3.2.4. Ганглиозные клетки

Анализ излучения в сетчатке завершается в слое ганглиозных клеток, реакции которых, состоящие из последовательностей импульсов, передаются в подкорковые зрительные центры — верхнее двухолмие и наружное коленчатое тело.

Морфологические типы ганглиозных клеток. В течение последних десятилетий проведено большое число исследований морфологии ганглиозных клеток сетчатки у животных разного уровня эволюционного развития [42]. Данные этих исследований предоставляют интерес в связи с интенсивным развитием в современных нейронауках структурно-функционального подхода,

основанного на выявлении закономерных связей между морфологией и функцией нейронных образований мозга.

Морфологические классификации клеток делаются на основе признаков, которые наиболее информативны с точки зрения описания возможных функций. Это: 1) геометрия дендритного дерева (форма, размах); 2) уровень ветвления дендритов во внутреннем плексиформном слое, от которого зависят их контакты с определенными типами нижележащих нейронов и соответственно-свойства рецептивных полей; 3) проекция аксонов в вышележащие структуры мозга.

Наиболее распространена морфологическая классификация ганглиозных клеток на и соответствующая физиологической классификации на - и -тнпы. Существует, однако, ряд переходных форм, что говорит об определенной условности этой классификации ганглиозных клеток.

Электрофизиологическая классификация ганглиозных клеток. Существует три основные системы классификации ганглиозных: клеток: -клетки;

2) фазические и тонические клетки;

Фазические клетки генерируют короткие по времени (фазные) или -разряды импульсов, а тонические клетки отвечают длительным изменением своей импульсной активности (возбуждением или торможением) в ответ на изменение интенсивности или спектрального состава излучения. В сетчатке обезьяны фазические клетки имеют концентрические рецептивные поля, центр и периферия которых имеют один и тот же колбочко-вый вход от или но не -колбочек [89]. Локализуются фазические клетки, как правило, на периферии сетчатки. Их аксоньр проецируются в крупноклеточные (магноцеллюлярные) слои НКТ, а аксоны тонических клеток — в мелкоклеточные (парвоцеллю-лярные) слои НКТ. Афферентация верхних бугров четверохолмия, где локализованы нейронные механизмы движений глаз, осуществляется исключительно фазическими клетками, которые, таким образом, выполняют специальные функции в окуломоторной: системе. Включенностью фазических клеток в систему детекции движения и управления движениями глаз объясняется, по-видимому, и тот факт, что скорость проведения возбуждения по аксону фазической клетки выше скорости проведения в аксоне спектрально-оппонентной тонической клетки [173].

Классификация ганглиозных клеток на и -типы предложена Энрот-Кугелем и Робсоном по результатам работ на кошке [84]. Их отличителыше свойства представлены в табл. 3.2.2: Х-клетки во многом сходны с тоническими клетками, а У-клет-ки — с фазическими клетками сетчатки приматов. Предполагается соответствие между морфологическими классами а и у и. физиологическими типами и

Существует еще одна классификация ганглиозных клеток — на А- и В-типы, основанная на характеристике входов: клетки;

Таблица 3.2.2. (см. скан) Ганглиозные клетки и -типов

А-типа получают сигналы преимущественно от биполяров, а В-ти-па — от биполяров и амакринов. Клетки А- и В-типов образуют два различных функциональных класса. А-клетки имеют небольшие по размеру рецептивные поля и обладают высокой абсолютной чувствительностью к свету, а В-клетки имеют сложные рецептивные поля с хорошо выраженной избирательностью к направлению движения стимула [144].

В терминологии перечисленных выше классификаций к спектральному анализу излучения имеют отношение следующие типы ганглиозных клеток: тонические on-, off- или -клетки; клетки Х-типа и клетки А-типа.

Кодирование цвета ганглиозными клетками сетчатки. Гранит (1955) первым использовал микроэлектроды для анализа механизмов кодирования цвета в слое ганглиозных клеток. Он выделил клетки, реагирующие на широкий спектр излучений (домина-торы), и клетки, селективно настроенные на узкий диапазон длин волн (модуляторы). Доминаторам приписывалась функция

кодирования яркости цвета, а модуляторам — функция кодирования цветового тона. В последующих работах других авторов установлено, что модуляторы являются «редуцированным вариантом» так называемых спектрально-оппонентных клеток, которые возбуждаются на одни длины волн и тормозятся на другие.

Таблица 3.2.3. Типы рецептивных полей спектрально-оппонентных ганглиозных клеток и нейронов НКТ обезьяны

клетки

Оппонентные клетки делятся на и -типы (табл. 3.2.3). -клетка возбуждается в ответ на длинноволновое излучение и тормозится в ответ на средневолновое излучение. -клетки возбуждаются средне- и длинноволновым излучением и тормозятся коротковолновым. Обратный тип реакций наблюдается и -клеток. Сигналы от фоторецепторов разного типа представлены в рецептивных полях оппонентных ганглиозных клеток упорядоченно и, как правило, пространственно разнесены. В сетчатке карповых рыб и суслика обнаружены ганглиозные «летки с двойной спектральной оппонентностью, рецептивные

поля которых устроены аналогично рецептивным полям биполяров с двойной спектральной оппонентностью. Клетки этого типа дают -ответы на длинноволновый стимул и -ответы на средневолновое освещение центра рецептивного поля и обратные реакции на аналогичную стимуляцию периферии [76; 148]. В сетчатке обезьяны описан небольшой процент клеток селективно настроенных на выделение длинноволновых излучений [227]. Их спектральная чувствительность к длинноволновому свету в раз превышает чувствительность к свету в средне- и коротковолновой частях спектра.

Аналогично цветовым горизонтальным и биполярным клеткам каждый тип оппонентных ганглиозных клеток характеризуется своей формой функций спектральных реакций, где информативным является положение максимумов и «нейтральной точки» (рис. 3.2.3а, б). В области нейтральной точки клетка меняет характер своих реакций с возбуждения на торможение или наоборот. В этой точке спектра реакции клеток практически не отличимы от фона, что свидетельствует об одинаковой выраженности здесь процессов возбуждения и торможения, запускаемых фоторецепторами разного типа.

Фоторецепторные входы ганглиозных клеток. Большая часть клеток и -типов имеют концентрически организованные рецептивные поля с делением на центр и периферию, которые получают сигналы от колбочек разного типа. В рецептивных полях -клеток входами служат и -колбочки, а в рецептивных полях -клеток — с одной стороны, В-колбочки, а с другой — или (или и одновременно). У небольшой части клеток, роль которых в цветовом зрении неясна, центр рецептивного поля представлен -колбочками, а периферия — -колбочками [152].

В сетчатке обезьяны оппонентные клетки -типов составляют от общего числа ганглиозных клеток (остальные являются ахроматическими). В сетчатке карповых рыб доминируют -клетки с двойной спектральной оппонентностью, которые у приматов регистрируются только на уровне коры [90].

Среди оппонентных клеток с сооотношением преобладают клетки с -центром по сравнению с -центром. Однако в отдельном локусе сетчатки регистрируются, как правило, оппонентные клетки всех типов [227]. Размеры центра рецептивного поля -клеток варьируют в пределах -клеток — в пределах -клеток латентный период реакций в центре рецептивного поля составляет а на периферии — Латентность реакций -клеток соответственно на больше. Кроме того, у -клеток наблюдаются длительные разряды последствия (200-400 мс). Все это ограничивает временные разрешающие способности -канала: так, ганглиозные клетки -типа «отслеживают» мелькания света с частотой 60-70 Гц, а -типа — с частотой 35-40 Гц [227].

Взаимодействие между центром и периферией рецептивного поля, определяющее реакцию ганглиозной клетки, зависит спектральных, временных и пространственных характеристик стимула, от выраженности связи с фоторецепторами разных типов. Кроме того, различные типы клеток по-разному представлены разных локусах сетчатки.

Рис. 3.2.3. (см. скан) Разные степени: доминирования и -колбочек в реакциях спектрально-оппонентных ганглиозных клеток. Взято из Зренера [227]: а — функции спектральной чувствительности для 6 разных клеток, -типа, зарегистрированных при одних и тех же условиях стимуляции. Для удобства сравнения функции смещены относительно друг друга по оси ординат; — варьирование формы функций спектральных реакций среди ганглиозных, клеток -типов. По оси абсцисс — длина волны, нм; по ординат — пронормированные по максимому значения функций; «+» — возбуждение, «-» — торможение.

Соотношение в выраженности процессов возбуждения и торможения в рецептивном поле при одних и тех же условиях стимуляции варьирует как функция от соотношения связей клетки с колбочками разных типов. Как правило, доминирует один из колбочковых входов и второй колбочковый вход определяется в условиях селективной хроматической адаптации. Только у небольшого числа -клеток разные колбочковые входы?

представлены в РП одинаково эффективно [227]. Степень доминирования того или иного входа определяет форму функций спектральных реакций клетки. Так, при доминировании -колбочек нейтральная точка функции клетки -типа локализуется в области 480 нм, а при доминировании -колбочек — в области 630 нм. Наличие разных степеней доминирования между колбочками разных типов объясняет практически непрерывную градацию цветооппонентности среди клеток -типа (рис. 3.2.3 6). Одновременно варьируют максимумы функции спектральных реакций: при доминировании -колбочек -клеток может формироваться -оппонентность, и только хроматическая адаптация позволяет выяснить, образуется ли эта оппонентность с участием -колбочек. Такая гетерогенность клеток -тцпа может служить механизмом усиления локальных перепадов слабой яркости, образованных двумя соседними областями разного цвета. В отличие от клеток -типа -клетки не обнаруживают заметной вариабельности в коэффициентах связи с колбочками и их функции спектральных реакций стабильны.

В каждом локусе сетчатки представлены -клетки с разным соотношением вкладов и -колбочек. Однако степень доминирования тех или иных колбочек в рецептивных полях клеток меняется систематическим образом от фовеа к периферии: в центре преобладают -клетки, реакции которых определяются в основном -колбочками, а на периферии — -клетки, в реакциях которых доминируют вклады от -колбочек (рис. 3.2.4). И хотя -колбочки доминируют по всей сетчатке в количественном отношении, это не означает их доминирование в функциональном смысле [142].

По небольшому числу данных, форма функции спектральных реакций и абсолютная чувствительность -клеток не меняются с изменением локализации в сетчатке [227].

Динамические характеристики рецептивных полей ганглиозных клеток. Спектральная оппонентность ганглиозных клеток зависит от размеров цветового сигнала. При небольших размерах стимула, сравнимых с центром рецептивного поля клетки, оппонентность нарушается и клетка становится ахроматической (не-оппонентной) с доминированием в реакциях вклада колбочек одного типа в центре рецептивного поля. Ослабление онпонентности происходит и при стимуляции цветами небольших интенсивностей, вызывающих реакции колбочек одного типа преимущественно в центре рецептивного поля, где клетка имеет более высокую абсолютную чувствительность по сравнению с периферией.

Как суммируются сигналы от колбочек разного типа в площади рецептивного поля ганглиозной клетки? По данным Дюк и Спекройзе (1984), такая суммация у большей части -клеток посит линейный характер. Это означает, что реакцию клетки на комбинацию цветовых стимулов и можно воспроизвести простой суперпозицией реакций отдельно на

В сетчатке карпа ганглиозные клетки с линейной суммацией — это, как правило, -клетки с двойной спектральной оппонентностью, размеры центра рецептивного поля которых сопоставимы с размерами рецептивного поля биполяров с двойной спектральной оппоментностью [120].

Рис. 3.2.4. Степень доминирования -колбочек в рецептивных полях -клеток из разных локусов сетчатки: 1 — доминируют исключительно -колбочки. 5 — исключительно -колбочки, — промежуточные (между 1 и 5) степени доминирования, 0° — фовеа

Оппонентные клетки являются, как правило, клетками тонического Х-типа, которые по определению их классификации отличаются от ахроматических

-клеток линейным характером пространственных взаимодействий сигналов в рецептивном поле.

У высших позвоночных животных глаз находится в непрерывном движении. При этом цветовое изображение непрерывно перемещается по сетчатке и нейроны стимулируются последовательностью быстро сменяющих друг друга локальных перепадов яркости и цвета.

Рис. 3.2.5. Временные взаимодействия между центром и периферией рецептивного поля ганглиозных клеток: а — различия в латентности возбуждения -клетки при стимуляции центра (пунктир) и периферии (сплошная линия) ее рецептивного поля мелькающим светом разной частоты; — реакции -клетки на мелькающие вспышки синего (456 нм), зеленого (530 нм) и красного (622 нм) цвета разной частоты, Гц; в — реакции отдельно центра (сплошная линия) и периферии (пунктир) рецептивного поля -клетки на мелькающие монохроматические стимулы (соответственно, 456 им и 622 нм) разной частоты, Гц. Реакции (частота спайков) представлены в виде аналогового сигнала

Как будет клетка различать цвета в этих условиях? Для изучения этого вопроса используется мелькающий свет — стимуляция последовательности вспышек, следующих друг за другом с определенной частотой (разной для разных последовательностей). Этими методами выявляется, что решающее значение для реакций клеток на цвет в условиях сканирования глазом сцены имеют временные взаимодействия между центром и периферией рецептивного поля. Так, в рецептивном иоле любой оппонентной ганглиозной клетки существуют различия в латентности возбуждения в центре и на периферии Уменьшение этих различий при высоких частотах стимуляции приводит к тому, что фазы

Рис. 3.2.6. (см. скан) Реакции центра и периферии рецеитивиого поля -клетки при низких и высоких частотах спектральной стимуляции: а — схематическое изображение реакций -центра и -периферии соответственно на красный (R) и зеленый (G) мелькающие стимулы, Гц; в мс указаны латентности возбуждения центра и периферии при разных частотах стимуляции (см. рис. 3.2.15а). В условиях стимуляции, указанных слева, человек видит мелькающие вспышки, различающиеся по яркости. В условиях стимуляции, указанных справа, человек видит чередующиеся вспышки красного и зеленого цветов; б - спектральная чувствительность RG-клеток при низких (I Гц) и высоких (30 Гц) частотах, больших (200 мс) и коротких (10 мс) длительностях спектральной стимуляции

возбуждения и торможения в центре рецептивного поля совпадают по времени и соответственно с фазами возбуждения и торможения на периферии рецептивного поля (рис. 3.2.5). В итоге спектральный антагонизм (опнонентность) центра и периферии, проявляющийся при низкочастотной и стационарной стимуляции,

превращается в синергизм при высоких частотах стимуляции. Оппонентная клетка теряет спектральную избирательность и становится ахроматической (рис. 3.2.6). Оптимальные условия синхронизации в работе центра и периферии рецептивного поля индивидуальны для каждой оппонентной клетки и зависят от интенсивности и спектрального состава фонового освещения, от цвета тестовых стимулов. Перестройка временных взаимодействий в рецептивных полях оппонентных клеток при высоких частотах стимуляции может иметь адаптивное значение [227]. Стационарный объект (вариант низкочастотной стимуляции) выделяется из равного по яркости фонового окружения путем анализа цветовых различий с участием оппонентных нейронов. При наблюдении быстродвижущегося объекта первостепенное значение приобретает анализ яркостных различий, к выделению которых в этой ситуации и подключается наряду с системой К-нейронов система оппонентных ганглиозных клеток. Таким образом, спектрально-оппонентные ганглиозные клетки обнаруживают функциональную пластичность: в зависимости от условий восприятия они могут участвовать в выделении как цветовых (стационарный объект), так и яркостных (движущийся объект) контрастов. Это объясняет, почему движущийся объект видится нами бесцветным.

Ахроматические спектрально-неоппонентные ганглиозные клетки. В сетчатке обезьяны около 40% ганглиозных клеток не обнаруживают спектральной оппонентности [227]. Часть из них являются фазическими (25%), часть — тоническими Функции спектральной чувствительности и тонических и фазических ахроматических клеток широкоплосны с пиком на длине волны 550 нм. До настоящего времени неясно, с колбочками каких типов связаны эти клетки — только с только с или с и одновременно. При отсутствии спектральной оппонентности ахроматические клетки обнаруживают пространственную оппонентность в рецептивном поле, где центр и периферия запускаются колбочками одного типа (например, или

Среди ахроматических клеток тонического типа выделяют -нейроны, возбуждающиеся при увеличении интенсивности света, и -нейроны, возбуждающиеся при затемнении (от англ. «bright» — световой и «dark» — темновой) [116; 117]. При постепенном увеличении интенсивности освещения частота импульсации В-нейронов монотонно увеличивается, а -нейронов монотонно уменьшается (рис. 3.2.7). Каждому участку сетчатки соответствует свой набор В- и -нейронов. В итоге в любом локусе сетчатки действие света вызывает одновременное возбуждение .В-нейронов и торможение -нейронов, а темнота — возбуждение -нейронов и торможение В-нейронов. Ответы В- и -нейронов устойчивы и сохраняются в течение всего времени действия стимула.

На рис. 3.28 представлены все типы описанных выше хроматических и ахроматических клеток в соответствии с распределением

их по сетчатке обезьяны. Видно, что клетки с -центром преобладают над клетками с -центром. Это совпадает с данными морфологии о том, что подслой содержащий окончания биполяров и ганглиозных клеток -типа, образует только 1/3 внутреннего плексиформного слоя, основная часть которого (подслой «в») занята отростками биполяров и ганглиозных клеток Если в центре сетчатки представлены клетки, получающие сигналы от колбочек всех трех типов, то на периферии доминируют клетки с входами от и В-колбочек. Таким образом, нормальное трихроматическое зрение приматов — и это согласуется с данными психофизики — ограничено фовеальной областью сетчатки [61]. Периферическое цветовое зрение обнаруживает дихромазию типа дейтеранопии или дейтераномалии.

Рис. 3.2.7. Ганглиозные клетки В- и -типов: а — структура концентрических рецептивных полей В- и -клеток; — зависимость импульсации В- и -нейронов от интенсивности освещения

На -клетке суммируются с разным знаком и весом сигналы от и -колбочек. Нейтральная точка функции спектральных реакций у большей части -клеток локализуется в области 560—570 нм, что коррелирует с длиной волны света, вызывающего ощущение белого цвета у тританопов (у лиц с нарушением различения сине-желтых цветов и редукцией -системы). Однако положение нейтральной точки широко варьирует по спектру (от 480 нм до 630 нм) в зависимости от соотношения вкладов в реакции клеток и -колбочек (рис. 3.2.36), формируя различные формы реакций клеток в рамках одного -типа. Такая гетерогенность клеток -типа может служить механизмом усиления локальных перепадов яркости, образованных двумя примыкающими областями одного цвета [227].

По данным Дюк и Снекройзе, суммация цветовых сигналов в рецептивных полях -клеток линейна [78]. При некоторых

уровнях фонового освещения у части -клеток обнаруживаются отклонения от линейности, проявляющиеся в эффектах «адаптационного торможения» и «адаптационного растормаживания» [32; 144]. Освещение периферии ганглиозной клетки цветом, который тормозит ее, растормаживает (облегчает) ответ центральной зоны, если он был заторможен до этого фоновым цветом в центре поля («адаптационное растормаживание»). Если один участок центра освещен ранее, а второй участок освещается позднее, то ответ на засвет второго локуса уменьшается («адаптационное торможение»). Процессы адаптации усложняют антагонистические отношения между центром и периферией рецептивного поля, вызывая отклонения от линейности в суммации цветовых сигналов.

Рис. 3.2.8. Распределение спектрально-оппонентных и ахроматических ганглиозных клеток по сетчатке обезьяны (Зреннер, 1983). Заштрихованные блоки — клетки с -центром рецептивного поля белые блоки — клетки с -центром (—), блоки с точками — клетки, у которых не удалось определить центр и которые реагировали возбуждением в любой точке своего и Я-типы колбочек, доминирующих в центре РП. Общее число клеток, по которому составлена диаграмма, — 385. Эксц. — эксцентриситет на сетчатке, в градусах (0° — фовеа)

Временные взаимодействия между центром и периферией рецептивного поля играют существенную роль в формировании спектральных реакций -клеток на мелькающие цветовые стимулы, имитирующие в эксперименте смещения цветного изображения при движении глаз. Они объясняют возникновение у человека ощущений цвета в условиях гетерохромной фликерметрии (рис. 3.2.6). Так как нарушение спектральной оппонентности ганглиозных клеток при высоких частотах стимуляции связано с синергизмом в работе центра и периферии рецептивного поля, то логично думать, что стимульные условия, десинхронизирующие их взаимодействие, будут приводить к возникновению ощущения

цвета. Действительно, такое наблюдается при вращении диска «Фехнера — Бенхэма». Черно-белые полосы диска при вращении с частотой Гц вызывают ощущения разных цветов. Механизмом этой иллюзии может быть десинхронизация в реакциях центра и периферии рецептивного поля (фазовый сдвиг) оппонентной ганглиозной клетки, вызываемая полосами разной длины и ширины и аналогичная той, что наблюдается при низкочастотной гетерохромной стимуляции (рис. 3.2.6) [227].

На -клетках антагонистически взаимодействуют сигналы от колбочек -типа, с одной стороны, и или -типов (или -типа одновременно) — с другой. В сетчатке приматов клетки этого типа редки Их рецептивные поля, как правило, не имеют деления на центр и периферию. У большинства -клеток вход от рецепторов В-типа — возбуждающий [227]. Нейтральная точка функций спектральных реакций -клеток локализуется в области 490—500 нм, соответствующей области белого цвета для протанопов и дейтеранопов (редукция -системы). По сравнению с .-клетками клетки -типа генерируют длиннолатентные реакции на включение света и длительные разряды последействия на выключение света. В отличие от -клеток их функции спектральных реакций стабильны и не меняются с эксцентриситетом на сетчатке (рис. 3.2.3). Большая латентность реакций -клеток проявляется в психофизических опытах по наблюдению движущейся полоски, одна половина которой голубого цвета, а другая — красного: возникает ощущение, что синяя часть отстает от красной [151]. Временными параметрами реакций -клеток определяются особенности временной суммации сигналов в их рецептивных полях: если -клетки «отлеживают» вспышки света с частотой до 60—70 Гц, то -клетки — с частотой до 35 Гц [91]. Особенности -системы ганглиозных клеток связывают с особенностями В-колбочек, отличающими их от колбочек и -типов и сближающими с палочками [227].

Таким образом, -система ганглиозных клеток обладает рядом специфических черт по сравнению с -системой. Если считать, что передача информации связана с фазой возбуждения нейрона, то -клетки передают информацию только о синем цвете, так как являются в своем большинстве клетками -типа. И тогда сигналы о желтом цвете формируются или в НКТ, или в системе ганглиозных клеток -типа (рис. 3.2.3). Это справедливо по крайней мере для сетчатки приматов [227], -клетки плохо возбуждаются излучениями с длиной волны больше 500 нм и хорошо — белым светом.

Рассмотренные выше типы рецептивных полей ганглиозных клеток обнаруживают двойственную типологию. В сетчатке низших позвоночных (рыб, лягушек) наблюдаются два типа спектрально-оппонентных клеток. Одни характеризуются пространственной спектральной оппонентностью рецептивного поля, когда пространственно разные части рецептивного поля (центр и

периферия) представляют разные типы рецепторов, а другие — функциональной спектральной оппонентностью, когда одна и та же часть рецептивного поля представлена разными рецепторами, — это клетки с двойной спектральной оппонентностью.

Показательно, что в сетчатке высших позвоночных (например, обезьян) клеток с двойной спектральной оппонентностью практически нет, зато, как мы увидим далее, они появляются на более высших (корковых) уровнях цветового анализатора излучений.

Все это свидетельствует о том, что только клетки второго типа могут участвовать в цветовом анализе излучений, тогда как клетки первого типа настроены скорее всего на выделение пространственных характеристик стимуляции (края, контрасты и т. д.).