Билатеральные комплекси бочонковых колонок первинної соматосенсорной кори мозку є модулями сприйняття простору

Билатеральные комплекси бочонковых колонок первинної соматосенсорной кори мозку є модулями сприйняття пространства.

В.Н. Ласкавим.

НИИ нейрокібернетики їм. А. Б. Когана, РГУ, Россия Исследованы просторові параметри рецептивних полів (РП) нейронів в корковом представництві С1 кори мозку пацюків латеральних і медіальних рядів вибрисс. Показано, що у бочонковых колонках представництва латеральних вибрисс РП мають овальну форму і орієнтовані вздовж однойменного низки вибрисс. На кожну колонку проектуються все вибриссы контралатеральной боку. Розмір, форма і структура РП залежить від амплітуди стимулу і спільного рівня порушення колонки. Колонки в представництві медіальних вибрисс мають билатеральные РП: їх ипсилатеральное полуполе представлено медіальними рядами вибрисс з низькою проявляемостью реакцій, а контралатеральное — не включає нижні ряди вибрисс. Досліджені реакції нейронів і патерни фокальних викликаних потенціалів (ВП) білатеральних комплексів (БК) бочонковых колонок при різному просторовому становищі тактильних стимулів. Показана специфічність паттернов імпульсної і повільної сумарною активності у БК становищу стимулів в рецептируемом просторі. Показана підвищена чутливість колонок представництва передніх, задніх, верхніх і нижніх вибрисс до найчастіше реализуемым поведінці пацюків напрямам їх відхилення. Досліджувалося просторове розподіл в бочонковых колонках дирекционально виборчих нейронів і визначено їх мережні властивості. Розташування дирекциональных миниколонок у просторі бочонковой колонки відповідає радіальної симетрії рецептируемого простору. Дирекциональная настроювання нейронів на вході колонки забезпечується топікою представництва рецепторів фолликула, але в асоціативному і вихідному рівнях — системою гальмівних интернейронов.

Введение

Способность людини і тварин визначати місце розташування стимулів у просторі, у цьому числі траєкторії їх руху, і орієнтацію, і навіть оцінювати розмір, форму, текстуру поверхні і є багато інших ознак називається просторовим сприйняттям. Цією здатністю наділені органи почуттів вищих хребетних і безхребетних тварин. Спільним проявом механізму сприйняття простору в життєдіяльності людини і тварин є бінарні ефекти просторового розрізнення: бінокулярне зір, бинауральный слух, дириническое нюх і бимануальное (у сенсі) дотик /1/. У еволюції механізми дальномерности і стереосенсорности виникли з урахуванням билатерального плану будівлі тіла активно-подвижных тварин, які мають для успішної орієнтації у просторі сформувалися парні локомоторные і сенсорні органи. Вони виховали, по образним висловом, білатеральний мозок з його вищими відділами, парними великими півкулями, що є базою механізму сприйняття пространства.

К справжньому часу досліджені морфологія і фізіологія межполушарных зв’язків у складі мозолистого тіла, що забезпечує нейронные механізми бінарних ефектів в сприйнятті простору /2,3,4/. Більшою мірою це теж стосується механізмів стереопсиса та інших відомих феноменів зорового сприйняття /4/, і навіть просторового слуху /5/. Попри актуальність проблем, що з з’ясовуванням принципів нейронної організації систем, відповідальних за билатеральное тактильне сприйняття, і навіть способів кодування просторових параметрів тактильних стимулів, розроблено тільки у першому приближении.

Ранее нами отримані результати /6,7/, що свідчать, що кожна з бочонковых колонок в корковом представництві вибрисс мозку пацюки включає до свого складу миниколонки нейронів, кожна з яких детектирует жодну з дирекциональностей рушійної тактильного стимулу. Прозвучало припущення, що схема розташування дирекциональных миниколонок в бочонковой колонці инвариантна радіальної симетрії можливих напрямів згинання вибриссы. Кодування дирекциональности в корковом модулі топического представництва, відповідно до нашому уявленню, здійснюється з допомогою диссимметризации його вихідного збалансованого рівня порушення, перетворюючої колонку в функціональний диполь з певним дирекциональности вектором активности.

Кроме того, засвідчили, що у білатеральних гомотопных колонках в С1 кори мозку пацюків конвергируют, по крайнього заходу, дві топически організовані рецептивные поверхні: рецептори вибрисс — які з перекрестом афферентных колій та рецептори, що під вибриссами вовни, мають двостороннє представництво в бочонковых колонках. Це створює передумови для кодування місцеположення та інших просторових параметрів, відчутних з допомогою вибрисс та вовни під ними тактильних стимулів, просторовими паттернами нейронного порушення в симетричній структурі БК бочонковых колонок /8/.

Целью даної роботи стало подальше вивчення виявлених нами особливостей нейронної організації відповідальних за билатеральное тактильне сприйняття БК бочонковых колонок в С1 кори мозку пацюків, і навіть нейронних механізмів кодування просторових параметрів тактильних стимулов.

Исходной гіпотезою у цьому дослідженні стало уявлення у тому, що БК, як спеціалізовані сенсорні одиниці просторового сприйняття, є функціональними диполями, градієнти активності яких задаються просторовими параметрами тактильних стимулів. У цьому, передбачене нами, але з показану спеціальної літературі для даного сенсорного приладу, перекриття РП нейронів в представництві медіальних рядів вибрисс служить нейронної моделлю середньої лінії тіла, як і описано для зорової системи /4/, переможцем і своєрідною віссю координат в оцінці місцеположення сімейства точок лежить на поверхні объекта.

Для перевірки цієї гіпотези досліджувалося розміри, форма і рівень билатерального перекриття РП нейронів бочонковых колонок в представництві латеральних і медіальних вибрисс, і навіть патерни імпульсної активності нейронів і фокальних ВП різних рівнях БК бочонковых колонок при різному просторовому становищі тактильних стимулів різної дирекциональности.

Обзор литературы

Роль вибрисс в просторової ориентации.

Крысы, поряд з іншими ссавцями, провідними сутінковий спосіб життя, орієнтуються у просторі з допомогою вибрисс. В багатьох видів вибриссы рухаються, мерехтять, і що тонше просторовий аналіз, тим коротше й частіше ощупывающие помахи вибрисс. Є дані про те, що оптимальна частота дослідницьких рухів вибрисс відповідає тетаритму в ЭЭГ-активности пацюків /9/. З допомогою вибрисс здійснюється дистантный аналіз тактильної інформації - є перехідним етапом між рецепторными апаратами контактного і дистантного типу. Довжина вибрисс в деяких видів звірів можна з довжиною тулуба: у піщанки вибриссы мають довжину 15 див при довжині тулуба 10 див. Особливу роль вибриссы грають у ближньої орієнтації. З їхньою допомогою пацюки отримують інформацію про неохваченном зором просторі, «мертвої зоні «, що утворюється внаслідок латерального розташування очей і включає область перед мордою та контроль ній /10,11/.

Удаление вибрисс порушує у пацюків процеси спрямованої локомоции, підтримки рівноваги, орієнтації й маніпуляції з предметами /12,13/, зорово зумовленої оцінки глибини простору /13/. Як свідчать спостереження «відкритому полі «, пацюки одержують з допомогою вибрисс додаткову інформацію при маніпуляції з незнайомими предметами. Водночас обходять навколо предмета, безупинно обмацуючи його з допомогою вибрисс. І вже наступні маніпуляції з предметами повністю залежить результатів їх попереднього дотику: тварини перекочували лише об'ємні і щодо щільні предмети, переносили в зубах чи гризли лише м’які і пухкі предмети, піднімали зубами, не намагаючись скористатися передніми лапками, зовсім плоскі, що прилягають до підлозі, предмети. Це свідчить про про наявність у ході обмацування вибриссами процесу розпізнавання /14/. Очевидно, у процесі дослідницького поведінки встановлюються найбільш спільні смаки й значимі для тваринного ознаки предметів і найближчого навколишнього простору. Це — елементи форми і текстури поверхні, наявність по дорозі перепон чи проходів, відносний розмір яких оцінити, потоки повітря з тим чи іншого боку, що має значення для успішного та адекватної поведінки у умовах зорового дефіциту, обумовленого життям в затемнених местах.

У пацюків вибриссы розташовуються верхній губі п’ятьма рядами, орієнтовані в каудо-ростральном напрямку і умовно позначаються літерами А, У, З, D, Є, починаючи згори. У кожному ряду вибриссы нумерують, починаючи з задніх великих вибрисс. Зменшення довжини вибрисс в ростральном напрямі від 30−50 мм до 4−5 мм біля носа забезпечує одночасний контакт їх кінчиків із помітним предметом при котрі обмацують рухах наприкінці траєкторій. Вважають /15/, що це сприяє більш рівномірним інформаційної завантаженості окремих шерстинок і що з ними вибриссковых нервів. З іншого боку, упорядкований розташування малих акціонерів та великих вибрисс забезпечує широке дозвіл тактильного аналізу. Великі вибриссы забезпечують велику площа рецептируемой поверхні, а густо розташовані дрібні вибриссы — високу розрізнювальну здатність. Билатеральные вибриссы верхніх рядів (Проте й У) при дослідницьких рухах осязают простір, що у безпосередній наближеності до середньої лінії тіла. Вони освічують обабіч предмети, що займають праве і ліве полуполя рецептируемого простору. Ми назвали ці дві низки вибрисс медіальними, оскільки вони у функціональному плані аналогічні шкірним РП, перехідним через середню лінію тіла. Вибриссы рядів З, D та О орієнтовані завглибшки свого полуполя, тому ми називаємо їх латеральними. Очевидно, різна орієнтація рядів вибрисс визначається якісними відмінностями сприймають ними просторової інформації. Медіальні вибриссы мають більше ставлення до сприйняттю билатерально розташованих об'єктів, а латеральні - водночас оцінюють латерализацию об'єктів, їх відстань середньої лінії тіла у своїй полуполе.

Межполушарные зв’язку ПМСБ С1 кори мозку крыс.

Наибольшей щільністю межполушарных зв’язків характеризуються корковые зони представництва осьових частин сенсорної поверхні: вертикальний меридіан зорових РП, а також ділянки соматосенсорной кори, які активуються шкірними і суставными рецепторами, розташованими поблизу середньої лінії тіла на тулуб і голові, але з пов’язує корковые проекції кінцівок /3,4/. Мозолистое тіло пов’язує корковые нейрони в такий спосіб, що й РП заходять вправо і вліво від медіани тіла, поєднуючи цим частини рецептируемого простору в єдину панораму.

Организация каллозальных проекцій постеромедиальной субзоны діжок (ПМСБ) С1 кори мозку пацюків і мишей детально досліджували з допомогою авторадиографических, транспортних і антероградных методів /16,17,18,19 та інших./. Показано, що каллозальные волокна входить у субзону колончатыми пучками, які у низці випадків зливаються на більш великі пучки. Вони піднімаються краєм чи торгівлі між барилами, не маючи контакт із клітинами проекційних модулів. Найбільша щільність терминалей комиссуральных волокон зокрема у шарах 1 і трьох, соціальній та верхню частину шару 5 й у глибині шару 6. Шарувате розподіл термінальних розгалужень пучків каллозальных волокон відповідає дендритной організації пірамід шару 3 і шару 5. Ці пірамідні нейрони мають густо розгалужені дендрити: базальні - не більше того ж шару і апикальные — у верхній частині шару 3 й у шарі 1, із якими і контактують терминали каллозальных афферентов.

Топография каллозальных проекцій в ПМСБ характеризується билатеральной адресностью. Нейрони, дають початок комиссуральным проекціям в субзону протилежного півкулі, одночасно є постсинаптическими для так само проекцій з гомотопных пунктів С1. Їх перикарионы згруповані в колонки, що розташовуються між барилами шару 4, і навіть над й під барилами у 2−3 шарах й у 5−6 шарах /19/. Гистологически не визначено, одержують таламическую афферентацию нейрони каллозальных колонок. Відповідно до /20/, ці колонки не активуються соматичними сенсорними стимулами; можливо, що з пацюки має місце сегрегація таламического і каллозального входів у цій субзоне. Не схоже, проте, що такий поділ є абсолютною для термінальних розгалужень пучків комиссуральных волокон. Їх терминали поширюються дуже широко в супрабочонковых шарах і входить у зустріч із дендритами клітин бочонка.

Большинство авторів /16,17,18,19/ відзначають, що корковое представництво вибрисс з С1 кори мозку пацюків характеризується досить слабким розвитком каллозальных зв’язків по порівнянню коїться з іншими медианными областями проекції тіла. Мале кількість комиссуральных зв’язків в представництві вибрисс є, на думку авторів, трохи несподіваним, т.к. представництво трійчастого нерва в інших видів має як тісний зв’язок. Тому, через малої щільності каллозальных зв’язків, багато авторів, схильні розглядати вибриссы як додаткові сенсорні органи /21/, можна з кінцівками, корковые представництва яких позбавлені каллозальных входов.

Подробно ознайомившись із методикою цих гістологічних досліджень, ми звернули увагу, що у яких результати можна віднести тільки в центральним бочонковым колонкам, що є проекцією латеральних вибрисс рядів З, D, Є. Барила в представництві медіальних вибрисс рядів Проте й У, в певному сенсі, незручні для гістологічного і электрофизиологического досліджень. Вони розташовуються більш височно мало доступні запровадження мікроелектродів і перфузии барвників. Кривизна поля 2 (по Кригу, 1946) не дозволяє їм отримати на тангенциальных зрізах кори мозку, зроблених лише на рівні шару 4 (де чітко виділяються контури окремих діжок), повної картини ПМСБ. Її периферія, куди проектуються медіальні ряди, представлена на зрізах не уплощенных препаратів більш поверхневими верствами, де бочонковые колонки гистологически не виявляються. У минулому нашому дослідженні /22/ в функціонально ідентифіковану бочонковую колонку низки, А вводили мікродози (0,12 мкл) примулина. Аналізувалися тангенціальні зрізи відповідних ділянок плаща кори мозку, приготовлені з різанням із боку білого речовини /28/. На гістологічних препаратах місце запровадження флюорохрома було локальним, не які виходять межі шару 5, і з діаметру не перевищують розмірів бочки, — 100−200 мкм. При перегляді заморожених зрізів симетричних локусів кори виявлено у верхній частині шару 5 щільні колонки світних нейронів пирамидного типу. Зіставлення цих результатів з результатами дослідження, в якому виведення флюорохрома проводилося в барила низки З, показало, що колонки в представництві медіальних вибрисс низки, А містять достовірно більше каллозальных нейронів проти бочонковыми колонками представництва латеральних рядів вибрисс.

В нейрофізіологічних дослідженнях /6,7,8/ показано організація не більше бочонковых колонок С1 кори мозку пацюків каллозальных входів від гомотопных і гетеротопных колонок протилежного півкулі, і навіть ступінь перекриття і характер взаємодії них каллозальных і таламических входів і виходів. Було показано істотні розбіжності просторово-часової організації реакцій каллозальных нейронів і розподілу каллозальных афферентов в бочонковых колонках представництва медіальних і латеральних вибрисс. Так було в проекції медіальних вибрисс переважна більшість нейронів бере участь у обробці каллозальной афферентации, тоді як і проекції латеральних вибрисс таких нейронів — лише як половини. Показана функціональна неоднорідність структури бочонковых колонок, яке виражається по-різному перекриття таламического і каллозального входів в з яких складається миниколонках. У цій ознакою не більше бочонковой колонки виділено три різновиду миниколонок: з домінуванням таламического входу, з домінуванням каллозального входу й аж інтегративні миниколонки — з однаковим вагою обох входів. У цьому таламический і каллозальный входи був у певному сенсі парциальны: миниколонки, позбавлені однієї з входів, характеризувалися більш короткими ЛЗ на домінуючу афферентацию.

Обнаружены істотні розбіжності й у організації входів і виходів интегративных миниколонок. У миниколонках представництва латеральних вибрисс одні й самі нейрони є вхідними первинного і вторинної афферентации, а таламический вихід ізольований від каллозальных впливів. У представництві медіальних вибрисс таламический вхід інтегративної миниколонки ізольований від каллозального, але одні й самі нейрони є вихідними для таламической і каллозальной інформації. Висловлено припущення, що у різної функціональної організації бочонковых колонок представництва латеральних і медіальних вибрисс виражено різне якість оброблюваної ними інформації, що стосується, відповідно, ступеня латерализации тактильного стимулу та її білатеральних просторових свойств.

Кроме того, засвідчили, що гомотопные бочонковые колонки в представництві медіальних вибрисс попарно адресно пов’язані двосторонніми каллозальными афферентами й у дію цієї є розподілену систему, названу нами билатеральным комплексом, який, очевидно, є функціональної одиницею вищого рівня нейронної інтеграції.

Методика експериментів

Опыты виконані на білих безпородних пацюках обоего статі вагою 120−200 р, оперованих під легким ефірним наркозом, та був обездвиженных тубокурарином (1,5 мг/кг в/м), і переведених на штучне подих. Трахеотомія не здійснювалася, повітря легкі нагнітався через ніздрі. Операційне полі піддавалося місцевої анестезії 0,5% розчином новокаїну. Здійснювалася жорстка фіксація голови з допомогою головодержателей. Череп трепанировался над ПМСБ корковой області С1 по координатам: 2−3 мм каудальнее брегмы і 5−6 мм латеральнее сагиттального шва. Імпульсна активність коркових нейронів, і навіть фокальні ВП приділялися скляними одиночними микроэлектродами, заповненими 2,5 М розчином NaCL, з опором майже п’ять мОм і вольфрамовыми у скляній ізоляції полумикроэлектродами з опором 0,5−1 мОм, які занурювалися в кору прямовисно до його поверхні. Контролем влучення електродів в ПМСБ служили фокальні ВП, попередньо прослушиваемые на аудиомониторе, що виникали у відповідь легке стукотіння по вибриссам контралатеральной боку мордочки пацюки спочатку вручну, та був з допомогою спеціальних тактильних датчиков.

Идентификация колонок. Порівнюючи фокальні ВП, спостережувані на відеомоніторі з їхньої латентними періодам (ЛЗ), крутизні і амплітудою у відповідь згинання вибрисс, встановлювали, як показано на рис. 1,а, відповідність між бочонковой колонкою й була центральною в РП. Для точної ідентифікації центру РП нейронів здійснювалася стимуляція найближчих до центра вибрисс зі східчастим зменшенням амплітуди їх відхилення (рис. 1,б). Бачимо у своїй звуження РП до вибриссы у її центрального становища можна говорити про при найнижчих амплітудах її відхилення.

.

Рис. 1. Ідентифікація бочонковых колонок С1 кори мозку крысы.

Картирование РП.

Картирование РП нейронів вироблялося через побудову постстимульных гістограм (ПСГ) реакцій нейронів на послідовне відхилення вибрисс спочатку контралатеральной, а потім ипсилатеральной боку мордочки пацюки. Амплітуда відхилення вибрисс при картировании перевищувала вдесятеро її граничне значення, обумовлений для центру РП.

Определение порога. При визначенні граничних характеристик нейронів як адекватного стимулу використано згинання центральної в РП вибриссы зі стягненням їх у відхиленому становище у протягом 0,1−0,5 з. Щоб уникнути неконтрольованих зсувів, більш віддалені від носа вибриссы, які становлять завдовжки 30−50 мм, коротшали справа й зліва до 5−10 мм. Механічний датчик визначення граничних характеристик нейронів є щуп, приклеєний на вільному кінці пьезокерамической пластини, виготовленою у ОКБ «Пьезоприбор «РГУ, яку подавалося напруга від 60 до 1 В з виходу электростимулятора ЭСЛ-2, задає амплітуду відхилення на далекому кінці щупа буде в діапазоні від 90 до $ 1,5 мкм. Попередня метрологічна перевірка показала лінійний характер залежності між напругою і амплітудою згинання пьезокерамической пластини в використовуваному діапазоні. Тому у досвіді амплітуда відхилення щупа оцінювалася за напругою не вдома ЭСЛ-2. Серія стимулів певної амплітуди предъявлялась ритмічно із частотою 0,5 гц. По 10−20 реалізаціям будувалися точкові і столбиковые ПСГ з біном 1−2 мс у період 100 чи 500 мс. При визначенні граничних характеристик нейронів розглядалося лише on-эффекты стимуляції. Визначалися параметри первинних компонентів збуджувальних (У-) реакцій кожен з стимулів серії, і навіть усереднений патерн розряду. Пороговою вважалося таке значення амплітуди, у якому нейрон реагував в серії повторних стимулів з імовірністю рівної чи більшої 0,5.

Определение дирекциональности нейронів.

Для визначення дирекциональной селективності нейронів бочонковых колонок використовувався спеціальний тактильний датчик, являє собою блок чотирьох мініатюрних котушок індуктивності, отклоняющих щуп з приклеєною щодо нього вибриссой вгору, вниз, уперед і тому щодо мордочки тваринного. Восьмикоординатный тактильний датчик було виконано компактно і був з чотирьох мініатюрних котушок індуктивності, сердечники яких виставляли суворо паралельно по кутках квадрата зі стороною 12 мм. У центрі квадрата розташовувався щуп, укріплений на майданчику, де було зафіксовано сердечники котушок. Щуп проходив через центр тонкого сталевого диска, зафіксованого на щупе в безпосередній близькості до площині, у якій перебували сердечники котушок. При включенні кожної з котушок диск притягувався до її сердечнику і зміщав щуп у відповідній напрямі. Одночасне включення двох сусідніх котушок отклоняло щуп в проміжному напрямі. Амплітуда відхилення по чотирьом взаємно перпендикулярным напрямам вирівнювалася з допомогою резисторів, регулюючих напруження як у кожної з котушок окремо. На початку досвіду датчик встановлювався в такий спосіб, що його основні координати забезпечували відхилення вибриссы вгору-вниз, вперед-назад.

Дирекционально виборчими вважалися такі нейрони, первинні В-реакции яких відхилення вибрисс щодо чотирьох взаємно перпендикулярным напрямам достовірно (Р.