Глаз, мозг, зрение

Хьюбел Дэвид Хантер

В аналогичных экспериментах на обезьянах были получены такие же результаты; поэтому кажется, что косоглазие приводит к тем же последствиям и у людей. По клиническим данным, у человека с длительным чередующимся косоглазием даже после устранения этого дефекта обычно не восстанавливается способность к восприятию глубины. Хирург может привести оба глаза в соответствие лишь с точностью до нескольких градусов, а больной, вероятно, уже утратил способность достигать полного слияния двух изображений путем правильной установки глаз с точностью до нескольких угловых минут. Хирургическое исправление косоглазия выравнивает глаза достаточно хорошо, и нормальные нейронные механизмы справились бы с оставшимися несколькими градусами тонкой подстройки, но при косоглазии именно эти механизмы, включающие бинокулярные клетки коры, оказываются нарушенными. Для восстановления, вероятно, потребовался бы длительный период точного выравнивания глаз, который предполагает как нормальную мышечную подстройку, так и подстройку, определяемую бинокулярным зрением.

Все эти соображения, объясняющие сдвиг глазодоминантности,

весьма напоминают модель, позволяющую объяснить ассоциативное научение изменениями в синапсах. Эта модель была предложена психологом Дональдом Хеббом из Университета Мак-Гилла. Ее основная идея состоит в том, что синапс между двумя нейронами A и C становится тем более эффективным, чем чаще за возбуждением нейрона A следует возбуждение нейрона C, независимо от того, чем это последнее будет вызвано (рис. 144). Таким образом, для повышения эффективности синапса вовсе не обязательно, чтобы разряд нейрона C был следствием разряда A. Предположим, например, что с C образует синапс еще один нейрон, B, причем синапс A–>C слаб, а синапс В–>C весьма эффективен; допустим далее, что A и B разряжаются почти одновременно или же B чуть раньше A и что C дает разряд не под влиянием A, а в результате сильного воздействия B. В модели Хебба уже сам факт, что C разряжается сразу после A, повышает эффективность синапса А–>С. Мы предположим также, что если импульсы, приходящие к C от A, не сопровождаются импульсами в C, то синапс A–>C ослабевает.

Рис. 144. Клетка C получает входы от клетки левого глаза A и от клетки правого глаза B. Согласно модели синапса Хебба, если разряды клетки C следуют за разрядами клетки A, то такая последовательность событий стремится усилить синапс A–>C.

Применим эту модель к бинокулярной конвергенции у нормального животного. Пусть клетка C — бинокулярная, аксон A идет от не доминантного, а аксон B — от доминантного глаза. Недоминантный глаз будет реже активировать клетку C, чем доминантный. Согласно гипотезе Хебба, синапс A–>C будет сохраняться или усиливаться, пока за импульсами в A будут следовать импульсы в C, а такая последовательность более вероятна, если в надлежащий момент времени от другого глаза по аксону B постоянно поступает «подкрепление». А именно это и будет происходить при точном совмещении изображений на обеих сетчатках. Если активность в A не сопровождается активностью в C, синапс A–>C за длительный период времени ослабеет. Получить прямое доказательство, что модель Хебба применима к косоглазию, — дело нелегкое (по крайней мере в ближайшем будущем), но сама идея, мне кажется, заслуживает внимания.

Анатомические последствия депривации

То, что в коленчатых телах, где нет или почти нет возможностей для конкуренции глаз, мы не смогли обнаружить заметных физиологических дефектов, казалось, подтверждает идею о том, что последствия закрытия одного глаза связаны с конкуренцией, а не с бездействием глаза. Правда, клетки коленчатого тела были атрофичными, но — рассуждали мы — вряд ли можно ожидать, что все будет ясно. Если конкуренция и в самом деле играет важную роль, то корковый слой 4C мог, как нам казалось, быть подходящим объектом для проверки этой идеи, поскольку клетки в нем тоже монокулярны и конкуренция маловероятна, так что чередование полосок, связанных с левым и с правым глазом, должно остаться ненарушенным. Итак, путем длинных микроэлектродных проходок через слой 4C мы начали выяснять, сохраняются ли такие полоски после закрытия одного глаза и остаются ли нормальными их размеры. Вскоре стало ясно, что слой 4C по-прежнему подразделяется на участки левого и правого глаз, как у нормальных животных, и что клетки в полосках, соединенных с ранее закрытым глазом, остались практически нормальными. Однако последовательности клеток с доминированием закрытого глаза оказались очень короткими, как если бы полоски были аномально узкими (около 0,2 мм вместо 0,4 или 0,5 мм), а полоски, принадлежащие открытому глазу, — соответственно более широкими.

Как только это стало доступным, мы начали использовать методику с инъекцией метки в глаз и транснейронным переносом ее в кору, чтобы получить прямое и наглядное подтверждение сделанных выводов. По прошествии периода депривации длительностью в несколько месяцев мы вводили кошке или обезьяне в тот или в другой глаз радиоактивную аминокислоту. Радиоавтографы показали заметное сужение полосок, связанных с ранее депривированным глазом, и соответственное расширение полосок, принадлежащих нормальному глазу. Микрофотография слева на рис. 145 иллюстрирует результаты инъекции радиоактивной аминокислоты в нормальный глаз. На этом снимке, сделанном, как обычно, в условиях темного поля, представлен срез, параллельный поверхности коры и проходящий через слой 4C. Узкие, прерывающиеся черные полоски соответствуют глазу, который был закрыт, а более широкие светлые (меченые) полоски — открытому глазу, в который ввели метку. На рис. 146 показана обратная картина, полученная после введения метки в ранее закрытый глаз. Этот срез был сделан поперек слоя 4C, поэтому мы видим «полоски» в поперечном сечении.

Рис. 145.

Срезы зрительной коры макака, правый глаз которого был закрыт с момента рождения до 18-месячного возраста. В левый глаз инъецировали радиоактивную аминокислоту, и неделю спустя приготовили срезы мозга, параллельные поверхности зрительной коры. Кора имеет куполообразную форму, поэтому такие срезы вначале идут тангенциально, а затем образуют кольца (А) все большего диаметра, подобные кольцам луковицы. Эти кольца были вырезаны из микрофотографий и склеены вместе (Б). Впоследствии мы научились расправлять кору перед ее замораживанием, и тогда уже не приходилось разрезать и склеивать фотографии серийных срезов. На обычном радиоавтографе зерна серебра выглядят черными на белом фоне. Мы, однако, применяли метод исследования в темном поле, при котором зерна серебра рассеивают свет и их скопления выглядят как светлые участки. Светлые полоски — места поступления в слой 4C меченых атомов из открытого глаза — расширены, а темные (связанные с закрытым глазом) сильно сужены.

Рис. 146. Другой обезьяне метку ввели в закрытый глаз. Срез сделан в поперечном, а не в тангенциальном направлении. На этом снимке, полученном в темном поле, светлые полоски в слое 4C (которые видны здесь в поперечном сечении) сильно сужены.

Результаты, полученные на слое 4C, подкрепили наши сомнения относительно конкурентной модели, связанные с фактом атрофии клеток коленчатого тела: либо гипотеза о конкуренции была неверна, либо какая-то погрешность была в наших рассуждениях. Оказалось, что погрешность касалась как коленчатого тела, так и коры. В коре нашей ошибкой было предположение, что к моменту, когда мы закрывали глаза новорожденным животным, колонки глазодоминантности были уже вполне сформированы.

Нормальное развитие колонок глазодоминантности

Очевидный способ получения сведений о колонках глазодоминантности у новорожденных животных заключался в проверке распределения волокон, входящих в слой 4C, путем инъекции метки в глаз на первый или второй день жизни. Результат оказался неожиданным. Вместо четких, ясно очерченных полосок в слое 4C мы наблюдали непрерывное распределение метки. Радиоавтограф слева на рис. 147 показывает этот слой в поперечном разрезе, и мы не видим никаких признаков колонок. Только если мы нарезали кору параллельно ее поверхности, можно было увидеть слабую волнистость с полумиллиметровыми интервалами, как это показано на радиоавтографе справа. Очевидно, волокна, растущие от коленчатого тела в кору, не разветвляются сразу же к областям, связанным с левым и с правым глазом. Они сначала посылают свои ветви повсюду в радиусе нескольких миллиметров и лишь позднее, приблизительно к моменту рождения животного, втягиваются обратно и окончательно распределяются. Слабая волнистость у новорожденного показывает, что втягивание началось еще до рождения; Пашко Ракич с большими трудностями сумел инъецировать метку в глаз утробного плода обезьяны и выяснил, что оно начинается за несколько недель до рождения. Инъецируя метку в один глаз в различные моменты после рождения, мы смогли легко установить, что в первые две или три недели в слое 4 происходит постепенное втягивание окончаний, так что к четвертой неделе формирование полосок завершается. Узор полосок и их периодичность с шагом 0,8 миллиметра, таким образом, являются врожденными.

Рис. 147. Слева: поперечный срез слоя 4C коры новорожденного макака после инъекции радиоактивной метки в глаз. Снимок сделан в темном поле, поэтому меченые участки выглядят светлыми. Их непрерывность показывает, что входы от каждого глаза не сгруппированы в полоски, а перемешаны во всем слое. (Белая полоса между слоями 4C, находящимися у поверхности мозга и в глубине, представляет собой белое вещество мозга, заполненное волокнами с меткой, идущими от наружных коленчатых тел.)

Справа: здесь показан срез другого полушария; при изготовлении среза нож слегка коснулся участка стриарной коры, находящегося в глубине. В верхней части слоя 4C можно усмотреть намек на полоски. (Эти полоски находятся в подразделении, связанном с крупноклеточными слоями коленчатого тела.) Более глубинный подслой образует непрерывное кольцо вокруг и поэтому предположительно позднее дифференцируется по глазодоминантности.

Мы легко подтвердили представление о постнатальном втягивании окончаний, регистрируя ответы слоя 4C обезьян вскоре после рождения. По мере продвижения электрода вдоль этого слоя параллельно его поверхности мы везде смогли вызвать активность от обоих глаз вместо четкого чередования глаз, наблюдаемого у взрослых животных. Карла Шатц продемонстрировала аналогичный процесс развития коленчатого тела у кошки: у утробного плода многие клетки коленчатого тела временно получают входы от обоих глаз, но утрачивают один из входов по мере образования слоистой структуры. Таким образом, и в коре, и в коленчатом теле мы имеем примеры формирования и последующей спонтанной дегенерации синапсов в процессе развития.