ВВЕДЕНИЕ
В психофизических экспериментах с человеком и поведенческих опытах на животных показано, что множество как апертурных, так и пигментных цветов разного цветового тона, насыщенности и яркости можно представить точками на поверхности сферы в четырехмерном Евклидовом пространстве, а множестворавноярких цветов — на поверхности трехмерной сферы (Соколов, Измайлов, 1984; Измайлов и др., 1989; Izmailov, Sokolov, 1992; Латанов и др., 1997). Основная задача данной работы состояла в исследовании нейронных механизмов зрительной системы, обеспечивающих такое отображение множества воспринимаемых цветов на поверхность сферического перцептивного пространства.
АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ.
Изучение принципов переработки информации о цвете в зрительной системе является одной из самых актуальных и увлекательных задач современной психофизиологии. Способы нейронного кодирования цвета, по-видимому, мало отличаются от способов кодирования других признаков объекта (Bernard, Wehner, 1977; Хьюбел, 1990). В силу Этого результаты исследования нейронных механизмов кодирования в органе зрения являются существенными для понимания механизмов функционирования других анализаторных систем.
Исследование и моделирование процессов передачи информации о цвете в нейронных сетях зрительной системы является одной из главных задач психофизиологии цветовос-приятия в рамках современной психофизиологии как науки о нейронных механизмах психических процессов и состояний. Адекватной экспериментальной моделью для этого является сетчатка глаза, которая по сложности строения и возможностям интегральной обработки параметров зрительных образов напоминает мозг (Jasper, Raynauld, 1975; Хьюбел, 1990). На уровне нервных элементов сетчатки осуществляется переход от кодирования цвета цо принципам трехкомпонентной теории Ломоносова-Юнга-Гельмгольца (слой фоторецепторов) к кодированию цвета по принципам теории оппонентных цветов Геринга (слой горизонтальных и биполярных клеток). В сетчатке происходит формирование цветооппонентных («красно-зеленых», RG-типа; "сине-желтых", YB-типа) и ахроматических (нецветооппо-нентных «яркостных», В-типа, и '^темновых", D-типа) нейронных систем, которые, по нашим данным, обладают разной функцией в процессе цветокодирования.
В современной нейробиологии цвета накоплено большое число экспериментальных данных, касающихся ретинальных механизмов кодирования света и цвета. Возникает крайне
актуальная необходимость в систематизации этого очень разнородного фактологического материала. Без такого синтеза «море фактов» заслоняет общие принципы кодирования сенсорной информации, поиск которых является, в конечном итоге, главной целью сенсорной психофизиологии, В настоящей работе эта задача решается путем интеграции данных нейрофизиологических и психологических (психофизика; поведение) исследований цветового зрения животных (моллюск, карп, лягушка) и человека в рамках единой модели, базирующейся на гипотезе о векторном кодировании сенсорной информации в нейронных сетях (Johansson, 1994; Соколов, 1996) и реконструируемой по схеме "челоэек-нейрон-модель" (Sokolov, 1998).
Предпринятое в работе сравнительное изучение ретинальных механизмов кодирования света и цвета у беспозвоночных (моллюск) и низших позвоночных (карп, лягушка) животных имеет особое значение в связи с наличием аналогичных цветокодирующих нейронных систем в зрительных центрах у высших позвоночных (Zrenner, 1983; Zeki, 1992; Yoshioka et.al, 1996).
Основу для современных работ по нейронным механизмам цветового зрения в сетчатке составляет экстра- и внутриклеточная регистрация реакций отдельных сетчаточных элементов на цветовые стимулы разной интенсивности, площади и формы. Большая часть проведенных в этой связи исследований касается фоторецепторов, горизонтальных и ганглиозных клеток. В литературе хорошо представлены данные, касающиеся механизмов генерации ON-и OFF-реакций биполярных клеток. Однако нет систематизированных данных по свойствам цветовых рецептивных полей биполярных клеток (за исключением исследования Yazulla (1976) на черепахе). Практически отсутствуют работы, нацеленные на изучение взаимоотношений свойств цветовых рецептивных полей биполяров с параметрами цветовой стимуляции (Siminoff, 1991). Все это определяет актуальность представленных в работе данных по изучению цветовых рецептивных полей биполяров в сетчатке карпа.
ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ.
Одним из принципов переработки информации в нервной системе животных и человека является принцип кодирования сигнала номером канала (Шевелев, 1984; Соколов, 1995; Хьюбел, 1990; Zeki, 1992). Это означает, что при действии внешнего стимула на одном из селективных нейронов-детекторов возникает максимум возбуждения. При изменении стимула максимум возбуждения перемещается по набору детекторов, отображая это изменение стимула. Из анализа механизмов формирования селективных реакций детекторов в рамках векторной психофизиологии следует, что возбуждения, поступающие на детектор, должны
10
удовлетворять уравнению сферы (Фомин и др., 1979; Sokolov, 1998). При этом все множество селективных детекторов можно представить точками на поверхности сферы. Проверку этого положения можно реализовать как психофизическим, так и нейрофизиологическим методом. Психофизический метод заключается в реконструкции сферического перцептивного пространства на основе матрицы субъективных различий между стимулами, получаемых в психофизических опытах с человеком или поведенческих опытах на животных. Нейрофизиологический метод состоит в экспериментальном отыскании таких нейронов, реакции которых образуют Декартовы координаты перцептивного пространства и удовлетворяют уравнению сферы.
Частным случаем реализации принципа кодирования сигнала номером канала является цветовое зрение. Проверка психофизическим методом утверждения о том, что цветовое зрение соответствует сферической модели восприятия, подтвердила это положение. Оказалось, что все множество как апертурных, так и пигментных цветов разного цветового тона, насыщенности и яркости можно представить точками на поверхности сферы в четырехмерном Евклидовом пространстве (Соколов, Измайлов, 1984; Измайлов и др., 1989; Iz-mailov, Sokolov, 1992). Декартовы координаты монохроматических излучений в перцептивном пространстве, рассчитываемые методом многомерного шкалирования по матрице субъективных различий, удовлетворяя уравнению сферы, совпадают со спектральными характеристиками красно-зеленой, сйне^-желтой, яркостной и темновой нейронных систем. Положение каждого цветового стимула в пространстве модели определяется значениями четырех Декартовых координат, образующих четырехкомпонентный вектор. При этом субъективным различиям между цветами на сфере соответствуют расстояния между концами соответствующих им векторов (Соколов, Измайлов, 1984). Из четырехмерной сферической модели цветоразличения следует, что все множество равнощжих цветов должно располагаться на поверхности сферы в трехмерном Евклидовом пространстве (Izmailov, Sokolov, 1992). Это следствие нашло свое подтверждение в психофизических экспериментах с человеком и поведенческих опытах на животных (карп, кролик, обезьяна) (Измайлов, 1980; Латанов и др., 1997; Евтихин, 1998),
С учетом вышеизложенного основная цель данной работы заключалась в экспериментальной проверке методами психофизиологии следствий из сферической модели цветового зрения в отношении нейронных механизмов кодирования цвета. Одновременно такая проверка означала проверку справедливости теоретических положений «сферической теории восприятия цвета» (Соколов, 1995), базирующейся на гипотезе о векторном кодировании сенсорной информации в нейронных сетях.
11 ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.
На основе гипотез исследования были сформулированы конкретные задачи и соответствующие им серии экспериментов по изучению спектральной чувствительности, регистрации ЭРГ на смену цветов и внутриклеточному исследованию спектральных реакций горизонтальных и биполярных клеток сетчатки. Все эти частные задачи и серии опытов были направлены, в конечном итоге, на решение главной задачи - исследованию нейронных механизмов отображения множества различаемых зрительной системой цветов на поверхность сферического перцептивного пространства.
1. Необходимым этапом в работе, предваряющим исследования на животных, было проведение серии психофизических экспериментов с человеком с целью получения цветовых перцептивных пространств для тех же условий стимуляции, которые использовались в опытах на животных.
2. Задачи исследования, решаемые в опытах с измерением общей спектральной чувствительности глаза животных по данным ЭРГ.
Измерение общей спектральной чувствительности по данным ЭРГ использовалось в работе Для оценки уровня световой адаптации животного и вклада фоторецепторов разного типа в процесс цветоразличения, а также для выравнивания цветовых стимулов по субъективной (для глаза животного) яркости при построении цветового пространства карпа для случая равноярких цветов.
3. Задачи исследования, решаемые в опытах с регистрацией ЭРГ на смену цветов.
Одним из эффективных методов исследования периферических механизмов цветового зрения человека и животных является анализ электроретинограммы (ЭРГ) - суммарной электрической реакции глаза, интегрирующей потенциалы фоторецепторов, нервных клеток и клеток пигментного эпителия сетчатки. При раздельном предъявлении равноярких для глаза вспышек света различного спектрального состава (цвета) компонентный состав ЭРГ практически не меняется, что затрудняет использование такого способа регистрации ЭРГ для изучения цветокодирующих каналов в сетчатке. Для выделения вклада цветовых каналов может быть использована методика объективной колориметрии, предложенная Бонгар-
12
дом (Бонгард, Смирнов, 1953) и заключающаяся в регистрации ЭРГ на замену одного цветового стимула другим. Выделение вклада цветовых каналов в ЭРГ основывается на гипотезе о том, что суммарная активность глаза, регистрируемая на смену цветов, отражает степень "субъективного" - для глаза животного - различия между этими цветами. Это означает, что чем меньше (больше) это различие, тем меньше (больше) величина ЭРГ, которая убывает вплоть до полного исчезновения при воспринимаемом тождестве (цветовом равенстве) стимулов. Если гипотеза верна, то минимизируя амплитуду "Ь"- и "d''-волн (наиболее четко выраженных волн ЭРГ) на замену цветов путем изменения "нецветовых" параметров стимуляции (длительность, интенсивность) можно выделить реакцию сетчатки на чисто цветовую составляющую светового сигнала. Если при замене цвета на цвет не будет обнаружено такой комбинации интенсивности и длительности этих стимулов, при которых ЭРГ на замену равна нулю, то это будет означать, что глаз животного способен различать сигналы по цвету. При этом минимальное значение амплитуды ЭРГ, регистрируемой на смену цветов, будет представлять количественную меру вклада в процесс цветоразличения цветокодирующих нейронных каналов сетчатки.
Результаты опытов, проводимых по методике ЭРГ- колориметрии, можно представить в виде матриц цветовых различий, элементами которых будут минимальные амплитуды ЭРГ на смену цветов. Обработав эти матрицы с помощью методов многомерного шкалирования или факторного анализа, можно построить пространство цветоразличения животного. Интерпретация такого пространства позволяет анализировать нейронную структуру и принципы работы "анализатора цвета" животного. В данной работе мы использовали метод «объективной колориметрии» в опытах по регистрации ЭРГ моллюска, лягушки и рыбы на смену цветов разной яркости с целью идентификации нейронных механизмов, лежащих в основе четырехмерной сферической модели цветоразличения.
4. Задачи исследования, решаемые в опытах с внутриклеточной регистрацией реакций на цвет горизонтальных и биполярных клеток сетчатки.
4.1. Горизонтальные клетки.
Для проверки сферической модели цветоразличения нейрофизиологическим методом горизонтальные клетки (ГоК) сетчатки карпа бьши выбраны в качестве объекта исследования по следующим причинам. В литературе по нейрофизиологии цветового зрения реакции цве-тооппонентных («красно-зеленых», RG; «сине-желтых», YB) и ахроматических («яркост-ных», L) ГоК традиционно связывают с выраженностью цветоразличительных способностей
13
животного (Spekreuse et.al., 1991). Таким образом, ГоК могут играть существенную роль в формировании нейронных цветокодирующих каналов, предполагаемых сферической моделью цветового зрения, В работе показано, что по значениям спектральных реакций ГоК на равнояркие для глаза рыбы цвета можно восстановить трехмерную сферическую модель цветоразличения Однако для восстановления четырехмерной сферической модели трех типов ГоК уже недостаточно, и для построения цветового пространства в этом случае необходимо использовать реакции биполярных клеток.
ГоК сетчатки, линейно (в определенном диапазоне интенсивностей) суммируя реакции фоторецепторов, по характеру своих ответов на световые стимулы разного спектрального состава делятся на два типа: оппонентные клетки С-типа ("colour units", цветовые ГоК), полярность ответа которых зависит от длины волны .света, и клетки L-типа ("luminosity units ", яркостные ГоК), полярность ответа которых не меняется с изменением длины волны (Svaetichin, MacNichol, 1958; Piccolino, 1986). Форма функций спектральных реакций ГоК L -и С-типов, в отличие от фоторецепторов, близко совпадает с конфигурацией Декартовых координат равноярких цветовых стимулов в трехмерной сферической модели цветового зрения человека. Это дает прямые основания к использованию системы цветооппонентных и ахроматических ГоК для нейрофизиологической проверки исходных положений сферической теории цветоразличения.
4.2. Биполярные клетки.
Биполярные клетки (БК) были выбраны для изучения нейронных механизмов, лежащих в основе четырехмерной сферической модели цветоразличения, по следующим причинам. Биполярные клетки входят в состав «прямого пути» передачи информации о цвете в сетчатке: «колбочки —» биполярные клетки —> ганглиозные клетки». При этом горизонтальные клетки - путем прямых (с БК) и обратных (с колбочками) связей - могут принимать самое непосредственное участие в формировании цветооппонентных свойств БК. Пространственно-временные и цветовые свойства рецептивных полей ганглиозных клеток (ГК) во многом определяются свойствами реакций прямо контактирующих с ними БК (Zrenner, 1983). И в этом смысле можно предполагать, что «задачей» ГК является преобразование в импульсный код «результатов» преобразования сигнала о цвете в сети из локально взаимодействующих колбочек, ГоК и БК. Таким образом, анализ работы этой сети, выходы которой образованы БК, является принципиально важным для понимания сути преобразования информации о цвете в сетчатке.
По имеющимся к настоящему времени немногочисленным данным (Yazulla, 1976; Kaneko,
14
Tashibana, 1981; Zrenner, 1983), структура цветооппонентных и ахроматических нейронных каналов на уровне БК наиболее близко соответствует нейронной структуре анализатора цвета, "предсказываемой" на основе четырехмерной сферической модели цветового зрения. Это, в первую очередь, и побудило нас к изучению спектральных реакций БК как возможного нейронного механизма реализации Декартовых координат цветовых стимулов в пространстве четырехмерной сферы.
Данные о связи реакций БК - посредством Мюллеровских клеток - с "Ь"- и "сГ-волнами ЭРГ (Newmann, 1988) открывают интересную возможность сравнить между собой два цветовых пространства, одно из которых строится по реакциям на цвет БК, а другое - по суммарному выражению этих реакций в ЭРГ, регистрируемой на смену цветов.
Таким образом, в опытах на сетчатке карпа решались основные задачи настоящего исследования — внутриклеточная регистрация реакций на цвет горизонтальных и биполярных клеток ахроматического и цветооппонентного типов в целях нейрофизиологической верификации сферической модели цветоразличения, получаемой в психофизических/поведенческих экспериментах и по данным регистрации ЭРГ на смену цветов.
МЕТОДОЛОГИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.
Исследование проводилось с позиций современной психофизиологии как науки о нейронных механизмах психических процессов и состояний. Конкретной методологической основой работы послужили положения гипотезы о векторном кодировании сенсорной информации в нейронных сетях, развиваемой внастоящее время в отечественной (Соколов, 1996) и зарубежной психофизиологии (Johansson, 1994). Экспериментальная проверка гипотез исследования проводилась с использованием методологической схемы организации современного психофизиологического исследования: "человек-нейрон-модель" (Соколов, 1995; Sokolov, 1998). Исследование механизмов цветового зрения по схеме: "человек-нейрон-модель" предопределило использование в работе комбинации разнообразных методов современного психофизиологического эксперимента - внутри- и экстраклеточной регистрации активности нейронов; регистрации суммарной электрической активности глаза (ЭРГ); психофизических методов шкалирования субъективных различий между цветами; моделирования (построения) цветовых пространств с помощью методов многомерного шкалирования.
15 ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.
Психофизиологическое изучение механизмов цветового зрения было реализовано в данной работе через сравнительное исследование ретинальных механизмов анализа цветовых сигналов у животных с разным уровнем эволюционного развития -беспозвоночных животных {моллюски: виноградная улитка, Helix pomatia L.) и низших позвоночных животных (рыбы: речной карп, Carpio Cyprims L.; амфибии: травяная лягушка, Rana temporaria L). Основанием для выбора данных животных в качестве объектов для исследования было следующее.
Виноградная улитка Helix pomatia L. - традиционный и наиболее широко распространенный объект для нейробиологических исследований простых нервных систем. Просто устроенная зрительная система моллюсков используется при ориентации в пространстве и регуляции циркадных ритмов (Зайцева, 1992). В нашем исследовании мы рассматривали зрение виноградной улитки как модель «предельно редуцированного» цветового зрения -ахроматического зрения, базирующегося на выделении яркостных различий. Таким образом, зрительная система моллюска может служить «простой» нервной моделью для изучения нейронных механизмов кодирования яркости.
Имеющиеся к настоящему времени исследования свидетельствуют о принципиальном сходстве цветового зрения у низших (рыбы, амфибии) и высших (обезьяна, человек) позвоночных животных. Методами мйкроспектрофотометрии и электрофизиологии получены данные о трихроматичности фоторецепторного аппарата у бесхвостых амфибий. Так, в сетчатке травяной лягушки обнаружено три типа рецепторов, содержащих пигменты с максимумами чувствительности на 432 нм ("зеленые палочки"), 502 нм ("розовые палочки") и 575 нм (колбочки) (Кондрашев, Гнюбкин, 1978). В поведенческих опытах на амфибиях выявлена цветовая константность, являющаяся необходимым условием восприятия (распознавания) окраски объектов (Максимова и др., 1978). Множество данных (Орлов, 1978) свидетельствует о наличии сезонных колебаний в поведении амфибий. В этой связи принято выделять три основных периода - период зимней спячки (ноябрь-март), брачный период (апрель-май) и охотничий период (июнь-октябрь). Каждый из трех сезонов характеризуется своим ведущим (доминирующим) типом (репертуаром) поведенческих реакций животных (пищевых, оборонительных, половых, ориентировочно-исследовательских) и, возможно, сопровождается перестройкой в работе сенсорных систем, "обслуживающих" поведение. С учетом этих данных мы поделили группу экспериментальных лягушек на две подгруппы, условно обозначенные нами как подгруппа "весенних лягушек" и подгруппа
16
"летних лягушек". В первую подгруппу (весенних лягушек) были включены особи, опыты на которых были проведены в апреле-мае (брачный период), и во вторую (летних лягушек) -особи, использовавшиеся в опытах в июне-октябре (охотничий период). В результате анализа экспериментальных данных оказалось, что результаты опытов на "летних" лягушках практически не отличаются от результатов опытов на "зимних" (ноябрь-март) особях. Это послужило основанием для включения последних во вторую подгруппу. Все данные настоящего исследования, касак>щиеся цветового зрения лягушек, расматриваются отдельно для подгрупп «весенних» и «летних» особей.
В поведенческих опытах Wolf (1925) показано, что рыбы из одного с карпом семейства Cyprinidae могут различать до 20 различных цветов в диапазоне от 340 до 760 нм. При этом рыбы отличают пурпурный цвет (смесь синего и красного спектральных излучений) от любого другого цвета. Hamburger (1926) выявил существование дополнительных цветов для рыб {Phoxinus laevisAG, семейство Cyprinidae), а также способность отличать белый цвет от какого-либо спектрального цвета. Таким образом, всю гамму цветов для рыб, как и для человека, можно представить в виде замкнутой круговой диаграммы (круга Ньютона) (Herter, 1953). Herter (1953) констатировал явления одновременного и последовательного яркостно-го и цветового контрастов для цветового зрения рыб. Horio (1938) в опытах на карпах показал, что при различении зрительных стимулов рыбы чаще ориентируются на цвет, чем на форму. Способность рыб, в частности, карпа, правильно оценивать цвет предметов независимо от условий освещения (константность восприятия цвета) продемонстрирована в поведенческих и Электрофизиологических исследованиях (Oyama, Jitsumori, 1974; Диментман и др., 1975; Максимова и др., 1975; Crawford et.al., 1990). Наконец, цветовое зрение рыб, как и у человека, трихроматично. На это указывают данные микроспектрофотометрических, нейрофизиологических и поведенческих экспериментов (для обзора см.: Измайлов и др., 1989).
Имеются данные о наличии в сетчатке костистых рыб фоторецепторов с пиком чувствительности в ультрафиолетовой области спектра (Neumeyer, Arnold, 1989). Не ясна роль этих рецепторов в цветовом зрении рыб ввиду того, что оптическая система камерного глаза этих животных не пропускает ультрафиолетовые лучи. Однако, имеются данные о влиянии активности рецепторов этого типа в различение цветов в синей области спектра (400-НЗО нм) (Neumeyer, Arnold, 1989).
У рыб и амфибий хорошо развита система ретино-тектальных зрительных проекций, что обусловливает сложный характер обработки цветового сигнала уже на уровне нейрональных структур сетчатки. В этой ситуации сетчатка этих животных может служить моделью для изучения принципов цветокодирования, реализуемых у приматов центральными отделами
17 зрительного анализатора.
Гипотезы исследования.
Методами внутри- и экстраклеточной регистрации исследовались механизмы передачи информации о цвете в сетчатке глаз моллюска, лягушки и карпа. На основе сходства характеристик координат монохроматических цветов в сферической модели человека со спектральными характеристиками оппонентных и ахроматических нейронов (Измайлов и др., 1989; Izmailov, Sokolov, 1992) было высказано предположение, что первым звеном нейронной системы, реализующей координаты цветового пространства в зрительной системе позвоночных, являются горизонтальные и биполярные клетки сетчатки, лежащие сразу за фоторецепторами и суммирующие реакции последних. Эта основная гипотеза исследования проверялась методом внутриклеточной регистрации реакций на свет горизонтальных и биполярных клеток изолированной сетчатки карпа. Необходимым Предварительным этапом проверки гипотезы в работе было подробное экспериментальное изучение цветокодирую-щих свойств горизонтальных и биполярных клеток.
Реакции БК, посредством Мюллеровских (глиальных) клеток, находят отражение в суммарной электрической активности сетчатки - в СЪ"- и "сГ-волнах ЭРГ (Newmann, 1988). Этот факт послужил в работе отправной точкой для решения специальной задачи - получения и сравнительного анализа двух цветовых сенсорных пространств, одно из которых строилось по внутриклеточно зарегистрированным реакциям на цвет БК, а другое - по суммарному выражению этих реакций в ЭРГ, регистрируемой на смену цветов. В этих экспериментах проверялась гипотеза о том, что структуры двух пространств должны быть изоморфны.
В опытах на моллюсках с регистрацией ЭРГ на смену цветов разной интенсивности проверялась гипотеза о том, что ретинальные механизмы кодирования яркости у моллюска и позвоночных организованы принципиально одинаково.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ.
Научная новизна.
В работе получены новые данные, касающиеся цветовых свойств рецептивных полей биполярных и горизонтальных клеток сетчатки карпа. Обнаружены различия в чувствительности к свету и функциях спектральных реакций между горизонтальными клетками из вентральной части сетчатки и горизонтальными клетками из дорзальной части. Экспериментально выявлена неоднородность (анизотропия) спектральных свойств в разных участках |
