецептивного поля

Таким же образом, как рецептивное поле простой клетки может быть построено как конвергенция афферентов из ЛКТ, также и рецептивное поле сложной клетки может быть составлено из комбинации полей простых клеток. Гипотетическая сложная клетка, которая возбуждается стимулом в виде вертикальной границы, расположенной в любом месте в пределах рецептивного поля. Так происходит из-за того, что где бы ни находилась граница света и тени, одно из полей простых клеток обязательно окажется пересеченным по своей вертикальной угнетающей/возбуждающей границе. Другие простые клетки не отреагируют на этот сигнал, так как их зоны либо одинаково освещены, либо одинаково затемнены. Диффузное освещение всего поля покрывает все компоненты поля в равной степени, а потому ни одна клетка не срабатывает.

Существует предположение, что активности только одной или нескольких простых клеток достаточно для того, чтобы вызвать ответ максимальной амплитуды на сложной клетке. Согласуясь с этой гипотезой, при внутриклеточной регистрации сигналов сложных клеток было выявлено несколько моносинаптических контактов с клетками ЛКТ, хотя большинство контактов было образовано двухсинаптическими афферентными волокнами с большой задержкой, которые предположительно идут от простых кортикальных клеток.

Рецептивные поля: единицы восприятия формы

Все полученные результаты говорят в поддержку идеи иерархической организации, когда усложнение организации рецептивного поля происходит вследствие конвергенции исходных сигналов на новом уровне. Это не означает, что каждое последующее рецептивное поле, более сложное по организации, образовано только комбинацией информации, полученной на предыдущем уровне. Например, сложные клетки коры могут получать информацию непосредственно от клеток ЛКТ. Кроме того, в коре имеется обратная связь между различными уровнями организации, а также в пределах одного уровня. Как уже упоминалось ранее, корковые афференты служат для более точной ориентационной настройки простых клеток. Тем не менее, оригинальная рабочая гипотеза, предложенная Хьюбелем и Визелем в 1962 году, дает ясную, элегантную и обоснованную концептуальную основу, актуальную до настоящего времени, позволяющую планировать новые экспериментальные подходы.

Нкоторые характеристики рецептивных полей на различных уровнях зрительной системы. Каждый глаз доставляет в мозг информацию от регионов сетчатки различного размера. Особое внимание глаз уделяет не диффузному освещению или абсолютному значению энергии, поглощенной фоторецепторами. Наоборот, зрительная система старается выделить информацию о контрастности, сравнивая уровни активности клеток соседних рецептивных полей. На каждом более высоком уровне подобного рода нейронные расчеты приводят к более сложно организованным пространственным феноменам.

Весь этот труд может быть оценен, принимая во внимание типы сигналов, генерируемых квадратным пятном света. Ганглиозная клетка сетчатки с «on» -центром, расположенная в пределах этого квадрата, повысит свою активность (по крайней мере, в начале), в то время как активность клетки с «off» -центром будет подавлена. Однако наилучшим образом будут стимулированы те ганглиозные клетки, изображение на которых обладает максимальным контрастом — т. е. центры которых находятся в непосредственной близости к границе между светлыми и темными зонами и, следовательно, имеющие минимум активных ингибирующих зон. Нейроны в ЛКТ ведут себя сходным образом. Кортикальные клетки имеют рецептивные поля, лежащие или полностью в пределах квадрата, или за его пределами, не посылая никаких сигналов в ответ на диффузное освещение, которое не является для них эффективным стимулом. Только те простые клетки, рецептивные поля которых ориентированы на совпадения вертикальной и горизонтальной границ квадрата, могут быть им стимулированы.

Подобные же рассуждения можно применить к стимуляции сложных клеток, которые также требуют определенным образом ориентированных полосок света или границ. Конечно-прерывистая сложная клетка способна обнаружить угол квадрата или окончание линии. Это является важным отличием, особенно с учетом того факта, что глаз постоянно совершает небольшие саккадические движения. Эти перемещения глаз не воспринимаются нами как движение объектов в поле зрения, однако они очень важны для предупреждения адаптации фоторецепторов, которое происходило бы, если бы глаз был неподвижен. Каждое микродвижение («microsaccade») приводит к активации новой популяции простых клеток, имеющих абсолютно ту же ориентацию, однако рецептивные поля которых немного смещены друг относительно друга. Для сложных же клеток, которые способны «видеть» квадрат, граница, определенным образом ориентированная, может проходить где угодно в пределах поля. Таким образом, большинство сложных клеток не изменят своей активности при движениях глаза до тех пор, пока перемещения глаза малы и паттерн не выходит за пределы их рецептивных полей. Если все предыдущие выкладки верны, можно прийти к неожиданному выводу, что первичная зрительная кора получает очень мало информации об абсолютном уровне однотонного освещения в пределах пятна квадратной формы. Сигналы поступают только от клеток, рецептивные поля которых расположены близко к границе объекта. Гипотезу также подтверждают легко воспроизводимые психофизические эксперименты. Светлый квадрат, окруженный темным бордюром, будет казаться нам более темным при увеличении яркости фона. Другими словами, мы воспринимаем разницу или контраст на границе, и только таким образом мы можем оценить яркость однотонно освещенной зоны. Однако это не говорит о том, что общая освещенность совсем не берется в расчет нервной системой. Например, зрачок изменяет свои размеры в зависимости от интенсивности проходящего света в больших пределах. Регулирование размеров зрачка происходит по механизму обратной связи, которая осуществляется в том числе и при помощи зрительного нерва (который посылает эту информацию в ЦНС).

Работы Хьюбеля, Визеля и многих других сделали очевидным тот факт, что первым общим шагом в анализе зрительной информации является распознавание линии и краев при помощи рецептивных округлых полей сетчатки и принципа «центр-фон». На уровне V1 зрительная система начинает анализировать форму предмета на основе карты сетчатки. Обнаружение этих связей дало нам возможность немного понять то, каким же образом «работает» головной мозг. Но эти первые шаги по распознаванию линии или даже угла остаются еще очень далеки от полного зрительного распознавания, когда, комбинируя форму, цвет, размер и движения предмета, мы может определить, что это: корова, машина или лицо друга.

Выводы

Латеральное коленчатое тело таламуса получает сигналы от ганглиозных клеток сетчатки. Сигналы от обоих глаз направляются в различные слои.

Слои латерального коленчатого тела функционально различны. Имеется три основных типы ответов клеток: крупноклеточные (magnocellular), мелкоклеточные (рагvocellular) или кониоклеточные (koniocellular).

Шесть слоев первичной зрительной коры служат исходными и дальнейшими этапами анализа сигнала в коре.

Афферентные сигналы от обоих глаз разделяются в слое 4С стриарной коры, образуя колонки зрительного доминирования, которые можно определить либо физиологически, либо анатомически.

Крупноклеточные и мелкоклеточные слои ЛКТ проецируются различным образом в разные подслои коркового слоя 4С.

Рецептивное поле одной клетки ЛКТ имеет концентрическую («центр-фон») организацию, повторяя строение поля ганглиозной клетки сетчатки и слабо отвечая на однотонное освещение.

Простые клетки полосатой зрительной коры отвечают на определенным образом ориентированные полоски света или тени. Рецептивные поля здесь могут быть «размечены» при помощи пятен света, они образованы как бы несколькими примыкающими друг к другу с боков рецептивными полями ЛКТ.

Сложные клетки полосатой коры также отвечают на ориентированные световые полоски и границы. Однако их рецептивные поля не могут быть отмечены при помощи пятен света, поскольку результат является конвергенцией множества сигналов простых клеток, рецептивные поля которых примыкают друг к другу.

Торцевое торможение появляется тогда, когда имеется дополнительная угнетающая зона, определяющая оптимальную длину стимула для простой или сложной клетки.

1. Callaway, Е. М. 1998. Local circuits in primary visual cortex of the macaque monkey. Anna Rev. Neurosci. 21: 47−74.

2. Ferster, D., and Miller, K. D. 2000. Neural mechanisms of orientation selectivity in the visual cortex. Anna. Rev. Neurosci. 23: 441−471.

3. Gilbert, C. D. 1983. Microcircuitry of the visual cortex. Anna. Rev. Neurosci. 6: 217−247.

4. Hendry, S.H.C., and Calkins, D.J. 1998. Neu-ronal chemistry and functional organization in the primate visual system. Trends Neurosci. 21: 344−349.