9230-1 (Базовый интегральный модуль неокортекса. Проблема и решение - дополнительный подход)

Базовый интегральный модуль неокортекса. Проблема и решение - дополнительный подход.

С.А. Чебкасов и Л.А. Кондратьева, В.М. Корзак

НИИ нейрокибернетики РГУ им. А.Б. Когана, г. Ростов-на-Дону, Россия

В слое три неокортекса грызунов на тангенциальных срезах плаща коры мозга цитохромоксидазные "пэтчиз" размером около 200 мкм обнаруживаются всюду, включая проекционные зоны: зрительную ("блобс"), соматосенсорную (в том числе - "бочонки"), слуховую кору, а также моторную кору, и премоторную кору, ассоциативные поля 5 и 7.

Таким образом, на примере коры мозга грызунов выявлены универсальные базовые интегративные модули строения неокортекса.

Обнаруженный базовый интегративный модуль не соответствует представлениям о "колонках", как универсальном модуле, ни в одной из известных нам интерпретаций: Маунткастла, Эдельмена, Хьюбела и Визла, Гроссберга, Кройтцфельдта, Альбуса, Сентаготаи, Экклса - он имеет принципиально иную, чем традиционно предполагали, конструкцию и не может быть адекватно описан в терминах иерархии рецептивных полей или термодинамики модулей, "нейродарвинизма", но требует квантово-волнового описания.

Результаты наших физиологических и морфологических исследований и вытекающая из них наша концепция информационно-структурного дополнения дают новый взгляд на проблему базового модуля неокортекса, который находится в согласии со строго установленными фактами целого ряда экспериментальных и теоретических работ, модельными исследованиями; законами фило-, онто- и эмбриогенеза, принципами сравнительной нейроморфологии.

Полученные факты вместе с результатами прежних наших исследований и теоретических обобщений в области электрофизиологии и морфологии позволяют сделать вывод, что базовый интегративный модуль неокортекса млекопитающих найден.

С пионерских работ Лоренте де Но, который представлял себе неокортекс как совокупность дискретных, но взаимосвязанных единиц - колонок, вопрос о структурно-функциональной единице неокортекса находился в поле зрения нейрологов.

В 1957г. В. Маунткастл привел физиологические доводы в пользу существования физиологических проекционных колонок в соматосенсорной коре, составленных из функционально сходных нейронов. Их наличие он связывал с локальными терминалями специфических афферентов и с латеральным торможением. Такие проекционные колонки служили базой топической организации коры.

В 1962г. Шейблы, исследуя особенности ветвления неспецифических афферентов, ввели представление о неспецифическом модуле коры и предложили гипотезу, по которой перекрытие локальных специфических афферентов и неспецифических афферентов создают базу для колонок Маунткастла.

В 1962г Хьюбел и Визел выявили в зрительной коре мозга колонки по ориентации (полосы) - клетки колонки "предпочитали" одинаковую ориентацию полосы, но это были колонки, в которых осуществлялась последовательная интеграция входных сигналов на различных по уровню конвергенции нейронах. В отличие от колонок Маунткастла ориентационные колонки Хьюбела-Визла не были проекционными - с одного и того же локуса сетчатки в зависимости от ориентации "запускалась" та или иная ориентационная колонка., набор которых обслуживал все ориентации - гиперколонку, Эти же авторы обнаружили глазодоминантные колонки, для которых нашли морфологическую базу - чередование зон ветвления специфических афферентов, несущих сигналы от левого и правого глаза. Пространственно эти колонки перекрывались, вместе составляя повторяющийся в коре паттерн, который соответствовал единице топической организации - проекционной колонке. Такие блоки коры Хьюбел и Визл обозначили как модуль и предложили его модель - известный (и критикуемый) "кристалл льда".

Попытки обосновать морфологически существование колонок по ориентации полос на базе исследования активности деоксиглюкозы нельзя считать удовлетворительными с точки зрения выявления дискретных блоков коры мозга, что сами авторы позже фактически признали.

Между тем, число колонок, выявляемых в зрительной коре все нарастало: колонки по глубине восприятия, цветовые колонки, колонки по дирекциональности, колонки по оси движения, колонки по пространственной частоте и т.д.

Однако в центре внимания были именно колонки по ориентации (полосы) из-за того, что с ними Хьюбел и Визл, а вслед - многие, связывали базовую функцию зрительной коры. Парадоксальным образом в зрительной коре грызунов долгое время не удавалось выявить колонок по ориентации (а это 2/3 всех млекопитающих), но удалось обнаружить свидетельства колонок на освещение диффузным светом, вспышкой. Наиболее доказательно это было сделано в 1972-1973гг. в работах Л.Н. Подладчиковой. Причем, для таких колонок обнаруживались и морфологические корреляты в связи с выявлением (М. Тюрбеева, 1973), имеющих ту же размерность, что и колонки на диффузный свет на плане коры повторяющихся групп пирамидных нейронов слоя V.

Со временем колонки на диффузный свет были выявлены и в коре приматов. Ими оказались"blobs", обнаруженные в 1978г. по активности цитохромоксидазы. Хьюбел, который ввел для колонок зрительной коры с повышенной активностью цитохромоксидазы обозначение "blobs" ошибочно считал их принадлежностью зрительной коры лишь приматов. Важный шаг в изучении таких колонок, получивший затем развитие в ряде работ, был сделан этим знаменитым ученым с коллегами, когда им удалось показать адресную организации ассоциативных связей применительно к "blobs" и колонкам по ориентации (полос).

В 1970г. в соматосенсорной коре Велкером и в 1971 Вулси были выявлены "бочонки", необычайно яркие морфологически структуры, которые принято рассматривать в качестве классических проекционных колонок, но оказавшихся, однако, как это показал, видимо впервые, А.Г. Сухов с сотрудниками: В.Дуканичем, Е.Н. Стадниковым и В.А.Н. Ласковым все же не проекционными колонками Маунткасла (А.Г. Сухов придерживается противоположной точки зрения), но модулями в смысле Хьюбела, Визла.

Большую роль в выявлении модульной организации небочонковых зон соматосенсорной коры, и, что особенно важно - ассоциативных зон неокортекса грызунов сыграли работы А.С. Батуева и Бабминдры, а для высших млекопитающих - Казакова и Кузнецова. Все эти работы были обобщены со временем в монографии А.С. Батуева, который ввел понятие структурного модуля, и создал представление об их иерархии.

В целом в результате интенсивных исследований колонок на протяжении более чем полувека накопился весьма разношерстный, во многом противоречивый материал, который нуждался в обобщении.

Атака была предпринята с двух сторон - морфологом и физиологом.

В. Маунткасл - "отец" физиологических колонок - построил модульную концепцию мозга, в базу которой положил представление о миниколонке - универсальной единице неокортекса с единым клеточным составом, которая содержит и основной набор локальных цепей переработки информации. Эту идею на базе эмбриологических исследований поддержал (справедливо критикуемый) Ракич, а Эдельмен на этой базе построил концепцию нейродарвинизма.

Несмотря на жесточайшую критику (особо отметим статью "нейроэдельманизм) Маунткасл и Эдельмен, кажется, по-прежнему придерживаются своих взглядов.

Не менее поразительно и то, что при интенсивных исследованиях нам не известны (одно исключение) экспериментальные работы, где бы пространственное разрешение применяемых методов соответствовало одной миниколонке.

Между тем идея универсальной базовой колонки противоречила данным морфологии о тангенциальной гетерогенности неокортекса, в том числе, - особенно доказательным работам Антоновой, показавшей, что в коре соседние миниколонки весьма различны по базовому клеточному составу: миниколонки, где преобладают пирамидные клетки, чередуются с теми, где преобладают звездчатые нейроны. Такие миниколонки (как это несомненно для нейролога) должны различаться и функционально. Совершенно наглядно все это на примере "бочонков", в том числе, - из работ Т.А. Лапенко и А.Г. Сухова.

Атака со стороны морфологии была предпринята Я. Сентантаготаи - сначала концептуально (концепция универсального морфологического модуля неокортекса), затем - путем обобщения исследований по адресной организации внутрикорковых связей.

В результате микроучастки коры мозга размером около 200мкм с адресными внутрикорковыми входами, выявляемые в мозге от мыши до человека, с пионерских работ Сентаготаи,1978, рассматриваются как универсальные модули неокортекса, в том числе - в работе знаменитого Экклса,1984.

В зрительной коре по мысли Сентаготаи и других авторов вслед такой модуль отождествлялся с ориентационной колонкой Хьюбела и Визла. Неслучайно поэтому Сентаготаи отрицал топографическую связь терминалей специфических волокон с отдельными модулями. Морфологически это представить вообще нелегко с учетом того, что специфическое волокно перед входом в кору разветвляется, оканчиваясь в разных топографически зонах, а размер терминалей в среднем совершенно несопоставим с поперечным размером отдельного модуля - в 200мкм. В настоящее время более подробный анализ показал, что локальные специфические терминали с поперечником как раз в модуль обеспечивает система так называемых X-клеток). Попытка представить модульную организацию неокортекса привела Сентаготаи и Эрди к концепции модульной термодинамики. А также, как мы упоминали выше, - послужила базой для теоретических представлений Эклса.

Все же охватить наличный материал непротиворечиво не удалось.

Во-первых, морфологически выявляется не один. Но минимум, два типа модулей, разнящихся по числу входящих в них клеток на несколько порядков (этот вопрос рассматривался, в частности, в работе Чебкасова).

Во-вторых, согласно работам нашей отечественной школы сравнительной морфологи, в частности - Богословской и Полякова, нервные структуры развиваются путем надстройки - так, что прежние структуры не элиминируются. Отсюда следует, что одни и те же модули должны обнаруживаться и у грызунов, и у высших млекопитающих. К той же мысли подводят выводы работы Диамонда и Хола, которые показали, что различные отряды млекопитающих произошли от общего предка и потому имеют общий план строения коры мозга с единым базовым модулем. Для зрительной коры мозга, казалось бы, это должна быть колонка по ориентации (полос). Но как уже отмечалось, долгое время данные о таких колонках у грызунов отсутствовали.

В-третьих, критерию адресных ассоциативных связей соответствует не одна, но две системы "элементарных" колонок: одна из которых - колонки на диффузный свет (эти колонки обнаружены экспериментально у всех млекопитающих), другая - колонки по ориентации (полос) - основного претендента на роль универсального модуля в зрительной коре.

С 1969г. мы исследовали конструкцию колонок на диффузный свет на примере зрительной коры мозга морской свинки, в то же время анализируя результаты исследований (по сути они оказались аналогичны) на зрительной коре белых крыс, также проводимых в НИИ НК РГУ с целью решения проблемы элементарного вероятностно-статичтического ансамбля (А.Б. Коган, О.Г. Чораян). При этом были разработаны методы с пространственным разрешением в одну миниколонку.

В 1971г. мы открыли факт полярной векторной "он-офф" организации колонок на диффузный свет.

Затем в 1978г. совместными с Л.Н. Подладчиковой и Г.Г. Бондарь был открыт факт адресной организации гетерогенных входов специфической, ассоциативной и неспецифических систем афферентов применительно к территориям отдельных колонок на диффузный свет и дана (Чебкасов) его морфологическая интерпретация, позволившая уже обосновано говорить о таких колонках как не только функциональных, но и структурных единицах зрительной коры. Подтверждение в работах А.Г. Сухова с Т.А. Лапенко факта адресной конвергенции различных афферентаций применительно к бочонковым колонкам позволило нам укрепиться в предположении (Чебкасов,1972), что  мы имеем дело с универсальным структурным модулем неокортекса.

В работах Чебкасова1990-2003гг. было показано, что колонки по ориентации полос (аналоги колонок Хьюбела-Визла у высших млекопитающих) - это выходные зоны композитных полярных модулей, составленных из пары базовых "он-офф" модулей с противоположной ориентацией осей "он-офф"-диполей.

В совместных опытах с Л.Н. Подладчиковой и Г.Г. Бондарь при анализе топографии фокальных вызванных потенциалов, вызываемых стимуляцией вспышкой диффузного света, были получены первые свидетельства того, что колонки на диффузный свет с поперечным размером около 200мкм образуют объединения старшего порядка. Дальнейшие исследования с применением локального освещения и ориентированных полос позволили подтвердить сложившуюся у нас гипотезу "ворот" о роли полярной векторной "он-офф"организации колонок на диффузное освещение как конструктивного фактора, определяющего ориентационную чувствительность таких колонок и установить, что выявляемые по фокальным потенциалам макроколонки являются аналогом гиперколонок - модулей Хьюбела-Визла. В этом нашем заключении существенную роль сыграла работа Л.Н. Подладчиковой и Беляковой, показавших, что на отдельных колонках на диффузный свет конвергируют входы и от левого, и от правого глаза (база для глазодоминантых колонок). С учетом данных, полученных в нашем институте для белой крысы это позволило показать, что план строения зрительной коры мозга грызунов и приматов един.

Подробно исследовав конструкцию колонок на диффузный свет, обладающих ориентационной чувствительностью, мы с одной стороны получили решающие доказательства их полифункциональности (это было сформулировано нами уже в 1972г., а морфологами - в уже цитированной работе Богословской и Полякова - как общий принцип полифункциональности интегративных структур мозга). С другой стороны были получены данные, позволяющие рассматривать изучаемые структурно-функциональные единицы коры в качестве элементарных интегративных модулей.

При этом стало понятно, что из-за наличия как минимум двух систем модулей, необходимо уточнить термин "универсальный модуль" неокортекса до определения "базовый универсальный интегративный модуль" неокртекса.

К 1987г. мы сформулировали представление о том, что ориентационно-чувствительные колонки грызунов есть аналоги не колонок по ориентации, но "blobs".

В 1987г. мы изготовили препараты по методу Е.Н. Стадникова. Такие препараты из-за отсутствия извилин у грызунов позволяли получать тангенциальные срезы на уровне слоя Ш, включающие практически весь плащ неокортекса. Используя бинокулярный микроскоп на малых увеличениях, уже на неокрашенных препаратах, и на препаратах окрашенных на крезил-виолет и гематоксилин-эозин, мы визуально обнаружили то, что искали - группировки размером около 200мкм (за исключением аналогичных структур, но более крупных, и упорядоченных в ряды - в бочонковом поле соматосенсорной коры). Описываемые структуры выявлялись не только в проекционных зонах, включая слуховую кору, и моторной коре, но и в ассоциативных зонах (поля 5и7), а также в премоторной коре. Это давало сильный довод в пользу того, что изучаемые нами колонки в зрительной коре и те, изучаемые в нашем институте А.Г. Суховым с сотрудниками - бочонковые колонки суть частные случаи базовых универсальных модулей неокортекса. Последнее заключение усиливалось установленнием А.Г. Суховым с В.М. Дуканичем, Е.Н. Стадниковым и В.Н. Ласковым факта, что в слое IV нейроны противоположных стенок "бочонка" характеризуются противоположной дирекциональной чувствительностью. Это нам позволило сделать заключение, что и "бочонки" представляют собой полярные векторные структуры, а вместе с аналогичными данными литературы - о том, что полярная векторная организация является принципом организации базовых универсальных интегративных модулей неокортекса.

Для ориентационно-чувствительных колонок по диффузному свету нами в 1980г. было сформулировано представление, что в силу их конструкции процесс нервной интеграции не может протекать иначе, чем в виде апериодических эпизодов миллисекундной синхронизации спайков. Каждый такой эпизод - суть элементарный вероятностно-статистический нейронный ансамбль - ансамбль А.Б. Когана. Каждый такой ансамбль объединяет активность части (многие десятки и сотни) гетерогенных и полярных элементов. Это, однако, был не эргодический ансамбль О.Г. Чораяна и Сентаготаи-Эрди, но квантово-волновой. В последовательности таких ансамблей на языке временного кода содержится сообщение о результатах достигнутого в колонке уровня интеграции гетерогенных и полярных ее элементов - для иных нервных структур и к эффекторам. Сведения литературы и данные, полученные в нашем институте при изучении "бочонковых" колонок, позволяли обобщить представления о роли миллисекундной синхронизации до общего принципа функционирования интегративных структур неокортекса.

К 1990г. мы экспериментально показали, что ориентационная чувствительность колонок на диффузный свет - это не чувствительность к ориентации полосы, но чувствительность к ориентации контрастной кромки, реализуемой (в соответствии с прежними нашими представлениями) на основе структурно предопределенного асимметричного растормаживания (но не асимметричного торможения) и на основе миллисекундной синхронизации.