Реферат
На тему
Властивості основних нейронних мереж
Генетичні чинники в розвитку зорових мереж
Певні властивості основних нейронних мереж формуються ще до того, як тварина отримує шанс що-небудь побачити. Інші властивості розвиваються тільки протягом першого тижня життя. Ретракція аксонів є певним аналогом подій, що відбуваються при розвитку нервово-м'язового синапсу у новонароджених щурів, при народженні кожна кінцева платівка отримує сигнали від безлічі мотонейронів, але протягом кількох тижнів більшість аксонів піддається ретракції, таким чином кожне м'язове волокно отримує іннервацію тільки від одного мотонейрона .
Рис. 1. Архітектура зорової кори новонародженої мавпи, яка не має зорового досвіду, народженої кесаревим розтином на 8 днів раніше терміну і що міститься в темряві протягом 7 днів. (А) Забарвлення на цитохромоксидазу, що виявляє плями в зоні 17. (В) Товсті і тонкі смужки в зоровій зоні 2, відмічені товстими й тонкими стрілками.
У результаті генетичних дефектів в зоровій системі з'являються цікаві і важливі системні аномалії. Наприклад, кольорова сліпота у мишей лінії reeler, які мають аномальне будову зорової кори. Також прикладом може служити дефект гена альбінізму у сіамських котів і в альбіносів, який не тільки визначає колір очей тварини через синтез меланіну, але також сприяє розвитку косоокості у результаті систематичних помилок у з'єднаннях між нейронами зорової кори. Аномальний сенсорний досвід у ранні періоди життя, і як це може корінним чином змінити анатомію і фізіологію центральної нервової системи на все життя тварини.
Наслідки аномального сенсорного досвіду в ранні періоди життя
Три типи експериментів, великою частиною виконаних вперше ще Хьюбела і Візель, коли тварина позбавляли нормальних зорових стимулів. Вони вивчали фізіологічні відповіді нервових клітин і структуру зорової системи після (1) закриття століття обох очей, (2) запобігання розвитку образного зору (form vision), при зберіганню доступі світла в око, (3) при нормальному потраплянні світла і формується образному зорі, але в умовах штучно викликаного страбізм (косоокості) з одного боку. Ці маніпуляції викликали значне порушення у функції та анатомії кори. Особливістю роботи Хьюбела і Візеля є те, що всі результати є добре відтворюваними, явними і вражаючими.
Розвиток сліпоти після закриття століття
Коли повіки одного ока були зшиті разом протягом перших двох тижнів життя, мавпи і кошенята продовжували розвиватися нормально і використовували неоперованих очей. Через 1-3 місяці, проте, коли відкривався оперований очей, а нормальний закривався, ставало очевидним, що тварини були практично повністю сліпі на оперований очей. При цьому кошенята вдарялися об знаходяться навколо предмети і падали зі столу, але не було виявлено будь-якого значного фізіологічного дефекту в оперованих очах, зіничний рефлекс залишався нормальним, як і електроретинограми, яка являє собою карту сумарної електричної активності очі. Сигнали від гангліонарних клітин сітківки у депривовані тварин нічим не відрізнялися від нормальних, як і їх рецептивні поля.
Рис. 2. Наслідки закриття одного ока. Розподіл очного домінування у мавпи, праве око якої був закритий з 21 до 30 дня життя. Незважаючи на те, що протягом наступних 4 років мавпа дивилася обома очима, більшість кортикальних нейронів залишаються нечутливими до сигналів з правого ока.
Відповіді кортикальних клітин після монокулярною депривації
І хоча відповіді клітин ЛКТ після монокулярною депривації практично не змінювалися, тим не менш великі зміни відбувалися у відповідях кортикальних клітин. При реєстрації електричної активності в зоровій корі було виявлено дуже мало клітин, які управлялися оком, підданих депривації. Більшість з тих клітин, які все ж відповідали на стимуляцію цього ока, мали аномальні зорові поля. Відповіді ж клітин недепрівірованного очі залишалися нормальними. На рис. 2 показані гістограми очного домінування, отримані для кошенят та новонароджених мавп, у яких один з очей був закритий протягом кількох перших тижнів життя.
Відносна значущість дифузного світла та форми об'єктів для підтримки в нормі відповідей кортикальних клітин
Результати експериментів, описаних нами, говорять про те, що якщо одне око не використовується повною мірою протягом перших тижнів життя, його вплив слабшає і він стає нездатним керувати клітинами зорової кори. Такі значні зміни викликаються порівняно невеликий процедурою щодо закриття століття, без перерізання нервів. Яке ж головна умова для підтримання в нормі та подальшого розвитку нормальних коркових відповідей? Чи може в цьому допомогти розсіяне світло?
Закриття століття зменшує кількість світла, що досягає сітківки, але не повністю виключає його. Таким чином, можна припустити, що тільки при допомозі дифузного освешенія можна змусити очей нормально функціонувати. Чи для цього необхідно не просто наявність освітлення, але і предметне зір, яке може бути важливим стимулом у запобіганні аномального розвитку коркових зв'язків? Ці гіпотези були перевірені в серії експериментів, виконаних на новонароджених кошенят. Пластиковий напівпрозорий щиток (нагадує розрізаний кульку для настільного тенісу) містився поверх рогівки. Він запобігав можливість розрізняти будь-які предмети, проте пропускав світло. У всіх цих кошенят розвинулася сліпота на депривовані очей. Більш того, також зменшувалася кількість кортикальних клітин, керованих цим оком. При цьому не реєструвалося будь-яких змін ні у відповідях клітин ЛКТ, ні в клітинах самої сітківки.
Морфологічні зміни в ЛКТ після зорової депривації
Клітини ЛКТ кішки і мавпи організовані у вигляді шарів, кожен з яких управляється переважно тільки правим чи лівим оком. У тих тварин, у яких були виявлені аномалії будови кори після закриття століття, клітини ЛКТ на перший погляд виглядали нормальними. Тим не менше було показано, що закриття століття викликає в них значні морфологічні зміни: клітини ставали помітно менше, ніж у шарах, керованих іншим, нормальним оком. Зменшення в розмірах залежало від тривалості закриття століття. На подив експериментаторів клітини ЛКТ демонстрували значні морфологічні зміни одночасно з невеликим функціональним дефіцитом. Деякі з робіт дають підстави вважати, що розмір клітин в ЛКТ може відображати ступінь їх розгалуження в корі.
Морфологічні зміни в корі після зорової депривації
Морфологічні наслідки закриття одного ока найбільш добре були помітні в шарі 4 первинної зорової кори, де волокна з ЛКТ перериваються, утворюючи суворо певний патерн розгалуження. Зміни в колонках очного домінування, що виникають внаслідок закриття століття у мавп, були виявлені за допомогою авторадіографії кори після введення радіоактивних речовин в одне око. Після тривалого закриття століття спостерігалося значне зменшення ширини колонок очного домінування, пов'язаних із закритим оком. У той же самий час колонки, керовані нормальним оком, відповідно збільшувалися у ширині в порівнянні з тим, якими вони повинні бути у дорослих мавп в нормі. Зменшення колонок очного домінування наочно видно на рис. 3, де нормальні колонки можна порівняти з колонками тварин, очей яких був закритий у віці 2 тижнів і залишався закритим протягом 18 місяців. Ці зміни говорять про те, що аксони з ЛКТ, керовані нормальним оком, захоплюють і утримують територію кори, керовану більш слабким, зорово депривовані сусіднім оком. Ці дані підтверджуються фізіологічними спостереженнями з реєстрації електричної активності клітин шару 4. Майже всі клітини отримували управління тільки від недепрівірованного очі. Деякі властивості кори менш чутливі до депривації. 1 и полос при окраске на цитохромоксидазу в области V 2 .
Так, наприклад, енуклеація (видалення) одного або навіть обох очей не викликало змін у розподілі «плям» в області V 1 і смуг при фарбуванні на цитохромоксидазу в області V 2.Критичний період чутливості до закриття століття
При закритті вік одного очі у дорослих кішок або мавп не спостерігається яких-небудь наслідків. Наприклад, у дорослої тварини, навіть якщо око залишається закритим протягом більше року, клітини в корі і раніше отримують нормальне управління від обох очей і мають нормальну гістограму розподілу колонок очного домінування. Більш того, навіть якщо повністю видалити одне око у дорослої мавпи, структура шару 4 залишається нормальною, що можна бачити за допомогою ауторадіографії та інших методів забарвлення, навіть у разі розвитку атрофії ЛКТ. Ці результати говорять про значну стійкості до змін клітин шару 4 у дорослих, в порівнянні зі змінами, які спостерігаються у незрілих тварин.
Клітини кори мавп мають найбільшу чутливість протягом перших 6 тижнів життя. Протягом будь-якого періоду протягом цих 6 тижнів, з максимумом в перший тиждень життя, незначні зміни в очному перевагу і колоночной архітектурі кори виникають навіть тоді, коли око закритий протягом всього декількох днів. Потім протягом декількох місяців (аж до 12-16-го місяця життя) потрібно декілька тижнів, щоб викликати помітні зміни в гистограммах очного домінування або у ширині колонок шару 4. Після цього часу зміни не розвиваються, навіть якщо провести хірургічне видалення одного ока.
Період найбільшої чутливості до закриття століття у котенят звужений до 4-5 тижнів після народження. Протягом перших трьох тижнів життя закриття одного ока практично ніяк не впливає на формування кори. Це й не дивно, адже очі кошенят в нормі закриті протягом перших 10 днів. Однак протягом 4-5-го тижня чутливість до закриття різко зростає. Закриття очі в цей час навіть всього на 3-4 дні призводить до різкого зменшення кількості клітин, керованих депривовані оком. Експеримент в порівнянні тварин одного посліду зображений на рис. 4. У даному випадку закриття очі протягом 6 і 8 днів, починаючи з 23-го і 30-го дня життя (рис. 4А і В), призводило до такого ж ефекту, як і монокулярний депривація протягом трьох місяців з моменту народження. Чутливість до закриття століття зменшувалася в міру проходження критичного періоду і врешті-решт зникала до трьох місяців життя (рис. 4С). Критичний період, проте, може протривати, якщо тримати кошенят у темряві. При відсутності зорового досвіду чутливість до монокулярною депривації може бути виявлена навіть у віці 6 місяців. Проте немає даних про те, що якщо кошеня протягом нетривалого часу потримати на світлі (для отримання зорового досвіду), то це попередить продовження критичного періоду.
Рис. 3. Колонки очного домінування в шарі 4 кори після закриття одного ока. (А) Нормальна доросла мавпа. У праве око 10 днів тому була введена радіоактивна суміш проліну та фукози. У шарі 4 можна бачити перемежовувалися світлі і темні смужки однакової ширини. Помічені за допомогою радіоактивних міток аксони з ЛКТ в шарі 4 правої півкулі виглядають як дрібні білі гранули, що утворюють колонки. Розташовані між ними темні смужки пов'язані з іншим оком. Це зображення являє собою фотореконструкцію паралельних зрізів шару 4 за допомогою авторадіографії. (В) Реконструкція шару 4 у 18-місячної мавпи, праве око якої був закритий у віці 2 тижнів. Радіоактивна мітка вводилася в нормальне око. Білі гранули показують колонки в шарі 4, утворені недепрівірованним оком. Вони ширші, ніж у нормі. Колонки, керовані закритим оком (показано чорним), вже, ніж у нормі. (С) Коркові розгалуження аксонів ЛКТ, закінчуються в шарі 5 кори кошеня, одне око якого був закритий протягом 33 днів. Термінальне розгалуження аксона ЛКТ депривовані очі показує значне зменшення кількості гілочок в порівнянні з недепрівірованним оком.
Відновлення під час критичного періоду
В якій мірі можливе відновлення після депривації під час критичного періоду? Навіть якщо депривовані очей після критичного періоду залишається відкритим протягом місяців і років, пошкодження є перманентним, відбувається лише невелике відновлення в рідкісних випадках. Тварина на все життя залишається сліпим на одне око, що супроводжується зменшенням колонок та асиметрією в гістограмі очного домінування. На тварин з монокулярною депривацией проводилися експерименти, коли відкривався раніше депривовані очей і закривався очей, який раніше був нормальним. Ця процедура, яка називається «зворотне зашивання», приводила до значного відновлення зору, але тільки в тому випадку, якщо вона проводилася протягом критичного періоду. Дитинчата мавп і кошенята не тільки починали знову бачити на спочатку депривовані очей, але вони також ставали сліпими на інше око. Відповідно до цих змін відбувалося зрушення гістограми очного домінування таким чином, що око, відкритий після депривації, керував великою кількістю клітин, ніж око, який був відкритий протягом перших тижнів і потім закритий. Більш того, анатомічна будова шару 4, виявлене при допомозі авторадіографії, також зазнавало відповідні зміни: зменшені регіони, керовані спочатку закритим оком, розширювалися за рахунок регіонів протилежного ока. На рис. 5 показано гістограма очного домінування і авторадіограмма кори мавпи, у якої праве око був закритий у віці 2 днів протягом трьох тижнів. По закінченні цього часу депривовані око вже не міг керувати корковими клітинами і колонки, які їм управлялися, зменшилися. Після цього праве око був відкритий, а лівий закритий протягом наступних 9 місяців. В кінці цього періоду всі нейрони управлялися тільки спочатку депривовані правим оком і зони кори, контрольовані ним, розширилися.
Рис. 4. Критичний період у кошенят. На гістограмах показано очне перевагу в зоровій корі кошенят одного посліду, у яких праве око був закритий у різний час життя. Період, протягом якого око залишався закритим, показаний під гістограму. (А) Повіки були зашиті на 6 днів у віці 23 днів. (В) Повіки були зашиті на 9 днів у 30-денному віці. (С) Праве око було відкрито протягом перших 4 місяців, потім закрито протягом трьох, а потім залишалося відкритим до досягнення віку 2 років, коли і вироблялося дослідження.
)) аксонов ЛКТ, в результате они вновь образуют связи с теми клетками, с которыми эта связь была потеряна (см. рис. 5.).
З цього експерименту можна зробити кілька висновків: (1) протягом критичного періоду у нормальної тварини волокна з ЛКТ, що прямують в шар 4 кори, піддаються ретракції, таким чином в корі формуються зони, контрольовані тільки одним оком, (2) закриття одного ока під час критичного періоду призводить до несиметричної ретракції; (3) зміна депривовані очі під час критичного періоду призводить до підвищеного розгалуженню (спраутінгу (sprouting)) аксонів ЛКТ, в результаті вони знову утворюють зв'язки з тими клітинами, з якими цей зв'язок було втрачено (див. рис. 5.). Якщо зворотне зашивання виконати в дорослому стані, то воно не дає результатів. Наприклад, у мавпи, у якої зворотне зашивання було виконано у віці 1 року, колонки депривовані очі, виявлені при фарбуванні, так і залишилися звуженими..
Рис. 5. Вплив зворотного зашивання на розподіл очного домінування і колончатую організацію кори у мавп. (А) Були виконані наступні процедури: праве око був закритий з 2-го до 21-го дня після народження, після чого був відкритий, а лівий закритий з 21 дня до віку 9 місяців. (В) Гістограма очного домінування показує, що майже всі клітини отримують управління виключно від правого ока, який був первинно депривовані. Фактично жодна клітина не отримує управління від лівого ока. Таким чином, волокна, які одержують управління від правого ока, повернули собі ті коркові клітини, які втратили в результаті депривації (С) Тангенціальний зріз кори, що проходить через шари 4С і 4С. несмотря на то, что этот глаз подвергся световой депривации на протяжении 19 дней. Пофарбований смужки, що належать шляхах від правого ока, поширилися в шар 4 C незважаючи на те, що це око піддався світловий депривації протягом 19 днів. Протягом перших днів колонки, які отримують сигнали від правого ока, зменшилися в розмірах, проте після розширилися. Відновлення після депривації в інших шарах, таких як 4С, не відбувається так само добре.Рис. 6. Результат закриття одного ока. У нормальної мавпи колонки очного домінування добре визначаються в шарі 4 кори до віку 6 тижнів. Закриття століття призводить до значної ретракції волокон, що йдуть із ЛКТ, пов'язаного з депривовані оком, у той час як волокна, пов'язані з нормальним оком, піддаються меншому ретракції, ніж зазвичай, тому колонки цього ока в шарі 4 кори більш широкі, ніж у нормальних дорослих тварин. Після проведення зворотного зашивання, якщо це зроблено в критичний період, спочатку депривовані око може повернути собі територію в шарі 4, яку він втратив.
- and - fast ) критического периода является сильным упрощением.
Однак концепція чітко визначеного, жорсткого (hard - and - fast) критичного періоду є сильним спрощенням. Експерименти зі зворотним зашиванням, виконані на мавпах, дають підстави вважати, що різні шари в стриарной корі можуть розвиватися з різною швидкістю; критичний період може вже закінчитися для одного шару, в той час як сусідній ще здатний до змін у структурі та функції (див. ріс.5.С і 6).Література
1 Son, YJ., And Thompson, WJ 1995. Nerve sprouting in muscle is induced and guided by processes extended by Schwann cells. Neuron 14:33-14.
2 Wilson Hoh, H. L and Sargent, PB 1996. Effects of deneation on acetylcholine receptor clusters on frog cardiac ganglion neurons as revealed by quantative laser scanning confoal microscopy. . Neurosci. 16: 1720-1729.