Автореферат диссертации на соискание ученой степени

Вид материала

Автореферат диссертации

Содержание 17_» сентября 2009 г. в _14 Общая характеристика работы Основные положения, выносимые на защиту. Теоретическое и практическое значение работы Апробация работы Структура и объем диссертации Материалы и методы исследования. Звуковая стимуляция. Звуковые сигналы. Психофизическое исследование Результаты исследования и их обсуждение 2. Психофизическое исследование.

Подобный материал:

• Автореферат диссертации на соискание ученой степени, 378.33kb.
• Автореферат диссертации на соискание учёной степени, 846.35kb.
• Автореферат диссертации на соискание ученой степени, 267.76kb.
• Акинфиев Сергей Николаевич автореферат диссертации, 1335.17kb.
• L. в экосистемах баренцева моря >03. 02. 04 зоология 03. 02. 08 экология Автореферат, 302.63kb.
• Автореферат диссертации на соискание ученой степени, 645.65kb.
• Автореферат диссертации на соискание ученой степени, 678.39kb.
• Автореферат диссертации на соискание ученой степени, 331.91kb.
• Автореферат диссертации на соискание ученой степени, 298.92kb.
• Автореферат диссертации на соискание ученой степени, 500.38kb.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ


На правах рукописи


НИКИТИН

Николай Иванович


СЛУХОВОЙ АНАЛИЗ НЕПОДВИЖНЫХ И ДВИЖУЩИХСЯ ЗВУКОВЫХ СИГНАЛОВ:

ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ И ПСИХОФИЗИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ


03.00.13 - Физиология


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук


Санкт-Петербург

2009

Работа выполнена в Институте физиологии им. И.П.Павлова РАН


Научный руководитель чл.-корр. РАН Яков Абрамович Альтман


Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор Геннадий Аркадьевич Куликов

доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник Евгения Сергеевна Малинина

Ведущее учреждение - Российская Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова


Защита состоится «_ 17_» сентября 2009 г. в _14_часов на заседании Совета Д212.232.10 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу 199034, Санкт-Петербург, университетская наб., д. 7/9, ауд.90


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке им. А.М. Горького Санкт-Петербургского государственного университета


Автореферат разослан «___» ___________ 2009 г.


Ученый секретарь Диссертационного совета

Доктор биологических наук, профессор Н.П.Алексеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Локализация источника звука является одной из важных сторон деятельности слуховой системы человека и животных, во многом способствующая правильной ориентации в пространстве и формированию на этой основе адекватного поведения. С этой точки зрения важным в теоретическом плане является исследование нейрофизиологических механизмов пространственного слуха.

Ключевыми центрами слуховой системы при локализации источника звука являются ее среднемозговой (задний холм) и корковый отделы. Это подтверждается многочисленными поведенческими опытами на животных с экспериментальным разрушением этих отделов, в которых была установлена разная степень дефицита локализации источника звука в пространстве в зависимости от объема, стороны и места разрушения, а также разная степень специфичности повреждений в отношении характеристик межушных различий стимуляции по времени и интенсивности - факторов, определяющим локализацию источника звука (Альтман 1983, 1990; Malhotra et al 2008).

Вместе с тем, ряд вопросов, касающихся деятельности нейронов среднемозгового и коркового слуховых центров остается неизученной. В отношении заднего двухолмия - это отсутствие подробной характеристики избирательности нейронов к движению звукового стимула в зависимости от частотной настройки нейронов и их чувствительности к изменению межушных различий стимуляции. Во многом неясными остаются отношения между функциональными характеристиками реакции на неподвижный и движущийся стимулы. Слабоизученным остается вопрос о топической организации нейронов, обеспечивающих бинауральный анализ и локализацию источника звука. Недостаточно исследованы на этом уровне слуховой системы нейрофизиологические механизмы помехоустойчивости локализации источника звука, в частности, механизмы бинаурального освобождения от маскировки при движении звукового стимула. Относительно коркового отдела слуховой системы, можно сказать, что полностью отсутствуют данные о синаптических процессах в нейронах этого слухового центра при локализации как неподвижного, так и движущегося звукового стимула. Кроме того, весьма схематичны полученные к настоящему времени данные, связанные с локализацией движущегося звукового стимула.

К малоизученным сторонам пространственного слуха относятся искажения локализации, наблюдаемые при восприятии движущегося источника звука. Важной особенностью таких искажений является несовпадение воспринимаемой и реальной траекторий движения источника звука. Предполагается, что пространственные искажения в воспринимаемом положении движущегося источника звука могут обуславливаться действием нервных механизмов слуховой системы, избирательных к движению источника звука

Цели и задачи исследования. Основная цель настоящего исследования состояла, с одной стороны, в систематическом описании нейрофизиологических механизмов локализации неподвижных и движущихся источников звука, а с другой стороны, в установлении корреляции между нейрофизиологическими механизмами локализации звука и рядом полученных в работе психоакустических данных, характеризующих целостное поведение слуховой системы при решении определенных локализационных задач.

Главная задача исследования заключалась в оценке различных сторон восприятия движения звукового образа в пространстве и нейрофизиологических механизмов, способных обеспечить реализацию такого восприятия. В рамках такой постановки вопроса были поставлены конкретные экспериментальные задачи исследования.

1. В рамках исследования на заднем двухолмии кошек и морских свинок предполагалось выявить топографическую организацию и функциональные свойства одиночных нейронов в условиях действия неподвижных и движущихся звуковых стимулов в горизонтальной плоскости при предъявлении разных классов сигналов, включая тоны, шумы и серии коротких звуковых импульсов, предъявляемых синфазно и противофазно. Последний экспериментальный прием предъявления звуковых импульсов позволяет создать условия для изучения помехоустойчивости слуховой системы при локализации движущегося источника звука (феномен бинаурального освобождения от маскировки).

2. Следующая задача исследования состояли в оценке активности одиночных нейронов высшего отдела слуховой системы - слуховой области коры (кошек и морских свинок) при действии неподвижных и движущихся сигналов. Для оценки взаимодействия тормозных и возбуждающих процессов при формировании избирательной чувствительности корковых нейронов к параметрам движения звукового образа проведено внутриклеточное исследование.

3. Психоакустическое исследование слуховой системы при определении характеристик движущегося звукового образа должно было охарактеризовать динамические свойства слуховой системы при локализации движущегося звукового образа в горизонтальной плоскости.

4. Заключительная задача исследования состояла в сопоставлении полученных психоакустических и электрофизиологических данных для выработки единой функциональной качественной модели деятельности слуховой системы при локализации источника звука.

Изложенное свидетельствует, что в рамках поставленных задач исследования предполагалось использовать совершенно различные методические приемы оценки деятельности как ряда основных отделов слуховой системы (электрофизиологическая часть работы), так и деятельности слуховой системы в целом (ее психоакустическая часть). Эти обстоятельства определили целесообразность изложения и литературных данных, и методических условий экспериментов в отдельных главах диссертации.

Научная новизна. Впервые на уровне заднего холма и первичной слуховой коры животных при варьировании межушных различий стимуляции в широкополосных движущихся звуковых стимулах (серии щелчков и шумов) обнаружен эффект сдвига зоны импульсной реакции нейронов навстречу движению с формированием разряда, опережающего появление стимула в зоне ответа. Показано, что этим свойством обладает подавляющая часть нейронов, избирательных к локализационным параметрам звуковых сигналов. При варьировании скорости движения стимула установлено, что эффект сдвига зоны ответа монотонно возрастает с увеличением скорости движения стимула. При исследовании активности нейронов слуховой коры установлены основные типы реакции на изменение скорости движения звукового стимула (монотонные и немонотонный); наличие широкого диапазона скоростей, вызывающих реакцию на движение. Впервые внутриклеточно исследована активность корковых нейронов при локализации источника звука. Показано, что формирование избирательной реакции нейронов на направление движения звукового стимула определяется временной последовательностью возбуждающих и тормозных процессов. Установлено, что нейроны слуховой области коры могут объединяться в пулы по разной степени взаимной коррелированности их разряда. При этом величина этой взаимной корреляции изменяется в зависимости от локализационных параметров стимула. На уровне заднего двухолмия показана возможность топического представительства одного из факторов локализации источника звука – межушной задержки. Кроме того, впервые показано проявление феномена бинаурального освобождения от маскировки в изменениях импульсной активности нейронов при действии движущегося стимула. Получены характеристики реакций нейронов заднего холма и слуховой коры, демонстрирующие зависимость разных типов реакции на изменение межушных различий стимуляции в движущемся стимуле от частотной настройки нейронов и их различную чувствительность к изменению межушных различий стимуляции. При исследовании локализации человеком движущегося звукового стимула показано, что воспринимаемая траектория движения стимула и ее конечная точка сдвинуты кпереди от их физического положения (эффект опережения). Предполагается, что установленный в работе эффект динамического сдвига ответа нейронов навстречу движению стимула может служить нейрофизиологическим коррелятом наблюдаемого у человека эффекта опережения и рассматриваться в качестве нервного механизма «сенсорного предсказания» движения.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Нейроны заднего холма и первичной слуховой коры мало различаются между собой по чувствительности к изменению положения неподвижного звукового стимула. В то же время при переходе к слуховой коре существенно возрастает избирательность к движению звукового стимула.

2. При действии движущегося звукового стимула нейроны заднего холма и слуховой коры характеризуются динамическим сдвигом зоны ответа, направленным навстречу движению стимула. Величина сдвига нарастает с увеличением скорости движения. Сходный сдвиг зоны ответа вызывают амплитудно- и частотно-модулированные сигналы.

3. Нейроны слуховой коры выделяют широкий диапазон скоростей движения звукового стимула. Избирательность корковых нейронов к движению стимула может определяться взаимодействием тормозных и возбуждающих процессов, а также синхронизацией функционально сходных групп нейронов.

3. На уровне заднего холма возможен топический механизм анализа межушных задержек. На уровне слуховой коры нейроны с близкими характеристиками реакции на неподвижный и движущийся стимулы имеют тенденцию группированию в вертикальные колонки

3. Различия между синфазной и противофазной маскировками движущегося стимула определяются настройкой нейронов на межушные фазовые различия стимуляции

5. Воспринимаемое человеком положение движущегося звукового стимула опережает стимул, смещаясь кпереди от его физического положения

6. Сдвиг зоны ответа нейронов навстречу движению стимула может лежать в основе наблюдаемого у человека эффекта опережения, и рассматриваться в качестве нервного механизма «сенсорного предсказания» движения

Теоретическое и практическое значение работы.

Полученные данные характеризуют ряд существенных механизмов локализации неподвижного и движущегося источника звука, расширяющих представление о закономерностях обработки пространственной информации в слуховой системе. Они позволяют целенаправленно строить ряд направлений электрофизиологических и поведенческих исследований для дальнейшего анализа нейрофизиологических механизмов пространственного слуха. Данные исследования имеют фундаментальное значение в области физиологии слуха и включены в цикл лекций по физиологии сенсорных систем для студентов Санкт-Петербургского Государственного Университета. Кроме того, они могут быть использованы при разработке ряда клинических тестов при очаговом поражении среднемозговых и корковых слуховых центров.

Апробация работы. Результаты исследований представлены в докладах на XXXIII Международном конгрессе IUPS (Санкт-Петербург, 1997), на XVII Съезде физиологов России (Ростов-на-Дону, 1998), на XI конференции по космической биологии и авиакосмической медицине (Москва, 1998), на международных симпозиумах «Mechanisms of adaptive behavior» (Санкт-Петербург, 1999, 2005), на XVIII Съезде физиологического общества им. И.П. Павлова (Казань 2001), на VI Международном конгрессе нейронаук Международной организации исследований мозга, IBRO (Прага, 2003), на Всероссийских конференциях «Физиология слуха и речи» (Санкт-Петербург, 2000, 2005, 2008), на XX Съезде физиологического общества им. И.П. Павлова (Москва, 2007), на 6-ом Форуме Федерации европейского сообщества нейронаук, FENS (Женева, 2008).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 46 печатных работах, включая 19 статей в рецензируемых журналах и 25 тезисов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания методов исследования, результатов исследования, их обсуждения и выводов, списка литературы. Работа изложена на ____ страницах, содержит ____ рисунков и ___таблицы. Библиографический указатель состоит из ____ источников.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Электрофизиологическое исследование проведено на заднем холме и первичной слуховой коре наркотизированных кошек и морских свинок (с применением ромпуна, седазана, золетила, 10-40 мг/кГ). Во время операции дополнительно применялись местную анестезию ксилокаином (2% раствор). В ходе операции проводили трахеотомию, резекцию ушных раковин, трепанацию черепной кости. Голову животного закрепляли в головодержателе. С помощью термостатической грелки температура животного поддерживалась постоянной (37-38⁰С). В экспериментах с внутриклеточной регистрацией активности нейронов слуховой коры кошки использовали ряд специальных приемов, направленных на снижение экскурсий мозга: дренаж большой затылочной цистерны, билатеральный пневмоторакс, фиксацию мозга прижимной фишкой, подвешивание животного на ремнях. Во время опыта животное находилось в звукозаглушенной камере.

Импульсная активность одиночных нейронов регистрировалась у кошек с помощью одноствольных вольфрамовых микроэлектродов, у морских свинок – с помощью микроэлектродных пучков, состоящих из 8 и 16 микроэлектродов с межэлектродным расстоянием 300-500 мкм. Внутриклеточное отведение осуществлялось посредством стеклянных микроэлектродов, заполненных 2.5 М раствором ацетата калия. Импульсная активность усиливалась ( усиление 2000-10000) и фильтровалась (полоса 0.1-5 кГц). Внутриклеточные потенциалы записывались на магнитограф РМ4-3. Для многоканальной регистрации использовался 16-канальный предусилитель TBSI и биоусилитель A-M Systems 3600. Для ввода в персональный компьютер биопотенциалы преобразовывались в цифровую форму с помощью 16-канального АЦП PowerDAQ с частотой квантования 50 кГц. Обработка данных проводилась с помощью специально разработанной программы, которая обеспечивала многоканальный ввод данных, разделение нейронных спайков по их форме и построение перистимульных гистограмм (ПСТГ) в реальном времени.

Звуковая стимуляция. Звуковые сигналы предъявлялись в режиме замкнутого объема с помощью конденсаторных микрофонов типа МК-6 и МК221 с ушными воронками, которые плотно вставлялись в слуховые проходы животного. Частотные характеристики излучателей измеряли в замкнутом объеме с помощью аппаратуры фирмы Брюэль и Къер (Дания) с использованием 1/4-дюймового микрофона 4135, предусилителя 2669 и измерительного усилителя 2609. Неравномерность характеристик в полосе 50-40000 Гц не превышала  3 дБ. Различия между излучателями при измерении на 1/3 октавных фильтрах не выходили за пределы 4 дБ в полосе 0.1- 40 кГц. Уровень звукового давления сигналов регулировался с помощью аттенюаторов, максимальный уровень звукового давления составлял 82 дБ относительно 20 мкПА.

Звуковые сигналы. В качестве сигналов, моделирующих действие неподвижного источника звука, использовались тоны (длительностью 50-200 мс), щелки (100 мкс) и шумы (100 мс) с фиксированными значениями межушных различий по времени (фазе) и интенсивности. В сигналах, моделирующих действие движущегося источника звука, межушные различия стимуляции изменялись линейно во времени. Движущимися стимулами служили: серии щелчков (длительностью 0.1-4 с) и низкочастотные шумы (0.2-1 кГц, длительность 0.2-2 с) с динамическим изменением межушной задержки, низкочастотные тоны (до 2 кГц) с изменяющимся межушным фазовым сдвигом, широкополосный (1-40 кГц) и полосовые (ширина 5 кГц в диапазоне 1-40кГц) шумы с изменением межушных различий стимуляции по интенсивности. Для оценки бинауральной фазовой чувствительности нейронов в реакции на серии щелчков сигналы подавались на правое и левое уши с одинаковой полярностью (синфазно) и противоположной полярностью (противофазно). Частотные характеристики нейронов определялись с помощью чистых тонов и частотно-модулированных (ЧМ) сигналов с линейной модуляцией. Уровень звукового давления сигналов регулировался с помощью цифровых аттенюаторов, максимальный уровень звукового давления составлял 82 дБ относительно 20 мкПА.

Психофизическое исследование проведено на 10 испытуемых с нормальным слухом (6 женщин и 4 мужчин). Звуковыми сигналами служили бинаурально предъявляемые серии щелчков, вызывающие у слушателя ощущение движущегося или неподвижного слитного звукового образа. Длительность щелчков составляла 100 мкс, частота следования 25/с, длительность серии 2 с. Звуковые сигналы подавались через электродинамические телефоны с идентичными частотными характеристиками. Максимальная интенсивность бинаурально предъявляемых звуковых сигналов лежала на уровне 60 дБ над порогом слышимости испытуемого. Ощущение движения звукового образа создавалось за счет линейного изменения во времени межушной задержки (Т) от 630 до 0 мкс. Положение траектории движения звукового образа изменялось путем введения межушных различий по интенсивности (I ) в пределах ±17 дБ. Движение звукового образа осуществлялось справа налево и слева направо. Испытуемые должны были определить начало и конец траектории движения звукового образа. Полученные значения сравнивались с данными, полученными при предъявлении неподвижных серий щелчков с разными значениями Т и I.


РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ


1. Электрофизиологическое исследование

Задний холм. Материал исследования на центральном ядре заднего холма получен на 103 нейронах кошки и 289 нейронах морской свинки. Характеристические частоты нейронов находились в пределах 0.27-9.4 кГц у кошки и 0.29-31 кГц у морской свинки.

В активности нейронов заднего холма при действии тональных сигналов выявляются следующие типичные свойства: наличие длящегося тонического разряда, узкая частотная настройка с максимумом на определенной (оптимальной) частоте, бинауральная конвергенция с выраженной асимметрией афферентации. В подавляющем большинстве случаев контрлатеральный вход является возбуждающим (свыше 80%). Возбуждение на ипсилатеральном входе встречается заметно реже (53%). Эффект торможения, наоборот, чаще возникает при ипсилатеральной стимуляции (47%), чем при контралатеральной стимуляции (20%). Определенная часть нейронов (около 10 %) реагирует только на бинауральную стимуляцию и не отвечает или отвечает торможением на любое из монауральных раздражений.

При изменении межушной задержки (Т) в сигналах, моделирующих действие неподвижного источника звука, изменения импульсной активности возникают преимущественно (свыше 90%) у нейронов с низкими характеристическими частотами (до 3 кГц у кошки и до 2 кГц у морской свинки) и достаточно редко (около 20 %) у нейронов с более высокими характеристическими частотами. По характеру реакции на изменение Т нейроны разделяются на два типа: с периодической и монотонной зависимостью импульсации от Т (Т-функция). Для низкочастотных нейронов преобладающей является реакция периодического типа, связанная с избирательностью нейронов к межушным фазовым различиям стимуляции. При действии тонального сигнала цикл изменения реакции совпадает с периодом колебаний предъявляемого тона, а при действии широкополосных сигналов (щелчки, шумы) он близко соответствует периоду характеристической частоты нейронов. Монотонный тип реакции на изменение Т слабо представлен среди низкочастотных нейронов (9%) и чаще встречается у высокочастотных нейронов (20%).

Исследование настроечных Т-функций и распределения оптимальных задержек, вызывающих максимальный ответ, проведено на 223 низкочастотных нейронах морской свинки при предъявлении низкочастотных тонов (до 2 кГц) и шумов (0.2-1кГц) и отведении импульсной активности пучком из 16 микроэлектродов. У подавляющей части нейронов (178 из 223 нейронов, 80%) максимум реакции при изменении Т располагался на стороне контрлатерального опережения, а минимум на стороне ипсилатерального опережения. В условиях монауральной стимуляции выраженный ответ возникал только при контрлатеральном раздражении. Нейроны другой группы (24 из 233, 11%) обладали противоположными свойствами: максимум Т-функций находился на ипсилатеральной стороне опережения, а минимум – на контрлатеральной стороне; из двух монауральных раздражений только ипсилатеральное вызывало выраженное усиление импульсации. Нейроны третьей группы (21 из 223, 9%) реагировали возбуждением только на бинауральную стимуляцию и не отвечали или отвечали торможением активности при обоих видах монаурального раздражения. При варьировании Т нейроны данного типа отвечали резким усилением импульсации вблизи нулевой задержки и ее торможением во всем остальном диапазоне Т. Частотная характеристика первых двух групп нейронов характеризовалась узкой зоной возбуждения, которая могла сочетаться с одной или двумя боковыми зонами торможения. Нейроны третьей группы отличались резко суженной зоной возбуждения и широкой зоной торможения, расположенной с высокочастотной стороны. Исследованные характеристики позволяют сделать вывод о важной роли тормозных эффектов в формировании избирательных свойств нейронов, участвующих в бинауральном анализе звуковых сигналов.

Данные топографического исследования свидетельствуют о наличии в центральном ядре заднего холма определенной тенденции к упорядоченному расположению нейронов, настроенных на разные межушные задержки. Так нейроны второй и третьей группы локализовались преимущественно в ростральной части ядра в непосредственной близости друг от друга, тогда как нейроны первой группы занимали главным образом центральную и каудальную части ядра. Кроме того, в распределении настроечных Т-функций обнаруживалась тенденция к возрастанию величины оптимальной задержки при переходе от ростральной к каудальной части ядра.

Представительство оптимальных межушных задержек в заднем холме неравномерно и характеризуется смещением центра распределения в сторону контрлатерального опережения. С уменьшением оптимальной частоты нейронов центр распределения закономерно смещается в сторону больших величин. Это явление наиболее выражено у нейронов с наиболее низкими оптимальными частотами (ниже 500-600 Гц), отличающихся расположением центра распределения межушных задержек за пределами естественного диапазона.

Исследование импульсной реакции нейронов на движущиеся звуковые стимулы проведено на 72 нейронах кошки в условиях предъявления движущейся серии щелчков и на 289 нейронах морской свинки при действии движущихся тонов и шумов. Изменения импульсных ответов на движущиеся стимулы с динамическим изменением межушных различий по времени и по интенсивности в целом соответствовали избирательности нейронов к этим различиям при действии неподвижных стимулов. Асимметрия в уровне импульсации при смене направления движения стимула была слабо выраженной и отмечалась только у 11 % нейронов (по критерию 40% различий). Вместе с тем, движущийся стимул вызывал отчетливый сдвиг зоны ответа нейронов, направленный в сторону, противоположную направлению изменения межушных различий стимуляции (навстречу движению стимула). По отношению к реакции на неподвижный стимул зона ответа на движущийся стимул сдвигалась в ипсилатеральную сторону при движении стимула в контралатеральном направлении и в контрлатеральную сторону при движении в ипсилатеральном направлении. Эффекты наблюдались как в условиях динамических изменений межушной задержки, так и при изменении межушных различий по интенсивности. В проведенных ранее исследованиях сходные эффекты отмечались при варьировании межушного фазового сдвига в тональных сигналах (Spitzer, Semple, 1993, 1998; McAlpine et al, 2000), при последовательном переключении источников звука в свободном звуковом поле (Wilson and O’Neill 1998), а также при частотном смещении спектральной вырезки и полосового шума (Малинина, 2001; Малинина, Вартанян, 2003).

В исследовании закономерностей эффекта сдвига реакции использовались стимулы, представляющие короткие фрагменты движения. При тестировании такими стимулами положение траектории движения относительно зоны ответа систематически варьировалось. Исследование показало, что эффект сдвига зоны ответа на движущийся стимул возникает при пересечении стимулом наклонного участка зоны ответа. По сравнению с реакцией на неподвижный стимул, реакция на стимул, движущийся с периферии зоны ответа в сторону ее максимума отличалась ускоренным нарастанием импульсной активности и достигала максимума прежде, чем стимул принимал значения, соответствующие максимуму реакции на неподвижный стимул. При движении стимула в обратном направлении – со стороны максимума к периферии зоны ответа – реакция резко снижалась и достигала минимума раньше, чем стимул появлялся у края зоны ответа. Сдвиги реакции, наблюдаемые при смене направления движения стимула (явление гистерезиса), достигали наибольшей величины у нейронов с наиболее крутым наклоном зоны ответа. На участке гистерезиса реакции импульсная активность обнаруживала отчетливую дирекциональную избирательность, при которой реакция нарастающего характера (при движении в сторону максимума зоны ответа) превышала по величине реакцию спадающего характера (при движении в сторону минимума).

Влияние скорости движения стимула на величину эффекта сдвига зоны ответа исследовалось при варьировании скорости движения стимула путем изменения времени движения (при фиксированной траектории) и путем изменения траектории движения (при фиксированном времени). Независимо от способа тестирования выраженность гистерезиса реакции и величина сдвига зоны ответа нейронов постепенно нарастали с увеличением скорости движения стимула.

Сдвиг реакции навстречу движению свидетельствует о способности нейронов с опережением сигнализировать о появлении стимула в центре зоны ответа прежде, чем стимул успевает достичь этого центра. Время такого опережения можно рассчитать исходя из величины сдвига реакции и скорости изменения межушных различий стимуляции (скорости движения стимула). Оказалось, что расчетное время опережения может варьировать у разных нейронов в пределах 50-270 мс.

Возникновение эффекта сдвига реакции в ответ на изменения столь разных по своей физической природе параметров, каковыми являются межушные различия по времени и интенсивности, вызывает вопрос, насколько специфичны эти эффекты в отношении именно пространственных характеристик звука. Для выяснения этого вопроса 13 нейронов заднего холма исследовались при контрлатеральном предъявлении амплитудно-модулированного шума и 127 нейронов при бинауральном предъявлении частотно-модулированных тонов. Как амплитудная, так и частотная модуляции вызывали сходный по характеру сдвиг реакции, направленный навстречу изменениям параметров сигнала. Таким образом, эффект сдвига реакции определяется самими динамическими изменениями звуковой стимуляции независимо от того, с какими параметрами сигнала связаны эти изменения – с частотой, интенсивностью или межушными различиями стимуляции.

Бинауральная маскировка. Исследование эффекта бинаурального освобождения от маскировки проведено на 27 нейронах заднего холма кошки, избирательных к интерауральным фазовым различиям стимуляции. Сигналом служили движущиеся серии щелчков с динамическим изменением межушной задержки. Фазовые сдвиги сигнала создавались посредством синфазного и противофазного предъявления щелчков. В качестве маскера использовался широкополосный белый шум с синфазным и противофазным предъявлением на правое и левое ухо. Эффект маскировки при одновременном предъявлении сигнала и шума мог выражаться как в подавлении реакции на движущийся стимул, так и в усилении фоновой импульсации, вызванной действием маскирующего шума. Выраженность эффекта маскировки синфазным и противофазным шумами определялась чувствительностью реакции к межушных фазовым различиям стимуляции. Нейроны, реагирующие усилением импульсации на одновременную синфазную стимуляцию (φ=0) и снижением импульсации на одновременную противофазную стимуляцию (φ=180⁰), обнаруживали более выраженный эффект маскировки при действии синфазного шума по сравнению с противофазным шумом. У нейронов с обратными соотношениями реакций на синфазную и противофазную стимуляцию более выраженный эффект маскировки наблюдался при действии противофазного шума. У нейронов с близкой величиной реакции на синфазную и противофазную стимуляции эффективность маскировки синфазным и противофазным шумами была практически одинаковой.

Слуховая кора. Исследование активности нейронов первичной слуховой коры проведено на 189 нейронах кошки и 136 нейронах морской свинки. Характеристические частоты нейронов варьировали в пределах 0.23 -13.2 кГц у кошки и в пределах 0.25-3.7 кГц у морской свинки. По сравнению с задним холмом нейроны слуховой коры не обнаруживали существенных количественных отличий по характеристикам монауральных эффектов и типам бинаурального взаимодействия афферентации.

В реакции на неподвижные звуковые стимулы представительство разных типов избирательности к межушным различиях стимуляции (монотонный, немонотонный) и их распределение относительно характеристических частот нейронов на уровне слуховой коры находились примерно в тех же количественных соотношениях, что и на уровне заднего холма. При вертикальном погружении в слуховую кору отмечалась определенная тенденция к упорядоченному расположению нервных элементов со сходными функциональными характеристиками. К таким характеристикам могли относиться характеристическая частота нейронов, тип бинаурального взаимодействия афферентации, характер зависимости реакции от межушных различий стимуляции, положение максимума настроечной кривой межушной задержки.

Исследование импульсной активности нейронов слуховой коры при действии движущихся звуковых стимулов показало, что избирательность к направлению движения на корковом уровне выражена сильнее, чем на уровне заднего холма. По показателю различий в уровне импульсации в ответах на противоположные направления движения стимула число дирекционально-избирательных нейронов на уровне слуховой коры достигало 52%.

Нейроны с одинаковым типом дирекциональной избирательности могли располагаться на одной вертикали относительно поверхности слуховой коры. Сходные или близкие характеристики реакции на движение стимула отмечались также в соседних участках коры. Функциональное сходство нейронов в пределах ограниченного участка коры указывает на возможность кластерной организации нейронов, участвующих в анализе характеристик движущегося источника звука. В условиях динамических изменений межушных различий стимуляции в движущемся стимуле корковые нейроны обнаруживали хорошо выраженные эффекты гистерезиса реакции и сдвига зоны ответа навстречу движению стимула. Как и на уровне заднего холма, выраженность эффектов движения возрастала с увеличением скорости движения.

Реакция на движения стимула с разной скоростью, исследованная в условиях динамических изменений Т, не проявляла острой избирательности к скорости движения. При увеличении скорости движения большинство нейронов слуховой коры (65%) реагировало постепенным снижением импульсной активности. У части нейронов (31%) максимальная реакция ограничивалась определенным интервалом скоростей. Незначительное число нейронов (4%) усиливали импульсацию при увеличении скорости движения стимула.

Внутриклеточное исследование. Внутриклеточная регистрация проведена на 23 нейронах слуховой коры кошки. Результаты исследования показали, что формирование избирательной реакции корковых нейронов при действии неподвижных и движущихся стимулов происходит в результате взаимодействия тормозного и возбуждающего потенциалов, обладающих различной настройкой к локализационным параметрам звуковых сигналов. Существенную роль в этом взаимодействии играет торможение, ограничивающее реакцию в определенных интервалах значений межушных различий стимуляции. Формирование избирательной реакции на движение стимула существенно зависело от того, в какой временной последовательности развивались тормозные и возбуждающие эффекты. При значительном усилении торможения генерация импульсных разрядов прекращалась, что приводило к снижению реакции на неэффективное направление движения стимула.

Межнейронное взаимодействие. Исследование взаимной корреляции активности нейронов слуховой коры при действии неподвижных и движущихся стимулов (тоны и шумы) проведено на 123 нейронах морских свинок с использованием пучка из 8 микроэлектродов. В пределах зарегистрированных групп нейронов (4-12 нейронов) проводился попарный кросскорреляционный анализ. Значимые изменения корреляции (p<0.001), были обнаружены у 92% пар нейронов (350 из 382). Кросскорреляционные функции (ККФ) разделялись по форме на пиковые (9%), широкие (55%) и смешанные (38%). С увеличением межэлектродного расстояния ККФ снижалась, а ее ширина увеличивалась. Межнейронная корреляция практически отсутствовала в фоновой активности и резко возрастала в период звуковой стимуляции. После выключения стимула она быстро уменьшалась. Варьирование параметров движущегося стимула - его траектории, направления и скорости – приводило к существенным изменениям степени коррелированности нейронных разрядов. Наиболее высокую корреляцию обнаруживали функционально сходные группы нейронов. Так нейроны, реагирующие на движение звукового стимула, характеризовались более высокой степенью корреляции при движении стимула по сравнению действием неподвижных стимулов. Корреляции нейронной активности могла изменяться по ходу действия движущегося стимула. Группы близко расположенных нейронов могли образовывать временные кластеры, синхронно возбуждающиеся на определенных участках движения стимула. Полученные данные свидетельствуют о способности нейронов слуховой коры к временному объединению в функциональные группы, выделяющие локализационные параметры стимула на основе синхронизация импульсной активности.

2. Психофизическое исследование.

В условиях дихотической стимуляции исследовались характеристики восприятия человеком движущейся серии щелчков при разном угловом положении траектория движения стимула. Результаты исследования показали, что начальная и конечная точки вместе с траекторией движения звукового образа закономерно смещаются относительно физического положения стимула по направлению движения. Так при выключении движущегося стимула в момент его расположения по средней линии головы, конечная точка субъективной траектории была сдвинута вправо от центра головы при движении слева-направо и смещалась влево при движении справа-налево. Независимо от направления движения в момент окончания движения звуковой образ находился впереди стимула. Эффект опережающего сдвига наблюдался при всех исследованных траекториях и направлениях движения стимула. В целом его величина была выше при движении стимула вправо (в среднем 7.1 град) по сравнению с движением влево (3.5 град.). Эффект опережающего восприятия наблюдается также в условиях реального и кажущегося движения источника звука в свободном звуковом поле (Perrott, Musicant,1977;, Mateeff, Hohnsbein, 1988; Gerzman, Lewald 2007).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Результаты исследования свидетельствуют о возможности топического механизма анализа локализационных признаков звука (в частности, межушной задержки) в заднем холме и слуховой коре. При переходе от среднемозгового к корковому уровню слуховой системы существенно возрастает избирательность нейронов к движению звукового стимула. Специализация слуховой коры в отношении локализации движущихся источников звука может обеспечиваться на основе селективных свойств внутрикоркового торможения и кооперативной деятельности нейронных кластеров, синхронно реагирующих на движение звукового стимула.

Эффект освобождения от маскировки при локализации движущегося стимула шумом может обеспечиваться за счет совместной деятельности нейронов, настроенных на разные межушные фазовые или временные задержки.

При действии движущегося звукового стимула происходит сдвиг зоны ответа нейронов навстречу движению стимула с формированием разряда, опережающего появление стимула в зоне ответа. Динамический сдвиг реакции может служить нейрофизиологическим коррелятом наблюдаемого у человека эффекта опережения и рассматриваться в качестве нервного механизма «сенсорного предсказания» движения.

ВЫВОДЫ

1. На уровне заднего холма и слуховой коры наблюдаются близкие характеристики активности нейронов при действии неподвижных звуковых стимулов.

2. На уровне заднего холма выявлена тенденция к топографически упорядоченной организации нейронов по величине оптимальной межушной задержки. Нейроны слуховой коры со сходными частотными и бинауральными характеристиками группируются в вертикальные колонки.

3. Дирекциональная чувствительность в реакции на движущийся стимул на уровне слуховой коры выражена сильнее, чем в заднем холме. Нейроны слуховой коры выделяют широкий диапазон скоростей движения стимула.

4. Реакции нейронов на движение стимула характеризуется сдвигом зоны ответа в направлении, противоположном направлению движения. Величина сдвига нарастает с увеличением скорости движения. Явление сдвига зоны ответа обнаруживается также при действии амплитудно- и частотно-модулированных сигналов.

5. Синфазная и противофазная маскировки движущегося стимула различаются по степени маскирующего эффекта.

6. Данные внутриклеточного отведения активности нейронов слуховой коры свидетельствуют о важной роли торможения в формировании избирательной реакции на неподвижные и движущиеся звуковые стимулы.

7. Нейроны слуховой области коры могут объединяться в кластеры по разной степени взаимной коррелированности разрядов в зависимости от локализационных параметров звукового сигнала.

8. Воспринимаемая человеком траектория движения стимула и ее конечная точка сдвинуты кпереди от физического положения стимула. Эффект опережения указывает на существование в слуховой системе механизма, смещающего текущие оценки локализации движущегося стимула в сторону будущих значений. Действие такого механизма может рассматриваться как своеобразное проявление «сенсорного предсказания» движения.

Список основных публикаций по теме диссертации

1. Никитин Н.И., Попеларж Й. Отражение эффекта освобождения от маскировки в активности нейронов заднего двухолмия кошки// Нейрофизиология. 1985. Т.17. С.462-468.

2. Альтман Я.А, Никитин Н.И. Тормозные процессы в реакциях нейронов слуховой коры кошки при дихотической стимуляции// Ж. эволюцион. биохим. и физиол. 1985. Т.21. С.463-469.

3. Альтман Я.А., Радионова Е.А., Никитин Н.И., Варягина О.В. Психофизиологические особенности эффекта латерализации при восприятии движущегося звукового образа// Физиология человека. 1997. Т.23. С.80-88

4. Altman J.A., Nikitin N.I., Shestopalova L.B. Forward masking in the evoked responses of the guinea pig auditory cortex: effects of variation of the interaural time and phase differences. R.J. Physiology. 1997. V.83. P.53-65.

5. Альтман Я.А, Никитин Н.И. Свойства производного потенциала действия при последовательной тональной маскировке// Физиологический журн. им. И.М.Сеченова. 1999. Т.85. С.751-766

6. Альтман Я.А., Никитин Н.И, Агаева М.Ю. Характеристики восприятия движения источника звука как основа создания акустической вертикали// Авиакосмическая и экологическая медицина. 1999. Т.33. С.30-36

7. Altman J.A., Radionova E.A.. Nikitin N.I., Varyagina O.V. Lateralization of a moving auditory image: interrelation of interaural time and intensity differences// J. Acoustical Society of America. 1999. V.105. P.366-376.

8. Радионова Е.А, Никитин Н.И. Нейрофизиологические механизмы организации бинауральной системы пространственного слуха. Модельные представления// Сенсорные системы. 2000. Т.14. С.75-87.

9. Бехтерев Н.Н., Вайтулевич С.Ф., Никитин Н.И., Шестопалова Л.Б. Сопоставление проявлений бинаурального освобождения от маскировки у животных и человека. Электрофизиологическое исследование// Физиологический журн. им. И.М.Сеченова. 2000. Т.86. С.773-785.

10. Агаева М.Ю., Никитин Н.И. Различение человеком угловой скорости движения звукового образа в противоположных направлениях// Физиология человека. 2001. Т.27. С.1-6.

11. Альтман Я.А., Бехтерев Н.Н., Вайтулевич С., Никитин Н.И. Роль фазовых изменений в звуковом сигнале при локализации звукового образа// Физиологический журн. им. И.М.Сеченова. 2003. Т.89. С.271-279.

12. Nikitin N.I. Responses of neurons in the primary auditory cortex of the cat to auditory motion simulated by time-varying interaural delay// 6th IBRO World Congress of Neuroscience, Plasticity of the central auditory system and processing of complex acoustic signals. Prague. 2005. Р.52-53

13. Никитин Н.И., Варфоломеев А.Л., Котеленко Л.М. Реакция нейронов первичной слуховой коры на движущийся стимул с динамически изменяющейся межушной задержкой// Физиологический журн. им. И.М.Сеченова. 2003. Т.89. С.625-638.

14. Никитин Н.И. Синхронизация импульсной активности нейронов слуховой коры при действии неподвижных и движущихся звуковых сигналов// IV Всероссийская конференция по физиологии слуха и речи. Санкт-Петербург. 2005. С.40-41.

15. Радионова Е.А., Никитин Н.И. Модельные представления о нейрофизиологических механизмах локализации источника звука// XX Съезд физиологического общество им И.П.Павлова. Москва. 2007. С.77-78

16. Popelar J., Grecova J., Nikitin N. I., Rybalko N., Syka J. Recording of neuronal activity in the auditory cortex with chronic multielectrode probe // 6^th FENS Forum. 2008. FENS Abstr. V. 4. P. 188.20.

17. Никитин Н. И. Эффект опережения или сенсорное предсказание // V Всероссийская конференция по физиологии слуха и речи. Санкт-Петербург. 2008. С.40.