научная статья по теме РАЗВИТИЕ СИСТЕМ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ ЗРИТЕЛЬНОЙ КОРЫ КОТЯТ В УСЛОВИЯХ БИНОКУЛЯРНОЙ РИТМИЧЕСКОЙ СВЕТОВОЙ СТИМУЛЯЦИИ РАЗНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ Биология

Текст научной статьи на тему «РАЗВИТИЕ СИСТЕМ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ ЗРИТЕЛЬНОЙ КОРЫ КОТЯТ В УСЛОВИЯХ БИНОКУЛЯРНОЙ РИТМИЧЕСКОЙ СВЕТОВОЙ СТИМУЛЯЦИИ РАЗНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ»

ЖУРНАЛ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, 2015, том 65, № 1, с. 14-18

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

УДК 612.821.6

РАЗВИТИЕ СИСТЕМ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ ЗРИТЕЛЬНОЙ КОРЫ КОТЯТ В УСЛОВИЯХ БИНОКУЛЯРНОЙ РИТМИЧЕСКОЙ СВЕТОВОЙ СТИМУЛЯЦИИ РАЗНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ

© 2015 г. Н. С. Меркульева1, Р. С. Иванов2, И. В. Бондарь2

1Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН, Москва, e-mail: mer-natalia@yandex.ru, 2Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва,

e-mail: bondar_iv@inbox.ru Поступила в редакцию 12.05.2014 г. Принята в печать 20.10.2014 г.

На 3-х группах котят (две экспериментальные и группа контроля) методом оптического картирования по внутреннему сигналу и методом гистохимического анализа срезов головного мозга показано влияние ритмической световой стимуляции на процесс онтогенетического созревания ориентационных колонок и цитохромоксидазных модулей в зрительном поле 18. Животные первой и второй группы с рождения содержались в условиях ритмической световой стимуляции, длящейся по 3 ч или 12 ч в сутки, соответственно. Впервые исследована роль бинокулярной коактивации per se, не сопровождающейся страбизмом, в развитии корковых колонок во время критического периода онтогенеза. Выявлен разнонаправленный, для двух типов корковых колонок, эффект стимуляции, который сохраняется как минимум в течение 2-х недель после прекращения воздействия. Оказалось, что длительность экспериментального воздействия определяет глубину функциональных и анатомических изменений: выявленные изменения более значимы в группе животных, стимулировавшихся по 12 ч в сут.

Ключевые слова:ритмическая световая стимуляция, ориентационная колонка, цитохромоксидаз-ные "блобы", поле 18, котята, созревание, оптическое картирование по внутреннему сигналу.

Binocularly Co-Activation Modulate Development of Functional Modular Systems in Cats Visual Cortex

N. S. Merkul'yeva1, R. S. Ivanov2, I. V. Bondar2

1Pavlov Institute of Physiology RAS, Moscow, e-mail: mer-natalia@yandex.ru, 2Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology RRAS, Moscow, e-mail: bondar_iv@inbox.ru

Using optical imaging technique and method for histochemical cytochrome oxidase revealing we investigated in three kitten's groups (two experimental and one control) a rhythmically light stimulation on ontogenetic development of orientation columns and cytochrome oxidase blobs in visual area 18. Experimental animals were stimulated by rhythmical light for 3 hrs or 12 hrs per day respectively. It was first obtained that binocular co-activation per se, not accompanied by strabismus, indeed influences cortical columns formation during critical period. We show an opposite effect of stimulation on two different types of cortical columns, and also revealed that these affects are have retained for at least 2 weeks after stimulation was terminated. It was obtained that duration of rhythmically light stimulation determines a volume of functional and anatomic alterations: alterations revealed were more pronounced in animals stimulated for 12 hrs per day.

Keywords: rhythmically light stimulation, orientation column, cytochrome oxidase blobs, area 18, kittens, maturation, optical imaging by intrinsic signal.

DOI: 10.7868/S0044467715010104

Одним из свойств нервной системы является адаптивность — способность к приспособительным изменениям под действием внешних и внутренних факторов — иначе, нейрональная пластичность. Классическим объектом для изучения механизмов нейро-нальной пластичности под действием внешней среды является зрительная кора, особенно ее структурно-функциональные единицы — корковые колонки, которых в первичной зрительной коре выявлено несколько типов: глазодоминантные, ориентационные, дирек-циональные, цитохромоксидазные (ЦО)

"блобы"1 [Hübener et al., 1997; Horton, Adams, 2005]. У животных с развитым бинокулярным зрением экспериментальное изменение зрительного опыта обычно осуществляется модификацией согласованности входов со стороны двух глаз [Daw, 2006]: за счет монокулярной депривации (дезактивации одного из ретинальных входов) или создания искусственного косоглазия (рассогласования рети-нальных входов). Другим, менее изученным, способом является искусственная синхронизация ретинальных входов — бинокулярная ритмическая световая стимуляция. Этот способ представляет особый интерес, так как позволяет провести тестирование гипотезы о важности временного фактора в развитии зрительных колонок. Предположения о критическом значении синхронного/асинхронного поступления информации на сетчатку высказывались неоднократно [Stryker, Strickland, 1984; Katz, Shatz, 1996], однако механизмы этого воздействия до сих пор неизвестны. Целью настоящей работы явилось исследование формирования двух типов корковых колонок: ориентационных колонок и ЦО "бло-бов" — в зрительной коре котят, выросших в условиях бинокулярной ритмической световой стимуляции, являющейся или единственным или добавочным к норме источником зрительного опыта.

МЕТОДИКА

Процедуры выращивания животных и протоколы острых экспериментов были одобрены Комиссией по этике Института ВНД и НФ РАН и Института физиологии им. И.П. Павлова РАН, эксперименты выполня-

1 Мы используем русскоязычную транскрипцию английско-

го термина "blob", а не перевод термина, по аналогии с понятием "баррель" ("barrel cortex") соматосенсорной коры грызунов.

лись в соответствие с требованиями Директивы Совета Европейского парламента по защите животных, используемых для экспериментальных и других научных целей (2010/63Еи). Работу проводили на 18 нормально пигментированных котятах обоего пола. Двенадцать котят (группа ритмической световой стимуляции, РСС) со дня открытия глаз и до возраста 3—4 мес. растили в комнатах, единственным источником света в которых являлись расположенные на стенах панели свето-диодов, мерцающих с частотой 15 Гц (длительность вспышки 40 мс, яркость 40 кд/м2). Каждая из двух имеющихся в помещении панелей содержала по 35 светодиодов (сила света каждого 1 кд). Стимуляцию осуществляли в режиме "3 ч стимуляция: 9 ч обычное освещение:12 ч полная темнота" (группа РСС-3, п = 7) или "12 ч стимуляция:0 ч обычное освещение: 12 ч полная темнота" (группа РСС-12, п = 5). Шесть котят составили группу контроля и были выращены в обычных виварных условиях (режим освещения 12 ч свет/12 ч темнота). По достижении котятами возраста 3—4 мес. проводили исследование системы ориента-ционных колонок в зрительной коре методом оптического картирования зрительной коры по внутреннему сигналу (подробно процедура представлена нами ранее в работах [Бондарь и др., 2011; Меркульева и др., 2013]. Картирование проводили под общим наркозом (изначально — смесь золетила и ксилазина, в отношении 1:3; 0.2 мл смеси/кг веса, в/м; после — пропофол, непрерывное в/в введение, скорость 2—4 мг/кг/ч) [Бугрова и др., 2013]. Трепанационное отверстие располагалось над обоими полушариями (центр отверстия АР = —3 мм; МL = 0 мм по координатам Хорс-ли—Кларка). Животных монокулярно стимулировали черно-белыми решетками пространственных частот 0.1; 0.2 и 0.8 цикл/град и двух уровней контраста (0.5 и 1.0), движущимися со скоростью 6 град./с. Базовый уровень активации коры определяли по интенсивности оптических карт, построенных в ответ на предъявление выключенного экрана монитора. Для определения границы полей 17 и 18 сопоставляли карты, полученные на предъявление решеток низкой (0.1 цикл/град) и высокой пространственных частот (0.8 цикл/град). Анализировали амплитудные оптические карты, на которых зоны высокой активации (локусы ориентационной селективности, СЕЛ) маркированы градацией от светло-серого до белого, а зоны низкой активации (локусы син-

16

МЕРКУЛЬЕВА и др.

А

Б

0.06

О

к —

НОР

РСС 3

В

0.6

Li

РСС 12

0J

|Ориентационные колонки Q Цитохромоксидазные блобы

Рисунок. Развитие ориентационных колонок и цитохромоксидазных "блобов" поля 18 кошки в условиях ритмической световой стимуляции. А — ориентационная оптическая карта, содержащая ориен-тационные колонки (локусы СЕЛ) и зоны сингулярности (локусы СИНГ). Калибровочный маркер 500 мкм.

Б — тангенциальный срез коры, содержащий "блобы" и соседние с ними "интер-блобы". Калибровочный маркер 1000 мкм.

В — график, иллюстрирующий изменение значений коэффициентов сегрегации двух типов корковых колонок: отношение оптической плотности "блобов" и "интер-блобов", БИО (серые столбики), и отношение яркости локусов селективности и сингулярности, ССО (черные столбики). По оси абсцисс — три группы животных: норма (НОР), 3-часовая ежедневная ритмическая световая стимуляция (РСС 3) и 12-часовая ежедневная ритмическая световая стимуляция (РСС 12). По оси ординат слева —

значения БИО, по оси ординат справа — значения ССО.

уровень значимости р = 0.001.

Fig. Orientation columns and cytochrome oxidase blobs development under rhythmic light stimulation. A — orientation optical map, contained orientation columns (SEL loci) and singularity zones (SING loci). Calibration 500 mkm.

E — area 18 tangential slice, contained "blobs" and neighbored "inter-blobs". Calibration 1000 mkm. B — diagram illustrated segregation values for two cortical columns: "blobs" and "inter-blobs" optical density ratio, BIR (gray column), and selectivity and singularity loci ratio, SSR (black column). Abscissa — three animal groups: norm (NOR), 3-hr daily rhythmic light stimulation (RLS 3) and 12-hr daily rhythmic light stimulation (RLS 12). Left ordinate — BIR values, right ordinate — SSR values. *** — confidence level p = 0.001.

0

гулярности, СИНГ) представлены в виде черных точек (рисунок, А). По окончании картирования животных транскардиально перфузировали, мозг извлекали, зрительную кору отпрепаровывали и изготавливали ее тангенциальные срезы толщиной 40 мкм, которые обрабатывали согласно протоколу выявления дыхательного фермента цитохромокси-дазы [Wong-Riley, 1979]. В качестве усилителя хромогена (диаминобензидин) использовали NiCl, который позволяет получать наиболее контрастные изображения ЦО "блобов". ЦО "блобы" на срезах представляют собой темные области, окружаю

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.

Показать целиком