Билатеральные комплексы бочонковых колонок первичной соматосенсорной коры мозга являются модулями восприятия пространства (стр. 3 из 7)

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.