Nikolls_-_Ot_neyrona_k_mozgu

Глава 25. Критические периоды развития зрительной и слуховой систем

613

Рис. 25.7. Последствия закрытия одного глаза. Распределение глазного доминирования у обезьяны, правый глаз которой был закрыт с 21 до 30 дня жизни. Несмотря на то, что в течение последующих 4 лет обезьяна смотрела обоими глазами, большинство кортикальных нейронов остаются нечувствительными к сигналам из правого глаза.

Fig. 2S.7. Damage Produced by Closure of One Eye. Ocular dominance distribution in a monkey whose right eye was closed from 21 to 30 days of age. In spite of subsequent 4 years of binocular vision, most cortical neurons were unresponsive to stimulation of the right eye. (From LeVay, WieseL and Hubel 1980.)

глаза. Сигналы от ганглионарных клеток сетчатки у депривированных животных ничем не отличались от нормальных, как и их рецептивные поля.

Ответы кортикальных клеток после монокулярной депривации

И хотя ответы клеток ЛКТ после монокулярной депривации практически не изменялись22), тем не менее большие изменения происходили в ответах кортикальных клеток6· 7· 23). При регистрации электрической активности в зрительной коре было обнаружено очень мало клеток, которые управлялись глазом, подвергнутым депривации. Большинство из тех клеток, которые все же отвечали на стимуляцию этого глаза, имели аномальные зрительные поля. Ответы же клеток недепривированного глаза оставались нормальными. На рис. 25.7 показаны гистограммы глазного доминирования, полученные для котят и новорожденных обезьян, у которых один из глаз был закрыт на протяжении нескольких первых недель жизни.

Относительная значимость диффузного света и формы объектов

для поддержания в норме ответов кортикальных клеток

Результаты экспериментов, описанных нами, говорят о том, что если один глаз не используется в полной мере на протяжении первых недель жизни, его влияние ослабевает и он становится неспособен управлять клетками зрительной коры. Такие значительные изменения вызываются сравнительно небольшой процедурой по закрытию век, без перерезки нервов. Каково же главное условия для поддержания в норме и дальнейшего развития нормальных корковых ответов? Может ли в этом помочь рассеянный свет?

Закрытие век уменьшает количество света, достигающего сетчатки, но не полностью исключает его. Таким образом, можно предположить, что только при помоши диффузного освешения можно заставить глаз нормально функционировать. Или для этого необходимо не просто наличие освещения, но и предметное зрение, которое может быть важным стимулом в предотвращении аномального развития корковых связей? Эти гипотезы были проверены в серии экспериментов, выполненных на новорожденных котятах. Пластиковый полупрозрачный щиток (напоминающий разрезанный шарик для настольного тенниса) помещался поверх роговицы. Он предотвращал возможность различать какие-либо предметы, однако пропускал свет. У всех этих котят развилась слепота на депривированный глаз21). Более того, также уменьшалось количество кортикальных клеток, управляемых этим глазом. При этом не регистрировалось каких-либо изменений ни в ответах клеток ЛКТ, ни в клетках самой сетчатки.

Морфологические изменения в ЛКТ после зрительной депривации

Клетки ЛКТ кошки и обезьяны организованы в виде слоев, каждый из которых управляется преимущественно только правым или левым глазом (глава 20). У тех животных, у которых были обнаружены аномалии строения коры после закрытия век, клетки ЛКТ на первый

614	Раздел IV. Развитие нервной системы

взгляд выглядели нормальными. Тем не менее было показано, что закрытие век вызывает в них значительные морфологические изменения: клетки становились заметно меньше, чем в слоях, управляемых другим, нормальным глазом22). Уменьшение в размерах зависело от продолжительности закрытия век. К удивлению экспериментаторов клетки ЛКТ демонстрировали значительные морфологические изменения одновременно с небольшим функциональным дефицитом. Некоторые из работ дают основания полагать, что размер клеток в ЛКТ может отражать степень их ветвления в коре24· 25).

Морфологические изменения в коре после зрительной депривации

Морфологические последствия закрытия одного глаза наиболее хорошо были заметны в слое 4 первичной зрительной коры, где волокна из ЛКТ прерываются, образуя строго определенный паттерн ветвления7· 26). Изменения в колонках глазного доминирования, возникающие вследствие закрытия век у обезьян, были выявлены при помощи авторадиографии коры после введения радиоактивных веществ в один глаз. После длительного закрытия век наблюдалось значительное уменьшение ширины колонок глазного доминирования, связанных с закрытым глазом. В то же самое время колонки, управляемые нормальным глазом, соответственно увеличивались в ширине по сравнению с тем, какими они должны быть у взрослых обезьян в норме. Уменьшение колонок глазного доминирования наглядно видно на рис. 25.8, где нормальные колонки можно сравнить с колонками животных, глаз которых был закрыт в возрасте 2 недель и оставался закрытым на протяжении 18 месяцев. Эти изменения говорят о том, что аксоны из ЛКТ, управляемые нормальным глазом, захватывают и удерживают территорию коры, управляемую более слабым, зрительно депривированным соседним глазом. Эти данные подтверждаются физиологическими наблюдениями по регистрации электрической активности клеток слоя 4. Почти все клетки получали управление только от недепривированного глаза. Некоторые свойства коры менее чувствительны к депривации. Так, например, энуклеация (удаление) одного или даже обоих глаз не вызывало изменений в распределении «пятен» в области V1 и полос при окраске на цитохромоксидазу в области V2.

Критический период чувствительности к закрытию век

При закрытии век одного глаза у взрослых кошек или обезьян не наблюдается каких--либо последствий6· 7). Например, у взрослого животного, даже если глаз остается закрытым на протяжении более года, клетки в коре по прежнему получают нормальное управление от обоих глаз и имеют нормальную гистограмму распределения колонок глазного доминирования. Более того, даже если полностью удалить один глаз у взрослой обезьяны, структура слоя 4 остается нормальной, что можно видеть при помощи ауторадиографии и других методов окраски, даже в случае развития атрофии ЛКТ. Эти результаты говорят о значительной устойчивости к изменениям клеток слоя 4 у взрослых, по сравнению с изменениями, наблюдаемыми у незрелых животных.

Клетки коры обезьян имеют наибольшую чувствительность в течение первых 6 недель жизни6· 7· 26). В течение любого периода на протяжении этих 6 недель, с максимумом в первую неделю жизни27), незначительные изменения в глазном предпочтении и колоночной архитектуре коры возникают даже тогда, когда глаз закрыт на протяжении всего нескольких дней. Затем на протяжении нескольких месяцев (вплоть до 12-16-го месяца жизни) требуется несколько недель, чтобы вызывать заметные изменения в гистограммах глазного доминирования или в ширине колонок слоя 4. После этого времени изменения не развиваются, даже если провести хирургическое удаление одного глаза.

Период наибольшей чувствительности к закрытию век у котят сужен до 4-5 недель после рождения28· 29). На протяжении первых трех недель жизни закрытие одного глаза практически никак не влияет на формирование коры. Это и не удивительно, ведь глаза котят в норме закрыты в течение первых 10 дней. Однако в течение 4—5-й недели чувствительность к закрытию резко возрастает. Закрытие глаза в это время даже всего на 3-4 дня приводит к резкому уменьшению количества клеток, управляемых депривированным глазом. Эксперимент по сравнению животных одного помета показан на рис. 25.9. В данном случае закрытие глаза на протяжении 6 и 8 дней, начиная с 23-го и 30-го дня жизни (рис. 25.9А и В), приводило к такому же эффекту, как и монокулярная депривация на протяжении трех месяцев с момента

Глава 25. Критические периоды развития зрительной и слуховой систем

615

	Белые гранулы показывают	колонки в слое 4,
	образованные недепривированным	глазом. Они шире,
	чем в норме. Колонки, управляемые	закрытым глазом
	(показано черным), уже, чем в	норме. (С) Корковые
	разветвления аксонов ЛКТ, заканчивающихся в слое 5
	коры котенка, один глаз которого был закрыт на
	протяжении 33 дней. Терминальное ветвление аксона
	ЛКТ депривированного глаза показывает значительное
	уменьшение количества веточек по сравнению с
	недепривированным глазом.
	Fig. 25.8. Ocular Dominance Columns in Layer 4 after
	Closure of One Eye. (A) Normal adult monkey. The right
	eye had been injected with a radioactive proline-fucose
	mixture 10 days previously. Layer 4 displays alternating
	light and dark stripes of equal width. Radioactively labeled
	geniculate axons in layer 4 of the right hemisphere appear
Рис. 25.8. Колонки глазного доминирования в слое 4	as fine white granules forming columns. Intervening dark
коры после закрытия одного глаза. (А) Нормальная	bands correspond to the other eye. This image was made
взрослая обезьяна. В правый глаз 10 дней назад	as a photomontage reconstruction from parallel sections of
была введена радиоактивная смесь пролина и	layer 4 with autoradiography. (B) Reconstruction of layer 4
фукозы. В слое 4 можно видеть перемежающиеся	in 18-month old monkey whose right eye had been closed
светлые и темные полоски одинаковой ширины.	at the age of 2 weeks. Radioactive material was injected
Помеченные с помощью радиоактивных меток	into the normal left eye. White grains demonstrate columns
аксоны из ЛКТ в слое 4 правого полушария выглядят	in layer 4 from the nondeprived eye, which are larger than
как мелкие белые гранулы, образующие колонки.	normal. Columns supplied by the eye that had been closed
Находящиеся между ними темные полоски связаны с	(black) are narrower than normal. (C) Cortical arborization
другим глазом. Данное изображение представляет	of labeled geniculate axons ending in layer 4 of a kitten in
собой фотореконструкцию параллельных срезов	which one eye had been closed for 33 days. The terminal
слоя 4 с помощью авторадиографии. (В)	arborization of the geniculate axon from the deprived eye
Реконструкция слоя 4 у 18-месячной обезьяны,	shows a dramatic reduction of branches compared to that
правый глаз которой был закрыт в возрасте 2	from the nondeprived eye. (A and В from Hubel. WieseL
недель. Радиоактивная метка вводилась в	and LeVay, 1977; С after Antonini and Stryker, 1993b.)
нормальный глаз.

рождения. Чувствительность к закрытию век уменьшалась по мере прохождения критического периода и в конце концов исчезала к трем месяцам жизни (рис. 25.9С). Критический период, однако, может продлиться, если держать котят в темноте 30, 31). При отсутствии зрительного опыта чувствительность к монокулярной депривации может быть обнаружена даже в возрасте 6 месяцев. Однако нет данных о том, что если котенка в течение непродолжительного времени подержать на свету (для получения зрительного опыта), то это предотвратит продление критического периода.

Восстановление во время критического периода

В какой степени возможно восстановление после депривации во время критического периода? Даже если депривированный глаз по-

616	Раздел IV. Развитие нервной системы

Рис. 25.9. Критический период у котят. На гистограммах показано глазное предпочтение в зрительной коре котят одного помета, у которых правый глаз был закрыт в разное время жизни. Период, в течение которого глаз оставался закрытым, показан внизу гистограммы. (А) Веки были зашиты на 6 дней в возрасте 23 дней. (В) Веки были зашиты на 9 дней в 30-дневном возрасте. (С) Правый глаз был открыт на протяжении первых 4 месяцев, затем закрыт на протяжении трех, а затем оставался открытым до достижения возраста 2 лет, когда и производилось исследование.

Fig. 25.9. Critical Period in Kittens. Histograms showing eye preference in the visual cortex of kittens that were uttermates, in which the right eye was closed at different ages. The period during which the eye was closed is indicated under the histograms. (A) Eyelids sutured for 6 days at 23 days of age. (B) Eyelids sutured for 9 days at 30 days of age. (C) The right eye was open the first 4 months, then closed for 3 months, and then kept open until 2 years of age, when the recordings were made. (After Hubel and WieseL 1970.)

сле критического периода остается открытым на протяжении месяцев и лет, повреждение является перманентным, происходит лишь небольшое восстановление в редких случаях. Животное на всю жизнь остается слепым на один глаз, что сопровождается уменьшением колонок и асимметрией в гистограмме глазного доминирования. На животных с монокулярной депривацией проводились эксперименты, когда открывался ранее депривированный глаз и закрывался глаз, который раньше был нормальным. Эта процедура, называемая «обратное зашивание», приводила к значительному восстановлению зрения, но только в том случае, если она проводилась на протяжении критического периода7· 32· 33). Детеныши обезьян и котята не только начинали снова видеть на изначально депривированный глаз, но они также становились слепыми на другой глаз. Соответственно этим изменениям происходил сдвиг гистограммы глазного доминирования таким образом, что глаз, открытый после депривации, управлял большим количеством клеток, чем глаз, который был открыт на протяжении первых недель и затем закрыт. Более того, анатомическое строение слоя 4, выявленное при помоши авторадиографии, также претерпевало соответствующие изменения: уменьшенные регионы, управляемые первоначально закрытым глазом, расширялись за счет регионов противоположного глаза. На рис. 25.10 показана гистограмма глазного доминирования и авторадиограмма коры обезьяны, у которой правый глаз был закрыт в возрасте 2 дней на протяжении трех недель. По прошествии этого времени депривированный глаз уже не мог управлять корковыми клетками и колонки, которые им управлялись, уменьшились. После этого правый глаз был открыт, а левый закрыт на протяжении следующих 9 месяцев. В конце этого периода все нейроны управлялись только первоначально депривированным правым глазом и зоны коры, контролируемые им, расширились.

Из этого эксперимента можно сделать несколько выводов: (1) на протяжении критического периода у нормального животного волокна из ЛКТ, направляющиеся в слой 4 коры, подвергаются ретракции, таким образом в коре формируются зоны, контролируемые только одним глазом; (2) закрытие одного гла-

Глава 25. Критические периоды развития зрительной и слуховой систем		617

Рис. 25.10. Влияние обратного зашивания на распределение глазного доминирования и колончатую организацию коры у обезьян. (А) Были выполнены следующие процедуры: правый глаз был закрыт со 2-го до 21-го дня после рождения, после чего был открыт, а левый закрыт с 21 дня до возраста 9 месяцев. (В) Гистограмма глазного доминирования показывает, что почти все клетки получают управление исключительно от правого глаза, который был первично депривирован. Фактически ни одна клетка не получает управления от левого глаза. Таким образом, волокна, получающие управление от правого глаза, вернули себе те корковые клетки, которые потеряли в результате депривации (С) Тангенциальный срез коры, проходящий

через слои 4Сβ и 4Сα. Окрашенные полоски, принадлежащие путям от правого глаза, распространились в

слой 4Cβ несмотря на то, что этот глаз подвергся световой депривации на протяжении 19 дней. В течение первых дней колонки, получающие сигналы от правого глаза, уменьшились в размерах, однако после расширились. Восстановление после депривации в других слоях, таких как

4Сα, не происходит так же хорошо.

Fig. 25.10. Effects of Reverse Suture on Ocular Dominance histogram and columnar organization in a monkey. (A) The procedure was as follows: The right eye was closed from days 2 to 21 after birth, after which it was opened while the left eye was closed from day 21 for 9 months. (B) The ocular dominance histogram shows that almost all cells were driven exclusively by the right eye, which had been initially deprived. Virtually no cortical cells were driven by the left eye. Had both eyes been kept open at 21 days, the histogram would be reversed.

Accordingly, fibers driven by the right eye recaptured cortical cells they had previously lost. (C) Tangential section of cortex passing

through layer 4Cβ and 4Cα.The bands labeled by the right eye are expanded in layer

4Cβ even though it had been deprived of light for 19 days. During those first days, the columns supplied by the right eye had shrunk before expanding. Recovery did not occur

equally well in other layers, such as 4Cα. (After LeVay, WieseL and HubeL 1980.)

за во время критического периода приводит к несимметричной ретракции; (3) смена депривированного глаза во время критического периода приводит к повышенному ветвлению (спраутингу (sprouting)) аксонов ЛКТ, в результате они вновь образуют связи с теми клетками, с которыми эта связь была потеряна (см. рис. 25.10)34). Если обратное

618	Раздел IV. Развитие нервной системы

Рис. 25.11. Результат закрытия одного глаза. У нормальной обезьяны колонки глазного доминирования хорошо определяются в слое 4 коры к возрасту 6 недель. Закрытие век приводит к значительной ретракции волокон, идущих из ЛКТ, связанного с депривированным глазом, в то время как волокна, связанные с нормальным глазом, подвергаются меньшей ретракции, чем обычно, поэтому колонки этого глаза в слое 4 коры более широкие, чем у нормальных взрослых животных. После проведения обратного зашивания, если это сделано в критический период, изначально

депривированный глаз может вернуть себе территорию в слое 4, которую он потерял.

Fig. 2S.11. Summary of Effects of Eye Closure. In a normal monkey, ocular dominance columns have become well defined in layer 4 of the cortex by 6 weeks. Lid closure causes excessive retraction of geniculate fibers supplied by the deprived eye.

Those supplied by the open eye retract less than usual, so their columns in layer 4 of the cortex are larger than normal in the adult. After reverse suture during the critical period, the initially deprived eye can recapture the territory it had lost in layer 4. (After

Hubel and Wiesel 1977.)

зашивание выполнить во взрослом состоянии, то оно не дает результатов. Например, у обезьяны, у которой обратное зашивание было выполнено в возрасте 1 года, колонки депривированного глаза, выявленные при окрашивании, так и остались суженными.

Однако концепция строго определенного, жесткого (hard-and-fast) критического периода является сильным упрощением. Эксперименты с обратным зашиванием, выполненные на обезьянах, дают основания полагать, что различные слои в стриарной коре могут развиваться с разной скоростью; критический период может уже закончиться для одного слоя, в то время как соседний еще способен к изменениям в структуре и функции (см.

рис.25.10С и 25.11).

§ 3. Необходимые условия для поддержания функционирования нервных связей в зрительной системе

На данном этапе напрашивается заманчивый вывод, что уменьшение активности в зрительных путях является основным фактором, который стремится нарушить нормальное функционирование корковых нейронов. Однако клетки коры активируются не в ответ на диффузное освещение, также вызывающее активность, а на определенные контуры и формы. Ниже в обсуждении мы стремимся показать, что для поддержания функционирования необходимы дополнительные факторы, гораздо более «тонкие» по своей природе. В частности, должно происходить взаимодействие между сигналами обоих глаз.

Бинокулярная депривация и роль конкуренции

Первым доводом против того, что уменьшение зрительной активности может привести к изменениям в работе нейронов, являются данные эксперимента, когда у детеныша обезьяны, новорожденного или рожденного путем кесарева сечения, закрывали сразу оба глаза2· 6). Исходя из предыдущего обсуждения, можно сделать предположение, что клетки в коре не будут управляться ни одним глазом. Однако, к удивлению, после бинокулярной депривации на протяжении 17 дней и дольше большинство корковых клеток выглядело полностью нормальными. Колонки ориентации имели строение, близкое к таковому у контрольной группы (рис. 25.1). Основным нарушением было то, что значительная часть клеток не получала бинокулярного управления (рис. 25.12). Кроме того, некоторые спонтанно активные клетки вообще не получали никакого управления, другим же для активности не требовался определенным обра-

Глава 25. Критические периоды развития зрительной и слуховой систем										619
Рис.	25.12.				Колонки
зрительного
доминирования						после
закрытия		обоих				глаз		с
рождения. (А) Обезьяна, на
которой			проводились
исследования,						была
рождена			посредством
кесарева		сечения,				после
чего веки обоих глаз были
тотчас зашиты.				Результаты
были получены				в	возрасте
30 дней. Каждый из двух
депривированных					глаз		все
еще	мог				управлять
клетками		в		зрительной
коре.	Рецептивные					поля
выглядели		нормально,						за
исключением				того,			что
некоторые					клетки
получали				управление
одновременно					отобоих
глаз. Время закрытия век
показано						внизу
гистограммы.								(В)
Гистограмма					глазного
доминирования								у
нормальной			обезьяны					в	delivered by cesarean section, and the lids of both eyes were	immediately sutured.
возрасте 21 дня.									Recordings were made at 30 days of age. Each of the two deprived eyes could still
Fig.	25.12.					Ocular			drive cells in the visual cortex. Receptive fields appeared normal, except that few cells
Dominance		after		Closure				of	were driven by both eyes. Closure time is indicated at the bottom of the histogram. (B)
Both	Eyes	at	Birth. (A)				The		Ocular dominance histogram from a normal 21-day-old monkey. (After Wiesel and
monkey studied here was									HubeL 1974.)

зом ориентированный стимул. Тем не менее зоны коры, контролируемые обоими глазами, оставались равными в размерах, имея паттерн, аналогичный тому, что наблюдается у нормальных взрослых обезьян: в слое 4 клетки управлялись только одним глазом, четко определялись колонки при использовании авторадиографии или окраски на цитохромоксидазу. Бинокулярная депривация у котят приводила к сходным эффектам, за исключением того, что количество клеток, получающих бинокулярное управление, оставалось большим23). При этом также не происходило уменьшение ветвистости аксонов ЛКТ, направляющихся в слой 4 коры35). В то же самое время клетки всех слоев в пределах ЛКТ подвергались атрофии (уменьшению в размерах примерно на 40 %).

Выводом из этих экспериментов является то, что некоторые, но не все негативные эффекты, вызванные закрытием одного глаза, уменьшались или предотвращались при закрытии обоих глаз. Таким образом, импульсы от обоих глаз являются как бы конкурирующими за представление в корковых клетках, и эта конкуренция нарушается при закрытии одного глаза из двух.

Эффекты страбизма (косоглазия)

Аномалии, описанные ранее, были вызваны зашиванием век или использованием прозрачных диффузоров, приводящих к потере предметного зрения. Исходя из данных о том, что у детей, страдающих косоглазием или страбизмом (cross-eyed, strabismus, squint), а также имеющих аномальное расположение глаз (wall-eyed), также развивается слепота, Хьюбель и Визель вызывали искусственное косоглазие у котят и новорожденных обезьян, при помощи подрезания глазных мышц6· 36). В результате оптическая ось глаза отклонялась от нормальной. При этом освещение и паттерны стимуляции каждого глаза оставались без изменений.

Сначала результаты подобных опытов разочаровывали: после нескольких месяцев зрение в обоих глазах оперированного животного оставалось нормальным, и Хьюбель и Визелъ уже были готовы прекратить эту напряженную

620	Раздел IV. Развитие нервной системы

Рис. 25.13. Влияние косоглазия на формирование зрительного доминирования у обезьян. Глаза этой 3- летней обезьяны направлены в разные стороны, так как ей в возрасте 3 недель была проведена операция по подрезанию глазных мышц. Клетки коры получают управление либо от одного глаза, либо от другого, но не от обоих. Колонки глазного доминирования в слое 4 выглядят нормально для животного такого возраста.

Fig. 25.13. Effect of Strabismus on Monkey Ocular Dominance. The eyes in this 3-year-old monkey had faced in different directions since one eye muscle had been cut at '3 weeks of age. Cells are driven by one eye or the other, but not both. The ocular dominance columns in layer 4 appear normal in such animals. (After Hubel and Wiesel unpublished, in WieseL 1982.)

серию экспериментов (личное сообщение). Тем не менее они смогли получить следующие данные о работе корковых клеток. Отдельные корковые клетки имели нормальные рецептивные поля и живо отвечали на определенным образом ориентированные стимулы. Однако почти каждая клетка отвечала только на стимуляцию одного глаза, некоторые управлялись правым, некоторые — левым, но практически ни одна — обоими глазами. Клетки, как обычно, были сгруппированы в колонки по отношению к глазному предпочтению и к ориентации оси зрительного поля6· 37). Как и ожидалось, возникала атрофия в области ЛКТ, хотя колончатая архитектура слоя 4 оставалась без изменений. Почти полное отсутствие бинокулярного представления в коре показано на гистограмме, полученной от обезьяны с искусственно вызванным косоглазием (рис. 25.13). Критический период для смещенного (из-за косоглазия) восприятия, в течение которого возникают данные изменения, близок к критическому периоду монокулярной депривации38).

Эти эксперименты представляют собой пример, когда все обычные параметры освещения в норме: количество попадающего в глаз света и паттерн стимуляции. Единственным отличием от нормы является то, что свет не падает на корреспондирующие регионы двух сетчаток. Фактором, который, скорее всего, приводит к потере бинокулярной конвергенции проекций отростков ЛКТ в кору, является недостаток соответствия в импульсах от обоих глаз. То есть гомологичные рецептивные поля обоих глаз должны быть скоординированы, чтобы возбуждение происходило одновременно. Последующие эксперименты говорят в пользу такой идеи.

В течение первых трех месяцев жизни глаза котенка были закрыты непрозрачной пластиковой пластиной, которая перемещалась с одного глаза на другой каждый день таким образом, чтобы два глаза получили одинаковый зрительный опыт, но в разное время36). Результат был аналогичен данным экспериментов с искусственным косоглазием: клетки в основном управлялись либо правым, либо левым глазом, но не обоими. Поддержание нормальной бинокулярности зрения, таким образом, зависит не только от количества импульсов, но также и от надлежащего пространственного и временного соответствия активности в различных идущих к коре волокнах.

Изменения в ориентационном предпочтении

Логичным продолжением является вопрос, изменится ли ориентационное предпочтение кортикальных нейронов у животных, находящихся в условиях, когда они видят образ только одной ориентации. Экспериментальный подход, включающий в себя также конкуренцию между глазами и депривацию, был использован Карлсоном, Хьюбелем и Визелем39'. У новорожденной обезьяны были зашиты веки одного глаза. Животное содержалось в темноте, за исключением того времени, когда его голова помещалась в специальный держатель. В этом случае его голова фиксировалась строго вертикально и животное могло видеть вертикальные полоски оставшимся недепривированным глазом. Так как обезьяне всегда давали апельсиновый сок, когда она правильно устанавливала свою голову в держатель, она научилась быстро производить этот маневр. Таким образом, во время критического периода один глаз не получал никакой зрительной информации, а другой

Глава 25. Критические периоды развития зрительной и слуховой систем

621

видел только вертикальные полоски. После приобретения 57-и часов опыта в интервале между 12-м и 54-м днем с момента рождения регистрировался нормальный уровень корковой активности, когда клетки всех ориентации были организованы как обычно, в виде колонок. Как и ожидалось, наблюдалось доминирование недепривированного (открытого) глаза.

При проведении тестов для определения ориентационного предпочтения были получены результаты, показанные на рис. 25. И. Оба глаза одинаково отвечали на горизонтально ориентированные линии, однако на вертикальные гораздо эффективнее отвечал левый (открытый) глаз. Возможным объяснением этого факта может служить то, что ни один глаз не видел горизонтальные полоски или контуры на протяжении критического периода. Следовательно, стимуляция горизонтальными линиями является для них аналогом бинокулярной депривации, то есть конкуренция по отношению к ним была равной. Что касается вертикальных полосок, здесь открытый глаз получил гораздо больше опыта, по сравнению с закрытым, и «захватил» часть клеток в колонках вертикальной ориентации, которые первоначально принадлежали депривированному глазу. Подобные же результаты были получены Бонхоеффером с коллегами на котятах, которым представлялись только полоски определенной ориентации40).

Критические периоды в развитии зрительной системы человека и их клиническое значение

Чувствительность котят и детенышей обезьян в ранние периоды жизни напоминает клинические наблюдения, выполненные на людях. Давно известно, что удаление непрозрачного хрусталика («катаракта») может привести к восстановлению зрения, даже если пациент был слепым на протяжении многих лет. И наоборот, катаракта может развиться у новорожденных или неполовозрелых детей, что часто приводит к слепоте. До экспериментов Хьюбеля и Визеля катаракты маленьким детям удаляли в позднем возрасте, когда они считались готовыми для этой операции. В результате формировалась перманентная слепота, без возможности к восстановлению41). В настоящее время катаракты у маленьких детей удаляются хирургическим способом как можно раньше, в критические периоды, что обеспечивает очень благоприятный прогноз восстановления зрения42· 43).

Вторым клиническим применением полученных данных может служить известная медицинская манипуляция, используемая в прошлом для лечения детей с косоглазием и аномальным расположением глаз. Обычно на глаз, который видит хорошо, на долгий период ставится окклюзия, чтобы таким образом ребенок использовал более слабый глаз и разрабатывал его. Однако имеются данные, что это может привести к снижению остроты зрения депривированного глаза, в зависимости от возраста ребенка и времени окклюзии44· 45). Такая продолжительная окклюзия больше не используется в обычной медицинской практике. Клинические данные показывают, что наибольшей чувствительностью обладают дети первого года жизни, однако критический период может длиться и на протяжении нескольких лет.

Интересным является тот факт, что в глазодоминантных колонках, выявленных при помоши окраски на цитохромоксидазу слоя 4 зрительной коры у пациентов postmortem, обнаруживаются последствия монокулярной депривации в виде нарушений организации глазодоминантных колонок, подобно тому как это происходит у обезьян и котят. Хортон и Хокинг46) изучали паттерны окрашивания в области первичной зрительной коры у детей, которые в возрасте 1 недели перенесли хирургическое удаление одного глаза из-за опухоли. После смерти в их головном мозге, как и ожидалось, окрашивание в пределах слоя 4С было однородным, вместо отдельной территории для каждого глаза, как это наблюдается у нормальных людей и у пациентов, перенесших удаление глаза во взрослом состоянии. Как и ожидалось, длительное (с двухлетнего возраста) косоглазие у пациента не выявило изменений в ширине колонок, как было обнаружено после смерти в возрасте 79 лет47).

Третьим примером клинической важности подобных экспериментов является удлинение (elongation) глазного яблока, которое происходило при сшивании век у обезьян в неонатальном периоде. Подобное удлинение приводило к размытости изображения и к близорукости (миопии)48). Известно, что у детей также развивается близорукость, если веки мешают зрению или если нарушается прозрачность роговицы. Хотя есть некоторые доказательства того, что определенную роль в этом играют нейромедиаторы и активность клеток,

622							Раздел IV. Развитие нервной системы
Рис.					25.14.
Ориентационные
предпочтения
кортикальных					клеток
обезьяны						с
модифицированным
зрительным				опытом.
Обезьяна		содержалась				в
темной комнате. В возрасте
12 дней был закрыт правый
глаз.	Когда			обезьяна
правильно		устанавливала
свою голову в специальный
держатель,		она		получала
апельсиновый			сок.		При
этом она		видела			своим
левым					глазом
вертикальные				полоски
(специальный				держатель
для головы обеспечивал ее
ровное положение). На
протяжении			в		общей
сложности		57		часов		в
возрасте между 12 и 54
днями	один		глаз		видел
только			вертикальные
линии, а другой не видел
ничего. (А) Когда на экран
проецировались
горизонтально
ориентированные				световые
стимулы,			кортикальные
клетки,	управляемые					как
правым, так и левым
глазом,	отвечали одинаково
хорошо. По этой диаграмме
нельзя	выявить			признаков
депривации,						за
исключением				отсутствия
бинокулярных клеток. (В)
При		использовании
вертикально
ориентированных				стимулов
левый	глаз,			который
постоянно		был		открытым,
управлял				корковыми
клетками					более
эффективно, чем правый.							Fig. 25.14. Orientation Preferences of Cortical Cells in a monkey with altered visual
Диаграмма			соответствует
таковой					после		experience. The monkey was kept in a dark room. At 12 days the right eye was closed.
монокулярной			депривации.				Whenever the monkey placed its head in a holder, it received orange juice. At that time
Результаты				позволяют			it also saw vertical stripes with its left eye. (The head holder ensured that the head was
предположить,						что	not tilted.) For a total of 57 hours of exposure between 12 and 54 days, one eye saw
конкуренция						за	only vertical lines, the other nothing. (A) When horizontally oriented light stimuli was
горизонтальные				стимулы,			shone onto the screen, cortical cells driven by the left eye or the right eye responded
которые не видел ни один							equally well. In this histogram no deprivation is apparent for horizontal orientation,
глаз, была одинакова, а для							except for a lack of binocular cells. (B) With vertically oriented stimuli, the left eye, which
вертикальных			стимулов			—	had been kept open, was much more effective in driving cortical cells. The histogram
различна					(здесь		resembles that seen after monocular deprivation. The results suggest that competition
преимущества имел левый,							was equal for horizontal stimuli that neither eye had ever seen, and unequal for vertical
открытый глаз).							stimuli (favored by the left open eye). (After Carlson, Hubel, and Wieset 1986.)