Ю. А. Александров Данилова Н. Н. Д 18 Психофизиология: Учебник

Вид материала

Учебник

Содержание Таким образом, колончатая и слоистая организации нейронов коры свидетельствуют, что обработка информации о признаках Две системы: «что» и Изучение активности 4.3. Восприятие цвета с позиции векторной модели обработки информации

Подобный материал:

• А. А. Данилова и др. Учебник: А. А. Данилова, Л. Г. Косулиной «История России с древности, 44.49kb.
• Ключевые проблемы психологии и психофизиология. Определение психофизиологии, 1065.96kb.
• 1. Предмет, методы и задачи психофизиологии. Сравнительная психофизиология 7 Тема Методы, 338.37kb.
• О. В. Дифференциальная психофизиология: Программа, 159.3kb.
• Рабочая программа по дисциплине «психофизиология» Специальность, 292.28kb.
• Александров Д. Н. Личность и синдром предпринимателя, 72.06kb.
• Александров А. А, 49.6kb.
• Литература о Ломоносове М. В. в фондах библиотеки БашГУ, 55.77kb.
• Разработка урока истории по теме "Крымская война", 8 класс, 215.84kb.
• Блохин Геннадий Иванович, Александров Владимир Александрович. М. КолосС, 2006. 512, 557.07kb.

Если же его вводили на несколько миллиметров в сторону от предыдуще­го, но также вертикально, то для всех встречающихся клеток до­минирующим был только один глаз — тот же, что и раньше, или другой. Если же электрод вводили с наклоном и как можно более параллельно поверхности коры, то клетки с разной глазодоми-нантностью чередовались. Полная смена доминантного глаза про­исходила примерно через каждый 1 мм.

Структурная организация нейронов коры была уточнена гис-тохимическими методами. Открытие нового метода окраски ней­ронов с применением микроинъекций фермента пероксидазы хре­на в нейроны ЛКТ позволило проследить путь отдельных аксонов, приходящих из ЛКТ, и распределение их окончаний в коре. Метод основан на использовании явления аксонного транспорта веще­ства, введенного в клетку, которое окрашивает ее, но не влияет на ее структуру. Было установлено, что каждый аксон из ЛКТ прохо-




Рис. 1. Схематическое представление чередования в IV слое зрительной коры скоплений синаптических окончаний аксонов ЛКТ, проводящих сигнал в кору от левого и правого глаза. Чередование участков проекций от левого и правого глаза закладывает основу для колонок с разной глазодоминантно-стью. Цифры слева — нумерация слоев поля 17 (по Д. Хьюбелу, 1990).

дит через нижние слои и оканчивается разветвлениями в IV слое. Здесь отдельные веточки одного аксона образуют скопления си­наптических окончаний шириной 0,5 мм, отделенные друг от дру­га промежутками той же ширины. Волокна от одного глаза окан­чиваются в одних участках, а от другого — в промежутках между ними (рис. 7). Таким образом, каналы передачи зрительной инфор­мации от разных глаз в IV слое коры, так же как и в ЛКТ таламу-са, не пересекаются.

Однако клетки с бинокулярными свойствами, реагирующие на сигналы от обоих глаз, в коре присутствуют. При этом они со­ставляют более половины нейронов, расположенных в слоях выше и ниже IV слоя. В верхних слоях коры при переходе от колонки одной глазодоминантности к другой существуют промежуточные зоны, где смена доминантности происходит не скачком, а посте­пенно, проходя через промежуточные стадии. В промежуточных зонах находятся бинокулярные клетки.

Второй метод, который был применен для изучения колонок глазодоминантности во всей толщине коры, связан с использова­нием меченой дезоксиглюкозы. Метод предложен в 1976 г. Л. Соко-лоффым (Ь. 8око1оП) в Национальном институте здоровья в Бе-тезде. Дезокси глюкоза по химической структуре близка к обычной глюкозе, которая интенсивно поглощается в качестве источника энергии возбужденными нейронами. Однако меченая дезоксиглю-




Рис. 8. Радиоавтограф, полученный с использованием меченой дезоксиглю­козы со среза зрительной коры макаки после длительной экспозиции на ее правый глаз сложного рисунка (о). Картина корковой проекции (б) содер­жит круги и радиусы запечатленного рисунка, но только в искаженном виде за счет непропорциональной проекции центра и периферии сетчатки на кору. Мелкие участки, на которые разделен рисунок в коре, отражают чередование колонок с разной глазодоминантностью (по Д. Хьюбелу, 1990).

коза не может быть полностью расщеплена нейроном. Она накап­ливается в нем и может быть обнаружена с помощью радиоавто­графии. Чтобы получить радиоавтограф, делают горизонтальный срез коры и покрывают его фотоимульсией, на которой после длительной экспозиции возникает карта распределения радиоак­тивной дезоксиглюкозы. При стимуляции одного глаза меченая дезоксиглюкоза будет накапливаться в колонках зрительной коры, связанных с этим глазом. На рис, 8 представлено распределение меченой дезоксиглюкозы в срезе коры, взятой параллельно ее по­верхности от левого полушария мозга обезьяны после опыта со стимуляцией одного глаза. Во время опыта на ненаркотизирован­ной макаке в центр зрительного поля ее правого глаза в течение 45 мин экспонировали сложный стимул, напоминающий мишень с радиальными линиями. Другой глаз был закрыт. Предваритель-


но животному была сделана инъекция радиоактивной дезоксиг-люкозы. Перед тем как сделать срез, корковую ткань растянули и заморозили. На радиоавтографе полукруглые линии стимула ото­бражаются в коре вертикальными полосками, а радиальные ли­нии — горизонтальными. Пунктирный характер каждой полоски на срезе обусловлен тем, что в опыте стимулировался только один глаз, т.е. возбуждались колонки только одной глазодоминантнос-ти, связанной с правым глазом. Колонки глазодоминантности име­ются у кошек, некоторых низших обезьян, шимпанзе и человека. У грызунов их нет.

Кроме колонок глазодоминантности, в зрительной коре раз­ных животных (обезьяна, кошка, белка) обнаружены ориентаци-онные колонки. При вертикальном погружении микроэлектрода че­рез толщу зрительной коры все клетки в верхних и нижних слоях (кроме IV слоя) избирательно реагируют на одну и ту же ориента­цию линии. При смещении микроэлектрода картина остается той же, но меняется предпочитаемая ориентация, т.е. кора разбита на колонки, предпочитающие свою ориентацию. Радиоавтографы, взятые со срезов коры после стимуляции глаз полосками, опреде­ленным образом ориентированными, подтвердили результаты элек­трофизиологических опытов. Соседние колонки нейронов выделя­ют разные ориентации линий.

В коре обнаружены также колонки, избирательно реагирую­щие на направление движения или на цвет. Ширина цветочувстви-тельных колонок в стриарной коре около 100—250 мкм. Колонки, настроенные на разные длины волн, чередуются. Колонка с мак­симальной спектральной чувствительностью к 490—500 им сменя­ется колонкой с максимумом цветовой чувствительности к 610 нм. Затем снова следует колонка с избирательной чувствительностью к 490—500 нм. Вертикальные колонки в трехмерной структуре коры образуют аппарат многомерного отражения внешней среды.

В зависимости от степени сложности обрабатываемой инфор­мации в зрительной коре выделено три типа колонок. Микроколон­ки реагируют на отдельные градиенты выделяемого признака, на­пример на ту или другую ориентацию стимула (горизонтальную, вертикальную или другую). Макроколонки объединяют микроколон­ки, выделяющие один общий признак (например, ориентацию), но реагирующие на разные значения его градиента (разные накло­ны — от 0 до 180°). Гиперколонка, или модуль, представляет локаль­ный участок зрительного поля и отвечает на все стимулы, попада­ющие на него. Модуль — вертикально организованный участок коры, выполняющий обработку самых разнообразных характерис­тик стимула (ориентации, цвета, глазодоминантности и др.). Мо-




О 0,5 1,0 1,5 2,0 Глубина погружения, мм



Микроколонка Макроколонка ориентации линии

Рис. 9. Колонки глазодоминантности и ориентации линий в зрительной коре мозга.

а — микроэлектрод, проникающий в кору перпендикулярно ее поверхности, регистрирует только клетки, отвечающие за одну ориентацию линий (кроме клеток [V слоя, имеющих концентрические рецептивные поля и не реагирующие на ориентацию). При тангенциальном продвижении электрода (вдоль поверхности коры) нейроны отвечают за разные ориентации линий; б — зависимость пред­почитаемой ориентации нейронов от глубины погружения электродов при про­движении вдоль поверхности коры; в — чередование колонок с разной глазодо-минантностью и выделяющих разные ориентации линий; 1 — колонка с доми­нированием правого глаза, 2-е доминированием левого глаза (по А.Л. Крыло­вой, А.М. Черноризову, 1987).

дуль собирается из макроколонок, каждая из которых реагирует на свой признак объекта в локальном участке зрительного поля (рис. 9). Членение коры на мелкие вертикальные подразделения не огра­ничивается зрительной корой. Оно присутствует и в других облас­тях коры (в теменной, префронтальной, моторной коре и др.).

В коре существует не только вертикальная (колончатая) упоря­доченность размещения нейронов, но и горизонтальная (послойная). Нейроны в колонке объединяются по общему признаку. А слои объединяют нейроны, выделяющие разные признаки, но одина­кового уровня сложности. Нейроны-детекторы, реагирующие на более сложные признаки, локализованы в верхних слоях.

^ Таким образом, колончатая и слоистая организации нейронов коры свидетельствуют, что обработка информации о признаках объекта, таких, как форма, движение, цвет, протекает в парал­лельных нейронных каналах. Вместе с тем изучение детекторных свойств нейронов показывает, что принцип дивергенции путей обработки информации по многим параллельным каналам должен быть дополнен принципом конвергенции в виде иерархически орга­низованных нейронных сетей. Чем сложнее информация, тем более сложная структура иерархически организованной нейронной сети требуется для ее обработки.

4.2.^ ДВЕ СИСТЕМЫ: «ЧТО» И «ГДЕ»

В зрительном анализаторе выделяют две системы обработки информации: «Что» и «Где». Система «Что» опознает объект. Сиг­налы в системе «Что» берут начало от ганглиозных клеток сетчат­ки типа X, которые проецируются в специфическое таламическое ядро — латеральное коленчатое тело (ЛКТ). Затем сигнал поступа­ет в стриарную кору (VI), а от нее в VI (поле 18) и через экстра-стриарную кору (УЗ, У4 и У5) достигает нижневисочной коры. Отдельные признаки объекта обрабатываются параллельно в раз­личных зонах. В VI локализованы детекторы, чувствительные к раз­личной ориентации линий и их длине. В УЗ нейроны реагируют на форму предмета и его более сложные элементы, чем в VI. В зоне У4 локализованы константные детекторы цвета. Нейроны коры У5 избирательно отвечают на разные направления и скорости движе­ния объекта. Локальное поражение одной из перечисленных зон коры нарушает восприятие только цвета, только формы или дви­жения объекта.

^ Изучение активности зон зрительной коры методом ПЭТ под­твердило ранее полученные данные о специализации УЗ, У4 и У5 областей. В частности, в опытах на обезьяне при определении ло-


кусов активности мозга, связанных с восприятием движения, то­мография проводилась в условиях, когда животное смотрело на набор неподвижных точек на экране, и в то время, когда живот­ное наблюдало за движущимися точками. Применение процедуры вычитания первой группы томографических срезов из второй по­казало, что слежение за движущимися стимулами сочетается с из­бирательной активацией в зоне У5.

На уровне ассоциативной коры система «Что» представлена в нижневисочной коре, где при участии гностических единиц про­исходит интеграция признаков объекта, раздельно обрабатывае­мых в разных зонах зрительной коры (VI, У2, УЗ, У4 и У5).

Система «Где» определяет локализацию объекта во внешнем зрительном поле. Она берет свое начало от ганглиозных клеток сетчатки типа V, которые проецируются на верхнее двухолмие. Его верхние слои реагируют на зрительные стимулы, а нижние запус­кают движение глаз — саккаду, амплитуда и направление которой обеспечивают попадание стимула в центральное поле зрения. Сиг­нал из двухолмия через таламическое ядро — подушку — достига­ет париетальной коры. В париетальной коре сходятся два пути: сиг­налы от ретинотопической проекции в коре VI и от детекторов положения глаз. Слияние ретинальных и проприоцептивных пото­ков создает константный экран внешнего зрительного поля. В резуль­тате во время движения глаз, хотя зрительный сигнал и смещается по сетчатке, образ зрительного мира не меняется. У нейронов парие­тальной коры рецептивные поля представлены участками зритель­ного поля, а не участками сетчатки. В париетальной коре зритель­ный образ дополнен сигналами о движении глаз.

Интеграция сигналов от изображения на сетчатке и от движе­ний глаз на нейронах париетальной коры формируется в онтоге­незе. Если у новорожденной обезьяны на 1 месяц закрыть глаза, то число нейронов париетальной коры, отвечающих на зритель­ные стимулы, сократится с 70% до долей 1%. Такая обезьяна не ориентируется в пространстве, не может попасть в цель. Больные с поражениями в париетальной коре теряют пространственное зрение.

^ 4.3. ВОСПРИЯТИЕ ЦВЕТА С ПОЗИЦИИ ВЕКТОРНОЙ МОДЕЛИ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

Анализатор цвета включает рецепторный и нейронный уровни сетчатки, ЛКТ таламуса и различные зоны коры. На уровне рецеп­торов падающие на сетчатку излучения видимого спектра у чело­века преобразуются в реакции трех типов колбочек, содержащих


пигменты с максимумом поглощения квантов в коротковолновой, средневолновой и длинноволновой частях видимого спектра. Реак­ция колбочки пропорциональна логарифму интенсивности стиму­ла. В сетчатке и ЛКТ существуют цветооппонентные нейроны, про­тивоположно реагирующие на пары цветовых стимулов (красный-зеленый и желтый—синий). Их часто обозначают первыми буквами от английских слов: +К-С; -К+0; +У-В; -У+В. Различные комби­нации возбуждений колбочек вызывают разные реакции оппонен-тных нейронов. Сигналы от них достигают цветочувствительных нейронов коры.

Свойства цветовых нейронов различных зон коры обезьяны подробно изучены английским исследователем С. Зеки. В стриар-ной коре (VI) он нашел два типа цветочувствительных нейронов:

цветооппонентные нейроны и нейроны с избирательной чувстви­тельностью к определенному и узкому диапазону длин волн. Цве­тооппонентные клетки по своим свойствам совпадают с аналогич­ными нейронами сетчатки и ЛКТ. Исключение составляет группа нейронов с двойной оппонентностью, у которых и центр и пери­ферия рецептивного поля приобрели способность отвечать по оп-понентному типу. Нейроны в VI, избирательно реагирующие на узкий диапазон спектра, меняют свои реакции на цветовые сти­мулы с изменением общего освещения. По данным С. Зеки, клет­ки этих двух типов составляют большинство цветочувствительных нейронов в VI, и их очень мало в экстрастриарной коре (У4), основная часть которой заполнена третьим типом нейронов — цветокодирующими клетками, или детекторами цвета. Они реаги­руют избирательно на определенный цвет поверхности независи­мо от спектрального состава освещения. Однако важным условием реакции нейронов-детекторов цвета является наличие освещения, содержащего излучение всех трех областей спектра: коротко-, сред­не- и длинноволновой. При монохроматическом освещении ней­рон-детектор цвета не реагирует на оптимальный для него цвет. Наиболее часто встречаются клетки с чувствительностью к полосе 480 им (к синему), 500 нм (зеленому), 620 нм (красному) и реже к 550—570 нм (желтому). Клетки поля У4 организованы в верти­кальные колонки. Колонки, детектирующие разные цвета (крас­ные, синие, зеленые, белые и др.), чередуются. Границы цветовых колонок не совпадают с границами колонок, организованных по другим признакам (ориентации, глазодоминантности). В поле VI цветоселективные нейроны относятся к аконстантным нейронам, их реакция зависит от общего освещения. В поле У4 представлены цветоконстантные нейроны — собственно детекторы цвета, которые выделяют цвет объекта независимо от условий освещения.


Восприятие цвета определяется не только хроматической (цве-точувствительной) системой зрительного анализатора, но и вкла­дом ахроматической системы. Ахроматические нейроны образуют локальный анализатор, детектирующий интенсивность стимулов. Первые сведения об этой системе можно найти в работах Р. Юнга, показавшего, что яркость и темнота в нервной системе кодируют­ся двумя независимо работающими каналами: нейронами В (Ьп@Ь1пе5з), измеряющими яркость, и нейронами В (оагкпезз), оце­нивающими темноту. Существование нейронов-детекторов интен­сивности света было подтверждено позже, когда в зрительной коре кролика были найдены клетки, селективно реагирующие на очень узкий диапазон интенсивности света.

Как можно представить механизм восприятия цвета? С пози­ции детекторной теории основу для субъективных различий сти­мулов следует искать в различии реакций нейронов-детекторов. От­сюда следует, что субъективные различия между цветовыми сти­мулами пропорциональны расстояниям между представляющими их нейронами-детекторами на нейронных картах признаков, а мат­рицу субъективных различий, полученных в психофизическом эк­сперименте, можно интерпретировать как матрицу «расстояний» между детекторами (Соколов Е.Н., 1993). Обработка матрицы субъективных различий, полученной при попарном предъявлении цветовых стимулов, факторным анализом или методом многомер­ного шкалирования, позволяет построить геометрическую модель субъективных оценок, которая одновременно является моделью нейронального отображения цветовых стимулов на карте детекто­ров. В такой модели цветовые стимулы представлены точками, а расстояния между ними соответствуют расстояниям между нейро­нами-детекторами.

Метод построения субъективного пространства позволяет оп­ределить его минимальную мерность и выделить основные субсис­темы (факторы), на основе которых субъект выносит суждение о различии двух цветовых стимулов. Следующий шаг предполагает интерпретацию выделенных факторов в понятиях нейрональных единиц, образующих нейронные сети детекторов.

Для построения перцептивного пространс^ва цвета у чело­века на основе оценок субъективных различий были использова­ны цветовые стимулы разной длины волны и интенсивности (1гтапоу сп.а., 5око1оу Е.М., 1992). Цвета предъявлялись парами с коротким интервалом между стимулами в паре. После предъяв­ления каждой пары испытуемый должен был оценивать различие между ними в баллах от 0 (полностью идентичные) до 9 (макси­мально различные). Полученные оценки субъективных различий


сводили в матрицу, которую обрабатывали методом многомерного шкалирования (ММШ). Было получено четырехмерное эвклидово пространство — гиперсфера, в которой все множество цветовых стимулов размещалось в ее тонком поверхностном слое (при вари­ативности ее радиуса не более 10%). Проекция стимулов на плос­кость осей Х,Х^ образует круг. Полюса осей Х,Х^ представлены па­рами стимулов: соответственно красным—зеленым и желтым—си­ним. Белый цвет (ахроматический) расположен в центре круга. В плоскости Х,Х^ отражен цветовой тон, который для каждого стимула определяется через угол, образованный радиусом к дан­ному стимулу. Проекция точек на плоскость ХдХ^ позволяет интер­претировать ее оси как биполярную яркостную и монополярную темновую составляющие цвета соответственно. Белый цвет распо­ложен вблизи положительного полюса оси Хд, а наиболее тем­ный, например красный, — ближе к отрицательному полюсу оси Хд. Цвета промежуточных значений сдвинуты к положительному полюсу Х„. По координатам цветовых стимулов в плоскости ХдХ^ можно измерить ахроматическую составляющую цветового зрения. Углы на плоскости ХдХ^, образованные радиусами к стимулам, характеризуют их субъективную яркость (светлоту).

Координаты по зелено-красной и желто-синей осям цветово­го субъективного пространства человека соответствуют реакциям зелено-красных и сине-желтых оппонентных нейронов ЛКТ обе­зьяны при предъявлении ей тех же цветовых стимулов (с идентич­ными длинами волн). Координаты двух ахроматических осей цве­тового перцептивного пространства соответствуют реакциям ахроматических нейронов: яркостных (нейроны В) и темновых (ней­роны О). Вычисление обобщенной хроматической оси (для Х^Хд) по формуле (X^+X;)^1/2 и обобщенной ахроматической оси для ХдХ^ по формуле (Х^+Х^)¹⁷² преобразует четырехмерное простран­ство в плоскость, в которой цветовые стимулы располагаются на ограниченном участке дуги первого квадранта в зависимости от их насыщенности. Углы в этой плоскости, образованные радиуса­ми, характеризуют стимулы по их насыщенности. С увеличением угла насыщенность стимула уменьшается.

В представленной модели цветового зрения органически соеди­няются нейронный механизм кодирования цвета с психологичес­кими характеристиками цвета: цветовым тоном, светлотой (субъек­тивной яркостью) и насыщенностью, представленными в угловых характеристиках на плоскостях X^Xу ХдХ^ и в плоскости обобщен­ных хроматической и ахроматической осей.

Перцептивные цветовые пространства, построенные для жи­вотных (трихроматов) — обезьяны (макаки), рыбы (карпа), об-

наруживают их принципиальное сходство с субъективным цвето­вым пространством человека (Латанов А.В. и др., 1997). В опытах на животных был использован метод измерения вероятности инстру­ментальных двигательных реакций при выработке цветовых диф-ференцировок. После обучения цветовой стимул (как условный сигнал) характеризуется вектором вероятностей реакций, отража­ющим вероятность появления условной реакции как на условный, так и на дифференцировочные стимулы. Последовательно проводя серии с подкреплением разных цветов, можно для каждого цвета составить матрицу вероятностей условных рефлексов и на ее осно­ве вычислить корреляционную матрицу для последующей обра­ботки факторным анализом. Перцептивные цветовые пространства этих животных, так же как и человека, представляют гиперсферу, оси которой соответствуют четырем каналам кодирования цвета:

красно-зеленому, желто-синему, яркостному и темновому (рис. 10, 11). Три угла цветовой гиперсферы соответствуют трем субъектив­ным характеристикам цветовых стимулов: цветовому тону, светло­те и насыщенности.

Серьезным подтверждением правомерности применения пси­хофизического подхода для раскрытия нейронных механизмов вос­приятия явились опыты, выполненные на лягушке (трихромате) с регистрацией электроретинограммы (волны «Ь») на смену цве­товых стимулов (Зимачев М.М. и др., 1991). Был использован ме­тод замены одного (тестового) цвета на другой (референтный) при меняющейся яркости тестового цвета. Каждому стимулу соот­ветствует вектор, представляющий величины волны «Ь&, получен­ные при замене данного стимула на каждый другой. Из этих векто­ров составляли матрицу смешений, которую обрабатывали ММШ. Перцептивное цветовое пространство, полученное по волне «Ь» сетчатки лягушки, обнаружило большое сходство с перцептивным пространством человека, построенным на основе субъективных оценок, перцептивными пространствами обезьяны и карпа при измерении у них вероятностей условных двигательных реакций. Особенностью, отличающей перцептивное цветовое пространство лягушки, была меньшая степень дифференциации цветовых сти­мулов, что выражалось в их группировке вокруг основных цветов: