Выводы из наблюдения над корой головного мозга бодрствующих обезьян, сделанные посредством хронической имплантации многочисленных микроэлектродов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.00, кандидат наук Бондарь, Игорь Вечеславович

• Бондарь, Игорь Вечеславович
• кандидат наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат наук Бондарь, Игорь Вечеславович

I. ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................................................1

1. Первичная зрительная кора.....................................................................................................1

1.1 Месторасположение в коре мозга. Топография и ретинотопия...............1

1.2 Афферентные и эфферентные связи поля 17.

Типы клеток и их организация в слои.......................................................................3

1.3 Микроанатомическое описание первичной

зрительной коры................................................................................................................4

1.4 Функциональные свойства нейронов в VI......................................................7

2. Перманентные имплантации множественных электродов......................................12

3. Замечания к использованию парадигмы с фиксацией движений глаз в электрофизиологических эксприментах

по изучению зрительной системы....................................................................................18

II. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ...................................................................................................................21

III. МЕТОДИКА............................................................................................................................................25

1. Подопытные животные...........................................................................................................25

2. Имплантат....................................................................................................................................27

3. Определение места регистрации активности

с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ)............................................31

4. Имплантация электродов.......................................................................................................34

5. Порядок проведения зрительных экспериментов........................................................41

5.1 Эксперимент с ограниченным полем зрения.................................................41

5.2 Эксперимент с вращающимся диском.............................................................42

5.3 Эксперимент с нефиксированным направлением взора...........................42

6. Регистрация электрофизиологических сигналов.........................................................44

7. Регистрация движений глаз с помощью

метода обработки видеоизображения..............................................................................46

8. Обработка экспериментальных данных..........................................................................48

IV. РЕЗУЛЬТАТЫ.....................................................................................................................................50

1. Результаты имплантаций, проведенных на яванских макаках............................52

2. Исследование стабильности отведений у игрунки...................................................61

3. Поведение обезьян в экспериментах с разными

способами предъявления зрительных стимулов.......................................................69

3.1. Три предварительных эксперимента

с направлением взгляда....................................................................................71

3.2. Локальные полевые потенциалы в экспериментах

с ограниченным полем зрения........................................................................76

3.2.1. Высокочастотные осцилляции на цветные

стимулы в экспериментах с обезьяной "Z"..............................77

3.2.2. Локальные полевые потенциалы экспериментах с ограниченным полем з

рения на обезьяне "W".................................................................................84

3.3. Регистрация направления взгляда с помощью

анализа видеоизображений......................................................................................86

V. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ................................................................................................93

1. Методика эффективной регистрации нейронных

сигналов у бодрствующих обезьян...............................................................................93

2. Организация естественного предъявления зрительных стимулов..................93

3. Долговременные отведения клеточной активности

в зрительной коре обезьян...............................................................................................95

4. Проблема закрепления имплантатов..........................................................................98

VI. ОБОБЩЕНИЕ................................................................................................................................101

VII. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................................103

VIII. ПРИЛОЖЕНИЕ.........................................................................................................................109

БЛАГОДАРНОСТИ............................................................................................................................113

БИОГРАФИЯ И СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ............................................................................114

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Выводы из наблюдения над корой головного мозга бодрствующих обезьян, сделанные посредством хронической имплантации многочисленных микроэлектродов»

В эволюционном аспекте кора головного мозга является самой молодой структурой мозга. Примитивная кора мозга имется уже у рыб и рептилий, однако, максимальное ее развитие наблюдается в ряду млекопитающих. В связи с этим развитием также наблюдается усложнение поведенческого репертуара млекопитающих. Предшествующие исследования мозга показали, что такие сложные проявления человеческой психики как язык, память и когнитивные функции локализованы в коре головного мозга.

На основании анатомических, физиологических и нейрофизиологических данных в коре мозга можно различить несколько десятков областей. В настоящее время каждую из них связывают с определенной функцией мозга. Принято различать первичные сенсорные и ассоциативные области коры. В первичных сенсорных полях происходит первичная обработка информации, которая приходит из подкорковых структур, обрабатывающих информацию разных модальностей. В ассоциативных полях информация от различных модальностей сводится воедино для построения сложных функций (например: для создания внутреннего представления окружающей среды в мозге).

Первичные сенсорные области коры головного мозга относятся в физиологическом плане к наиболее исследованным. Реакции клеток в этих областях можно вызывать с помощью простых сенсорных стимулав, что облегчает их изучение. Среди прочих первичная зрительная кора причисляется к хорошо изученным областям мозга.

Заключение диссертации по теме «Биологические науки», Бондарь, Игорь Вечеславович

С целью внедрения нового подхода к исследованию зрительной системы, в данной работе была предпринята попытка связать методику хронических имплантаций множественных электродов с естественным предъявлением зрительных стимулов.

Имплантации множественных электродов на обезьянах получили новое развитие и были опробованы в результате шести введений пучков микроэлектродов в фовеальное представительство первичной зрительной коры пяти явянских макак и одной игрунки. Электроды состояли из 32 или 64 №-Сг-проволок, которые были связаны с микроштекером. Проволоки вводили через направляющую трубочку в заранее определенное с помощью ядерно-магнитной томографии место имплантации, при этом окончательная конфигурация электродов принимала подобие кисточки.

Отведение активности от максимально 39 одиночных нейронов одновременно были возможны в течении более чем 6 месяцев. Были проведены исследования качества отведений: регистрации активности были наиболее стабильны в течении одного дня регистрации. Зачастую активность от одного и того же нейрона регистрировали в течении нескольких дней. Такого рода результаты являются уникальными и демонстрируют преимущества использования данного метода в электрофизиологических экспериментах.

Использование изогнутой несущей трубочки позволило размещать электроды в мозге в соответствии с высокими требованиями, предъявляемым к такого рода имплантациям. Качество регистраций, их стабильность и длительность были возможны в силу определенных деталей конструкции электродов.

Для закреплени имплантатов на поверхности кости акриловая пластмасса оказалась малопригодной. В результате чего, была разработана титановая конструкция для крепления имплантата, успешность которой для длительных имплантаций пока не была подверждена. В настоящее время проходит тестирования модифицированной

конструкции из титана. По неизвестным причинам в случае имплантата игрунки,

крепление с помощью акрилового цемента не вызывало проблем.

Была разработана методика естественного предъявления зрительных стимулов и управления вниманием животного. Суть ее заключается в ограничении поля зрения с помощью непрозрачного экрана, снабженного отверстиями, через которые животное может следить за изменением стимульной ситуации.

Для отслеживания направления взгляда животного в комбинации с непрозрачным экраном использовали систему видеоанализа движений глаз. Была продемонстрирована возможность использования данной системы для экспериментов на макаках и игрунке. С помощью данного метода направления взгляда можно определять с точность до 1°, при этом нет необходимости в фиксации головы животного.

У одной яванской макаки (но не у двух других) наблюдали синхронизированные осцилляции в локальных полевых потенциалах высокой амплитуды и с частотой 40-70 Гц, которые были вызваные насыщенным цветовым стимулом. У другой макаки иногда наблюдались высокочастотные не синхронизированные высокочастотные и низкоамплитудные локальные полевые потенциалы. Связь их со стимулами не была прослежена, однако наблюдалась корреляция с частотой разряда нейронов.

Таким образом, в данной работе представлена система, с помощью которой возможны долговременные регистрации активностей одиночных клеток в условиях контроля за направлением взгляда животного, проводимого без дрессуры и фиксации головы. Дополнительно к этому, могут быть исследованы ответы на стимулы, которые попадают в центральную часть поля зрения и которые - в противоположность к большинству экспериментов с тренировкой удержания направления взгляда - по-настоящему активно исследуются животными.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бондарь, Игорь Вечеславович, 1999 год

Aertsen A.M.H.J., Gerstein G.L.

Dynamic aspects of neuronal cooperativity: fast stimulus-locked modulations of effective connectivity.

in Neuronal Cooperativity Ed: J. Krüger, Springer-Verlag, 1991, 52-67

Albrektsson T., Linder L.

Bone injury caused by curing bone cement. A vital microscopic study in the rabbit tibia. Clin. Orthop. Relat. Res., 1984, 183:280-287

Angst W.

Das Ausdrucksverhalten des Javaneraffen Macaca fascicularis raffles.

Fortschritte der Verhaltensforschung, Beihefte zur Zeitschrift für Tierpsychologie, 1974

Verlag Paul Parey, Berlin und Hamburg

Babb T.L., Kupfer W.

Phagocytic and metabolic reactions to chronikally implanted metal brain electrodes. Experimental Neurology, 1984, 86(2):171-182

Barna J.S., Arezzo J.C., Vaughan H.G.

A new multielectrode array for the simultaneous recording of field potentials and unit activity. Electroencephalography and Clinical Neurology, 1981, 52: 494-496

Bartfeld E., Grinvald A.

Relationships between orientation-preference pinwheels, cytochrome oxidase blobs, and ocular-dominance columns in primate striate cortex.

Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 1992, 89: 11905-11909 Blasdel G.C., Salma G.

Voltage sensitive dyes reveal a modular organization in the monkey striate cortex. Nature, 1986, 321: 579-585

Brodmann K.

Beiträge zur histologischen Lokalization der Grosshirnrinde. Dritte Mitteilung: Die Rindenfelder der niederen Affen. J. Psychol. Neurol., 1904-1905, 4: 177-226

Buzsaki G., Bickford R.G., Ryan L.J., Young S., Prohaska O., Mandel R.J., Gage F.H. Multisite recording of brain field potentials and unit activity in freely moving rats. Journal of Neuroscience Methods, 1989,28: 209-217

Chorover S.L., Deluca A.-M.

A sweet new multiple elektrode for chronic single unit recording in moving animals. Physiology and Behavior, 1972, 9: 671-674

Dow B.M., Vautin R.G., Bauer R.

The mapping of visual space onto foveal striate cortex in the macaque monkey. The Journal ofNeuroscience, 1985, 5(4):890-902

Eckhorn R., Bauer R., Jordan W., Brosch M., Kruse W., Munk M., Reitboeck H.J. Coherent oscillations: a mechanism for feature linking in the visual cortex. Biological Cybernetics, 1988, 60:121-130

Eckhorn R., Frien F., Bauer R., Woelbern T., Kehr H.

High frequency (60-90 Hz) oscillations in primary visual cortex of awake monkey. NeuroReport, 1993, 4: 243-246

Eichenbaum H., Kuperstein M.

Extracellular neural recording with multichannel microelectrodes. Journal of Elektrophysiological Technik, 1986, 13: 189-209

Florath I.,

Chronische Ableitungen im visuellen Kortex des Kaninchens. Dissertation, Freiburg, 1995

Fontani G.

A technique for long term recording from single neurons in unrestrained behaving animals. Physiology and Behavior, 1981, 26: 331-333

Gallant J.L., Connor C.E., Van Essen D.C.

Neural activity in areas VI, V2 and V4 during free viewing of natural scenes compared to controlled viewing. NeuroReport, 1998, 9: 2153-2158

Gerstein G.L., Perkel D.H.

Mutual temporal relationships among neuronal spike trains. Biophys J, 1972, 12:453-473

Gray C.M., Singer W.

Stimulus specific neuronal oscillations in the orientation columns of the cat visual cortex. Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 1989, 86: 1698-1702

Haenny P.E., Schiller P.H.

State dependent activity in monkey visual cortex: I. Single cell activity in VI and V4 on visual tasks.

Experimental Brain Research, 1988, 69: 225-244

Hendrickson A.E., Wilson J.R.

A difference in [14C]deoxyglucose autoradiographic patterns in striate cortex between Macaca and Saimiri monkeys following monocular stimulation. Brain Research, 1979, 170: 353-358

Horton J.C.

Cytochrome oxidase patches: a new cytoarchitectonic feature of monkey visual cortex. [Review].

Philos Trans R Soc Lond B biol Sei, 1984: 199-253 Horton J.C., Hubel D.H.

Regular patchy distribution of cytochrome oxidase staining in primary visual cortex of macaque monkey. Nature, 1981, 292: 762-764

Hubel D. H., Wiesel T. N.

Functional architecture of macaque monkey visual cortex. [Review]. Proc R Soc Lond B Biol Sei, 1977, 198: 1-59

Hübener M., Shoham D., Grinvald A., Bonhoefer T.

Spatial relationships among three columnar systems in cat area 17

The Journal of Neuroscience, 1997, 17: 9270-9284

Humphrey D.R.

A chronically implatable multiple micro-electrode system with independent control of electrode positions.

Electroencephalography and Clinical Neurophysiology, 1970, 29: 616-620 Jellema T., Weijnen J.A.W.M.

A slim needle-shaped multiwire microelectrode for intracerebral recording. Journal of Neuroscience Methods, 1991, 40: 203-209

Kreiter A.K., Singer W.

Stimulus-depent synchronization of neural responses in the visual cortex of the awake macaque monkey

Journal of Neuroscience, 1996, 16(7): 2381-2396 Krüger J.

Spike train correlations on slow time scale in mokey visual cortex, in Neuronal Cooperativity Ed: J. Krüger, Springer-Verlag, 1991, 105-132

Krüger J., Becker J.D.

Recognizing the visual stimulas from neuronal discharges Trends in Neuriscience, 1991, 14(7):282-286

Kubie J.L.

A driveable bundle of microwires for collecting single-unit data from freely-moving rats. Physiology and Behavior, 1984, 32: 115-118

Kuperstein M., Eichenbaum H.

Unit activity, evoked potentials and slow waves in the rat hippocampus and olfactory bulb recorded with a 24-channel microelectrode. Neuroscience, 1985, 15(3): 703-712

Legendy C. R., Salcman M., Brennan N.

A multiple floating microelectrode for chronic implantation and longterm single unit recording in the cat.

Electroencephalography and Clinical Neurology, 1984, 58: 285-288 Lindner L.

Bone cement monomer.

Thesis, Göteborgs Universitet, Sweden, 1976.

Livingstone M.S.

Visually evoked oscillations in monkey striate cortex. Society for Neuroscience (Abstracts), 1991, 17: 73.3

Livingstone MS. Freeman DC. Hubel DH.

Visual responses in VI of freely viewing monkeys.

Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology, 1996, 61:27-37.

McGinty D.J., Harper R.M.

Dorsal raphe neurons: depression of firing during sleep in cats. Brain Research, 1976, 101: 569-575

Mioche L., Singer W.

Long term recordings and receptive field measurements from single units of the visual cortex

of awake unrestrained kittens.

Journal of Neuroscience Methods, 1988, 26: 83-94

Moran J., Desimone R.

Selective attention gates visual processing in the extrastriate visual cortex. Science, 1985, 229: 782-784

Motter B.C.

Focal attention produces spatially selective processing in visual cortical areas VI, V2, and V4

in the presence of competing stimuli.

Journal of Neurophysiology, 1993, 70: 909-919

Mountcastle V. B.

The columnar organization of the neocortex Brain, 1997, 120:701-722

Nicolelis M.A.L., Ghazanfar A.A., Faggin B.M., Votaw S., Oliveira L.M.O. Reconstruction the engramm: simultaneous, multisite, many single neuron recordings. Neuron, 1997, 18: 529-537

O'Keefe J., Bouma H.

Complex sensory properties of certain amygdala units in the freely moving cat. Experimental Neurology, 1969, 23: 384-398

Palmer C.

A microwire technique for recording single neurons in unrestrained animals. Brain Research Bulletin, 1978, 3: 285-289

Pfingst B. E., Albrektsson T., Tjelstrom A., Miller J. M., Zappia J., Xue X., Weiser F. Chronic skull-anchored percutaneous implants in non-human primates. Journal ofNeuroscience Methods, 1989, 29:207-216

Salcman M., Bak M.J.

A new chronic recording intracortical microelectrode. Medical and Biological Engineering, 1976, 15(1): 42-50

Schmidt E.M., Bak M.J., Mcintosh J.S. Long-term chronic recording from cortical neurons. Experimental Neurology, 1976, 52: 496-506

Strum wasser F.

Long-term recording from single neurons in brain of unrestrained mammals. Science, 1958,127: 469-470

Szabo J., Cowan W.M.

A stereotaxic atlas of the brain of the cynomolgus monkey (Macaca fascicularis). Journal of Comperative Neurology, 1984, 222: 265-300

Tootell R.B., Switkes E., Silverman M.S., Hamilton S.L.

Functional anatomy of macaque striate cortex. II. Retinotopic organization.

Journal of Neuroscience, 1988, 8(5):1531-68.

Toyama K.

The structure-functiion problem in visual cortical circuitry studied by cross-correlation techniques and multi-channel recordings, in Neuronal Cooperativity Ed: J. Kriiger, Springer-Verlag, 1991, 5-29

Trulson M.E., Jacobs B.L.

Raphe unit activity in freely moving cats: correlation with level of behavioral arousal. Brain Research, 1979, 163: 135-150

Valverde F.

The organizing principles of the primary visual cortex in the monkey, in Cerebral Cortex vol. 3: Visual Cortex Plenum Press, New York, 1985, 207-257

Van Essen D.C.

Functional organisation of primate visual cortex, in Cerebral Cortex vol. 3: Visual Cortex Plenum Press, New York, 1985, 259-329

Verloop A.J., Holsheimer J.

A simple method for the construction of electrode arrays. Journal of Neuroscience Methods, 1984, 11: 173-178

Verzeano M.

Activity of cerebral neurons in the transition from wakefulness to sleep. Science, 1956, 43:177-195

von der Malsburg C.

The correlation theory of brain function (internal report 81-2). Munich: Max-Planck-Institute for Biopysical Chemistry

Wintermantel E., Ha S.-W.

Biokompatible Werkstoffe und Bauweisen. Implantate für Medizin und Umwelt. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, 1996

Wong-Riley M.

Changes in the visual system in monocularly sutured or enucleated kittens demonstrable with cytochrome oxidase histochemistry. Brain Research, 1979, 171: 11-26