Модульная организация механизмов ахроматического зрения: от человека к простым нервным системам

Представлены результаты экспериментального исследования ахроматического зрения улитки Helix lucorum, полученные путем одновременной регистрации суммарной электрической активности глаза и оптического нерва. Обсуждается гипотеза о том, что в зрительных системах человека и животных интенсивность света кодируется двумерным «вектором возбуждения», компонентами которого являются реакции «яркостных» (on-типа) и «темновых» (off-типа) нейронов.

Введение

В классической нейрофизиологии зрения механизм кодирования яркости света ассоциируется с активностью одного типа нейронов, так называемых «яркостных» нейронов on-типа, частота разрядов которых монотонным образом связана с величиной интенсивности освещения. Однако в современных психофизиологических исследованиях зрения человека и животных обнаруживается, что интенсивность света кодируется двумерным «вектором возбуждения», компонентами которого являются реакции как «яркостных» (on-типа), так и «темновых» (off-типа) нейронов (Соколов, 2003). Это означает, что в каждый момент времени наличное ощущение интенсивности (яркости) света определяется соотношением в активности яркостного и темнового нейронных систем, оппонентным образом реагирующих на свет и затемнение: увеличение интенсивности света приводит к возбуждению яркостного и торможению темнового каналов, тогда как уменьшение освещения вызывает обратный эффект. При таком способе кодирования параметры ответов каждого из двух нейронных модулей – яркостного или темнового – утрачивают самостоятельное значение, и интенсивность света однозначно определяется только cоотношением их активности. Кодирование интенсивности света «вектором возбуждения», компонентами которого являются реакции темновых и яркостных нейронов, получило наименование «векторного кодирования яркости» (Соколов, 2003). Проверка гипотезы о векторном способе кодировании яркости была реализована в психофизиологических экспериментах с человеком, а также в поведенческих и нейрофизиологических опытах на животных (обезьяна, кролик, рыбы, лягушка, моллюск) (Соколов, 2003; Измайлов и др., 2006). В этих экспериментах методами многомерного шкалирования были построены двухканальные модели ахроматического зрения, которые для человека и всех исследованных животных имели вид двумерной сферы (Измайлов и др., 1989; Измайлов, Исайчев, Шехтер, 1998; Измайлов и др., 2006; Черноризов и др., 2009; Chernorizov, Soklolov, 2010). В терминах нейрофизиологии двумерность моделей ахроматического зрения может интерпретироваться как свидетельство того, что в различение градаций яркости вовлечены два оппонентных друг другу нейронных механизма. Основная задача наших исследований зрительной системы моллюска – проверка гипотезы о том, что модульный (векторный) принцип организации механизмов ощущений яркости является универсальным в широком ряду животных, включая беспозвоночных. В предыдущей серии работ с внутриклеточной регистрацией мы обнаружили в сетчатке глаза улитки два типа светочувствительных элементов – «яркостных» и «темновых», аналогичных «яркостным» (on-типа) и «темновым» (off-типа) нейронам в зрительной системе позвоночных (Черноризов и др., 2009; Шехтер, Греченко, 2009; Chernorizov, Sokolov, 2010). Данное исследование является логическим продолжением этой серии и посвящено изучению темнового и яркостного нейронных модулей яркостной системы зрения моллюска методами регистрации и анализа суммарной электрической активности глаза (электроретинограммы) и суммарной электрической активности оптического нерва.

Введение

В классической нейрофизиологии зрения механизм кодирования яркости света ассоциируется с активностью одного типа нейронов, так называемых «яркостных» нейронов on-типа, частота разрядов которых монотонным образом связана с величиной интенсивности освещения. Однако в современных психофизиологических исследованиях зрения человека и животных обнаруживается, что интенсивность света кодируется двумерным «вектором возбуждения», компонентами которого являются реакции как «яркостных» (on-типа), так и «темновых» (off-типа) нейронов (Соколов, 2003). Это означает, что в каждый момент времени наличное ощущение интенсивности (яркости) света определяется соотношением в активности яркостного и темнового нейронных систем, оппонентным образом реагирующих на свет и затемнение: увеличение интенсивности света приводит к возбуждению яркостного и торможению темнового каналов, тогда как уменьшение освещения вызывает обратный эффект. При таком способе кодирования параметры ответов каждого из двух нейронных модулей – яркостного или темнового – утрачивают самостоятельное значение, и интенсивность света однозначно определяется только cоотношением их активности. Кодирование интенсивности света «вектором возбуждения», компонентами которого являются реакции темновых и яркостных нейронов, получило наименование «векторного кодирования яркости» (Соколов, 2003). Проверка гипотезы о векторном способе кодировании яркости была реализована в психофизиологических экспериментах с человеком, а также в поведенческих и нейрофизиологических опытах на животных (обезьяна, кролик, рыбы, лягушка, моллюск) (Соколов, 2003; Измайлов и др., 2006). В этих экспериментах методами многомерного шкалирования были построены двухканальные модели ахроматического зрения, которые для человека и всех исследованных животных имели вид двумерной сферы (Измайлов и др., 1989; Измайлов, Исайчев, Шехтер, 1998; Измайлов и др., 2006; Черноризов и др., 2009; Chernorizov, Soklolov, 2010). В терминах нейрофизиологии двумерность моделей ахроматического зрения может интерпретироваться как свидетельство того, что в различение градаций яркости вовлечены два оппонентных друг другу нейронных механизма. Основная задача наших исследований зрительной системы моллюска – проверка гипотезы о том, что модульный (векторный) принцип организации механизмов ощущений яркости является универсальным в широком ряду животных, включая беспозвоночных. В предыдущей серии работ с внутриклеточной регистрацией мы обнаружили в сетчатке глаза улитки два типа светочувствительных элементов – «яркостных» и «темновых», аналогичных «яркостным» (on-типа) и «темновым» (off-типа) нейронам в зрительной системе позвоночных (Черноризов и др., 2009; Шехтер, Греченко, 2009; Chernorizov, Sokolov, 2010). Данное исследование является логическим продолжением этой серии и посвящено изучению темнового и яркостного нейронных модулей яркостной системы зрения моллюска методами регистрации и анализа суммарной электрической активности глаза (электроретинограммы) и суммарной электрической активности оптического нерва.

Процедура и методы исследования

Опыты проводились на темноадаптированном полуинтактном препарате виноградной улитки (Helix pomatia), включающем глаз, окологлоточное ганглионарное кольцо и оптический нерв, связывающий эти структуры. В качестве фотостимулятора использовали экран монитора компьютера. Стимулами служили гомогенные монохромные вспышки света различной длительности (от 100 мс до 3 с), яркости (в диапазоне от 2 кд/м² до 75 кд/м²) и цвета. Одновременная регистрация электроретинограммы и активности оптического нерва осуществлялась с использованием стандартной электрофизиологической аппаратуры. Для сбора и обработки электрофизиологических данных использовались программы Conan (Кулаичев, 2002) и Statistica 5.

Результаты исследования

Электроретинограмма виноградной улитки, в отличие от ЭРГ позвоночных, включает только роговично-позитивный компонент, латентность и амплитуда которого варьирует в пределах 2÷3 с и 0,3÷0,9 мВ соответственно. Анализ этого компонента на стимулы разной интенсивности и спектрального состава показал, что сетчатка улитки наиболее чувствительна к изменениям в интенсивности стимулов синего цвета. Таким образом, главной составляющей ЭРГ является позитивный пик, «привязанный» к моменту включения стимула. В соответствии с общепринятой классификацией световых реакций (Hartline, 1940), мы обозначили этот пик как «on»-пик («on»-ответ). За on-ответом всегда следует фаза медленного затухания реакции, которая никогда не сопровождается off-ответом на выключение, противоположным по знаку on-ответу на включение света. Это является еще одним характерным отличием ЭРГ улитки от ЭРГ позвоночных животных с четко выраженным off-пиком в виде так называемой «d-волны». В отличие от ЭРГ, суммарная реакция на свет оптического нерва двухфазна: первая фаза этого ответа, так же как и «on»пик в составе ЭРГ, связана с включением светового стимула и может быть обозначена как «on»-ответ зрительного нерва на свет. Второй всплеск спайковой активности оптического нерва совпадает по времени с моментом медленного возвращения потенциала ЭРГ к фоновому уровню. С целью проверки гипотезы о том, что вторая фаза ответа оптического нерва является реакцией на выключение светового стимула, т. е. «off»-ответом, изучалась зависимость между временем появления второй фазы ответа оптического нерва и моментом выключения света в условиях варьирования длительности стимуляции. В результате было обнаружено, что, в соответствии с гипотезой, увеличение длительности фиксированного по интенсивности светового стимула от 100мс до 36с сопровождается возрастанием латентного периода второй фазы спайковой активности оптического нерва.

Таким образом, исследование одновременно регистрируемых ЭРГ и реакций оптического нерва свидетельствует о том, что периферическая часть зрительной системы улитки способна различать достаточно малые перепады в интенсивности освещения. При этом максимум яркостной дифференциальной чувствительности приходится на область синих цветов. Это находится в полном соответствии с тем фактом, что фоторецепторы улитки содержат только один пигмент – родопсин, оптимум поглощения которого приходится на сине-зеленую область видимого спектра с пиком на 490–500 нм (Chernorizov et al., 1994). Какие клеточные структуры являются источником ЭРГ виноградной улитки? В пользу фоторецепторного происхождения ЭРГ виноградной улитки свидетельствует ее форма, напоминающая инвертированную по знаку форму внутриклеточной реакции отдельного фоторецептора (Brown, Flaming, 1977). ЭРГ с такой же простой формой можно зарегистрировать и от глаза со сложной сетчаткой (например, кошки), если с помощью определенных воздействий исключить работу клеток внутреннего ядерного слоя, сохранив нормальное функционирование фоторецепторов. Однако содержащие один и тот же пигмент фоторецепторы виноградной улитки неоднородны как морфологически, так и функционально. Морфологически, по размерам микровиллярного аппарата, фоторецепторы сетчатки улитки делят на два типа (Зайцева, 1992). Функционально фоторецепторы виноградной улитки также неоднородны, поскольку одна их часть реагирует на свет деполяризационным, а другая – гиперполяризационным смещением фонового (темнового) уровня мембранного потенциала. Поскольку этот результат получен не только на интактной сетчатке (Черноризов и др., 2009; Chernorizov, Sokolov, 2010), но и при исследовании полностью изолированных клеток (Шехтер, Греченко, 2009), то можно утверждать, что разнонаправленность фоторецепторных ответов у виноградной улитки обусловлена эндогенно, т. е. свойствами самих фоторецепторов. Несмотря на то, что потенциалы отдельных фоторецепторов улитки имеют противоположную полярность, суммарный электрический ответ ее сетчатки «монополярен» и состоит только из одного роговично-позитивного колебания «on»типа при отсутствии «off»-реакции выключения. Это может быть объяснено следующим образом. Латентный период световых реакций у обоих типов фоторецепторов одинаков, но реакции гиперполяризационного типа характерны лишь для относительно небольшой части фоторецепторов (Шехтер, Греченко, 2009). Как следствие, в интегральной форме (ЭРГ) активность этого типа клеток может маскироваться активностью доминирующих в сетчатке фоторецепторов, гиперполяризующихся светом. Можно предположить далее, что фоторецепторы этих двух типов представляют собой «яркостные» (возбуждаемые светом, деполяризующиеся) и «темновые» (тормозимые светом, гиперполяризующиеся) элементы сетчатки. А тогда отсутствие проявлений off-пика (эффекта выключения света) в ЭРГ виноградной улитки объясняется не отсутствием специализированной «темновой системы» в сетчатке улитки, а ее «маскировкой» активностью доминирующей «яркостной системы».

В отличие от ЭРГ, в светоиндуцированной активности оптического нерва присутствуют как on-ответ на включение света, так и off-разряд, следующий за выключением стимула. Эти реакции, по-видимому, принадлежат разным популяциям нервных волокон, поскольку представлены потенциалами действия разной амплитуды. Если для on-ответа характерны относительно высокоамплитудные потенциалы действия (ПД), то в off-реакцию вовлечены низкоамплитудные ПД. Кроме того, по сравнению с on-ответом off-реакция менее выражена, что говорит об относительно небольшом числе волокон, реагирующих на выключение освещения. Это позволяет связать происхождение off-ответа оптического нерва с деятельностью малочисленных фоторецепторов, гиперполяризующихся светом и, соответственно, деполяризующихся его выключением (последнее и является, по сути, механизмом off-реакции). Таким образом, данные внутриклеточных исследований и исследований суммарной электрической активности глаза моллюска в совокупности позволяют предполагать, что в ахроматической зрительной системе виноградной улитки «яркостный» и «темновой» модули формируются уже на уровне фоторецепторов. В зрительных системах животных, сетчатка которых значительно сложнее, чем сетчатка виноградной улитки, «яркостный» и «темновой» каналы образуются на более высоком клеточном уровне. Так, у рыб проявление активности этих каналов впервые обнаруживается в слое биполярных клеток сетчатки (Соколов, 2003; Chernorizov, Sokolov, 2010).

Заключение

Наши собственные и литературные данные свидетельствуют в пользу того, что нейронной основой различения яркости является согласованная активность «on»- и «off»-каналов зрительной системы. Зрительные системы человека и разных животных могут использовать разные «тактические приемы» для формирования «яркостного» (on) и «темнового» (off) модулей: у позвоночных эти модули формируются на уровне нейронов сетчатки (начиная с биполяров), а у беспозвоночных – уже на уровне фоторецепторов. Однако сам принцип оппонентности в функционировании механизмов зрения, предполагающий взаимодействие в реакциях на свет «темнового» и «яркостного» модулей, по-видимому, универсален для позвоночных и беспозвоночных животных.

1. Зайцева О.В. Структурная организация сенсорных систем улитки // Журнал высшей нервной деятельности им. И. П. Павлова. 1992. Т. 42. Вып. 6. С. 1132–1150.
2. Измайлов Ч. А., Исайчев С. А., Шехтер Е.Д. Двухканальная модель различения сигналов в сенсорных системах // Вестник МГУ. Сер. 14. Психология. 1998. № 3. С. 29–40.
3. Измайлов Ч. А., Зимачев М. М., Соколов Е. Н., Черноризов А. М. Двухканальная модель ахроматического зрения лягушки // Сенсорные системы. 2006. Т. 20. № 1. С. 1–11.
4. Измайлов Ч. А., Соколов Е. Н., Черноризов А. М. Психофизиология цветового зрения. М.: Издво Моск. ун-та, 1989.
5. Кулаичев А. П. Компьютерная электрофизиология. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2002.
6. Соколов Е. Н. Восприятие и условный рефлекс. Новый взгляд. М.: УРСС, 2003.
7. Черноризов А.М., Шехтер Е.Д., Греченко Т.Н., Гарусев А.В. Психофизиология ахроматического зрения: от простых нервных систем к человеку // Психология человека в современном мире. Т. 4. 2009. С. 370–377.
8. Шехтер Е. Д., Греченко Т. Н. Два типа фоторецепторов в ахроматической зрительной системе виноградной улитки // Экспериментальная психология. 2009. Т. 2. № 2. С. 5–15.
9. Brown K. T., Flaming D. G. Intracellular recording in outer segments of red and green rods of the toad // Society for Neuroscience Abstracts. 1977. № 3. Р. 554.
10. Chernorizov A.M., Shekhter E.D., Arakelov G.G., Zimachev M.M. The Vision of the Snail: The Spectral Sensitivity of the Dark-Adapted Eye // Neurocsi. & Behav. Physiol. 1994. V. 24. № 1. P. 59–62.
11. Chernorizov A. M., Sokolov E. N. Mechanisms of achromatic vision in invertebrates and vertebrates: A comparative study // Spanish J. Psychology. 2010. V. 13. № 1. P. 18–29.
12. Hartline H. K. The nerve messages in the fibers of the visual pathway // J. Opt. Soc. Am. 1940. V. 30. P. 239–247.