Дэвид Хьюбел - Глаз, мозг, зрение

• Название: Глаз, мозг, зрение
• Автор: Дэвид Хьюбел
• Издательство: Мир
• Жанр: Биология
• Год: 1990
• ISBN: 5-03-001254-0

В книге известного американского нейрофизиолога, лауреата Нобелевской премии, обобщены современные представления о том, как устроены нейронные структуры зрительной системы, включая кору головного мозга, и как они перерабатывают зрительную информацию. При высоком научном уровне изложения книга написана простым, ясным языком, прекрасно иллюстрирована. Она может служить учебным пособием по физиологии зрения и зрительного восприятия.

Для студентов биологических и медицинских вузов, нейрофизиологов, офтальмологов, психологов, специалистов по вычислительной технике и искусственному интеллекту.

---

Вскоре мы повторили этот эксперимент на других котятах и на детенышах обезьян. На котятах более обширная серия опытов вскоре показала, что при сшивании век сразу после рождения в среднем лишь 15 процентов клеток предпочитают зашитый ранее глаз против примерно 50 процентов у интактных котят. На обезьянах были получены примерно такие же результаты (см. нижние гистограммы на рис. 133). Среди немногочисленных клеток, отвечавших на стимуляцию закрытого ранее глаза, многие казались аномальными; они реагировали вяло, быстро утомлялись, и у них отсутствовала точная ориентационная настройка.

Рис. 133. Правый глаз котенка был на два с половиной месяца лишен зрительных стимулов в возрасте примерно десяти дней, когда глаза обычно уже открыты. В этом эксперименте (верхние гистограммы) мы зарегистрировали ответы только двадцати пяти клеток. (В последующих экспериментах мы смогли исследовать больше клеток и обнаружили, что небольшая доля их испытывала влияние со стороны ранее закрытого глаза.) В опытах на детеныше обезьяны (нижние гистограммы) результаты оказались весьма сходными. Его правый глаз закрыли в возрасте двух недель и держали закрытым на протяжении 18 месяцев. Позднее мы нашли, что те же результаты получаются и при закрытии глаза всего на несколько недель.

Результат, подобный этому, ставит множество вопросов. Где в зрительной системе возникала аномалия? В глазу? В коре? Могла ли кошка видеть закрытым ранее глазом, несмотря на корковую аномалию? Вызывалась ли эта аномалия просто световой депривацией или же лишением возможности видеть различные формы? Имел ли значение возраст, в котором мы закрывали глаз? Была ли аномалия результатом неиспользования глаза или она обусловливалась какими-то иными причинами? Чтобы все это выяснить, потребовалось много времени, но мы можем сформулировать результаты в нескольких словах.

Для того чтобы определить локализацию дефекта, нужно было, очевидно, регистрировать реакции от более низких уровней, начиная, скажем, с сетчатки или с коленчатого тела. Результаты оказались однозначными: как в сетчатке, так и в коленчатом теле было множество клеток с практически нормальными реакциями. Клетки тех слоев коленчатого тела, к которым шли волокна от ранее закрытого глаза, имели обычные рецептивные поля с центром и периферией; они хорошо реагировали на маленькие пятна и плохо — на рассеянный свет. Единственным намеком на аномалию была некоторая вялость реакций этих клеток по сравнению с клетками слоев, получавших входные сигналы от нормального глаза.

Зная об этой относительной нормальности, мы были поражены, впервые увидев под микроскопом наружное коленчатое тело, окрашенное по Нисслю. Его аномальность была видна практически и без микроскопа. Коленчатое тело у кошки организовано несколько проще, чем у обезьяны; оно состоит в основном из двух крупноклеточных слоев, расположенных наверху, а не внизу, как у обезьяны. Верхний слой имеет вход от контралатерального, а нижний — от ипсилатерального глаза. Под этими слоями лежит довольно плохо выраженный слой мелких клеток с несколькими подразделениями, которые я здесь игнорирую. На каждой стороне крупноклеточный слой, получавший входы от закрытого глаза, был бледнее и явно тоньше своего партнера, который выглядел совершенно нормальным. Клетки аномальных слоев были не только бледными, но и сморщенными примерно до двух третей своего нормального поперечного сечения. Результат, полученный при закрытии правого глаза, показан на рис. 134. Сходные результаты были получены и на макаках (рис. 135). Таким образом, мы столкнулись с парадоксом, на разрешение которого потребовалось несколько лет: в клетках наружного коленчатого тела, физиологически казавшихся сравнительно нормальными, гистологическое исследование показывало явную патологию. Как бы то ни было, мы теперь имели ответ на наш исходный вопрос, поскольку корковые клетки, практически не отвечавшие на стимуляцию ранее закрытого глаза, тем не менее, видимо, получали значительный и как будто бы нормальный поток входных сигналов от коленчатого тела; это позволяло думать, что первичное повреждение локализуется не в глазу или коленчатом теле, а главным образом в коре. При гистологическом исследовании коры мы не находили абсолютно никаких признаков аномалии. Как мы увидим далее, в коре все же были анатомические дефекты, но они не выявлялись с помощью применявшихся нами методов окраски.

Рис. 134. Если правый глаз котенка закрыть в возрасте 10 дней на три с половиной месяца, то в его наружных коленчатых телах возникнут явные аномалии. В верхних частях обеих микрофотографий можно видеть два главных слоя. Вверху: верхний слой на левой стороне (контралатеральной по отношению к закрытому правому глазу) утончен и бледно окрашен. Внизу: на правой (ипсилатеральной) стороне аномален нижний из двух слоев. Оба слоя вместе имеют толщину около 1 мм. Гистограмма глазодоминантности показана на рис. 133.

Рис. 135. Поперечные срезы левого и правого наружных коленчатых тел обезьяны, правый глаз которой был закрыт в возрасте двух недель на 18 месяцев. Видны аномальные слои, они выглядят более бледными. На обеих сторонах это те слои, которые получают входные волокна ранее закрытого (правого) глаза,— слои 1, 4 и 6 слева, 2, 3 и 5 справа (счет идет снизу вверх).

Клетки измененных слоев мельче, но это невозможно рассмотреть при таком малом увеличении. Ширина всей структуры около 5 миллиметров.

Следующий вопрос заключался в том, что же именно порождает аномалию при закрытии глаза. Сшивание век уменьшает количество света, достигающего сетчатки, приблизительно в 10–50 раз; оно, разумеется, препятствует также созданию на сетчатке каких-либо изображений. Может ли аномалия вызываться просто уменьшением количества света? Чтобы выяснить это, мы вставляли в один глаз новорожденного котенка матовую контактную линзу из пластмассы, по консистенции близкой к материалу мячика для настольного тенниса. У других животных мы вместо этого пришивали на одном глазу тонкую просвечивающую мембрану, играющую роль дополнительного века и называемую мигательной перепонкой, которая имеется у кошек, но отсутствует у людей. Пластмасса или перепонка уменьшала количество света всего лишь вдвое, но предотвращала формирование каких-либо сфокусированных изображений. Результаты оказались такими же: аномальная корковая физиология и аномальная гистология коленчатого тела. Очевидно, повреждение вызывалось невозможностью воспринимать формы, а не просто недостатком света.

У нескольких котят перед регистрацией нейронных ответов мы тестировали зрение, надевая непрозрачную черную контактную линзу на тот глаз, который не был закрыт, и затем наблюдая за поведением животного. Животные были, несомненно, слепы на депривированный глаз: будучи помещены на низком столике, они уверенно шли к его краю, перешагивали его и падали на разложенную на полу подстилку. Ходя по полу, они обычно натыкались на ножки стола. Этого никогда не делает ни одна нормальная, уважающая себя кошка. Аналогичные тесты с незакрытым глазом показали, что зрение было совершенно нормальным.

Далее мы провели длительные исследования на кошках и обезьянах с целью выяснить, зависят ли результаты от возраста, в котором закрывают глаз, и от продолжительности депривации. Вскоре выяснилось, что возраст имеет решающее значение. У взрослой кошки, у которой один глаз был отключен более чем на год, не наблюдалось ни слепоты на этот глаз, ни потери корковых реакций, ни патологии коленчатого тела. (Первая депривированная кошка, мать нашего первого помета котят, была взрослой по определению!) После многочисленных экспериментов мы пришли к выводу, что где-то между рождением и зрелым возрастом должен существовать период пластичности, когда депривация приводит к корковому дефекту. Как выяснилось, у кошки этот критический период длится от четвертой недели до четвертого месяца. Неудивительно, что закрытие глаза мало влияет до наступления четвертой недели, так как в первый месяц жизни кошка почти не пользуется зрением: глаза открываются лишь около 10-го дня, а несколько последующих недель котята со своей матерью прячутся за диваном. Чувствительность к депривации быстро возрастает и достигает максимума в первые недели критического периода. В это время отключение одного глаза даже на несколько дней приводит к заметному искажению гистограммы глазодоминантности. В последующие четыре месяца время депривации, необходимое для получения явных эффектов, неуклонно возрастает; иными словами, чувствительность к депривации уменьшается и сходит на нет.

На рис. 136 представлены гистограммы, иллюстрирующие некоторые результаты, полученные на обезьянах. На левом графике — эффект отключения в возрасте пяти дней одного глаза на 6 недель; почти нет клеток, которые отвечали бы на стимуляцию ранее закрытого глаза. Гораздо более кратковременная депривация (средний график) тоже вызывает сильно выраженный эффект, но явно меньший, чем при более длительной депривации. В возрасте четырех месяцев чувствительность снижается настолько, что даже отключение глаза на 5 лет (правый график) дает эффект хотя и весьма заметный, но все же несравнимый с последствиями более ранней депривации.