Хвильові процеси у зоровій корі МОЗКУ

У 1920-х роках німецький електрофізіології і психіатр Г. Бергер (1873-1941) вперше зареєстрував біоелектричну активність (у вигляді коливань потенціалів) мозку людини. З тих пір докладено багато зусиль, щоб зрозуміти, чи мають такі коливання якесь функціональне значення або всього лише супроводжують нейронної активності і служать індикатором стану мозку. Сьогодні ми знаємо, що робота цього надзвичайно важливого органу людини заснована на передачі електричних сигналів, які одночасно генеруються безліччю нервових клітин. Електричну активність всього мозку можна представити як шум величезного натовпу, мільярди членів якої розмовляють одночасно. Ні в кого не викликає сумнівів, що голос окремого нейрона важливий у цьому загальному шумі -- адже саме нервова клітина бере участь в аналізі та переробки інформації. А от щодо всій багатоголосся ясності немає досі.

Сумарна електрична активність мозку (шум величезного натовпу) записується за допомогою електроенцефалограф, який реєструє коливання електричних потенціалів у декількох частотних діапазонах, або ритмах. Усі разом вони формують електроенцефалограму (ЕЕГ), аналізуючи яку, нейрофізіологи намагаються зрозуміти, як працює мозок.

Тут мова піде тільки про одну його функції - зорової - і про одного вигляді електричної активності, відображеної на ЕЕГ, про так званий альфа-ритмі, тобто коливаннях електричних потенціалів з частотою від 8 до 13 Гц. У цьому діапазоні частота ритму індивідуальна, але є він практично у кожної людини і особливо потужно проявляється в зорової області (вона знаходиться в потиличної частини обох півкуль) кори великого мозку в стані спокійного пильнування із закритими очима.
                 Гіпотетична зв'язок розміру впізнаваних трикутників з ходом розповсюдження альфа-хвилі (показана кольором) і з послідовністю   її фаз (внизу). За гіпотезою Пітса і Мак-Каллока, хвиля рухається з центру кори до периферії, послідовно зчитуючи інформацію про зоровому образі.   Тому дрібні фігури повинні опізнаватися раніше за інших (фаза 1), а великі - пізніше за всіх (тут фаза 3).     

Альфа-ритм, як і електрична активність мозку в діапазоні інших частот, який багато років був предметом фундаментальних досліджень, але тепер перекочував у прикладні та полупрікладние роботи. Це пов'язано, напевне, з тим, що більшість підходів до аналізу його ролі вичерпали себе і виявилися непродуктивними. Незважаючи на безліч спеціальних керівництв і ряд журналів, заповнених статтями по ЕЕГ, значення альфа-ритму для роботи мозку до цих пір дискусійно, якщо не сумнівно.

неясним і механізми створення цього ритму. Так, все ще переважає точка зору, що альфа-ритм - це коливання потенціалів, синхронно що розвиваються, у всій зорової корі, тобто стояча хвиля. Тим часом багато років тому американські дослідники - математик У. Пітс та невролог У.Мак-Каллок -- запропонували гіпотезу сканування, пов'язану саме з цим ритмом [1]. За їхніми думку, альфа-ритм відображає сканування зорової кори, зчитування з неї інформації рухається хвилею збудження. Нагадаємо, що в первинній проекційної області зорової кори, куди приходять сигнали з сітківки ока через підкоркових зоровий центр, дотримується так звана ретінотопія. Це означає, що видимий світ, спроектувати на сітківку (ретина) оптичною системою очі, відображається в корі принципово такий же картиною збудження. Недарма зорову кору називають корковою екранної структурою.

Поширення альфа-хвилі по зорової корі. Відповідно до гіпотези Пітса і Мак-Каллока, ця хвиля починає свій хід (фаза 1) з центру корковою проекції поля зору (ц.п.з.) до периферії. Однак експериментальні результати показують зворотний напрямок - від периферії до центру.

Автори гіпотези сканування припустили, що через кожні 100 мс в центрі цього коркового екрану виникає хвиля збудження, яка розповсюджується за такий же час до його кордонів. Ця рухома хвиля підсумовується в кожному нейроні з порушенням, які прийшли з сітківки ока, тим самим підвищуючи рівень деполяризації нервових клітин, розташованих все далі від центру зорової кори. У результаті з корковою екранної структури послідовно зчитується, сканується, зорова інформація, яка передається потім в інші області кори, де проводиться подальший аналіз інформації та впізнання образів. Автори надавали дуже велике значення альфа-ритму і без зайвої скромності назвали свою статтю "Як ми пізнаємо Всесвіт. Сприйняття слухової і зорової інформації "*.

* Пізніше, через 10 років, Пітс і Мак-Каллок стали співавторами знаменитої статті Дж.Леттвіна і Т. Матурано "Що око жаби розповідає мозку жаби ", в якій були вперше описані нейрони-детектори. На жаль, це чудове досягнення не удостоїлося Нобелівської премії разом з Д. Хьюбел і Т. Візель (про них див: Лауреати Нобелівської премії 1981 року. За медицині - Р. Сперрі, Д. Хьюбел, Т. Візель// Природа. 1982. № 1. С.105-107).

Думка про скануючої хвилі виникла не на порожньому місці. Автори помітили подібність структури основних пучків нервових волокон в зорової і слуховий корі зі схемами пристроїв для автоматичного управління зенітних вогнем, розроблених в кінці другої світової війни. На це цікавий збіг звернув увагу і батько кібернетики Н. Вінер, що дав теоретичну роботу Пітса і Мак-Каллока високу оцінку.

Безсумнівно, що ця ідея, якби вона вірною, була б дуже важливою як для розуміння послідовності переробки зорової інформації, так і для оцінки функціонального значення альфа-ритму. Однак суворі докази гіпотези були відсутні. Експериментально сам скануючий процес не був виявлений, а непрямі дані виявилися суперечливими - одні з них підтверджували слідства, що випливають з гіпотези, інші - ні.

Щоб підтвердити або спростувати гіпотезу Пітса і Мак-Каллока, в середині 80-х років ми почали спеціальні досліди.

Чотири непрямих докази

Упізнання форми геометричних фігур. У той час перевірити гіпотезу про альфа-скануванні можна було лише побічно, тому що існувало багато методичних обмежень. Ми провели 285 керованих комп'ютером експериментів, у яких перед випробовуваними (їх було 29 чоловік) ставилася завдання пізнати форму геометричних фігур різного кутового розміру. Ми виходили з простого слідства гіпотези: якщо альфа-ритм поширюється з центру зорової кори, то дрібні зображення, контур яких там і проектується, будуть опізнаватися краще при їх пред'явленні випробуваному на ранніх фазах альфа-хвилі, а більші, "локалізовані" на периферії, - на відносно пізніх *.

* Точні фази хвилі в той час було неможливо встановити, оскільки сигнали від зображень різного розміру приходять в зорову кору з різною затримкою. Але це не мало принципового значення для наших дослідів, тому тут йдеться тільки про послідовність фаз альфа-хвилі - щодо ранніх або щодо пізніх.

В експериментах комп'ютер у випадковому порядку, на короткий час, ставив на екрані геометричні фігури різної форми та кутового розміру (від 0.7 до 16 °) під час однієї з чотирьох фаз альфа-хвилі або ж - в контрольній серії - поза всяким зв'язком з будь-якої з них.

Як ми й передбачали, ймовірність впізнання фігури збільшувалася, якщо її запуск проводився у відповідну її розміром фазу [2, 3]. Але що було несподіваним, так це протилежна передвіщеної зв'язок між розміром фігури і фазою хвилі: якщо зображення на екрані виникали в ранні фази, краще впізнавали більш крупні фігури, а в пізні - навпаки, дрібні.

Таким чином, ми опосередковано підтвердили наслідок гіпотези Пітса і Мак-Каллока про поширення хвилі збудження по зорової корі. Однак з наших дослідів випливало, що альфа-хвиля рухається не від центру до периферії корковою проекції поля зору, як припускали автори гіпотези, а навпаки - від периферії до центру. Ми вважаємо, що кожні 80-120 мс (період альфа-ритму у різних випробуваних) в корковою проекції ближньої периферії поля зору (9-12 ° від його центру) генерується хвиля, яка рівномірно переміщається до центру і досягає його за три чверті альфа-періоду, тобто приблизно за 75 мс.

Розпізнавання напрямку руху стимулу. Природно було припустити, що з фазами альфа-хвилі пов'язано розпізнавання не лише форми зображення, але і напряму його руху. Щоб з'ясувати, чи так це, викликана швидко рухаються по екрану світловим плямою хвиля коркового збудження пускалася або в одному напрямку з розповсюджується альфа-хвилею, або - назустріч їй. Випробовувані повинні були відповісти, до центру екрану або до периферії рухається світлове пляма, що створюється комп'ютером. У цій серії експериментів дотримувалися ті ж умови: в досвіді початок руху зорового стимулу збігалося з однією з фаз альфа-ритму, у контролі синхронізація повністю була відсутня.

Відомо, що людина краще пізнає доцентровий напрямок. (Це зв'язано, мабуть, з більшою біологічної значущістю для людини сигналів, які з'являються на периферії поля зору в зв'язку з їх новизною і можливою небезпекою.) У контролі так і було. Але в досвіді це перевагу змінювалося на протилежне: випробувані краще розпізнавали відцентрове напрямок - назустріч альфа-хвилі [4, 5]. Таке перевагу в пізнанні цілком зрозуміло. Відомо, що сприйняття руху засноване на активації нейронів зорової кори, що володіють високою чутливістю до його напряму. А оскільки активація залежить від просторово-часового градієнта вхідного сигналу, який буває найбільшим при зустрічному русі двох хвиль (доцентровою альфа-хвилі і відцентрової хвилі, викликаної світлом), то природно, що саме в цьому випадку і поліпшуються показники розпізнавання. Так підтвердилося ще один наслідок гіпотези Пітса і Мак-Каллока.

Залежність ймовірності (відкладена по вертикалі) впізнання геометричних фігур різного розміру від моменту їх пред'явлення, тобто від фази альфа-хвилі. При хаотичному пред'явленні в контрольних дослідах ця ймовірність однакова і прийнята за нуль (координатна площину). Видно, що розпізнавання більш великих фігур поліпшується в порівнянні з контролем, якщо вони пред'являються на ранніх фазах альфа-ритму, а більш дрібних - на пізніх фазах.

Виникнення зорових ілюзій. З гіпотези сканування випливає ще один наслідок: ритмічна фотостимуляції з частотою альфа-ритму може створити в зорової корі квазістробоскопіческій ефект. Ми вирішили перевірити, чи здатні ритмічні спалахи світла, що створюють в зорової корі дифузну хвилю збудження, "заморозити", зупинити альфа-хвилю в якийсь момент руху і тим викликати її зорове сприйняття як нерухомого зображення. Слід сказати, що ще в 50-х роках англійська нейрофізіолог У. Уолтер описав поява деяких ілюзорних зорових образів при спалахах світла.

У наших дослідах чоловік сидів з закритими очима перед лампою стробоскопа, частоту спалахів якого комп'ютер міняв у випадковому порядку. У разі виникнення зорової ілюзії випробуваний натискав на ключ і комп'ютер фіксував частоту, на якій образ з'являвся. Судячи з словесним описів і зарисовкам сприйнять, вони бачили що світяться кільця, кола, спіралі або грати з косо пересічними лініями [6, 7]. Примітно, що в багаторазових повторах у кожного випробуваного переважав один і той же тип ілюзії. Раз виникнувши, вона могла рухатися: спіраль або диск повільно оберталися, образ пульсувало, віддаляючись або зміщуючись в сторону, змінював колір.

Індивідуальна є домінуючою в спектрі потужності ЕЕГ, частота альфа-ритму і оптимальна частота стимуляції (її діапазон у різних людей коливався від 6.5 до 13.8 Гц) для отримання чіткого ілюзорного ефекту виявилися тісно пов'язаними. Характерно, що ймовірність сприйняття кола і спіралі значуще знижувалася навіть при невеликій зміні частоти стимуляції, а образ решітки виникав на частотах більш низьких або високих у порівнянні з тими, які викликали ілюзії кола й спіралі.

Отже, в цій серії дослідів підтвердилося третій наслідок вихідної гіпотези. Наші піддослідні "побачили", тобто ілюзорно сприйняли як реальний зоровий образ власну хвилю альфа-ритму, як би зупинену в той чи інший момент її розповсюдження по зорової корі.

На чому грунтується такий ефект? Можна думати, що порушення, що створюється спалахами, ізорітмічнимі з альфа-хвилею, доводить до порога сприйняття зазвичай невидиме (підпорогової) її поширення. Наші результати свідчать на користь кільцевої форми скануючої хвилі, так як саме коло або кільце були найбільш характерними ілюзіями у випробовуваних. Що стосується спіралі, то вона частіше виникала при невеликому неузгодженість частот стимуляції і альфа-ритму, у той час як грати - при більш значному їх відмінності.

рухаються хвилі і зорові ілюзії. Ми вирішили перевірити також, чи пов'язані описані ілюзії з рухомими хвилями ЕЕГ, так як здавалося логічним, що і ці хвилі можуть відображати роботу скануючого механізму. Справа в тому, що рух хвилі збудження в зорової корі може викликати послідовне зміщення максимуму потенціалу по поверхні кори великого мозку. У електрофізіології це зміщення та прийнято називати рухомими хвилями. На динамічних картах альфа-потенціалів мозку вдається виділити кілька фокусів, або полюсів, кожен з яких переміщується за своєю траєкторії. Якщо проаналізувати такі карти, можна з'ясувати, чи співпадає з будь-яким напрямком руху та чи інша ілюзія, викликана у випробовуваних ритмічної фотостимуляції.

Виникнення зорових ілюзій. При фотостимуляції з частотою альфа-ритму зазвичай з'являються ілюзії у вигляді кола, спіралі або решітки (угорі), причому чітко виявляється зв'язок частоти фотостимуляції для їхнього виклику з домінуючою у кожного випробуваного частотою альфа-ритму (в середині). Примітно, що неузгодженість цих частот на 1-2 Гц приводить до зниження ймовірності виникнення будь-якої ілюзії, особливо - кола (внизу).

Карти альфа-потенціалів (з кроком 4 мс) ми будували на основі ЕЕГ випробовуваних, які перебували в умовах найбільшого прояву альфа-ритму, тобто спокійно сиділи закривши очі. Рухомі хвилі виявляли, порівнюючи ЕЕГ, отримані до і під час фотостимуляції, і ранжирували їх по 10 траєкторіями. Які ж були результати?

По-перше, на серії динамічних карт, що відображають хвилю, яка рухалася від потилиці до чола, ми побачили, що негативний полюс потенціалу, що знаходиться в потиличної області кори, поширюється в тому ж напрямку [8]. По-друге, вдалося виявити, що конкретні ілюзії виникали на тлі певної траєкторії хвилі. Наприклад, коло і спіраль з'являлися в тому випадку, якщо хвиля рухалася від потилиці до чола, а грати - при траєкторії, спрямованої від лівої потиличної області кори до правої лобової. Отже, зв'язок між видом ілюзії і напрямком руху альфа-хвилі існує.

Пряме доказ

Тепер ми вже знали, що від фази альфа-хвилі залежить розпізнавання форми геометричних фігур та напрямки руху зорового стимулу, що цю хвилю можна "зупинити", викликавши її ілюзорний зоровий образ; побачили, що вона поширюється за декількома траєкторіями, з якими пов'язаний певний вид ілюзії. Але все це - непрямі докази. Як же отримати прямі підтвердження теоретичних побудов Пітса і Мак-Каллока?

Виходячи із залежності виду ілюзії від траєкторії зміщення максимуму потенціалу, ми припустили, що ця траєкторія може відображати і рух джерела альфа-ритму. Виявивши це, ми тим самим безпосередньо довели б гіпотезу сканування.

Упізнання відцентрового і доцентровий рух. При збігу часу запуску рухається світлової плями з будь-якою фазою альфа-хвилі відцентрове напрямок розпізнається краще в порівнянні з контролем (нульова площину), а доцентровий - гірше. Перевага виражено сильніше, коли пляма починає рух з лівого полуполя зору. Зірочками на схемі відмічені достовірніе (р