Глаз, мозг, зрение - Дэвид Хьюбел

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).

Если смотреть «сбоку», две совокупности клеток в слое 4C выглядят как чередующиеся участки. Однако нам хотелось узнать, как будет выглядеть распределение этих участков при взгляде на поверхность коры сверху. Допустим, что они отмечены на поверхности коры черным или белым цветом. С точки зрения топологии можно распределить эти участки несколькими разными способами: в шахматном порядке, в виде чередующихся черных и белых полос, в виде черных пятен на белом фоне или использовать любые комбинации этих паттернов. На рис. 72 показаны три возможных варианта такого распределения. Решать поставленную задачу с помощью одних только микроэлектродов означает использовать одномерные средства для расшифровки неизвестной трехмерной структуры. Это задача безнадежная — все равно что пытаться подстричь траву на лужайке с помощью ножниц для ногтей. Столкнувшись с такими трудностями, многие предпочли бы переключиться на совершенно иной вид деятельности — заняться, скажем, сельским хозяйством или юриспруденцией. (В начале 1960-х годов, когда Торстен Визел и я были более терпеливыми и решительными, чем сейчас, мы действительно попытались выяснить топографию глазодоминантности с помощью микроэлектродов, и нам удалось даже получить кое-какие результаты. Образно выражаясь, я в те дни действительно пытался подстричь травяной газон ножницами, так как мы не могли позволить себе купить газонокосилку. В то время мы были беднее, чем нынешние аспиранты, однако были, вероятно, более настойчивыми.)

Рис. 72. Здесь показаны три возможных способа разбиения поверхности на два вида областей — разбиение в виде шахматной доски, в виде полос и в виде островков. В данном случае речь идет о поверхности коры и зонах доминирования правого или левого глаза.

К счастью, в последние десять лет были придуманы очень эффективные методы нейроморфологических исследований, и сейчас поставленная нами задача уже решена независимо несколькими способами; два из них описаны ниже.

Первый способ опять-таки основан на использовании аксонного транспорта. Берут небольшое количество органического вещества (например, аминокислоты́), меченного радиоактивным изотопом (например, 14C), и инъецируют в один глаз обезьяны, скажем в левый. Вещество захватывается клетками глаза, в том числе и ганглиозными клетками сетчатки. Помеченные молекулы, по-видимому уже включенные в состав белков, переносятся по аксонам ганглиозных клеток и их окончаниям в НКТ. Здесь они накапливаются в слоях, связанных с левым глазом. Для переноса метки требуется несколько дней. Затем из ткани приготовляют тонкие срезы, накладывают на них фотоэмульсию и оставляют на несколько дней в темноте. В результате получается радиоавтограф вроде показанного на рис. 73, где можно увидеть в каждом из двух НКТ по три слоя, связанных с левым глазом. Черные области, где образовались зерна, в одном НКТ расположены так, как светлые области в другом.

Рис. 73. На этих срезах наружных коленчатых тел — левого и правого — можно видеть концентрацию радиоактивной метки в трех слоях, связанных с левым глазом. За неделю до получения срезов в левый глаз был введен пролин, меченный тритием. Те слои, в которых накопилась метка, выглядят на радиоавтографе темными и более толстыми.

Для того чтобы наблюдать такую картину организации НКТ, нужно ввести в глаз не так много радиоактивного вещества. Если же при инъекции ввести его в достаточно большом количестве, то концентрация его в слоях НКТ станет настолько высокой, что часть радиоактивной метки перейдет из окончаний волокон зрительного нерва в клетки самих НКТ (в пределах меченых слоев) и будет транспортироваться по их аксонам в стриарную кору. В результате метка начнет накапливаться в окончаниях в слое 4C, образуя регулярный узор, соответствующий тому глазу, в который была сделана инъекция. Когда будет готов радиоавтограф (для этого нужно несколько месяцев, так как концентрация меченого вещества, дошедшего до коры, очень низка), мы действительно увидим на поперечном срезе коры места накопления метки в слое 4C (рис. 74). Если же сделать срез коры параллельно ее поверхности (сначала распрямив кору или же разрезав ее на части и скрепив затем вместе последовательные срезы), то мы, наконец, сможем увидеть распределение колонок так, как если бы смотрели на поверхность коры сверху. Четко выраженный набор параллельных полосок можно видеть как на одиночном срезе (рис. 75, вверху), так и на реконструированном изображении (рис. 75, внизу). На всех этих радиоавтографах коры меченые участки, т.е. проекции левого глаза, выглядят светлыми, а немеченые промежутки между ними — проекции правого глаза — темными. Поскольку из слоя 4 пути к верхним и нижним слоям идут главным образом в вертикальном направлении, прямо вверх и вниз, то в трехмерном пространстве зоны глазодоминантности образуют систему чередующихся «ломтиков», соответствующих правому и левому глазу (рис. 76).

Рис. 74. На этом радиоавтографе среза стриарной коры светлые участки соответствуют тем местам в слое 4, где накопилось много радиоактивного вещества после инъекции его в левый глаз животного. Эти участки разделены темными зонами, не содержащими радиоактивной метки, — зонами доминирования правого глаза.

Рис. 75. Вверху: срез куполообразного участка коры, проходящий параллельно поверхности мозга. Слой 4, пересекаясь со срезом, образует кольцо. Внизу: результат объединения нескольких таких колец, полученных на серии срезов (чем глубже сделан срез, тем больше диаметр кольца). (Картина получается не очень четкой, так как трудно сфотографировать все срезы в одинаковых условиях, особенно если учесть то, что автор — всего лишь фотолюбитель).

Рис. 76. В объемном представлении колонки глазодоминантности больше похожи не на греческие колонны, а на ломтики нарезанного хлеба, расположенные перпендикулярно поверхности.

Используя другой способ, С. Ле-Вэй успешно осуществил реконструкцию вида всей стриарной коры в затылочной доле. Участок коры, лежащий на поверхности мозга, показан на рис. 77. Распределение полос оказалось наиболее регулярным и четким на некотором расстоянии от корковой проекции центральной ямки. Вблизи этой проекции узор по неизвестным причинам наиболее сложен — он отличается регулярностью, но содержит много петель и завитков, поэтому он здесь мало похож на тот правильный узор, напоминающий рисунок обоев, который характерен для областей коры, более удаленных от проекции центральной ямки. Ширина полосок везде постоянна и равна примерно 0,5 мм. В процентном отношении корковые представительства правого и левого глаза примерно равны, пока речь идет о проекции центральной области сетчатки диаметром около 40°. Ле-Вэй и Д. ван Эссен обнаружили, что за пределами этой области из-за уменьшения вклада ипсилатерального глаза соответствующие ему полоски сужаются до 0,25 мм. Если же говорить о проекции зоны, удаленной от центральной ямки на 70–80°, то здесь, разумеется, представлен только ипсилатеральный глаз. Это естественно, так как поле зрения правого глаза простирается вправо дальше, чем влево.

Рис. 77. Здесь показан результат реконструкции зон глазодоминантности по Ле-Вэю (часть поля 17 правого полушария).

Второй метод изучения колонок глазодоминантности позволяет выявлять их во всей толще коры, а не только в слое 4. Это метод с использованием меченой 2-дезоксиглюкозы, изобретенный в 1976 году Л. Соколоффом в Национальных институтах здоровья в Бетезде. Он тоже основан на способности радиоактивных веществ засвечивать фотопленку. В основе его лежит тот факт, что нейроны, как и большинство других клеток организма, поглощают глюкозу в качестве источника энергии, и чем интенсивнее им приходится работать, тем больше глюкозы они потребляют. Поэтому можно было бы представить себе следующую процедуру. Животному впрыскивают радиоактивную глюкозу, а затем стимулируют один глаз, например правый, в течение нескольких минут предъявляя какую-либо фигуру (время стимуляции должно быть достаточным для того, чтобы возбужденные клетки в мозгу поглотили введенную глюкозу). После этого мозг извлекают, делают срезы и покрывают их фотоэмульсией, а затем после надлежащей экспозиции получают, как и в предыдущем случае, радиоавтограф. Однако на самом деле такая схема не годится, так как глюкоза, поглощенная клетками, расщепляется с образованием продуктов, которые быстро переходят обратно в кровь. Для того чтобы предотвратить эту утечку, Соколофф предложил остроумный прием — использовать при инъекции дезоксиглюкозу, которая по химической структуре очень близка к обычной глюкозе. «Обманутые» клетки поглощают ее и даже пытаются расщеплять; однако этот процесс прерывается после первого же шага; дезоксиглюкоза превращается в 2-дезоксиглюкозо-6-фосфат, который далее не может быть расщеплен. К счастью, это вещество нерастворимо в липидах клеточной мембраны и поэтому не может выйти из клетки. Оно накапливается в клетке в таком количестве, что уже может быть обнаружено с помощью радиоавтографии. Рассматривая результат этой процедуры — радиоавтограф, можно получить представление о том, какие участки мозга были наиболее активны в период стимуляции и накопили больше всего этой «фальшивой глюкозы». Если бы в ходе опыта животное делало движения лапой, то на радиоавтографе выявился бы также соответствующий участок моторной зоны коры. То, что мы видим после стимуляции правого глаза, — это та часть вещества коры, которая была в наибольшей степени возбуждена данным стимулом, а именно набор колонок глазодоминантности для правого глаза. Примеры получаемых результатов представлены на рис. 78.