Зуева М.В.

ФГБУ "Московский НИИ глазных болезней им. Гельмгольца" Минздравсоцразвития России

Цапенко И.В.

ФГБУ "Московский НИИ глазных болезней им. Гельмгольца" Минздрава России

Лантух Е.П.

ФГБУ «Московский НИИ глазных болезней им. Гельмгольца» Минздрава России, ул. Садовая-Черногрязская 14/19, Москва, Российская Федерация, 105062

Маглакелидзе Н.М.

ФГБУ «Московский НИИ глазных болезней им. Гельмгольца» Минздрава России, ул. Садовая-Черногрязская 14/19, Москва, Российская Федерация, 105062

Функциональные исследования зрительных каналов: физиологические основы

Журнал: Вестник офтальмологии. 2017;133(1): 97-102

Просмотров : 14

Загрузок :

Как цитировать

Зуева М. В., Цапенко И. В., Лантух Е. П., Маглакелидзе Н. М. Функциональные исследования зрительных каналов: физиологические основы. Вестник офтальмологии. 2017;133(1):97-102. https://doi.org/10.17116/oftalma2017133197-102

Авторы:

Зуева М.В.

ФГБУ "Московский НИИ глазных болезней им. Гельмгольца" Минздравсоцразвития России

Все авторы (4)

Основные физиологические свойства зрительных путей. Магноцеллюлярная (М) и парвоцеллюлярная (Р) системы, как хорошо изучено сегодня, составляют два параллельных потока [1], которые наряду с кониоцеллюлярной (К) системой [2] формируют сенсорный вход в первичную зрительную кору (V1) [3]. М- и Р-пути начинаются от различных типов ганглиозных клеток (ГК) сетчатки, проецируются в отдельные слои латерального коленчатого тела (ЛКТ) и имеют раздельные входы в V1, оканчиваясь в специфических слоях зрительной коры. Однако затем происходит значительное смешение входов. В высших корковых проекциях М-, Р- и К-пути разделены только частично и конвергируют в V1 и в экстрастриарных областях коры [3, 4]. Исходящие из V1 дорзальный и вентральный потоки первоначально относили соответственно к М- и Р-системам [4, 5]. Однако в дальнейшем было показано, что область V4 получает от вентрального потока не только Р-, но и значительный М-вход [4], а средневисочная область (область МТ) от дорзального потока получает значительные парво- [6] и кониопроекции [7]. Следовательно, тесты, оценивающие функции, обслуживаемые дорзальным и вентральным потоками, не являются достаточно адекватными для селективной оценки М- и Р-чувствительности [8, 9].

У приматов крупные и мелкие ГК имеют различные ретинофугальные проекции. Крупные М-ГК (~10% от всей популяции ГК) проецируются в М-слои ЛКТ, а затем — в тонкий слой 4C-aльфа в стриарной зрительной коре. Мелкие Г.К. (~80%) проецируются в Р-слои в ЛКТ, а затем — в слой 4C-бета в V1. Физиологические свойства этих двух путей значительно отличаются. М-клетки имеют большую контрастную чувствительность и больший коэффициент усиления контраста, чем P-клетки, хотя их ответ имеет тенденцию к насыщению при высоком контрасте [10—12]. Другим отличием является темпоральный ответ на зрительные стимулы. Скорость проведения в М-пути намного выше, чем в Р-пути [13]. С другой стороны, большинство клеток в Р-пути проявляют цветовую оппонентность, в то время как большинство M-клеток не кодируются цветом [14, 15].

Исследование функциональности М-, Р- и К-путей имеет клиническую значимость и все более широко используется в офтальмологии. Применение психофизических методов (например, частотно-сдвоенной периметрии, измерений цветовой и пространственной контрастной чувствительности и др.) и технологий объективной оценки каналов зрительной системы, таких как электрофизиологические исследования и методы нейровизуализации (например, магнитоэнцефалография и функциональная магнитно-резонансная томография и др.), сегодня рассматривают клинически высоко значимым и перспективным подходом в диагностике заболеваний зрительной системы [16]. Бессимптомная потеря зрения является особенностью начала многих нейродегенеративных расстройств сетчатки и головного мозга [17]. Поэтому дифференциальный вклад М-, Р- и К-путей в субклинические зрительные нарушения определяет прогноз, раннюю диагностику, мониторинг этих заболеваний и выбор адекватного лечения. С другой стороны, предполагается, что селективные потери волокон специфического диаметра, которые возникают при патологии проводящих путей разной этиологии, могут служить ключом в исследованиях дифференциальных свойств М- и Р-систем [18].

Наиболее чувствительным и объективным методом оценки функциональности и уровня поражения зрительных каналов является регистрация зрительных вызванных корковых потенциалов (ЗВП) и паттерн электроретинограммы (ПЭРГ), происходящей во внутренней сетчатке, у истоков зрительных каналов. Относительный вклад активности Р- и M-систем в морфологию ПЭРГ-ответов и ЗВП на реверсирующий или появляющийся/исчезающий паттерн (режим onset/offset) зависит от условий тестирования, избирательно благоприятных для функционирования той или иной клеточной популяции и различных каналов зрительной системы. К таким условиям, с учетом физиологических свойств Р- и М-ГК, относятся яркостный контраст смежных элементов паттерна, пространственная и темпоральная частота и цветовой (хроматический) контраст, к которым по-разному чувствительны различные субпопуляции ГК сетчатки и их проекции в ЛКТ и V1.

Чувствительность М- и Р-путей к контрасту. Тест контрастной чувствительности (КЧ) считается наиболее простым методом оценки функциональности Р- и М-систем. Оценка К.Ч. основана на определении дифференциального ответа М- и Р-систем на увеличение контраста [19]. Действительно, в диапазоне очень низкого контраста М-система реагирует крутым возрастанием ответа с повышением контрастности стимула, и затем функция насыщается при контрасте около 16—32% [20]. Ответ Р-пути отсутствует до контраста около 10% и линейно возрастает во всем дальнейшем диапазоне возрастающей контрастности. Наклон линейной части кривой контраст—ответ называют «усилением контраста» (contrast gain), который почти в 10 раз больше для M-, чем для P-системы [20]. Поэтому в психофизических и электрофизиологических исследованиях классически предъявляются стимулы низкого контраста для оценки функции М-системы и стимулы, модулируемые вокруг постоянного уровня высокого контраста для выделения функции Р-системы.

Однако сегодня поколеблено представление, что М- и Р-вклад в ЗВП может быть изолирован или однозначно дифференцирован по характеру функции контраст—ответ [21]. Отнесение ЗВП-ответов к М- или Р-системе на основании только свойств функции контраст—ответ сопряжено с определенными трудностями. Например, как отмечается в недавнем аналитическом исследовании, при многих условиях тестирования Р-путь может реагировать на снижение контраста стимула так же, как и М-путь [9]. Несмотря на это, отведения электрических потенциалов от одиночных клеток показывают более низкие пороги контрастной чувствительности для М-нейронов [10], в поведенческих исследованиях на животных отмечаются наибольшие потери контрастной чувствительности после повреждения Р-слоев ЛКТ [3], что говорит о более низком пороге для Р-пути. С другой стороны, контрастный порог для М-системы ниже, чем для Р-системы, при пространственных частотах меньше 1,5 цикл/град [22, 23] и высоких временных частотах. Таким образом, Р-система может опосредовать обнаружение очень низкого контраста при многих условиях. Несмотря на то что при низком контрасте функция контраст—ответ для М-нейронов более крутая и с лучше выраженным насыщением, чем функция Р-нейронов, остается неясным, можно ли, основываясь на этих характеристиках, достаточно надежно идентифицировать М- и Р-нейроны. Кроме того, отмечается, что формы функций контраст—ответ М- и Р-нейронов не уникальны только для этих клеточных типов. Например, у корковых нейронов V1 найдены функции контраст—ответ, подобные таковым у Р-нейронов [24].

Пространственно-временная селективность М- и Р-систем. При паттерн-стимуляции имеется приблизительное соответствие между размером элементов паттерна и размером рецептивного поля ГК сетчатки [25]. Классические работы на приматах [3, 9] и психофизические исследования у человека [22] показали, что М-система более чувствительна к стимулам низкой пространственной и высокой временной частоты. В отличие от нее Р-система лучше отвечает на стимулы низкой темпоральной и высокой (и средней) пространственной частоты [23]. Стационарная ПЭРГ на решетки реверсивного контраста имеет широкополосную пространственную настройку по амплитуде с максимумом на промежуточных пространственных частотах и ослаблением на низких и высоких частотах. Ослабление амплитуды при низких пространственных частотах, как полагают, отражает антагонистические взаимодействия центра—периферии рецептивного поля нейронов внутренней сетчатки [26]. В функции временная частота—ПЭРГ амплитуда ответа на стимулы яркостного контраста также максимальна на промежуточных частотах и уменьшается при более высоких и более низких частотах. У приматов показан гораздо более слабый ответ нейронов М-системы на равнояркие цветные стимулы по сравнению с нейронами Р-системы [27]. Однако в таких условиях функция пространственная частота—ответ для Р-клеток сдвигается в сторону более низких пространственных частот [28]. Поэтому при использовании стимулов высоких пространственных частот Р-нейроны могут слабее отвечать на равнояркие хроматические, чем на яркостные, стимулы (цит. по [29]).

ЗВП и ПЭРГ на паттерны яркостного контраста. За пороговые ответы на красно-зеленые паттерны чисто хроматического контраста отвечает Р-путь. Эксперименты на обезьянах показали, что цветовая контрастная чувствительность исчезает при сохранности яркостной контрастной чувствительности после селективного поражения P-клеток ЛКТ [28]. Избирательное поражение в М-слоях ЛКТ, наоборот, оставляет интактной цветовую контрастную чувствительность и более или менее значительно (в зависимости от пространственной и временной частоты) ухудшает яркостную контрастную чувствительность, [3]. Модуляция смежных элементов паттерна по яркостному и хроматическому контрасту вызывает ПЭРГ-ответы, которые отражают свойства различных субпопуляций ГК сетчатки [30—32]. Специфичные типы ГК дифференциально поражаются при различных заболеваниях сетчатки [32—36]. При соответствующих характеристиках стимула ЗВП, так же как и ПЭРГ, будут отражать дифференциальный вклад активности М-, Р- и К-путей [37]. Выявление селективных изменений ЗВП на паттерны яркостного и хроматического контраста клинически значимо для идентификации поражения конкретных зрительных каналов. Особую клиническую значимость имеют тесты с применением стимулов, позволяющих выделять раздельный вклад в ответ М- и Р-путей в одной и той же записи ЗВП в виде отдельных компонентов с характерной латентностью. Для ЛКТ разница в латентности ответов М- и Р-нейронов составляет около 15 мс [38]. В процессе передачи сигнала от ЛКТ к V1 более медленная скорость проведения в Р-пути добавляет еще около 5 мс к этой разнице. Таким образом, при полифазной морфологии ЗВП, у пиков, имеющих М-природу, имеются более короткие латентности, чем у сигналов, опосредованных Р-системой. Для М- и Р-компонентов фотопических ЗВП сдвиг латентности равен примерно 20 мс [39—41].

Таким образом, тайминг различных пиков в волновом фронте ЗВП отражает различие их прекортикальных источников [40, 42]. Фронт ЗВП формируется ответами клеток разных типов, с различной магнитудой и разной латентностью, дающими вклад в морфологию суммарного сигнала.

Изменение морфологии ЗВП детально исследовалось в ответах на однородный стимул-пятно с угловым размером 9°, с прямоугольно модулируемой яркостью с частотой 2 Гц при различной освещенности [43]. Исследовалось, насколько значительно изменяется вес (доля) М- и Р-входов в кору головного мозга при переходе от колбочкового к палочковому зрению. Это исследование показало, что на всех уровнях световой адаптации доминирующим источником ЗВП на высокий контраст являются связанные с Р-системой корковые ответы, независимо от того, опосредован ли ответ палочковой или колбочковой системой. Более того, суммарные ЗВП отражают преимущественную активность Р-пути даже при столь низких уровнях освещенности, при которых можно зарегистрировать лишь слабые ответы от одиночных Р-нейронов.

Имеющие различную пиковую латентность позитивные компоненты ЗВП здорового человека P0, P1, P2 и P3, по данным этих авторов, по-разному проявляются при фотопических, мезопических и скотопических уровнях освещенности. Ранний Р0 лучше видим в мезопических условиях, благоприятных для проявления палочко-колбочковых взаимодействий. Р0 связывают с колбочковым входом, опосредованным М-системой, а Р1 — с колбочковым входом в зрительную кору, опосредованным Р-системой. В чистых записях ЗВП с низким уровнем шума, при мезопических уровнях освещенности различие между Р0 и Р1 наиболее очевидно для ответов на малоконтрастные стимулы. В этих случаях Р0 и Р1 дают вклад в форму сигнала с двойным пиком («расщепление» Р1) или одиночным пиком с ярко выраженным «плечом» в морфологии сигнала. При зашумленных записях определение пиков ранних компонентов затруднительно, но они могут угадываться в виде перегиба на расширенном фронте сигнала [43].

В мезопических условиях повышение яркости высококонтрастных ахроматических (неструктурированных) мельканий приводило к разделению основного пика Р1 на два четких пика — Р1 (на 135—145 мс) и Р2 (на 170—175 мс), являющихся соответственно колбочковым (P1) и палочковым (P2) ответами. Разница латентности в 20—40 мс для P1 и P2, как полагают, может отражать палочко-колбочковый сдвиг в мезопических уровнях освещенности [43]. Отмечено, что при мезопической освещенности латентность Р2 особенно чувствительна к воздействию небольших изменений в среднем уровне яркости. Иногда в мезопических ответах на высококонтрастный стимул виден пик Р3, отстающий от Р2 примерно на 40 мс, который, предположительно, также опосредован палочковой системой. Компоненты P2 и P3 относят соответственно к медленным и быстрым палочковым ответам, отражающим активность Р-системы. Эти исследования были выполнены для однородных ахроматических стимулов, модулированных по яркости, или для комбинации ахроматических и хроматических неструктурированных стимулов. В других работах чаще использовались паттерн-стимулы: реверсирующие или на включение/выключение паттерна [44] в виде горизонтальных решеток и шахматного поля (или шотландской клетки). Условия стимуляции существенно влияют на результаты исследований.

ЗВП и ПЭРГ на паттерны хроматического контраста. Изменяя относительную яркость смежных элементов паттерна — красных и зеленых или синих и желтых, можно получить значение, при котором амплитуда ПЭРГ минимальна или максимальна. Это происходит в условиях равноярких элементов паттерна, которые можно измерить с помощью стандартных методов психофизических исследований. В психофизических исследованиях уравнивание по яркости получают достижением красно-зеленого и сине-желтого цветового соотношения, при котором хроматические решетки с частотой 15 и 10 Гц соответственно минимально видимы.

У человека и макаки изучали стационарные ПЭРГ-ответы на красно-зеленые шахматные паттерны, модулированные по цвету (хроматический контраст), а также красно-черные, зелено-черные и желто-черные паттерны, модулированные по яркостному контрасту [30, 31]. Амплитуда и фаза ПЭРГ измерялись как функция пространственной и временной частоты синусоидального реверса контрастности. В пространстве и времени ответ на хроматические паттерны был низкополосным, в то время как ответ на яркостные паттерны — широкополосным и распространялся на более высокие пространственные и временные частоты. Фаза ПЭРГ на хроматические стимулы систематически отставала по сравнению с яркостными стимулами на величину, близкую к 20 мс. Для стимулов и яркостного, и цветового контраста амплитуда транзиентных ПЭРГ возрастала с увеличением контрастности паттерна. По мнению авторов, различия в латентности ответа и времени интеграции яркостных и хроматических стимулов, наблюдаемые в психофизических и электрофизиологических исследованиях, могут возникать, по крайней мере частично, на уровне сетчатки.

У макак [30] темпоральная функция хроматической ПЭРГ была низкочастотной со срезом около 15 Гц, в то время как яркостная функция имела двойной пик и распространялась на более высокие временные частоты (около 30 Гц). Интересно, что у двух обезьян, у которых зрительная хиазма была разрезана в сагиттальной плоскости, наблюдалась массивная дегенерация ГК в назальной сетчатке при их сохранности в височной сетчатке, что было верифицировано результатами гистологического исследования. У этих животных в темпоральной сетчатке был записан ответ большой магнитуды как на яркостные, так и на хроматические паттерны, но для всех стимулов отсутствовал ответ от назальной сетчатки. Это подтверждает, что ПЭРГ на яркостные и хроматические стимулы возникает во внутренних слоях сетчатки. Электрофизиологические исследования показывают также, что ПЭРГ-ответы на цветооппонентные стимулы наиболее вероятно связаны с активностью P-клеток. Обнаружено, однако, что P-клетки могут вносить существенный вклад и в ПЭРГ на яркостные стимулы (наряду с M-клетками). Морфология транзиентных хроматических ПЭРГ в здоровых глазах похожа на форму ПЭРГ на яркостный контраст, но значительна разница латентности ответов, составляющая около 20 мс [31, 34, 45].

При пространственной частоте 0,3 цикл/град ПЭРГ и на яркостные, и на хроматические паттерны имеют приблизительно одинаковую амплитуду [31]. Учитывая это, стимул пространственной частоты 0,3 цикл/град был использован в психофизических исследованиях КЧ и в регистрации транзиентных ПЭРГ и ЗВП [33]. Использовались красно-зеленые решетки чистого хроматического контраста (равнояркие), а также желто-черные решетки чистого яркостного контраста. Авторами данной работы показано, что амплитуда хроматических и яркостных ПЭРГ у здоровых лиц возрастает с повышением размера стимула и стремится к насыщению для паттернов с наибольшими размерами смежных элементов паттерна. Однако хроматические ПЭРГ насыщаются при значительно меньших размерах общей площади стимуляции (300—600 град2) по сравнению с аналогичным показателем яркостной ПЭРГ (1500 град2 и более). Эти наблюдения означают, что хроматические и яркостные стимулы тестируют активность генераторов, имеющих различное распределение в сетчатке. Хроматические ПЭРГ имели морфологию ответа, аналогичную яркостным ПЭРГ, однако меньшую амплитуду и большую латентность позитивного пика (P80 против P60). Латентность главного позитивного пика хроматической ПЭРГ была замедлена в среднем на 20 мс относительно яркостной ПЭРГ. Различались также изменения параметров ПЭРГ при повышении темпоральной частоты для желто-черных яркостных и красно-зеленых хроматических стимулов. Темпоральная настройка для амплитуды яркостной ПЭРГ продемонстрировала широкий максимум между 6 и 12 Гц, вторичный максимум около 20 Гц и срез высоких темпоральных частот в диапазоне от 25 до 30 Гц [33].

При записи ЗВП на появление/исчезновение (режим onset—offset) паттерна ответы на сине-желтые стимулы обычно имеют меньшую амплитуду (за исключением стимулов низких пространственных частот), большую латентность и более высокое значение порогового контраста, чем ЗВП на красно-зеленые стимулы (цит. по Sannita W. и соавт., 2009]). Для равноярких сине-желтых решеток при снижении контраста происходит удлинение латентности и редукция амплитуды негативного (в режиме onset) и позитивного (offset) компонентов.

Гамма-активность коры: вклад в морфологию ЗВП. Частота спайков и мембранный потенциал нейронов в многослойных корковых структурах спонтанно осциллируют в полосе частот около 20—80 Гц (гамма-диапазон), что объясняют свойствами клеточной мембраны (цит. по [46]). При многоклеточных отведениях от зрительной коры бодрствующих кошек и обезьян показано, что эти осцилляции усиливаются сенсорной стимуляцией и, таким образом, могут проявляться в суммарных вызванных корковых потенциалах. Связанный со стимулом гамма-ответ опосредуется сетью тормозных интернейронов, взаимодействующих с пирамидальными клетками.

Осцилляторный компонент ЗВП в диапазоне частот 20—40 Гц (с пиковой частотой в полосе 25—35 Гц) выделяли фильтрацией из широкополосных ЗВП-ответов на транзиентную (паттерн-реверсивную или onset/offset) контрастную стимуляцию [47]. У человека общий гамма-ответ почти полностью синхронизирован по фазе со стимулом и имеет более короткую латентность, чем низкочастотные (обычные) компоненты ЗВП. Осцилляторные гамма-ответы наблюдались даже в отсутствие идентифицируемых ЗВП-сигналов у многих пациентов с заболеваниями сетчатки, включающими также более высокие уровни зрительной системы [48]. Эти факты предполагают, что гамма-компонент частично независим от низкочастотных компонентов ЗВП [48]. Различие гамма-ответов на ахроматические и цветные стимулы указывает на разный вклад в них Р- и М-путей [47]. Однако корковый источник связанной со стимулом гамма-активности независим от типа активированного (М, Р или К) зрительного пути, что, как полагают, подтверждает гипотезу о роли гамма-осцилляций в фазовом кодировании нейронной активности.

Заключение

Объективным методом оценки функциональности зрительных путей является регистрация ЗВП и ПЭРГ. Использование условий стимуляции, избирательно благоприятных для функционирования одной из систем, позволяет в параллельных исследованиях ПЭРГ и ЗВП выявлять дисфункцию цветовых каналов, определять нарушение пространственной и темпоральной настройки Р- и М-путей. Кроме того, различное время интеграции нейронов и разная скорость проведения сигнала по М- и Р-пути определяют специфический тайминг М- и Р-компонентов ЗВП, в связи с чем они могут идентифицироваться в одной и той же записи ЗВП, что позволяет оценивать вклад селективного ослабления зрительных каналов по изменению морфологии ответа.

Конфликт интересов отсутствует .

Подтверждение e-mail

На test@yandex.ru отправлено письмо с ссылкой для подтверждения e-mail. Перейдите по ссылке из письма, чтобы завершить регистрацию на сайте.

Подтверждение e-mail