СЕНСОРНЫЕ СИСТЕМЫ, 2014, том 28, № 2, с. 49-60
зрительная система
УДК 612.25.5
функциональные особенности рецептивных полей соседних нейронов первичной зрительной коры кошки при разных процедурах картирования
© 2014 г. К. А. Салтыков, н. А. лазарева, Р. В. Иовикова, А. С. тихомиров, М. А. Куликов
Учреждение Российской академии наук Институт высшей нервной деятельности
и нейрофизиологии РАН 117485 Москва, ул. Бутлерова, 5а E-mail: K_Saltykov@mail.ru
Поступила в редакцию 25.11 2013 г.
В первичной зрительной коре кошки были исследованы рецептивные поля (РП) соседних нейронов при классическом и двух типах сочетанного картирования: с дополнительной активацией либо собственного возбудительного центра, либо возбудительного центра РП соседней клетки. При со-четанном картировании в популяции исследованных нейронов происходило уменьшение площади и веса возбудительной зоны и увеличение этих характеристик у тормозных зон РП, что свидетельствует об активации преимущественно тормозных внутрикортикальных связей. Математический анализ данных (кластерный анализ и процедура неметрического многомерного шкалирования) показал, что исходная популяция неоднородна и в ней выделяются три группы нейронов, у которых баланс возбуждения и торможения существенно различается в разных ситуациях картирования. У нейронов первой группы (23.4%) доминирует возбуждение. Они характеризуются максимальной по площади и весу возбудительной зоной РП при всех типах картирования и максимальным отношением возбуждение/торможение. У нейронов второй группы (38.3%) доминирует торможение: они имеют максимальную по площади и весу тормозную и минимальную возбудительную зоны РП при сочетанном картировании, а также минимальное отношение возбуждение/торможение. У нейронов третьей группы (38.3%) наблюдаются более сбалансированные отношения между возбуждением и торможением.
Таким образом, исследование межнейронного взаимодействия показало, что баланс возбуждения и торможения в локальных сетях имеет большое значение для формирования РП нейронов. Нейроны со сходным балансом между этими процессами образуют кластеры в первичной зрительной коре кошки.
Ключевые слова: кошка, первичная зрительная кора, рецептивные поля, взаимодействие соседних нейронов, картирование.
ВВЕДЕНИЕ
Детекторные свойства нейронов существенно зависят от взаимной топографии возбудительных и тормозных зон рецептивных полей (РП) нейронов, а также временного соотношения их активации, хотя эта зависимость носит не всегда четкий и однозначный характер ^атр1 et а1., 2001).
Структуру РП нейронов определяют с помощью различных процедур его картирования. Способ картирования РП, при котором "зона интереса" тестируется вспыхивающими световыми стимулами, называется "классическим" картированием. Этот тип картирования в основном выявляет
возбудительную зону РП. Значительно реже используется процедура картирования, при которой классическое тестирование сопровождается дополнительной активацией возбудительного центра РП, что увеличивает частоту "спонтанной" активности нейрона, на фоне которой проявляются тормозные зоны (Bishop et al., 1971). Такую процедуру использовали и мы, называя ее сочетан-ным картированием (Лазарева и др., 2006; 2008). Этот тип картирования вызывает существенную модификацию РП - уменьшение или исчезновение основной возбудительной зоны, появление тормозных и дополнительных возбудительных зон (Лазарева и др., 2006; 2008). В настоящей
работе применялось два типа сочетанного картирования - во время первого из них дополнительной активации подвергался собственный возбудительный центр РП, во время второго -возбудительный центр РП соседней клетки.
В современной научной литературе широко обсуждается вопрос о взаимодействии "классической" и "экстраклассической" областей РП при формировании детекторных свойств нейронов и о механизмах, лежащих в основе этого взаимодействия (Angelucci, Bressloff, 2006; Vanni, Casanova, 2013; Series et al., 2003; Yao, Li, 2002). Экстраклассическое РП, несмотря на отсутствие реакции нейрона только на его стимуляцию, может подавлять или облегчать ответы нейрона при стимуляции классического РП (Ishida et al., 2007; Series et al. 2003; Walker et al., 2002) и по типу этого влияния образовывать кластеры в первичной зрительной коре (Yao, Li, 2002). При сочетанном картировании экстраклассическая зона РП может стимулироваться как непосредственно, так и за счет активации внутрикортикальных прямых и возвратных горизонтальных связей исследуемого нейрона с соседними клетками (Лазарева и др., 2006; 2008). Таким образом, структура РП нейронов зависит от внутрикортикального взаимодействия в локальных нейронных сетях зрительной коры.
Цель настоящей работы - оценить особенности локального взаимодействия между соседними нейронами, зарегистрированными одновременно одним электродом, при классическом и двух типах сочетанного картирования.
МЕТОДИКА
Материалы работы. В восьми острых опытах исследовали внеклеточную импульсную активность 47 одиночных нейронов первичной зрительной коры взрослых кошек (94 on- и/или off-карты возбудительных зон и столько же тормозных зон РП). Полная программа исследования РП нейронов включала классическое и два типа сочетан-ного картирования: при активации собственного возбудительного центра и возбудительного центра соседнего с ним нейрона.
Опыты проводили на взрослых кошках (2.53.5 кг), анестезированных золетилом (10 мг/кг, внутримышечно) и иммобилизованных ардуаном (0.1 мг/кг, 10%-ный раствор, внутрибрюшинно). Все болевые точки головы животного обкалывали лидокаином. Операцию и опыты проводили в соответствии с положением Института ВНД
и НФ РАН о работе с экспериментальными животными с соблюдением принципов гуманности, изложенных в директивах Европейского сообщества (86/609IEC) и одобренных комитетом по медицинской этике. Животных интубировали и переводили на искусственное дыхание. Температуру тела и содержание CO2 в выдыхаемом воздухе контролировали и поддерживали на постоянном уровне (38.5° и 3.8% соответственно). В ходе опыта внутриартериально инфузировали раствор Рингера с 1.25%-ной глюкозой. Мигательную перепонку одного из глаз сокращали неосинефри-ном (10%), веки раскрывали; на глаз помещали контактную линзу, перед ним устанавливали кор-рекционную линзу, подобранную проекционной офтальмоскопией для расстояния 57 см. Размер зрачка стабилизировали атропином (1%), второй глаз закрывали непрозрачной перегородкой. Трепанацию черепа проводили над полем 17 со стороны, контралатеральной стимулируемому глазу (P = 0.5-3 мм, L = 0.5-2 мм).
Экспериментальная установка. Установка для исследования импульсной активности нейронов первичной зрительной коры представляла собой комплекс, состоящий из трех персональных компьютеров (ПК), предусилителя, усилителя, комплекса Spike 2 (CED, England), осциллографа. ПК № 1 использовался для зрительной стимуляции кошки, изображение на его мониторе дублировалось на экране перед кошкой. ПК № 2 использовался для управления прибором Spike 2 и усилителем. На нем производился анализ и разделение спайков, а также запись нейронной активности. Также на него поступали сигналы о начале и конце стимула, что позволяло проводить дополнительную обработку сигнала после опыта. ПК № 3 использовался для создания карт рецептивных полей, записи порядка предъявления стимулов, с него поступали сигнал о начале стимуляции на ПК № 1 и сигналы о начале и конце вспышек на ПК № 2.
Регистрация нейронной активности. Импульсные разряды одиночных нейронов зрительной коры отводили вольфрамовыми микроэлектродами с сопротивлением 3-5 МОм. Обычно регистрировали 2-3 нейрона одновременно. Для выделения одиночных нейронов из записи активности регистрируемых нейронов (рис.1, а) в режиме реального времени использовали комплекс Spike 2. Для каждого нейрона по форме, амплитуде и длительности его спайков программа строила "шаблоны", в соответствии с которыми распределяла нейроны по разным каналам. Проверка правильности выбранных шаблонов осущест-
Рис. 1. Пример активности двух нейронов, зарегистрированных одновременно одним электродом в первичной зрительной коре кошки (а-б), и карт их рецептивных полей (в-1, II) при трех типах картирования.
а - запись активности двух соседних нейронов (I, II); б -проверка методом главных компонент разделения этих нейронов (каждая точка в "облаке" соответствует одному спайку); в - карты РП при классическом картировании (1), при сочетанном картировании с активацией собственного разрядного центра нейрона (2) и разрядного центра соседней клетки (3). Диаметр черных точек на картах пропорционален числу достоверно выделенных импульсов в ответах нейрона на тестирующий стимул. Калибровка числа импульсов, усредненная по пяти реализациям, приведена под картами и соответствует на I значениям 4, 3, 2,1 имп, а на II - 6, 5, 4, 3, 2,1 имп. Размер карт составляет 18.4 х 16.3 град.
влялась автоматически с помощью встроенных алгоритмов метода главных компонент. Считалось, что нейроны надежно разделены, если "облака", отображающие значения первых двух главных компонент для спайков каждого нейрона, не перекрываются или это перекрытие незначительно, как на рис.1, б-I, II. Дополнительную коррекцию разделения нейронов выполняли в режиме "off-line".
Световая стимуляция. Опыты проводили при низкой фотопической фоновой освещенности (0.84 св/м2). Яркость стимула составляла 57.3 св/м2, его длительность - 400 мс, а частота предъявления - раз в 2 с. На экране стимулирующего монитора, расположенного на расстоянии 57 см от глаза кошки, сначала вручную находили зону максимальной активности нейрона и совмещали центр этой зоны с центром экрана. Для точного определения локализации РП нейронов сначала проводили тестирование "зоны интереса" по всему экрану монитора. Затем выделяли область РП, разворачивали ее на весь экран и проводили детальное картирование РП световыми пятнами, вспыхивающими в псевдослучайном порядке в каждой точке матрицы 10^10. Размер стимула составлял 0.5-0.75° . Этот тип картирования мы называем классическим картированием (КК). Для каждого
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.