СЕНСОРНЫЕ СИСТЕМЫ, 2014, том 28, № 2, с. 61-75
зрительная система
УДК 612.84
методы иконики и методы картирования мозга в оценке функционального состояния зрительной системы
© 2014 г. Ю. Е. Шелепин, В. А. Фокин, С. В. Меньшикова, О. В. Борачук, С. А. Коскин, А. В. Соколов, С. В. Пронин, А. К. Хараузов, П. П. Васильев, О. А. Вахрамеева
Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН 199034 Санкт-Петербург, наб. Адмирала Макарова, 6
Военно-медицинская академия им С.М. Кирова 194044 Санкт-Петербург, ул. Академика Лебедева, 6 Санкт-Петербургский государственный университет 199034 Санкт-Петербург, Университетская наб., д.7/9 E-mail: уshelepin@yandex.rи
Поступила в редакцию 02.12.2013 г.
Методами цифрового синтеза изображений созданы системы тестов для измерения функционального состояния различных уровней зрительной системы, включая высшие когнитивные процессы. Для оценки реакций мозга на синтезированные тесты использовали психофизические методы измерения и функциональную магнитно-резонансную томографию (фМРТ). Особое внимание уделено клиническим аспектам исследования зрительной коры и ее взаимодействия с другими отделами мозга: с теменной, префронтальной, фузиформной и поясной корой. В рамках комплексного исследования при помощи фМРТ осуществлено определение остроты зрения, контрастной чувствительности, поля зрения, распознавание тестовых изображений разной сложности, в частности лиц, а также проведено исследование механизмов избирательного внимания, принятия решений и подготовки двигательного ответа.
Ключевые слова: зрение, распознавание образов, принятие решений, картирование мозга
ВВЕДЕНИЕ
Проблемы оценки функциональных возможностей зрительной системы и картирование "зрительного мозга" представляют интерес для сенсорной физиологии, для общей, медицинской, инженерной и когнитивной психологии, а также для таких важнейших разделов медицины, как офтальмология, неврология, нейрохирургия и психиатрия. Решение проблем возможно методами нейроиконики, сочетающей методы иконики - цифрового синтеза и анализа тестовых изображений, и методы обработки изображений нейронных карт - регистрации откликов структур мозга на предъявление тестов с точно заданными характеристиками. В данном обзоре представлен анализ только тех работ, которые проведены нами за последние 15 лет при помощи функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ).
Исследование функционального состояния "первичных" звеньев зрительной системы можно
проводить, варьируя физические параметры стимула: размер элементов, контраст, цвет, а "когнитивных звеньев" - изменяя форму изображения и инструкцию по выполнению теста. Хотя зачастую не всегда легко выделить уровень, лимитирующий когнитивные функции. Так, процесс распознавания во многом определен архитектурой и свойствами фовеолы - входного звена зрительной системы (Кемпбелл, Шелепин, 1990; Вахрамеева и др., 2013).
Особый интерес представляет изучение высших когнитивных образований мозга, которые обеспечивают выделение семантической составляющей в тестовых стимулах. В действительности, нет четкой границы между первичными каскадами и высшими. Граница меняется в зависимости от инструкции и контекста. Такие важнейшие конечные этапы работы зрительного анализатора как принятие решения, распознавание образов и участие в организации двигательного ответа, могут осуществляться на разных
уровнях зрительной системы. Однако в тексте мы будем придерживаться традиционного деления на высшие и низшие уровни зрительного анализатора.
Согласно традиционному делению зрительного анализатора, первичный каскад обработки зрительной информации включает оптику глаза и взаимодействие сетчатки глаза с подкорковыми ядрами и с затылочной корой. Обычно подразумевают работу сетчатки во взаимодействии с наружным коленчатым телом (НКТ) и первичным корковым отделом зрительного анализатора VI, называемым также стриарной корой или цитоар-хитектоническим полем 17 по Бродману (ВА17). Под следующим каскадом обычно понимают взаимодействие стриарной коры ВА17 с престри-арной корой ВА18 или V2, и с ранее казавшейся морфологам единой цитоархитектонической зоной ВА19, функционально очень разрозненной (У3, У4, У5). Затем в обработку включаются последующие каскады, обеспечивающие взаимодействие затылочной коры с теменной, височной и лобными областями. Между ними происходит именно взаимодействие, а не обычная передача сигнала с каскада на каскад.
Чрезвычайно важно отметить, что зачастую упускают из виду важные связи сетчатки еще и с другими подкорковыми ядрами и отделами коры. Существуют множественные связи сетчатки, минующие наружное коленчатое тело, в частности, идущие через подушку зрительного бугра (через пульвинар) и поступающие оттуда как в подкорковые и корковые ядра эмоциональной сферы, так и непосредственно в высшие зрительные центры, обходя первичную зрительную кору (Подвигин и др., 1986).
Между разными путями обработки сенсорных сигналов постоянно осуществляется взаимодействие, которое происходит и между разными сенсорными системами. Зачастую высшие когнитивные центры имеют множественные связи с разными сенсорными входами, или разными каналами одной сенсорной системы, которые оказывают важнейшее влияние на процессы классификации, распознавания, принятия решений и на организацию двигательного ответа (Стрельников и др., 2004; Черниговская, 2008а; 2008б; 2010; СЬег^оу8кауа й а1., 2003; 2011).
Цель проведенных нами работ - развитие на базе фМРТ аппаратно-программных средств измерения функционального состояния разных звеньев зрительной системы, обеспечивающих важнейшие сенсорные, когнитивные функции мозга - распознавание изображений и принятие решений. Рассмотренные работы являются продолжением уже выполненных исследований, вошедших в предыдущие обзоры (Шелепин и др.,
1985; 1998). Для достижения поставленной цели мы выделили две задачи, решение которых первостепенно. Первая - разработать методы объективного измерения состояния каналов передачи информации из сетчатки в первичную зрительную кору. Для этого в пассивном режиме наблюдения тестов следует измерить остроту зрения, пространственно-частотные характеристики и провести картирование поля зрения. Вторая - заключается в разработке методов оценки важнейших когнитивных функций в процессе активного восприятия и принятия решений, являющихся результатом взаимодействия зрительной коры с другими отделами мозга. В частности, представляет интерес исследование взаимодействия с теменной корой в оценке пространственных отношений, с нижневисочной и лобной корой в задачах классификации объектов, с лобной корой в задачах принятия решений.
МЕТОДЫ
Стимулы. Для изучения остроты зрения, контрастной чувствительности, частотно-контрастных характеристик применяют различные стимулы, их еще называют оптотипы, тест-изображения. Мы синтезировали оптимальные (Watson et al., 1983) стимулы - синусоидальные решетки, модулированные функцией Гаусса, или элементы Га-бора разной пространственной частоты (рис. 1). Из элементов Габора синтезировали более сложные изображения - матрицы с различной степенью упорядоченности. Матрицы слабо упорядоченные, в которых, например, 16 или 24% элементов имели одинаковую ориентацию, и более упорядоченные, в которых одинаковую ориентацию имели 56 или даже 64% элементов Габора (рис. 2). Эта упорядоченность была статистически равномерна для всей матрицы-текстуры. Стимулы служат для исследования как простых, так и более сложных процессов: различение текстур по степени упорядоченности ориентационной структуры изображений, обнаружение когерентного вращения решеток в матрице. Указанные оптотипы пригодны для определения остроты зрения, которая в таком случае является параметром, лимитирующим обнаружение и распознавание сложных тестовых изображений.
Измерение остроты зрения заключалось в том, что предъявляли тест-изображения с нормированными параметрами с определенного расстояния и регистрировали активность мозга, вызванную их различением, после этого измеряли пороговые угловые параметры различаемых тест-изображений и соотносили их с градациями остроты зрения. Измерения, в наших исследованиях, проводили в условиях пассивного наблюдения (Коскин и др.,
рис. 1. Тестовые стимулы: а - оптимальный тестовый стимул-решетка - элемент Габора. В иконике при решении задач синтеза и обработки изображений принято измерять пространственную частоту в циклах на размер изображения; б - две решетки Габора с одинаковым числом периодов на изображение, но расположенных на разном расстоянии от глаза наблюдателя. Для решения физиологических и клинических задач пространственную частоту измеряют в циклах на угл. град. Угловая пространственная частота для одной и той же решетки Габора, наблюдаемой на разных расстояниях, является разной.
8%
16%
24%
32%
Л ' Л ' ') > 'Л * >
- * Г I ^ -
'/ - Л1 i 'Л < 'у .н >
О -- Д' //, ii\Y ч -
Щ> II i CV i I
//, Ч Ъ n - Ц = \Щ
; i V ?
\N II > v\ > 'y if и '
- ^ - » ' I '/ - ❖ ■I ^ N ^ - vi V $ - Л
'< l|l " ^ 'I 1 I 4
Л ~ i 1,41 II i 5v I»
M ^ Iii /М Ф h tu i
-i ^ ii ........У/ 1)
О >||.u // и \Ч ч\ ^ I» ^
| Л • t ■с > - и
i||iV, in - к и I» -
н г; ^ ^ Ь I $ % ^ 'I
li II' Ь *»|| -s ч\ il
- л .1 4 II //
> ^ > > V ' Л -
ц 's 's 't - ^ i - ~ v
- * ; i 'I T ' л - I ^ r (ISS г * > ч\ ШЗ '/ I i; //Щ// - II - Л и - ^ "s - //, ^iVj =
„ Z, ,4 = ti 's
M i ф>.\ i- ^ ч - А
- II * ^ - i Ii > \V if - -
H - - ^ - $ - ' -
\V = « = = ^ = ^
- V - Ч. -- - //. - - i? - I
ч - ~ - ? и - -
- \V - ii - ъ - - \\ -м - - ? Ä
^ ^ > _ _ i -
- - - К - ^ - // -
^ > J _ л - -
^ /, .i - .1 .л ^
Л - ? ш II - > \\ и 11
'I ^ 'I '// /I и - 'I <
<. ^ II ^ ^ II л // ^
// Ii kl // f. л л 9/ у, s
rt -V ^ II ^ II - II
< .1 h II - il ,h 'I -
- ^ <r t • ^ ^ J
Ii II ^ -Яь.\\ \V II чч
Вж1Н1Н8Я8
|| Щ\\ i и _ I 1,
м и Sani - -91 ii * I I иН II и -.....
'//, .V II -i II II i I II
^ I II Hl '/, I I I '/
Ii ■>' Ii "St- с Ii Ii i: III Ii ^ II ^ и У l 7 II
> I p - i - I V I ^ |i M ^ II $ U l - I •
Ii ........Ii V l|i -i v
* Ъ - * ^ - - Ь ^¿r - -if \\\'//, - 5r И I/ _ л - > о Ц - - ^
^f
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.