Нейронауки
0

Машинерия цветового зрения

by x_plaguedoctor_xМарт 10, 2017

В течение длительного времени ученые пытались понять некоторые основополагающие принципы цветового зрения, выводы о которых были сделаны в ходе исследований восприятия. Физиологические исследования подтвердили существование трех типов фоторецепторов-колбочек, и нейронов-оппонентов, которые сопоставляют сигналы полученные от колбочек, но недавняя работа привлекла внимание к неожиданной сложности первичной организации: процентное соотношение колбочек разных типов отличается у разных людей, причем эти изменения не оказывают большого влияния на цветовое зрение. Разные типы колбочек располагаются мозаично и, судя по всему, это происходит случайным образом, что затрудняет оптимизацию взаимодействия с механизмами противоцвета. К тому же, недавно были обнаружены новые формы этих механизмов. На более высоком уровне организации — в первичной зрительной коре, недавние исследования продемонстрировали, что устройство этой структуры проще, чем предполагалось ранее. В определённом смысле эта находка упростила согласование выводов, сделанных в ходе физиологических исследований и исследований восприятия.

Введение

Двести лет назад Янг предположил, что цветовое зрение зависит от работы трех основных механизмов с отличающимися, но перекрывающими друг друга видами спектральной чувствительности. Более ста лет назад Геринг предположил, что восприятие цветов зависит от механизмов, которые объединяют в противопоставления (например, красный с зеленым) сигналы, возникающие в ответ на воздействие волн разных частей спектра видимого света. Эти наблюдения из физиологии сенсорной системы направляли научные исследования, которые в течение последних 40 лет подтвердили существование трех фундаментальных механизмов, разнонаправленные сигналы которых согласуются. Эта, казалось бы, простая иерархия указывает на то, что конкретные визуальные задачи могут быть легко соотнесены с нейронными механизмами на каждом уровне проводящего пути (Бокс 1). Тем не менее, недавние исследования показали неожиданное разнообразие физиологической организации, которое было сокрыто от изучающих перцепцию.

В данном обзоре мы раскрываем эту удивительную структуру, позволяющую мозгу создавать цветовое зрение, проводя информацию от фоторецепторов к коре (Бокс 1). Мы сосредоточимся на механизмах цветового зрения приматов на примере людей и ближайшей к ним животной модели — макаки. В сетчатке и латеральном коленчатом теле мы описываем гораздо больше путей передачи цветовых сигналов, чем это казалось возможным всего 15 лет назад. Затем мы показываем, что преобразование сигнала в пределах первичной зрительной коры (V1) — это большая часть информации, необходимой для согласования физиологии зрения с результатами исследований восприятия. Новая работа более наглядно, чем когда-либо, продемонстрировала, какие клетки в коре головного мозга передают информацию о цвете, и улучшила наше понимание о взаимосвязи цветового и бинокулярного зрения.

Составляющие цветового зрения

Фоторецепция.
Световой спектр, видимый человеку и большинству других млекопитающих, охватывает волны, длинами ~ 400-700 нм. Люди с нормальным цветовым зрением могут различать тысячи оттенков. Чтобы это осуществить мы используем сигналы от трех типов колбочек, которые наиболее чувствительны к коротким (S, ~ 430 нм), средним (М, ~ 530 нм) или длинным (L, ~ 560 нм) волнам соответственно, однако их возможность подстраиваться достаточно широка, в результате чего каждый из видов колбочек реагирует на свет на протяжении большей части видимого спектра (рис. 1). Лучше всего определить спектральную чувствительность фоторецептора, как меру вероятности того, что рецептор будет поглощать фотон определенной длины волны. После поглощения идентичность фотона теряется, в результате чего ни одному фоторецептору не удается отличить изменение длины волны света от изменения ее интенсивности. Это принцип унивариантности. Цветовое зрение — способность распознавать свет различного спектрального состава, независимо от интенсивности — зависит от сопоставления сигналов от фоторецепторов имеющих различную спектральную чувствительность. Непосредственная близость трех типов колбочек делает человеческое цветовое зрение «трехцветным». Когда наличествуют лишь два типа рецепторов оно является двухцветным, что иногда встречается у людей, большинства приматов Нового Света, а также у многих других млекопитающих. Некоторые ночные млекопитающие, в том числе трехполосые дурукули, имеют только один тип колбочек. Спектральная чувствительность фоторецепторов млекопитающих определяется экспрессией опсина, который в наружном сегменте рецептора ковалентно связан с хромофором.

Бокс 1. Доминантный оптический путь у приматов.

Бокс 1. Доминантный оптический путь у приматов.

Спектральная чувствительность этого соединения определяется последовательностью аминокислот, составляющих белковую часть опсина. Небольшие изменения в аминокислотной последовательности опсина могут сместить наиболее эффективную длину волны: например, различия в двух из ~ 350 аминокислот в L- и М-опсинах сетчатки человеческого глаза спровоцируют различия как минимум в 30 нм между их пиковыми длинами волн, а различия еще в 5 позициях могут повлечь за собой еще более тонкие варианты. Хотя у животных других типов в колбочках могут экспрессироваться четыре различных вида опсина, млекопитающие, кажется, утратили все виды, кроме двух (один чувствителен к коротковолновому, а другой — к длинноволновому излучению). В дальнейшем, в процессе эволюции, приматы, похоже, восстановили возможность экспрессии третьего типа опсина, который имеет две разновидности (M- и L-), охватывающие средне- и длинноволновые части спектра. Гены, кодирующие L- и М- опсины, найдены на Х-хромосоме. Ген L-опсина находится ближе всего к области, которая контролирует генную экспрессию, при этом один или несколько генов М-опсина расположены ниже, но экспрессируется, по-видимому, только первый из них. Гены находятся под угрозой альтерации или утраты, в результате чего (чаще у мужчин, чем у женщин) исчезает или ослабляется способность различать цвета в средне- и длинноволновой части спектра. Родство и взаимосвязь L- и M-генов среди приматов Старого Света повышают вероятность того, что предок макак и человека обладал одним геном L-опсина на Х-хромосоме, и что затем произошла дупликация этого гена, копия которого мутировала в ген М-опсина.

Если один из генов L- или М-опсина утрачивается или мутация в нем приводит к отсутствию экспрессии, неизбежно формирование бихроматического зрения. Предполагается, что среди приматов Старого Света существует два фенотипа двухцветного зрения: все фоторецепторы, кроме S-колбочек, экспрессируют один и тот же вид опсина или же фоторецепторы, которые должны были экспрессировать дисфункциональный опсин, не экспрессируют его вовсе. Они не являются взаимоисключающими — фенотип зависит от типа мутации, однако имеются доказательства существования обоих вариантов.

Другие вариации свойств фоторецепторов должны влиять на трихроматическое зрение. Во-первых, пик чувствительности опсинов может быть изменен без участия летальных мутаций, посредством кроссинговера. Подобные сдвиги спектральной чувствительности вызывают характерные аномалии цветового зрения (как правило у мужчин) в зависимости от пораженного опсина: дейтераномалия возникает, когда изменяется спектральная чувствительность М-опсинов, а протаномалия — L-опсинов. Генетический скрининг показал, что в человеческой популяции существует огромное количество аномальных опсинов, но, по-видимому, только крупные сдвиги приводят к заметному обеднению цветового зрения. Во-вторых, соотношение L- и М-колбочек в смеси фоторецепторов широко варьируется: его диапазон начинается, примерно, от 0,4 и достигает 10 и выше. Можно было бы ожидать влияния данного соотношения на цветовое зрение, но этого не происходит. Например, длина волны цвета, который все опрошенные индивидуумы описывают как желтый, не зависит от количества L-колбочек в фоторецепторной мозаике.

От одного до трех процентов ганглионарных клеток сетчатки большинства млекопитающих в действительности являются светочувствительными: они экспрессируют фотопигмент меланопсин — рецептор, сопряженный с G-белком. Реакция этого пигмента на свет развивается гораздо медленнее, чем у колбочек или палочек, так что, вероятнее всего, он не отвечает за способность различать цвета в привычном нам понимании (хотя он важен для контроля циркадных ритмов и, вероятно, обеспечения реакции зрачков на свет). Тем не менее, эти ганглионарные клетки образуют в дорсолатеральном коленчатом теле таламуса общий проводящий зрительный путь, так что, возможно, вносят непосредственный вклад в восприятие. Свойственная им светочувствительность не зависит от степени освещенности, и таким образом они, возможно, обеспечивают сигнал для абсолютного цветовосприятия. Если сигнал от меланопсина важен для цветовосприятия, ему должна быть свойственна характерная спектральная чувствительность (Рис.1.): предполагается, что бесструктурные поля зрения, освещенные различным спектром монохроматических цветов, которые в равной степени возбуждают меланопсин, следует оценивать как одинаково яркие.

Фоторецепторная мозаика.
Цветовое зрение зависит от степени активности различных фоторецепторов, которые лежат в двумерной плоскости, при том один фоторецептор занимает одно возможные положение. Таким образом, полноценное цветовое зрение обеспечивается сравнениями в параллельных плоскостях. Ради лучшего пространственного разрешения цветовых вариаций, мы хотели бы, чтобы фоторецепторы были скомпонованы в треугольную решетку (подобно теневой маске телевизионных кинескопов). В самом деле можно было бы ожидать, что механизмы, которые определяют, какие опсины экспрессируются в отдельном фоторецепторе, также упорядочивали бы пространственную мозаику колбочек (например таким образом, что соседние фоторецепторы, взаимодействуя, подавляли бы экспрессию одного и того же опсина). S-колбочки у приматов гистологически отличаются, а их удельный вес (5-10% от всех колбочек) и квазирегулярное распределение в сетчатке до недавнего времени считались известными. До недавнего времени считалось, что L- и M-колбочки (которые нелегко отличить) организованы в регулярную решетку. Однако, современные методы исследований, вершиной которых стали необыкновенные прижизненные изображения сетчатки примата (Рис. 1), представленные в недавних статьях (на момент 2007 года, прим. ред.), опровергают это предположение.

Рисунок 1 | Спектральная чувствительность и пространственное распределение фоторецепторов в сетчатке приматов

Спектральная чувствительность и пространственное распределение фоторецепторов в сетчатке приматов
а | Спектральная чувствительность L-колбочек, M-колбочек и S-колбочек. Для сравнения приведены спектральные чувствительности родопсиновых и принципиально светочувствительных ганглионарных клеток (экспрессирующих меланопсин, Mel+). б | Пространственное расположение различных типов колбочек в фоторецепторной мозаике сетчатки человека. Изображения мозаики испытуемого, JP, 0,8 градусов от центральной ямки в височной половине сетчатки. Полутоновое изображение показывает расположение фоторецепторов. Три дополнительных изображения получены позднее, каждое после воздействия интенсивного светового излучения с различными длинами волн, в сравнении с первым представленным. Каждый тип интенсивного освещения больше, чем остальные, воздействует на фотопигмент отдельных типов колбочек поэтому тип — S-, M или L- колбочки может быть определен путем сравнения изменения коэффициента поглощения, индуцированного каждым из трех условий. Справа, условное окрашивание, указывающее на тип колбочек — красный для L-типа, зеленый для М- и синий для S-. В этой мозаике, L-колбочки численно превосходят М-колбочки в соотношении ~ 2,3:1. S-колбочки гораздо малочисленнее и здесь составляют примерно 4% от общего количества. L-и М-колбочки распределяются случайным образом, так что часты скопления колбочек одного типа.

Вместо треугольной решетки, L- и M-колбочки распределяются в зависимости от типа каждой колбочки, который определяется случайным образом. Мало что известно об эволюционных механизмах дифференцировки и миграции колбочек, а случайное мозаичное распределение, по-видимому, может возникнуть при взаимодействии неслучайных процессов. Соотношение L- и M-колбочек, видимо, зависит от их расположения в сетчатке, и, как правило, возрастает на периферии, а этот факт не укладывается в гипотезу случайного распределения. На больших площадях и в исключительно хроматической L-M модуляции, случайное мозаичное распределение будет иметь такую же разрешающую способность, как и кристаллическая решетка. Тем не менее, кластеры колбочек одного типа, развивающихся в этих мозаиках, существенно влияют на цветовое зрение: они позволяют достигнуть пространственного разрешения цветового зрения, различного в каждой локальной области сетчатки, и провоцируют физически идентичные стимулы, чтобы вызвать различные паттерны активации в зависимости от проекции этих стимулов на мозаику. Для восприятия это может иметь свои последствия в виде различных цветовых ощущений, которые могут быть выявлены с помощью малых световых сигналов. Как результат — мозаика, содержащая кластеры колбочек одного типа (область сетчатки, которая должна выборочно формировать соответствующее нейронное отображение для каждого оттенка) в основном не зависит от расположения на сетчатке глаза в сравнении с таковым в виде кристаллической решетки. Скорее всего, это ограничивает остроту цветового зрения.

Организация подкорковых путей

Поскольку одиночный фоторецептор не может отличить изменение длины волны света от изменения его интенсивности, анализ цвета требует сравнения сигналов от различных типов колбочек. Ранее исследования восприятия показали, что отображение цветового тона организовано по двум основным направлениям — красно-зеленая и сине-желтая градации (Бокс 2).

Бокс 2 | Цветовое пространство и изолюминантность

Бокс 2 | Цветовое пространство и изолюминантность

В ранних нейрофизиологических исследованиях пострецепторных механизмов восприятия цвета проводилось изучение нейронов латеральных коленчатых тел у приматов (ЛКТ). Нейроны этих “ретрансляторов”, имеющих рецептивные поля, в основном неотличимые от ганглиозных клеток сетчатки, управляющих ими (бокс 1), имеют хроматические свойства, которые на первый взгляд кажутся столь же поразительными, как и осуществление ими перцепции. Более поздние работы чётко выявили две различные группы нейронов и охарактеризовали их количественное соотношение. Нейроны одной группы препятствуют сигналам от L- и M-колбочек — это сверхмалые ганглионарные клетки, и их цели — слои мелкоклеточных (Р) нейронов ЛКТ. Нейроны другой группы получают стойкие сигналы от S-колбочек, противодействующие разнообразной комбинации сигналов от L- и M-колбочек (Рис. 2): они, как правило, находятся в зонах, ограничивающих основные слои ЛКТ. Чем больше мы узнаем об этих группах, тем очевиднее становится то, что они не имеют никаких, даже простейших связей с параметрами основного восприятия.

Рецептивные поля Р-клеток.
P-клетки получают исходные данные только от L- и M-колбочек, а эти исходные данные обычно имеют противоположные знаки (рис. 2), что указывает на важную роль  Р-клеток в осуществлении красно-зеленого цветового зрения. Однако, предполагается, что существует гораздо больше Р-клеток, чем необходимо для поддержания способности различать цвета, а остальные пути не обеспечивают плотности сети, необходимой для поддержания тонкого пространственного зрения. Данный факт указывает, на то, что Р-путь имеет важное значение для обеспечения пространственного видения. Практически сразу было показано, что антагонизм к колбочкам у Р-клеток рецептивных полей может быть обеспечен их центростремительной пространственной структурой (где, к примеру, в центр в основном поступает сигнал от L-колбочек, а на периферию — от M-колбочек), поэтому для возможности обеспечения красно-зеленого цветового зрения, возможно, эксплуатировались механизмы, которые эволюционно были разработаны для обеспечения пространственного зрения.

Рисунок 2 | Исходящие сигналы от четырех различных типов нейронов ЛКТ макаки к колбочкам

Исходящие сигналы от четырех различных типов нейронов ЛКТ макаки к колбочкам.
а | Показано, какие колбочки несут импульсы к рецептивным полям — знак плюс указывает на колбочки, для которых увеличение активации приводит к усилению нейрональной импульсации, минус — на те, усиление активности которых приводит к ее торможению. Колбочки, которые, вероятно, вносят свой вклад в восприятие объема, показаны сверху и в центре на более низком уровне. Затенение перекрывающихся областей окружностей указывает на то, что влияние этого класса колбочек на антагонизм не определено.
б | Средние скорости проведения нервного импульса во время селективной модуляции активности колбочек (вверху — модуляция только S-колбочек, посередине — М-колбочек, внизу — L-колбочек). К двум Р-клеткам (L-колбочка — ОN, L-колбочка — OFF) исходит сигнал только от L- и M-колбочек; к двум K-клетки (S-ON, S-OFF) также исходит сигнал от S-колбочек. Два других типа нейронов, значимых для цветового зрения — M-ON и M-OFF — не показаны, т.к. их ответы были бы зеркальным отражением L-ON и L-OFF клеток. Стрелки на верхних панелях обозначают спонтанную скорость разряда (imp s-1, импульсов в секунду).

Сложность поддержания этих двух качеств подчеркивается недавней находкой: по-видимому случайное распределение L- и M-колбочек может привести к образованию больших кластеров одного типа, что затрудняет построение рецептивных полей, которые имеют точные пространственные и хроматические свойства. Чтобы понять, как это достижимо, нам нужно узнать две вещи. Во-первых, требуются ли для осуществления цветового зрения рецептивные поля, четко специфичные к входящим сигналам от различных типов колбочек? Во-вторых, отличаются ли входящие сигналы колбочек к рецептивным полям Р-клеток от того результата, который мы могли бы ожидать при их беспорядочном расположении в мозаике? Ответ на первый вопрос, вероятно — «нет»: модели не осуществляющие селективного проведения сигналов колбочек к рецептивным полям сетчатки могут объяснить многие аспекты человеческого цветовосприятия. Кроме того, люди с различными соотношениями L- и M-колбочек имеют схожее цветовосприятие. Представляется маловероятным, что у этих людей рецептивным полям сетчатки глаза удалось присвоить фиксированные плотности сигналов каждого типа колбочек без потери пространственной остроты зрения. Ответить на второй вопрос оказалось гораздо сложнее.

Специфические сигналы от колбочек к центру и периферии предоставляют рецептивным полям Р-клеток максимальную возможную чувствительность к хроматическим сигналам. Но хроматическое оппонирование может также возникнуть посредством антагонистических взаимодействий двух механизмов, которые имеют существенное спектральное перекрытие, как это было бы в случае, где центр и периферия нейтрализовали бы импульсы фоторецепторной мозаики случайным образом. Не существует известного анатомического механизма, с помощью которого центр и периферия поля выбирали бы импульсы от определенного типа колбочек, однако мы почти ничего не знаем о хроматических свойствах амакринных и биполярных клеток сетчатки приматов (Бокс 1), поэтому достаточно трудно различать пути, посредством которых колбочки обеспечивают ввод информации в ганглионарные клетки рецептивных полей. В центральной части сетчатки Р-клетки, вероятно, получают главный возбуждающий импульс только от одной колбочки. Физиологические исследования специфичности импульсов исходящих от колбочек к P-клеткам центра сетчатки в большинстве случаев, были неубедительны. Это не удивительно, так как функциональное различие между сообщением селективных и неселективнх колбочек невелико. Учитывая это, а также отсутствие селективных соединений с М- или L-колбочками на периферии сетчатки, по-видимому, нет оснований полагать, что механизмы антагонизма в P-клеточных рецепторных полях избирательны по отношению к колбочкам.

Вне центра сетчатки глаза, центры рецептивных полей Р-клеток воспринимают информацию от нескольких колбочек, поэтому хаотичное расположение колбочек в мозаике приведет к антагонистической цветовой организации, что позволяет приобрести большую вариабельность. Тем не менее, несмотря на то, что в целом антагонизм на периферии сетчатки слабее, чем в ее центральной части, он не отсутствует полностью. Окаймляющие Р-клетки на периферии сетчатки крупнее и могут получать сигналы от сотен колбочек, так что в отсутствие селективного проведения сигнала большинство из них должно иметь одинаковую спектральную чувствительность (по среднему содержанию L- и M-колбочек среди фоторецепторов мозаики ), чему существуют некоторые доказательства. Хроматический антагонизм в периферических Р-клетках должен возникать вследствие доминирования центрального механизма колбочек определенного класса, но чтобы понять, возникает ли он случайно, требуется количественная модель влияния кластеров колбочек одного типа.

Проводящие пути, несущие сигналы от S-колбочек.
Относительно центрального механизма, подкорковые рецептивные поля обычно описываются знаком ‘ON’ или ‘OFF’. Этот знак определяется ответной реакцией нейрона на равномерное освещение белым светом: ON, если активность возрастает с увеличением степени освещенности, OFF, если она возрастает при ее уменьшении. Таким же образом, повышение активности с ростом количества активированных S-колбочек означает, что знак большинства импульсов, исходящих от S-колбочки к перцептивному полю — ON. Обычно мы думаем о путях ON и OFF в контексте обеспечения дополнительных возможностей построения изображения на сетчатке, но недавние работы указывают на то, что в случае сигналов от S-колбочек это не так.

Давно известно, что специализированная биполярная клетка обеспечивает сигнал ON от S-колбочек ( ‘S-ON «, который часто называют» BlueOn’) для последующего зрительного восприятия. Теперь выясняется, что этот S-колбочковый путь, который сохраняется у приматов, ведущих дневной образ жизни и обнаружен у других млекопитающих, филогенетически является древним. S-колбочки распределены по сетчатке с достаточно низкой плотностью, поэтому не могут поддерживать высокую остроту зрения. Поэтому S-колбочковые пути, вероятно, эволюционировали, обеспечив общему предку этих млекопитающих, обладавшему двухцветным зрением, полноценное цветовое зрение.

С помощью внутриклеточной регистрации импульсов с ганглионарных клеток сетчатки приматов in vitro мы многое узнали о некоторых S-колбочковых путях, затем, для того чтобы идентифицировать морфологию этих клеток, их окрашивали. Ранее, регистрация показала, что ганглионарные клетки, обеспечивающие S-ON реакцию, имеют отличительную бирасслоенную морфологию и образуют часть пути, который отделен от давно открытой системы мелкоклеточных нейронов и Р-клеток. S-ON нейроны обычно находятся в кониоцеллюлярных (K) слоях ЛКТ (Бокс 1). Среди макак, у которых для демонстрации активности афферентов ЛКТ в различных кортикальных слоях активность корковых нейронов подавлялась мусцимолом (агонист ГАМК- рецепторов), S-ON ответы встречаются только в поверхностных слоях 3 и 4A, куда проецируются нейроны K-слоев ЛКТ. Рецептивные поля S-ON клеток в сетчатке и ЛКТ крупнее, чем у Р-клеток, что согласуется с большим дендритным древом малых бирасслоенных ганглионарных клеток сетчатки. Их рецептивные поля также отличаются другими способностями: часто они чувствительны к направлению движения ахроматической дрейфующей дифракции, обычно это свойство не считают присущим ретиноколенчатому пути к зрительной коре.

Последние работы, выполненные с помощью ретроградной инъекции красителя в ЛКТ и микроэлектродной записи с меченых ганглионарных клеток, впоследствии определили три дополнительных морфологически различных типа ганглионарных клеток, несущих сигналы от S-колбочек. Один тип получает исходящий от S-колбочек возбуждающий сигнал и два воспринимают от них тормозящий, при этом одним из этих типов являются ранее описанные ганглионарные клетки, по своей природе являющиеся светочувствительными (меланопсин-экспрессирующие). Источник OFF-сигналов от S-колбочек в ганглионарных клетках остается неизвестным: недавнее описание OFF-биполярной клетки, являющейся S-колбочкой, оказалось недостоверным

Последние наблюдения помогли выявить возможные роли некоторых типов ганглионарных клеток из множества тех, что несут сигналы от S-колбочек. Мы вновь исследовали сигналы, исходящие от колбочек к рецептивным полям нейронов ЛКТ макаки. Как и следовало ожидать, наиболее восприимчивые поля в P-слоях — L-M-оппонирующие, сигнал от S-колбочек к которым низкий или вовсе отсутствует.

Некоторые гигантоклеточные нейроны могут реагировать на модуляцию S-колбочек, но они всегда гораздо более чувствительны к модуляции L- или M-колбочек. В дополнение к этим клеткам, мы нашли множество нейронов, интенсивно реагирующих на модуляции в S-колбочках и вокруг целлюлярных зон, отделяющих Р-слои. Сигнал исходящий от S-колбочек к этим нейронам с равной вероятностью может иметь знаки как «OFF», так и “ON” (Рис. 2). Цветовой профиль S-ON-клеток оказался достаточно однородным, при этом исходящий от S-колбочки возбуждающий сигнал, обычно противопоставлен суммарной активности L- и M-колбочек; таким образом слабо отвечают на изолюминантную красно-зеленую (L-M) градацию (Бокс 2). Цветовой профиль S-OFF ячеек был более разнородным, но, как правило, занимал промежуточное положение между S-ON-клетками и красно-зелеными антагонистами P-клеток. Это происходит потому, что во многих S-OFF-клетках сигнал, исходящий от M-колбочек имеет тот же знак, что и от S-колбочек, и оба они противопоставлены сигналу от L-колбочек (Рис. 2). S-OFF-клетки в ЛКТ также достоверно отличаются от S-ON-клеток, поскольку предпочитают более высокие скорости дрейфа и имеют более низкую контрастную чувствительность. Все это указывает на то, что функционально различные сигнальные пути уменьшающие и увеличивающие активность S-колбочек, соответствуют морфологическим различиям в ганглионарных клетках сетчатки, в которых они формируются.

Ранние преобразования сигналов в коре головного мозга

Сигналы, которые необходимы для обеспечения цветового зрения, опосредуются несколькими группами нейронов ЛКТ, аксоны которых проецируются в различные слои V1 (первичная зрительная кора). Однако, свойства рецептивных полей нейронов в V1 редко подобны таковым в ЛКТ: немногочисленные корковые нейроны реагируют на пространственно однородную стимуляцию, большинство остальных избирательно в определении границ — обычно они хорошо реагируют на ахроматические модуляции и лишь немногие хорошо или вообще не реагируют на хроматические модуляции (мощный стимул для большинства клеток ЛКТ). По-прежнему имеются значительные разногласия по поводу роли этих нейронов в цветовом зрении. Около 5-10% нейронов V1 интенсивно реагируют на чистые хроматические модуляции и лишь немногие реагируют на ахроматические модуляции — это наиболее важно для цветового зрения. Среди них, лишь с небольшим уклоном в сторону тех, что преобладают в ЛКТ, широко распространены цветовые профили, но то, как они формируются, по-прежнему остается предметом дискуссий.

Цветовые свойства рецептивных полей.
Одним из наиболее выдающихся свойств V1 является то, что, несмотря на минимум четыре (зачастую их больше) синапса от фоторецепторов, рецептивные поля многих нейронов могут быть хорошо охарактеризованы предположением о линейной комбинации сигналов от колбочек. Свойства рецептивных полей других нейронов гораздо сложнее, но даже их линейные модели могут быть очень информативны. Это позволило нам интерпретировать хроматические реакции корковых рецептивных полей в значения входных сигналов от колбочек.

Были тщательно изучены исходные сигналы от L- и M-колбочек к корковым рецептивным полям. Во многих нейронах такие входные данные имеют одинаковый знак, поэтому рецептивное поле обычно нечувствительно к хроматической модуляции. Такая организация напоминает нам обнаруженные в ЛКТ гигантоклеточные нейроны, хотя это не означает, что данные клетки обеспечивают введение данных — рецептивных полей в клетках коры намного больше, чем в ЛКТ, поэтому они должны получать информацию от большинства клеток ЛКТ. Как и в случае с рецептивными полями сетчатки, которые хаотично инактивируются множеством фоторецепторов, корковое рецептивное поле, также беспорядочно инактивирует множество Р-клеток, которые, как правило, не являются оппонирующими. Другие рецептивные поля V1 демонстрируют слабое противодействие сигналам от L- и M-колбочек, а также реагируют как на хроматические, так и на ахроматические модуляции. Мы не можем исключить возможность того, что антагонизм к колбочкам случайно возник во многих из этих клеток (как утверждалось для рецептивных полей Р-клеток), но некоторые их свойства имеют важное значение, и ниже мы обсудим их подробнее. Наконец, примерно 10% нейронов демонстрируют, хорошо сбалансированный, сильный антагонизм к входным сигналам от L- и M-колбочек.

В большинстве корковых рецептивных полей S-колбочки обеспечивают гораздо меньше входных данных, чем L- и M-колбочки. Однако, значительная часть нейронов в V1, превышающая таковые в ЛКТ, получает некоторый входной сигнал от S-колбочек. Преобладание слабых сигналов от S-колбочек в нейронах V1 указывает на то, что эти сигналы быстро распространятся после поступления в кору головного мозга, но их функциональное предназначение пока не ясно. Как и в ЛКТ, рецептивные поля с высоким сигналом от S-колбочек редко встречаются даже среди клеток, которые лучше всего отвечают на изолюминантные модуляции, что, как предполагается, важно для цветового зрения. При этом изменяется расположение импульсов со всех типов колбочек к перцептивным полям, но наиболее распространена хроматическая сигнатура, найденная в S-OFF-клетках ЛКТ (с сигналами от L-колбочек, которые противоположны сигналам от S- и М-колбочек).

Разнообразие цветовых профилей, демонстрируемое нейронами во всех слоях V1, указывает на то, что сигналы, поступающие с ЛКТ, предварительно воссоединяются в коре головного мозга. Некоторые из непосредственных доказательств этому приведены в недавней работе, в которой для выявления «фундаментальных» хроматических механизмов исследовалась контрастность адаптации. Контрастная адаптация оказалась мощным инструментом в изучении человеческого цветового зрения — мы знаем, что контрастная чувствительность большинства корковых нейронов уменьшается при длительной модуляции их приоритетной стимуляции. Те нейроны, что хорошо реагируют на изолюминантную модуляцию, также оказываются нечувствительны к контрастной адаптации, несмотря на чувствительность к ней управляющих ими Р-клеток. Также адаптация сложным образом деформирует хроматические настройки этих нейронов: как правило, она снижает чувствительность, особенно к обрабатываемому цветовому направлению, но ответы на другие направления могут в процессе адаптации увеличиться. Адаптация к сигналам L–M или S-колбочек преимущественно не изменяет ответы на другие направления. Этот богатый диапазон клеточных режимов можно легко объяснить предположив, что корковые нейроны и тормозные механизмы, которые регулируют их чувствительность, ведомы суммой входных сигналов от двух истощающихся механизмов входных слоев: один управляется антагонистическими сигналами от L- и M- колбочек, другой движим импульсами от S-колбочек. Хроматическая сигнатура S-механизма подобна клеткам ЛКТ, к которым исходит сильный сигнал от S-колбочек, но хроматическая сигнатура механизма L-M отличается от такового у Р-клеток — она не чувствительна к ахроматической модуляции.

Пространственные свойства рецептивных полей.
Исследования восприятия позволили узнать многое о свойствах механизмов, которые могли бы позволить нам различать пространственные формы образов, определяемых исключительно вариациями оттенков. Для кодирования как пространственного, так и хроматического контраста в локальной области пространства, нейрону требуется перцептивное поле в котором пространственно антагонистические регионы хроматически противопоставлены. Одну из форм иллюстрирует “дважды оппонирующее” перцептивное поле (Бокс 3).

Бокс 3 | Два типа рецептивных полей, которые могут быть значимы для цветового зрения

Бокс 3 | Два типа рецептивных полей, которые могут быть значимы для цветового зрения

Расположение его субрегионов заставляет нейрон хорошо реагировать на небольшие хроматические или на содержащий пространственный цветовой контраст раздражители, но гораздо хуже на значительный равномерный раздражитель, и вовсе не реагировать на ахроматический стимул любой пространственной структуры. Нейроны, имеющие подобные рецептивные поля, были найдены в сетчатке золотых рыбок, но не обнаружены в сетчатке приматов. Их искали в зрительной коре обезьян, но красочные примеры обнаруживались слишком редко. Некоторые доклады об исследованиях нейронов в V1, предполагавшие наличие таких рецептивных полей, были методологически оспорены. Относительно небольшое число нейронов в V1, преимущественно реагирующих на  хроматический стимул в сравнении с ахроматическим, как правило, нечувствительно к точному определению пространственной формы (ориентация, мощность) этого стимула, так что рецептивные поля пространственно гомогенны (Бокс 4).

Бокс 4 | Пространственная и хроматическая структура рецептивных полей зоны коры V1

Бокс 4 | Пространственная и хроматическая структура рецептивных полей зоны коры V1

Если нейроны в V1 резко хроматически противопоставлены и слабо демонстрируют пространственный антагонизм, то как можно различить пространственную структуру хроматических образов? Один из возможных, но мало обоснованных вариантов — нейроны, для которых характерен двойной антагонизм рецептивных полей, имеются в зоне V2 или около нее. Другая гипотеза заключается в том, что способность кодировать пространственную структуру хроматических моделей зависит от нейронов в V1, ответственных как за цветовой контраст, так и за контраст яркости. Рецептивные поля этих нейронов часто селективны для интенсивности и ориентации границ, которые определяются либо по цвету, либо по яркости.

Большинство нейронов зрительной коры имеют рецептивные поля в обоих глазах, но ранние физиологические исследования показали, что те из них, что несли хроматические сигналы были отчетливо монокулярны. Косвенные доказательства этому были получены из выводов, согласно которым цветовосприимчивые клетки были локализованы в «сгустках» реактивной плотной цитохромоксидазы, что относятся к верхним слоям зоны коры V1 и лежат в центрах глазных доминантных колонок. Более поздние работы не обнаружили связи между “сгустками” и цветовоспринимающими рецептивными полями, а недавнее исследование оптической визуализации подтверждает, что описанная связь слабее, чем сообщалось ранее. Но почему мы должны ожидать, что механизм цветового зрения монокулярен? Несмотря на то, что при наличии изолюминантных стимулов, стереоскопическое зрение малосостоятельно, бинокулярное взаимодействие зачастую было отмечено в случае цветового зрения у человека даже при выполнении самых простых задач. В соответствии с этим, цветовоспринимающие нейроны в зоне коры V1, по крайней мере, окажутся бинокулярными с той же долей вероятности, что и любой другой вид нейронов. К тому же, как и другие нейроны коры, цветовосприимчивые нейроны совершенно линейно сочетают сигналы, полученные от двух глаз (Рис. 3). Очевидно, рецептивные поля цветовосприимчивых нейронов хорошо оснащены для поддержки бинокулярного зрения и восприятия цвета, но обычно они не воспринимают пространственную структуру, а потому не слишком хорошо подходят для кодирования тонких стереоскопических деталей.

Рисунок 3 | Бинокулярные ответы цветовосприимчивых нейронов в зрительной коре макак

Бинокулярные ответы цветовосприимчивых нейронов в зрительной коре макак.
а | Ответы на ахроматические дрейфующие решетки поступают на каждый глаз отдельно (верхняя панель), на оба глаза, в той же фазе (средняя панель) и на оба глаза, но в противофазе (нижняя панель). Когда фазы в обоих глазах совпадают, оба рецептивных поля стимулируются одновременно, а ответ сильнее, чем при стимуляции одного глаза. В противофазе левый глаз видит белое, в то время, как правый глаз видит черное, и наоборот. Сигналы от рецептивных полей двух глаз перекрываются и ответ от нейрона невелик.
б | То же, для изолюминантных L-M решеток. В этом случае противофазная стимуляция означает, что рецептивное поле левого глаза видит красный цвет, в то время как правый — зеленый, и наоборот. Ответы, продемонстрированные здесь и на Рис. 2, были получены посредством внеклеточной регистрации импульсов у макак, находившихся под наркозом.

Специализированные кортикальные пути для цветового зрения?
Отдельные популяции нейронов несут сигналы цветового зрения к зоне коры V1. В пределах V1 существуют функционально различные классы хроматоселективных нейронов. Сигналы о цвете, поступающие из зоны V1, обеспечивают способность отделять изменения цвета от изменения яркости, позволяя конкретизировать оттенок и объединить информацию, поступившую с обоих глаз. В основном эти представления постоянны к изменениям пространственной структуры и контрастности. Если предполагать, что эти сигналы достигают восприятия (что подтверждается далеко не всегда), то какого еще анализа требует воспринимаемый цвет? Обычно мы вспоминаем о корковых областях, лежащих в зонах от V1 до нижневисочной коры, как о поддержке таких визуальных задач «среднего уровня», как построение контура и текстуры предмета и определение глубины поверхностей, или же генерации представлений, центрированных вокруг объекта. Для цветового зрения это, вероятно, означает «окрашивание» поверхностей, а также выявление взаимосвязанных областей.

За пределами V1 функциональные свойства нейронов в большей степени зависят от экстраретинальных сигналов, а потому их труднее изучать на введенных в наркоз животных, соответственно, мы меньше знаем о хроматических свойствах рецептивных полей и о своеобразии хроматических путей. Тем не менее, существует информация о том, как распространяются и трансформируются цветовые сигналы.

В области V2 есть цветовосприимчивые нейроны, чувствительность к цвету у которых зависит от окружающих их нейронов(т.е. друг от друга). Этот атрибут часто считается отличительным свойством нейронов зоны коры V4 макак — визуальной области, которая является «воротами» в височную долю и в широком смысле имеет важное значение для представления структуры объекта. V4 и его предполагаемый гомолог у людей привлекают внимание как зоны, которые могут иметь особое значение для обеспечения цветового зрения. Некоторые люди с повреждениями вентрамедиальной затылочной коры демонстрируют нарушения цветового зрения, которые часто сопровождаются и другими неврологическими дефицитами. Функциональная визуализация этой области дает весьма двусмысленные свидетельства ее особой роли в цветовосприятии: хроматические раздражители индуцируют активность, но так же происходит и с различными видами ахроматических визуальных стимулов. Возможно это не является неожиданностью, ведь опыт цветовосприятия относится как к тону, так и к яркости поверхностей, однако это указывает на трудности в установлении функций корковых областей на основе собственных ответов на незначительное число достаточно простых и ограниченных раздражителей.

Принимая во внимание эти предостережения, наиболее перспективными исследованиями функциональной визуализации могут оказаться те, что стремятся определить визуальные области, связанные с цветовым зрением, изучая, как их хроматическая чувствительность изменяется в зависимости от такой параметрической вариации, как, например, временная частота визуального стимула или уровень адаптации. Воздействие таких манипуляций на человеческое зрение хорошо охарактеризовано, а понимание того, как они влияют на сигналы в различных областях коры, может помочь нам определить наиболее вероятные и маловероятные хроматические пути.

Направления дальнейших исследований

Этот краткий обзор последних работ показывает, что мы добились значительных успехов. Тем не менее, в наших знаниях о цветовом зрении на всех этапах, остаются существенные пробелы. До сих пор слишком мало известно о путях, соединяющих колбочки с ганглионарными клетками в сетчатке, а также о том, почему цветовое зрение человека, по-видимому, практически не зависит от изменения пропорционального соотношения колбочек различных типов. Внедрение генов распознавания новых пигментов животным со сниженным цветовосприятием может помочь нам понять, как устроены эти древние сети и насколько они пластичны. У приматов различные типы ганглионарных клеток сетчатки, которые пока недостаточно хорошо охарактеризованы, также могут быть важны для цветового зрения: без понимания их работы, будет трудно создавать модели свойств рецептивного поля на следующих этапах. На уровне коры головного мозга проблемы различны и обусловлены главным образом отсутствием четкого представления о свойствах, которых следует ожидать от нейронов, ответственных за восприятие цвета. Мы убеждены, что одним из требований, предъявляемым к нейронам, участвующим в анализе цвета, должна быть стабильность их хроматических свойств в условиях изменения других свойств стимула (например, ориентации, величины и контраста). Этому требованию отвечает относительно небольшое число нейронов зоны V1, а также те нейроны, которые плохо подготовлены для восприятия пространственных свойств поверхностей. Учитывая большие различия между качествами нейронов, наиболее очевидно относящихся к цветовому зрению, и тех, что наиболее очевидно относятся к пространственному видению, пожалуй, самая интересная задача будет состоять в том, чтобы понять, как хроматические свойства объектов чувственно связаны с их пространственными свойствами. Здесь может оказаться полезной функциональная визуализация, но понимание роли отдельных клеток, вероятно, потребует записи или стимуляции предположительно подходящих нейронов или их групп во время заданий, основанных на цветовом анализе.

Глоссарий

Опсин
Связанный с мембраной рецептор G-белка, обычно находящийся в палочках и колбочках и инициирующий фототрансдукцию. Его спектральная чувствительность зависит от последовательности кодирующих его аминокислот.
Кроссинговер
Во время мейоза, две гомологичные хромосомы могут разрываться; каждая из них может повторно соединиться с фрагментом другой, в процессе обменявшись генами или частями генов.
Дейтераномалия
Незначительные отклонения цветового зрения от нормы (часто проявляется только в задачах, требующих обнаружения тонких отличий), вызванные мутациями, которые меняют спектральную чувствительность опсина М-колбочек.
Протаномалия
Незначительные отклонения цветового зрения от нормы (часто проявляется только в задачах, требующих замечания тонких отличий), вызванные мутациями, которые меняют спектральную чувствительность опсина L-колбочек.
Бесструктурные поля зрения
Бесформенные поля света, служащие неэффективным стимулом для ганглионарных клеток, управляемых фоторецепторами.
Рецептивные поля
Поле зрения (или, эквивалетная ему область на поверхности сетчатки глаза), где представление соответствующего светового паттерна вызывает изменения в активности нейрона.
Контрастная адаптация
Изменение чувствительности (человеческого восприятия или отдельных нейронов) на стимуляцию контрастным раздражителем, которое возникает в результате продолжительного воздействия модулируемого визуального стимула.
Бинокулярное зрение
Способность определять расстояние до поверхности путем сравнения несопоставимых изображений, формируемых обоими глазами.

Перевод: Даня Ряскина
Редакция: Елена Лисицына, Чумной Доктор
Изображения: Никита Родионов, Антон Осипенко

The machinery of colour vision

About The Author
x_plaguedoctor_x