Билатеральные комплексы бочонковых колонок первичной соматосенсорной коры мозга являются модулями восприятия пространства
Идентификация колонок. Сравнивая фокальные ВП, наблюдаемые на видеомониторе по их латентным периодам (ЛП), крутизне и амплитуде в ответ на сгибание вибрисс, устанавливали, как показано на рис.1,а, соответствие между бочонковой колонкой и центральной в РП. Для более точной идентификации центра РП нейронов производилась стимуляция ближайших к центру вибрисс со ступенчатым уменьшением амплитуды их отклонения (рис.1,б). Наблюдаемое при этом сужение РП до одной вибриссы в случае ее центрального положения имело место при наиболее низких амплитудах ее отклонения.
Рис. 1. Идентификация бочонковых колонок С1 коры мозга крысы.
Картирование РП.
Картирование РП нейронов производилось путем построения постстимульных гистограмм (ПСГ) реакций нейронов на последовательное отклонение вибрисс вначале контралатеральной, а затем ипсилатеральной стороны мордочки крысы. Амплитуда отклонения вибрисс при картировании превышала в десять раз ее пороговое значение, определяемое для центра РП.
Определение порога. При определении пороговых характеристик нейронов в качестве адекватного стимула использовано сгибание центральной в РП вибриссы с удержанием ее в отклоненном положении в течение 0,1-0,5 с. Чтобы избежать неконтролируемых смещений, более дальние от носа вибриссы, достигающие в длину 30-50 мм, укорачивались справа и слева до 5-10 мм. Механический датчик для определения пороговых характеристик нейронов представляет собой щуп, приклеенный на свободном конце пьезокерамической пластины, изготовленной в ОКБ "Пьезоприбор" РГУ, на которую подавалось напряжение от 60 до 1В с выхода электростимулятора ЭСЛ-2, задающего амплитуду отклонения на самом дальнем конце щупа в диапазоне от 90 до 1,5 мкм. Предварительная метрологическая проверка показала линейный характер зависимости между напряжением и амплитудой сгибания пьезокерамической пластины в используемом диапазоне. Поэтому непосредственно в опыте амплитуда отклонения щупа оценивалась по напряжению на выходе ЭСЛ-2. Серия стимулов определенной амплитуды предъявлялась ритмично с частотой 0,5 Гц. По 10-20 реализациям строились точечные и столбиковые ПСГ с бином 1-2 мс за период 100 или 500 мс. При определении пороговых характеристик нейронов рассматривались только on-эффекты стимуляции. Определялись параметры первичных компонентов возбудительных (В-) реакций на каждый из стимулов серии, а также усредненный паттерн разряда. Пороговым считалось такое значение амплитуды, при котором нейрон реагировал в серии повторных стимулов с вероятностью равной или большей 0,5.
Определение дирекциональности нейронов.
Для определения дирекциональной селективности нейронов бочонковых колонок использовался специальный тактильный датчик, представляющий собой блок четырех миниатюрных катушек индуктивности, отклоняющих щуп с приклеенной к нему вибриссой вверх, вниз, вперед и назад относительно мордочки животного. Восьмикоординатный тактильный датчик был выполнен компактно и состоял из четырех миниатюрных катушек индуктивности, сердечники которых выставлялись строго параллельно по углам квадрата со стороной 12 мм. В центре квадрата располагался щуп, укрепленный на площадке, на которой были зафиксированы сердечники катушек. Щуп проходил через центр тонкого стального диска, зафиксированного на щупе в непосредственной близости от плоскости, в которой находились сердечники катушек. При включении каждой из катушек диск притягивался к ее сердечнику и смещал щуп в соответствующем направлении. Одновременное включение двух соседних катушек отклоняло щуп в промежуточном направлении. Амплитуда отклонения по четырем взаимно перпендикулярным направлениям выравнивалась с помощью резисторов, регулирующих напряжение в каждой из катушек в отдельности. В начале опыта датчик устанавливался таким образом, чтобы его основные координаты обеспечивали отклонение вибриссы вверх-вниз, вперед-назад.
Дирекционально избирательными считались такие нейроны, первичные В-реакции которых на отклонение вибрисс по четырем взаимно перпендикулярным направлениям достоверно (Р<0,05) различались по ЛП, а по частоте следования импульсов давали двукратное различие первичных разрядов по двум противоположным либо перпендикулярным направлениям /23/.
Билатеральная стимуляция.
При исследовании паттернов импульсной и суммарной вызванной активности БК колонок стимуляция соответствующих вибрисс и шерсти под ними осуществлялась с помощью двух идентичных тактильных датчиков, изготовленных на основе реле типа РЭС 22. Вариация амплитуды углового отклонения вибрисс в этом случае осуществлялась за счет длительности подаваемых на датчики импульсов, а также за счет смещения щупа датчика вдоль вибриссы. Последняя процедура привлекательна тем, что, не меняя скорости и времени отклонения вибриссы, к которым чрезвычайно чувствительна данная система, но, помещая щуп датчика на все большем расстоянии от фолликула, удавалось очень точно задавать достаточно малые угловые отклонения вибриссы.
Импульсная активность и сопряженные с ней фокальные ВП регистрировались в диапазоне 2-2000 Гц, а усредняемые ВП - 0,3-30 Гц на входных фильтрах электроэнцефалографа ЧЭЭГ-03. Биоэлектрическая активность записывалась в опыте на магнитограф EАМ-500 и обрабатывалась по стандартным программам на ЭВМ IBM PC AT. Усреднение ВП производилось по 10-40 реализациям с квантом 1 мс за период 2 секунды.
Результаты исследования и их обсуждение
Размер и форма РП нейронов бочонковых колонок
Картированы В-зоны РП 82 нейронов разных уровней бочонковых колонок ПМСБ С1 коры мозга крыс. Исследования проводили в плане сравнения размеров и формы РП нейронов, находящихся в представительстве латеральных (преимущественно в бочонке С3) и медиальных (бочонки рядов В и А) вибрисс. В первой выборке нейронов (N=52), представляющей бочонок С3, размер РП при амплитуде стимула, равной десяти пороговым значениям, как это показано на рис.2а, варьировал от одной до 23 вибрисс. Около 11% нейронов, относящихся, преимущественно, к слою 4, имели одновибриссные РП. Амплитудные пороги у этих нейронов были наиболее низкими - от 3 до 15 мкм, при среднем значении 5,3+0,7 мкм.
Рис. 2. РП нейронов разных уровней бочонковой колонки С1.
Нейроны поверхностных (2-3) и глубоких (5-6) слоев имели многовибриссные РП, которые всегда были сплошными. У 23% нейронов РП имели вытянутую, чаще всего вдоль, но иногда и поперек вибриссковых рядов, форму. В последнем случае угол наклона РП к рядам вибрисс варьировал у разных нейронов, но чаще всего был прямым. Однородную структуру РП с on-off-ответами имели 31%, а с on-ответами - 8% нейронов. Большинство нейронов имели неоднородные РП: с on-off-ответами в центре и с оn-ответами по краю - 23%, а с on-off-центром и off-краем - 38% нейронов. При этом у 70% нейронов центр РП располагался эксцентрически, т.е. находился вблизи края В-зоны РП. Средние значения амплитудных порогов у нейронов с многовибриссными РП были достоверно (Р<0,01) выше, чем у одновибриссных: на уровне поверхностных слоев - 9,4+0,3 мкм, а в глубоких слоях - 13,0+0,8 мкм. Нейроны, РП которых перекрывали почти все контралатеральное поле вибрисс, имели амплитудные пороги около 30 мкм.
РП нейронов, принадлежащих одной и той же бочонковой колонке, существенно перекрывались. Центры РП данной выборки нейронов всегда совпадали, поскольку это было исходной предпосылкой для отнесения регистрируемых нейронов к бочонковой колонке С3. Наложением картированных РП произведена количественная оценка степени их перекрытия во всей выборке нейронов, представляющих колонку С3 (рис.2,б). Анализ показал, что все вибриссы контралатеральной стороны в той или иной мере адресованы нейронам данной колонки. При этом степень перекрытия РП градуально уменьшилась к краям вибрисскового поля до 5%. Однако, подзона с более чем 50-процентным перекрытием РП, заштрихованная на рис.2б, имела симметричную и вытянутую вдоль ряда С форму. Таким образом, суммарное РП нейрональной колонки С3 ориентировано вдоль одноименного ряда вибрисс, в плоскости которого совершаются их ощупывающие движения, и имеет значительное перекрытие с РП нейронов соседних бочонковых колонок этого, а также верхнего и нижнего рядов.
На рис.2,в в качестве примера более общей закономерности показано удлинение ЛП, уменьшение частоты первичного разряда, а также перестройка структуры В-реакции нейрона, зарегистрированного на уровне слоя 4, при поочередной стимуляции вибрисс, отстоящих на все большем расстоянии от центра РП. В среднем по выборке (N=52) ЛП при смещении стимула от центра на периферию уменьшался с 9,0+0,3 мс до 19,1+1,2 мс. Уменьшалась при этом также и частота первичного разряда в первые 50 мс после отметки стимула с 132+21 имп/с до 41+8 имп/с. Все это в совокупности свидетельствует об уменьшении функциональной эффективности синаптических влияний на колонку по направлению к периферии РП ее нейронов.
На рис.1,б показана структура В-зоны РП нейрона, зарегистрированного на глубине 1100 мкм и принадлежащего слою 5, при разных амплитудах тактильного стимула, а также соответствующие им точечные ПСГ (отклонялась вибрисса С3). При 10-пороговой амплитуде (90 мкм) В-зона РП данного нейрона состояла из 14 вибрисс, 6 из которых вызывали on-off-ответы и находились в центре РП, а 8 периферических вибрисс - on-ответы. При уменьшении амплитуды количество вибрисс в В-зоне РП уменьшалось вначале незначительно и, в основном, за счет периферии. Значительное уменьшение площади РП наблюдалось у этого и других нейронов при амплитудах 30 и 22 мкм и совпадало с исчезновением в структуре В-реакции нейрона на отклонение даже центральной вибриссы компонентов вторичной активации.
Рис. 3. Зависимость размеров В-зоны РП нейронов разных уровней бочонковой колонки С1 от амплитуды сгибания вибриссы.
На рис.3 показан характер изменения средних размеров В-зоны РП нейронов трех уровней бочонковой колонки С3 от амплитуды сгибания соответствующей вибриссы. Следует отметить, что размер РП у нейронов слоя 4 существенно уменьшался только при амплитуде 22 мкм, тогда как у нейронов других уровней - уже при более высоких амплитудах (45 и 30 мкм), что коррелировало с их более высокими амплитудными порогами. В диапазоне околопороговых амплитуд РП нейронов слоя 4 становилось равными по размеру с РП нейронов других слоев.
Размер и структура РП обнаружили также отчетливую зависимость от уровня возбуждения бочонковой колонки. В модельной серии опытов общий уровень возбудимости мозга крыс повышался посредством внутрибрюшинного введения кофеина в дозе 100 мг/кг /24/. Так, на рис.4,А представлены результаты картирования РП нейрона, зарегистрированного в опыте N 13 на глубине 1200 мкм в бочонковой колонке С3. ПСГ в части А рисунка, представляющие центральную часть РП, построены по 32 реализациям и показывают наибольшую эффективность специфического входа в данную колонку от вибриссы С3.
Рис. 4. Перестройка структуры В-зоны РП нейрона при повышении общего уровня возбудимости коры после введения кофеина.
А - ПСГ реакций нейрона на сгибание соответствующих вибрисс, С3 - центр РП; Б - карта РП, цифры вверху - накопление импульсов в первичную фазу, внизу - ЛП (мс) максимума ПСГ; В - формирование off- реакции на стимуляцию центра РП после введения кофеина: 1- контроль, 2- через 10 мин, 3- 20 мин, 4- 40 мин.
По всему РП в контроле данный нейрон реагирует возбуждением только на включение стимула. В части Б данного рисунка изображена полная карта РП этого нейрона со значениями максимумов в фазе первичного возбуждения и их ЛП, которые дают представление о более тонкой структуре РП. С учетом представленных показателей в РП данного нейрона также можно выделить горизонтальную в пределах рядов С и D ориентационную избирательность, проявляющуюся, прежде всего, в более высокочастотных первичных разрядах и, в меньшей мере, в их ЛП.
Через 10 мин после введения кофеина нейрон начинает реагировать также и на выключение стимула, приложенного в центре РП (рис.4,В). Со временем интенсивность первичного возбуждения на включение и выключение стимула уменьшается (к 20-й минуте), а затем к 40-й минуте вновь возрастает. Кроме того, постепенно восстанавливается вторичная активация, подавляемая на начальных этапах действия кофеина. Данный пример является весьма типичным для всей выборки исследованных нейронов (N=20). Нейроны бочонковых колонок, представляющих в С1 коры мозга крыс латеральные ряды вибрисс, имели во всех исследованных случаях односторонние РП, располагающиеся с существенным перекрытием по всему вибриссковому полю контралатеральной стороны мордочки крысы. Нейроны в представительстве самого медиального ряда вибрисс А, напротив, всегда имели билатеральные РП (N=20). В бочонковых колонках ряда В с равной вероятностью встречались и односторонние и двусторонние РП (N=10). Размеры билатеральных РП соответствовали односторонним. Их структура в общих чертах характеризовалась наличием более детерминированной по ответоспособности центральной части и периферии с низкой проявляемостью реакций на серию повторяющихся стимулов. Ипсилатеральная часть РП соответствовала периферии, однако, в ней также выделялась центральная вибрисса, симметричная центральной в контралатеральной части РП, которая давала более интенсивные и с большей вероятностью реализующиеся импульсные реакции. Кроме того, ипсилатеральная часть РП всегда ограничивалась лишь двумя медиальными рядами вибрисс - А и В. Структура импульсных реакций нейронов при стимуляции ипсилатеральных вибрисс также была фазной, с четкой тормозной паузой между первичным и вторичным возбуждением, свидетельствующей об участии системы ассоциативных связей в обработке ипсилатеральной специфической афферентации.
Контралатеральная часть РП нейронов в представительстве медиальных вибрисс, как правило, не включала в свой состав самые нижние вибриссы рядов D и Е. На рис. 5 представлено РП нейрона слоя 5 бочонковой колонки А2. Оно включает в свой состав 9 вибрисс в медиальных рядах А и В контралатеральной стороны и две вибриссы (А2 и В2) на ипсилатеральной стороне мордочки крысы. В табличках представлены значения максимумов ПСГ, построенных по 32 реализациям, а также их ЛП и длительность тормозной паузы (последние два показателя в мс). Видно, что реакции на отклонение центральных вибрисс в левом и правом полуполях РП характеризуются наибольшей интенсивностью первичного и структурированностью вторичного возбуждения. Показательны также значения тормозной паузы, максимальные для центральной вибриссы, а также значения ЛП реакций, которые в пределах всего ряда А не различались, но были достоверно (P<0,01) короче, чем у В-реакций в ответ на стимуляцию вибрисс ряда В одноименной стороны. Следует также отметить низкую проявляемость нейронных реакций в ответ на повторную стимуляцию вибрисс ипсилатеральной части РП, которая не превышала по выборке 60%, что предполагает кооперативный характер деятельности нейронов с билатеральными РП при восприятии тактильных стимулов.
Рис.5. Билатеральное РП нейрона бочонковой колонки в представительстве медиального ряда вибрисс (объяснения в тексте).
Параметры нейронных реакций на контралатеральную и ипсилатеральную стимуляцию.
В данной серии опытов исследованы реакции нейронов бочонковых колонок представительства латеральных вибрисс в С1 коры мозга крыс на контралатеральную и ипсилатеральную стимуляцию вибрисс, а также находящейся под ними шерсти. В последнем случае в качестве топографических ориентиров при картировании РП использовались вибриссы. На рис.6,а представлены графики послойного распределения 91 нейрона, зарегистрированных в данной серии, которые реагировали первичным возбуждением на отклонение центральных в РП вибрисс контралатеральной стороны мордочки крысы (КВ-нейроны) и 54 из них, реагирующих, кроме того, на тактильную стимуляцию шерсти ипсилатеральной стороны. Мы назвали такие нейроны билатеральными (БВ-нейроны). Следует при этом отметить, что КВ-нейроны при стимуляции шерсти ипси-стороны давали такие же импульсные реакции, только более высокочастотные и коротколатентные, как и при стимуляции вибрисс контралатеральной стороны. Поэтому этот тип реагирования нейронов мы не стали выделять в качестве самостоятельного, тем более что при стимуляции шерсти не удается избежать одновременной стимуляции вибрисс (но не наоборот). Большинство нейронов представленных