Глаз, мозг, зрение - Дэвид Хьюбел

Рис. 67. Примерная схема размещения клеток физиологически различного типа в разных слоях стриарной коры.

В утверждении, что большинство клеток выше и ниже слоя 4 — сложные, упускаются из виду существенные различия между слоями: сложные клетки здесь далеко не одинаковы. Разумеется, все они имеют одно общее свойство, характерное для сложных клеток, — на движущуюся линию оптимальной ориентации они отвечают по всему рецептивному полю, независимо от конкретного положения стимула. Однако они различаются между собой другими свойствами. Можно выделить четыре подтипа клеток, которые содержатся в основном в разных слоях. Большинство сложных клеток в слоях 2 и 3 отвечает тем лучше, чем длиннее стимульная линия (в этом проявляется свойство суммации по длине). Однако реакция таких клеток становится слабее, когда длина стимула превышает некоторую критическую величину (если данная сложная клетка относится к нейронам, реагирующим на концы линий). Что касается клеток слоя 5, то для них короткие линии, занимающие по длине лишь небольшую долю рецептивного поля, почти так же эффективны, как и длинные; рецептивные поля этих клеток гораздо больше, чем у клеток в слоях 2 и 3. Напротив, клетки слоя 6 реагируют тем лучше, чем длиннее линия с оптимальной ориентацией (их ответ начинает ухудшаться только тогда, когда линия займет всю длину рецептивного поля, которая в несколько раз больше его ширины, т.е. рецептивное поле длинное и узкое). Можно сделать вывод, что аксоны, выходящие из слоев 5 и 6 и из слоев 2 и 3 и идущие к разным участкам мозга (к верхним бугоркам четверохолмия, к НКТ, к другим зрительным полям), должны служить для передачи разных видов зрительной информации.

Подводя итоги, можно сказать, что при переходе от слоя к слою в поведении клеток выявляются более важные различия, чем, скажем, различия в оптимальной ориентации стимула или же в характере глазодоминантности. Наиболее заметные различия между клетками разных корковых слоев касаются сложности их реакций; это отражает тот простой анатомический факт, что одни слои расположены ближе к входу в кору, чем другие.

Группы клеток стриарной коры с различной глазодоминантностью были обнаружены раньше всего, так как они довольно крупные. Разработано много методов исследования таких группировок, поэтому они сейчас лучше всего изучены. Уже в самом начале исследований на коре обезьян стало очевидно, что всякий раз, когда микроэлектрод входит в кору перпендикулярно ее поверхности, он встречает одну за другой клетки, лучше реагирующие на стимуляцию одного и того же глаза (это показано на рис. 68). Если микроэлектрод вынуть и ввести его в другом месте в нескольких миллиметрах от предыдущего, то снова для всех встречающихся клеток доминирующим будет один глаз — тот же, что и раньше, или другой. В слое 4C, имеющем входы непосредственно от НКТ, доминирование одного глаза становится уже не относительным, а абсолютным, монопольным. В тех же слоях, которые расположены выше и ниже и, следовательно, находятся дальше в цепи синаптических переключений, более половины всех клеток могут возбуждаться и от недоминирующего глаза. Такие клетки мы называем бинокулярными.

Рис. 68. Глазодоминантность остается неизменной при вертикальном продвижении микроэлектрода в стриарной коре. Если же электрод продвигается параллельно поверхности коры, то зоны с различной глазодоминантностью чередуются, причем каждая пара таких зон занимает около 1 мм.

Если вместо того, чтобы перемещать электрод перпендикулярно поверхности коры, мы вводили его с наклоном, как можно ближе к линии, параллельной поверхности, то клетки с разной глазодоминантностью чередовались — доминирующим был то один глаз, то другой. Полный цикл этой смены соответствовал примерно одному миллиметру. Очевидно, если бы можно было видеть структуру коры сверху, она представлялась бы мозаикой, составленной из чередующихся зон с доминированием правого и левого глаза.

Чем обусловлено такое чередование, стало ясно, когда был разработан новый метод окраски, позволяющий прослеживать ветвление отдельных аксонов, приходящих из НКТ, и распределение их окончаний в коре. Ветвление одного аксона таково, что тысячи его концевых синапсов образуют в слое 4C два или три скопления шириной 0,5 мм, разделенных промежутками около 0,5 мм, как показано на рис. 69. Поскольку клетки НКТ монокулярные, каждый отдельный аксон связан в конечном счете либо с правым, либо с левым глазом. Предположим, что аксон, изображенный на рис. 69 слева, относится к волокнам от левого глаза; в этом случае каждое входящее в тот же участок коры волокно, связанное с левым глазом, будет разветвляться в тех же скоплениях окончаний величиной 0,5 мм каждое. Промежутки между этими скоплениями размером тоже 0,5 мм будут заняты концевыми разветвлениями волокон от правого глаза. Такой особый тип распределения аксонов из НКТ в слое 4C сразу позволяет объяснить строгую монокулярность клеток в этом слое.

Рис. 69. Каждый аксон из HKT сначала проходит в стриарной коре через нижние слои, последовательно ветвится и затем оканчивается в слое 4C. Здесь он образует скопления синаптических окончаний шириной 0,5 мм, отделенные друг от друга промежутками такой же ширины. Все волокна от одного глаза группируются в одних и тех же участках. В промежутках между этими участками группируются волокна от другого глаза. Область разветвлений одного волокна из крупноклеточного слоя HKT может составлять от 2 до 3 мм (окончания находятся в слое 4Cα). Волокно из мелкоклеточного слоя HKT ветвится в более ограниченной области (в слое 4Cβ), обычно занимающей лишь одну или две колонки.

Для того чтобы избирательно окрашивать одно и только одно волокно, требовался новый метод, и он был предложен в конце 1970-х годов. Этот метод основан на использовании аксонного транспорта — процесса, в результате которого различные материалы (белки или даже более крупные частицы) непрерывно переносятся в обоих направлениях внутри аксона. Некоторые из них транспортируются со скоростью нескольких сантиметров в час, другие — несколько миллиметров в сутки. Для того чтобы окрасить одиночный аксон, с помощью микропипетки вводят в него вещество, о котором известно, что оно переносится по аксону и окрашивает его, но не влияет на структуру клетки. В настоящее время чаще всего используют фермент пероксидазу из хрена. Этот фермент распространяется по аксону в обоих направлениях и катализирует химическую реакцию, продукт которой очень эффективно окрашивает клетку. Поскольку фермент служит катализатором, достаточно ничтожных его количеств, чтобы получить интенсивную окраску. Важно и то, что в самой нервной ткани фермента с подобными свойствами нет: это исключает возможность нежелательной окраски фона.

Тот факт, что кора разбита на колонки глазодоминантности, проходящие от поверхности мозга вплоть до белого вещества, подтвердил морфологические данные о том, что группы клеток в слое 4C служат главными местами передачи зрительной информации в клеточные слои, лежащие выше и ниже этого слоя. Наличие некоторого числа горизонтальных и диагональных связей длиной около миллиметра, идущих по всем направлениям, должно приводить к некоторому размыванию четких зон доминирования правого или левого глаза в слоях, расположенных выше и ниже слоя 4C (рис. 70). Поэтому можно ожидать, что клетка, расположенная прямо над центром зоны доминирования левого глаза в слое 4, будет явно лучше отвечать на стимуляцию этого глаза (а возможно, и полностью контролироваться им), тогда как клетка, расположенная ближе к границе между участками разной глазодоминантности, может оказаться бинокулярной без какого-либо доминирования одного из глаз. Действительно, при горизонтальном передвижении электрода в верхнем слое коры или же в слое 5 или 6 отмечаются постепенные изменения глазодоминантности: сначала будут встречаться клетки, намного сильнее активируемые одним глазом, затем клетки, у которых эта асимметрия выражена слабее, потом клетки с равной зависимостью от обоих глаз, после чего начнет усиливаться влияние другого глаза. Такие плавные переходы резко контрастируют с той внезапной сменой глазодоминантности, которую мы наблюдаем при движении электрода вдоль слоя 4C (рис. 71).

Рис. 70. Из-за наличия горизонтальных и диагональных связей выше слоя 4 происходит перекрывание колонок глазодоминантности и границы их размываются.

Рис. 71. В отличие от четких границ между колонками глазодоминантности в слое 4 коры, границы колонок в верхних (2 и 3) и нижних (5 и 6) слоях коры размыты. Стрелками показано направление продвижения микроэлектрода в слое 4 (вверху слева) и в слое 2 или 3 (вверху справа). Внизу представлена глазодоминантность клеток, ответы которых регистрировались в одной проходке микроэлектрода. В слое 4 видны резкие переходы от группы 1 (влияет только контралатеральный глаз) к группе 7 (влияет только ипсилатеральный глаз). В других слоях встречается много бинокулярных клеток, а глазодоминантность периодически изменяется, проходя через промежуточные уровни (цифры 1, 4 и 7 означают категории клеток по глазодоминантности).