МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»

ФАКУЛЬТЕТ «Экспериментальная и КАФЕДРА «Радиационная физика,

теоретическая физика» биофизика и экология»

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 140307 «Радиационная безопасность ГРУППА Т12-01А

человека и окружающей среды»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К ВЫПУСКНОЙ КВАЛИФИКАЦИОННОЙ РАБОТЕ

НА ТЕМУ:

Тестирование зрительной функции млекопитающих с помощью оптического картирования по внутреннему сигналу

Студент-дипломник группы Т12-01А	_____________________________	Минакова Е.Е.
Руководитель ВКР, зав. лаб. к.б.н. ИВНД и НФ РАН	_____________________________	Бондарь И.В.
Рецензент, Зав. лаб. к.б.н. ИВНД и НФ РАН	_____________________________	Свинов М.М.
Зам. зав. кафедрой, доцент, к.ф.-м.н.	_____________________________	Дёмин В.М.

Москва 2011 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ:

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………..3

Цель работы…………………………………………………………………….....4

Основные задачи исследования………………………………………………….4

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР…………………………………...............5

§ 1.1 Сенсорные системы………………………………………………………....5

§ 1.2 Основные этапы обработки зрительной информации………....................6

§ 1.3 Функциональная организация первичной зрительной коры……………13

§ 1.4 Методы исследования функции нервной системы……………………..16

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ………………………………...22

§ 2.1 Схема экспериментальной установки……………………………………22

§ 2.2 Выборка животных………………………………………………………...23

§ 2.3 Анестезия…………………………………………………………. ………23

§ 2.4 Хирургическая операция………………………………………………….25

§ 2.5 Снятие зеленого образа……………………………………………………27

§ 2.6 Параметры освещения……………………………………………………..27

§ 2.7 Параметры стимуляции……………………………………………………27

§ 2.8 Накопление и обработка данных………………………………. ………..28

§ 2.9 Результаты экспериментов и их обсуждение……………………………30

§ 2.10 Выводы……………………………………………………………………41

Заключение……………………………………………………………………….41

Список литературы………………………………………………………………43

ВВЕДЕНИЕ

Данная работа посвящена одному из методов тестирования зрительной функции млекопитающих. Зрительная система разных видов млекопитающих обнаруживает высокую степень специализации, которая позволяет надежно детектировать зрительные объекты в разнообразных условиях естественного освещения. Изучение особенностей сравнительной физиологии зрительной коры млекопитающих позволяет определить, за счет каких функциональных механизмов обеспечивается тонкая настройка зрительного анализатора. Классические исследования свойств нейронов проводят с помощью регистрации внеклеточных потенциалов отдельных нервных клеток. Однако такой подход является довольно трудоемким и длительным по времени, поскольку требует накопления данных на большой популяции клеток. Новые исследовательские технологии позволяют быстро и эффективно регистрировать активность больших популяций нейронов и выявлять особенности работы зрительной коры.

В данной работе представлены данные по объективному тестированию зрительной функции млекопитающих с помощью одного из современных методов картирования нейронной активности коры мозга, которым является оптическое картирование по внутреннему сигналу, в основе которого лежит детектирование разницы в оптических свойствах окисленной и восстановленной форм гемоглобина крови.

Цель работы

С помощью оптического картирования по внутреннему сигналу подобрать и оценить оптимальные параметры зрительных стимулов для активации зрительной коры млекопитающих.

Основные задачи исследования

1. Адаптировать методику оптического картирования по внутреннему сигналу для проведения экспериментов на крысах.

2. Подобрать параметры зрительной стимуляции для активации зрительной коры млекопитающих.

3. Оценить степень активации коры в разных стимульных условиях.

Глава 1. Литературный обзор

§ 1.1 Сенсорные системы.

Окружающая среда полна изменений и событий. Чтобы выжить, млекопитающим нужна максимальная информация о ней, поэтому в ходе эволюции развился целый арсенал сенсорных датчиков и связанных с ними анализаторных центров мозга. Сенсорные системы мозга млекопитающих можно уподобить ситу, которое задерживает лишь малые крупицы всей доступной информации. Представление об окружающем мире у животных и человека ограничено, так как ограничен воспринимаемый диапазон энергий, на который в состоянии реагировать. Организмы способны прямо ощущать только те виды энергии, которые их преобразователи могут обнаружить и превратить в нервные импульсы. В тоже время основные изменения в окружающей среде (для большинства организмов) могут быть сгруппированы в несколько основных категорий: механические, химические, электромагнитные и термические [2,5]. Соответственно можно классифицировать основные сенсорные системы как:

• механорецептивная (реагирует на механическое раздражение и разделяется на три класса : а) кожные рецепторы и рецепторы суставов; б) вестибулярные органы; в) ухо):

• хеморецептивная (обоняние и вкус);

• фоторецептивная (зрительная система).

В отличие от трех основных классов рецепторов, терморецепторы, являющиеся наиболее широко представленными в организме, не развили сложного чувствительного органа.

В ходе эволюции фоторецептивная сенсорная система претерпела множество изменений. Природа совершенствовала зрительный анализатор, так как он является ключевым в восприятии окружающего мира. Животные и человек способны оценивать расстояние, воспринимать контраст, различать объекты, их границы и форму. Развитие цветного зрения поставило млекопитающих на более высокую ступень эволюции. Все это обеспечивало живые организмы преимуществами, определяющими успешность стратегии выживания в процессе естественного отбора.

§ 1.2 Основные этапы обработки зрительной информации.

Зрительная система посзвоночных животных, несмотря на значительные различия для разных систематических групп, обладает сходным планом строения (рис. 1). Обработка светового сигнала начинается на сетчатке глаза, а заканчивается в высших зрительных центрах головного мозга.

Рис.1 Строение зрительных путей человека.

Сетчатка

Первым этапом обработки зрительной информации является сетчатка [1, 2, 6, 8]. Гистологическое строение сетчатки довольно сложное, в ней более 50-ти подтипов основных видов нейронов. Основными типами нервных клеток сетчатки являются:

• Фоторецепторные клетки: палочки и колбочки отвечают за сумеречное и дневное зрение, соответственно. Именно они поглощают фотоны.

• Горизонтальные клетки: формируют сложную, контролируемую медиатором, электрически связанную сеть; объединяют группы фоторецепторных клеток. Потенциалы действия не генерируют.

• Биполярные клетки: передают информацию от фоторецепторов ганглиозным и (или) амакриновым клеткам.

• Интерплексиформные клетки: проводят информацию из внутреннего синаптического слоя (ВСС) к наружному синаптическому слою (НСС), будучи частью эфферентного пути, благодаря которому мозг модулирует активность сетчатки.

• Амакриновые клетки: не имеют аксонов, получают сигналы от биполярных клеток и посылают сигнал дендритному дереву ганглиозных клеток. Потенциалы действия обнаруживают редко.

• Ганглиозные клетки: передают информацию в мозг, генерирую потенциалы действия. Аксоны ганглиозных клеток формируют зрительный нерв.

Ганглиозные клетки сетчатки генерируют потенциалы действия довольно постоянном ритме даже при отсутствии внешнего раздражения. Воздействие небольших световых пятен на ганглиозные клетки млекопитающих вызывает усиление импульсации покоя, либо снижает ее. Такой участок сетчатки, попадая в который стимул активирует клетку, называют рецептивным полем клетки [2, 3, 4, 7, 8] (рис. 2). Если частота импульсации при раздражении светом возрастает, то такого рода ответ называют «on»-реакцией. Если освещение снижает частоту импульсации, то такой ответ является «off»-реакцией. Рецептивные поля бывают двух типов: 1)небольшой круглый «on»-центр и окружающую его обширную «off»-периферию; 2) небольшой круглый «off»-центр и окружающую его обширную «on»-периферию. Для каждой клетки эффект освещения зависит от того места рецептивного поля, на которое падает свет. Два пятна, падающие на разные пункты «on»-области, вызывают более сильную «on»-реакцию, чем каждое пятно в отдельности, тогда как если одно пятно света падает на «on»-зону, а другое на «off»-зону, то два эффекта стремятся погасить друг друга, что приводит к очень слабой «on»- или «off»-реакции. У клетки с «on»-центром освещение всего центрального участка вызывает максимальную реакцию; пятно света, площадь которого меньше или больше «on»-центра, менее эффективно. Диффузное освещение всей сетчатки не вызывает в ганглиозной клетке даже приблизительно того эффекта, какой вызывает маленькое круглое световое пятно определенной величины, закрывающее точно центр рецептивного поля. Для этих клеток главным является контраст освещения между одним участком сетчатки и окружающими зонами.

Рис. 2. Концентрические рецептивные поля характерны для ганглиозных клеток сетчатки и клеток коленчатого тела. На верхней осциллограмме показана сильная импульсация клетки с «on»-центром при освещении центра поля; если свет падает на «off»-зону, то импульсация прекращается, до тех пор пока свет не выключат. Внизу показана реакция клетки с «off»-центром.

Ганглиозные клетки с концентрическими рецептивными полями – наиболее представленный класс в сетчатке кошки. Она характеризуется значительной неравномерностью густоты ганглиозных клеток. Наиболее плотно эти клетки расположены в центральной области сетчатки (area centralis). По мере удаления от центра сетчатки к периферии плотность расположения ганглиозных клеток падает. В сетчатки кошки описаны два типа ганглиозных клеток, имеющих концентрические рецептивные поля. Они были обозначены как X- и Y-типы и разделены по такому признаку, как нелинейность или линейность суммации возбуждения и торможения в рецептивном поле. Для X-клеток возможно подобрать такое положение стимула в рецептивном поле, когда освещение одной половины поля и одновременное затемнение другой половины полностью компенсируют друг друга и реакция на стимул отсутствует. Это означает, что возможна линейная суммация возбуждения и торможения в рецептивном поле. У Y-клеток ни при каком положении светлых и темных элементов стимула реакция не исчезает, т.е. суммация возбуждения и торможения нелинейна. Также Ганглиозные клетки сетчатки кошки могут быть разделены на две группы по такому существенному признаку, как характер их реакции на раздражение: клетки одного типа (X-клетки) реагируют тонической реакцией, т.е. увеличивают частоту импульсной активности в течение всего времени действия стимула, а клетки другого типа (Y-клетки) реагируют фазической реакцией – вспышкой импульсной активности только в начале действия стимула. Оба типа включают как on -, так и off-клетки. X-клетки имеют небольшие рецептивные поля (диаметр центра обычно не более 1°) с хорошо очерченной тормозной периферией. Из-за эффективной тормозной периферии рецептивного поля они плохо отвечают на диффузные световые раздражения. Эти клетки имеют относительно тонкие аксоны с небольшими скоростями проведения – 15-20 м/с. Y-клетки имеют значительно большие рецептивные поля (диаметр центра 2-3°) и лучше отвечают на диффузные световые раздражения. Они имеют аксоны большего диаметра с максимальными скоростями проведения – 35-50 м/с. X­-клетки сосредоточены в основном в центральной области сетчатки, а к периферии их количество резко убывает. Y-клетки относительно равномерно распределены по всей сетчатке, так что на периферии они доминируют.

Латеральное коленчатое тело

По зрительному нерву, сформированному аксонами ганглиозных клеток, сигнал передается через хиазму и зрительный тракт на клетки латеральных (наружных) коленчатых тел (ЛКТ). Клетки ЛКТ обладают многими свойствами ганглиозных клеток сетчатки. Организация рецептивных полей отдельных нейронов ЛКТ очень близка к таковой у ганглиозных клеток. Однако между ними существуют различия, из которых наиболее существенным является более выраженная способность периферии рецептивного поля клеток коленчатого тела подавлять эффект центра. Это говорит о большей специализации клеток ЛКТ в отношении реакции именно на пространственный перепад освещения сетчатки, а не само освещение. Функция ЛКТ заключается в усилении различия между реакциями на небольшое центрированное световое пятно и на диффузное освещение.

Организация ЛКТ изучена достаточно детально только у некоторых представителей млекопитающих, которые являются обычными объектами нейрофизиологических исследований. Наиболее подробно у кошек и приматов. Менее обширные сведения имеются относительно крыс и некоторых других животных.

Связи между сетчаткой и ЛКТ кошки организованы таким образом, что имеется значительная неравномерность проекции поля зрения на ЛКТ. Проекция участка поля зрения, ближайшего к центру, занимает в ЛКТ относительно больший объём, чем проекция периферии поля зрения. Функциональные характеристики и структура рецептивных полей у нейронов ЛКТ кошки различны для разных слоев – крупноклеточных А и А1 и мелкоклеточных С и С1. В слоях А и А1 преобладают нейроны с концентрическими рецептивными полями. Нейроны расположенные в слое А активируются волокнами от контралатерального глаза, в слое А1 от ипсилатерального. Как и ганглиозные клетки сетчатки, нейроны слоёв А и А1 ЛКТ кошки по комплексу признаков и по свойствам могут быть разделены на два типа – X и Y. Нейроны X-типа имеют тонкие медленнопроводящие аксоны и реагируют на раздражение центра их рецептивного поля тонической реакцией. Нейроны Y-типа имеют толстые быстропроводящие аксоны и реагируют на раздражение относительно короткой фазической реакцией. Также X- и Y-нейроны чувствительны к разным скоростям движения стимулов через рецептивное поле. Реагирующие короткой вспышкой Y-нейроны чувствительны к стимулам, движущимся с более высокими скоростями, а тонические X-нейроны чувствительны к более медленнодвижущимся стимулам [16]. X-нейроны лучше реагируют на изображения с более дробным рисунком (с высокими пространственными частотами), чем Y-нейроны. Кроме того, у X-нейронов ЛКТ реакция зависит от освещенности в значительно более широком диапазоне, что позволяет предполагать участие этого типа нейронов в передаче информации не только о локальных контрастах, но и об освещенности [12].

Распределение нейронов ЛКТ на группы, в которых разные скорости аксонного проведения коррелируют с разной организацией рецептивных полей, также может наблюдаться у животных со слабо специализированным мозгом. У крысы, в частности, в ЛКТ выделяется группа нейронов, по свойствам сходная с Y-типом, которая активируется наиболее быстропроводящими ретинальными волокнами, а нейроны с другими свойствами активируются волокнами с более низкими скоростями проведения.

Первичная зрительная кора

Механизм обработки зрительной информации на кортикальном уровне представляют максимальный интерес и являются предметом самого тщательного изучения. В коре мозга имеется несколько областей, заведомо различающихся по ряду свойств, которые непосредственно участвуют в процессах зрительного анализа. К их числу относятся, прежде всего первичная зрительная область (VI), вторичная (VII или поле 18) и третичная (VIII или поле 19). В то время как клетки ЛКТ сохраняют многие свойства ганглиозных клеток сетчатки, нейроны первичной зрительной коры клетки демонстрируют совершенно иные функциональные свойства. Хьюбел и Визел впервые выявили распределение возбудительных и тормозных эффектов в рецептивных полях клеток первичной зрительной (стриарной) коры (поле 17 по Бродману), получив за эту работу Нобелевскую премию [22]. Рецептивные поля корковых клеток имеют более или менее прямоугольную форму, и возбудительные зоны в них разделены прямыми линиями (Рис. 3 В).

Рис.3 Обычная архитектура РП «простых» клеток стриарной коры. «+» - ON-ответ, «-» - OFF-ответ.

Самое простое из рецептивных полей состоит из области, в которой свет вызывает возбуждение, и смежной с ней области, где свет вызывает торможение. В некоторых из них возбудительная зона принимает форму удлиненной полосы, по обеим сторонам которой лежат тормозные зоны и наоборот (Рис.3 А и Б). Такие клетки лучше всего стимулируются освещенной полосой на темном фоне. Чтобы вызвать возбуждение клетки, такая полоса должна иметь определенную ориентацию (наклон) и положение внутри зрительного периметра

Хьюбел и Визел различают в зрительной коре два типа клеток. Они назвали первый тип «простыми», или клетками «с простым рецептивным полем», а второй – «сложными клетками». Узнать «простую» клетку можно с помощью сканирования рецептивного поля маленьким световым пятном. Но у всех действенных стимулов всех корковых нейронов имеются сходства выражающиеся в том, что такие стимулы обладают прямолинейными границами между освещенными и затемненными участками. Корковые клетки оптимально реагируют на границу с прямолинейным контрастом. «Простые» можно назвать иначе клетками «с фиксированным полем», а «сложные» - «детекторами угла» или «наклона» [9].

На популяционном уровне первичная зрительная кора млекопитающих имеет крайне специфическую модульную организацию, которая может быть обнаружена с помощью разных методических подходов.