Vizuális fixáció szerepének elektrofiziológiai vizsgálata a látókérgi aktivitás modulációjában

Vizuális fixáció szerepének elektrofiziológiai vizsgálata a látókérgi aktivitás modulációjában Doktori (Ph.D.) értekezés

Dr. Rajkai Csaba Semmelweis Egyetem Szentágothai János Idegtudományi Doktori Iskola

Témavezető: Dr. Karmos György professor emeritus, Ph.D. Hivatalos bírálók: Dr. Vidnyánszky Zoltán tudományos főmts., az MTA doktora Dr. Bódizs Róbert tudományos munkatárs, Ph.D. Szigorlati bizottság elnöke: Dr. Rajna Péter egyetemi tanár, az MTA doktora Szigorlati bizottság tagjai: Dr. Czenner Zsuzsanna egyetemi docens, Ph.D. Dr. Jandó Gábor egyetemi adjunktus, Ph.D.

Budapest 2007

Vizuális fixáció szerepének elektrofiziológiai vizsgálata a látókérgi aktivitás modulációjában

Tartalomjegyzék 1.

RÖVIDÍTÉSEK JEGYZÉKE ............................................................................... 4

2.

BEVEZETÉS .......................................................................................................... 5 2.1

A TERMÉSZETES LÁTÁS ..................................................................................... 5

2.2

SZAKKÁDIKUS SZEMMOZGÁSHOZ KÖTÖTT POTENCIÁLOK .................................. 7

2.2.1 Szemmozgást megelőző potenciálok ............................................................. 7 2.2.2 Lambda hullámok ......................................................................................... 8 2.2.3 Lokális szemmozgás-potenciálok................................................................ 10 2.2.4 Szemmozgás-potenciálok sötétben.............................................................. 11 2.2.5 Szemmozgás-potenciálok eredete ............................................................... 12 2.3

PERIFIXÁCIÓS VÁLASZFÜGGVÉNY.................................................................... 12

2.4

EEG OSZCILLÁCIÓK ÉS AZ IDEGSEJTEK VÁLASZKÉSZSÉGE............................... 14

2.5

A SZEMMOZGÁSOK SZABÁLYOZÁSA ................................................................ 16

2.5.1 Szakkádikus szemmozgás............................................................................ 18 2.5.2 Követő szemmozgás .................................................................................... 23 2.5.3 Konvergáló szemmozgás ............................................................................ 24 2.5.4 Vesztibuláris szemmozgás .......................................................................... 24 2.5.5 Optokinetikus szemmozgás ......................................................................... 25 3.

CÉLKITŰZÉSEK ................................................................................................ 26

4.

MÓDSZEREK ...................................................................................................... 27 4.1

KÍSÉRLETI ÁLLATOK ........................................................................................ 27

4.2

LOKALIZÁCIÓS ELJÁRÁSOK.............................................................................. 27

4.3

MŰTÉTI BEAVATKOZÁS ................................................................................... 30

4.4

KÍSÉRLETI PARADIGMA, INGEREK ÉS A SZEMPOZÍCIÓ DETEKTÁLÁSA ............... 31

4.5

ELVEZETÉSI TECHNIKA .................................................................................... 33

2


4.6 5.

ADATFELDOLGOZÁS ........................................................................................ 34

EREDMÉNYEK ................................................................................................... 39 5.1

LOKÁLIS SZEMMOZGÁS-POTENCIÁLOK ............................................................ 39

5.1.1

V1 área ....................................................................................................... 39

5.1.2

V2 área ....................................................................................................... 44

5.1.3

MT área ...................................................................................................... 47

5.1.4

IT área ........................................................................................................ 51

5.1.5

CGL ............................................................................................................ 54

5.2

LATENCIAVISZONYOK A KÜLÖNBÖZŐ ÁREÁKBAN ........................................... 59

5.3

VIZUÁLIS FIXÁCIÓ HATÁSA AZ EEG FÁZISÁRA A PRIMER LÁTÓKÉREGBEN ...... 60

5.4

AZ EEG FÁZISA ÉS AZ IDEGSEJTEK VÁLASZKÉSZSÉGE KÖZTI ÖSSZEFÜGGÉS .... 62

6.

MEGBESZÉLÉS .................................................................................................. 67 6.1

FIXÁCIÓHOZ KAPCSOLÓDÓ BIOELEKTROMOS VÁLTOZÁSOK ............................. 68

6.2

NEUROFIZIOLÓGIAI MECHANIZMUSOK ............................................................. 70

6.3

EREDMÉNYEINK KORÁBBI TANULMÁNYOK TÜKRÉBEN .................................... 72

6.4

FIGYELMI HATÁSOK SZEREPE .......................................................................... 74

6.5

KÖVETKEZTETÉSEK ......................................................................................... 76

7.

IRODALOMJEGYZÉK ...................................................................................... 79

8.

ÖSSZEFOGLALÓ ............................................................................................... 95

9.

ABSTRACT .......................................................................................................... 96

10.

SAJÁT KÖZLEMÉNYEK JEGYZÉKE ....................................................... 97

11.

KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS........................................................................ 100

3


1. RÖVIDÍTÉSEK JEGYZÉKE AVMUA

Averaged Multiunit Activity

AVREC

Averaged Rectified Current Source Density

CGL

Corpus Geniculatum Laterale

CNV

Contingent Negative Variation

CSD

Current Source Density, áramforrás-sűrűség

EEG

Elektroenkefalogram

EKP

Eseményhez kötött potenciál

FEF

Frontal Eye Field, frontális tekintésközpont

fMRI

Functional MRI, funkcionális mágneses rezonancia vizsgálat

FOV

Field-Of-View

GABA

Gamma-Aminobutyric Acid, gamma-amino-vajsav

ISI

Interstimulus Interval

IT

Inferior Temporal Area

LIP

Lateral Intraparietal Area

MRI

Magnetic Resonance Imaging, mágneses rezonancia vizsgálat

MST

Medial Superior Temporal Area

MT

Middle Temporal Area

MUA

Multiunit Activity, soksejt-aktivitás

PSN

Presaccadic negativity

sAVREC

single-trial-based Averaged Rectified Current Source Density

SEM

Standard Error of Mean, standard hiba

SSR

Steady-State Response

STD

Standard Deviation, standard deviáció

VEP

Visual Evoked Potential, vizuális kiváltott potenciál

VOR

Vesztibulo-okuláris reflex

4


2. BEVEZETÉS 2.1

A természetes látás Mindennapi életünk során a körülöttünk lévő látható világ megismerésének

természetes és egyben leggyakoribb módja, hogy tekintetünket gyors szemmozgásokkal rövid időre különböző tárgyakra irányítjuk (Yarbus, 1961, 1967). Bár számos emlősállatnál megfigyelhetünk gyors szemmozgásokat, az emberre és más főemlősökre különösen jellemző a nagyszámú, másodpercenként kettő-három gyors szemmozgás. Ezeket a gyors szemmozgásokat szakkádoknak hívjuk. Minden egyes szakkádot fixáció követ, ami jellegzetes „ugráló” vagy más néven szakkádikus szemmozgás mintázatot hoz létre (Carpenter, 1988) (1. ábra). A látás folyamata ily módon szaggatott, „mintavételekből” áll. A látáshoz szükséges információt a szemmozgások szüneteiben, a fixációkban veszi fel a látórendszer. Azaz a szervezet minden egyes fixáció alkalmával egy újabb „információcsomaghoz” jut, mely hatására a retina idegsejtjei ingerületbe kerülnek, tüzelési frekvenciájuk megnő. Ezen ingerület a látópályán végighaladva a látókéregben jellegzetes tér- és időbeli aktivitásmintázatot hoz létre, melynek sajátosságai függnek egyrészt a kiváltó vizuális ingertől, másrészt az adott agyi terület idegsejtjeinek tulajdonságaitól. (Nowak és mtsai., 1997; Schmolesky és mtsai., 1998; Schroeder és mtsai., 1998). Mindezek ellenére a látórendszer elektrofiziológiai vizsgálatainak túlnyomó többsége

nem

természetes

látási

folyamat

során

vizsgálja

a

vizuális

információfeldolgozást. A vizsgálatok általában úgy zajlanak, hogy egy képernyő adott pontjára fixáló kísérleti személy (vagy kísérleti állat) előtt rövidebb-hosszabb időre vizuális ingerek jelennek meg (Doniger és mtsai., 2001; Fahy és mtsai., 1993; Foxe és mtsai., 2005; Miller és mtsai., 1991; Murray és mtsai., 2004; Nowak és mtsai., 1997; Schmolesky és mtsai., 1998; Schroeder és mtsai., 1998; Sehatpour és mtsai., 2006; Sobotka és Ringo, 1996; Tallon-Baudry és mtsai., 1996). Ez a vizsgálati módszer azon az elképzelésen alapul, hogy a szakkádikus szemmozgás szerepe nem más, minthogy egy érdeklődésünket felkeltett és megszemlélni kívánt tárgy képét a perifériáról (ahol gyenge az éles látás) a foveára, azaz az éleslátás helyére tegye át. Ez a kísérleti elrendezés azonban a természetes látáshoz kapcsolódó fontos mechanizmusokat hagyhat figyelmen kívül.

5


Mivel többnyire azt látjuk, ahova nézünk, ezért a szemmozgások dinamikájának megértése alapvető fontosságú a látás idegrendszeri szerveződésének megértéséhez. Ennek felismerése ma már egyre több kutatót vezet arra, hogy egyes korai kísérletek hagyományait követve (Barlow, 1971; Cooper és mtsai., 1977; Scott és Bickford, 1967b), a szemmozgásoknak a természetes látásban betöltött szerepét helyezze vizsgálatai középpontjába. Ezekben a kísérletekben a szokásos, statikusan rögzített tekintet helyett úgynevezett „szabad nézelődést” engednek meg és a látórendszer vizsgálatában általánosan használatos egyszerű és jól kontrollált ingerek helyett természetes ingereket alkalmaznak, melyekkel a mindennapi életünk során gyakran találkozunk. (Gallant és mtsai., 1998; Howe és Purves, 2005; Kayser és mtsai., 2003; Long és Purves, 2003; Vinje és Gallant, 2000; Vinje és Gallant, 2002). 1. ábra A látható világ megismerésének természetes módja a szakkádikus szemmozgás. Alfred Yarbus felismerte, hogy a szemmozgások jól leírják, hogy a kísérleti személy figyelme mire irányul. Yarbus kísérletében a megfigyelő egy női arcképet nézett 1 percen keresztül. A regisztrált szempozíciót az arcképre helyezett sötét vonalak jelzik. Megfigyelhető, hogy a szempozíció bizonyos területek felett koncentrálódik. Többet időzik a szemek és a száj felett (vizuális fixációk) és kevesebb időt tölt egyéb területeken. A fixációs pontok közötti közel egyenes szakaszok jelzik a szakkádokat (Yarbus, 1967).

6


2.2 Szakkádikus szemmozgáshoz kötött potenciálok Mind az emberi hajas fejbőrről, mind lokálisan az idegrendszer különböző területeiről elvezethetőek olyan bioelektromos agyi hullámok (szemmozgást megelőző potenciálok, lambda hullámok, lokális szemmozgás-potenciálok), melyek szoros időbeli viszonyban állnak a szakkádikus szemmozgásokkal. Ezeket összefoglaló névvel szemmozgás-potenciáloknak hívjuk. A következőkben röviden ismertetem a különböző szemmozgás-potenciálokat. 2.2.1 Szemmozgást megelőző potenciálok Három potenciáltípust írtak le, amelyek a szakkádikus szemmozgás kezdetét megelőzik (Becker és mtsai., 1972; Moster és Goldberg, 1990; Scott és Bickford, 1967a). Ezeket a potenciálokat többnyire a hajas fejbőrre helyezett elektródákkal vizsgálták. Ha a kísérleti személy 2 másodpercnél ritkábban végez szemmozgást, akkor 500-1000 ms-mal a szakkád előtt megjelenik egy lassú, negatív potenciálváltozás, melynek maximális amplitúdója a vertex felett van [presaccadic negativity (PSN)]. Ez az akaratlagos mozgás előtt megjelenő „készenléti” (Bereitschafts-) potenciálhoz (Kornhuber és Deecke, 1965), illetve egy várható, jelentős ingert megelőző „várakozási” potenciálhoz [contingent negative variation (CNV)] hasonlít (Donchin és mtsai., 1972). Mivel egy fixáció általában 300-500 ms-ig tart, nem valószínű, hogy a PSN lényegi szerepet játszana természetes látási feltételek mellett. Inkább a felkészülésre, várakozásra jellemző hullám, mely a kísérleti elrendezés következménye. A szakkád előtt 60-200 ms-mal megjelenő kis pozitív hullám az egész parietooccipitális régióra kiterjed [presaccadic positivity (PSP)] (Moster és Goldberg, 1990). A szemmozgásra vonatkozó motoros paranccsal hozzák kapcsolatba. A szakkád megindulása előtt 10-20 ms-mal regisztrálható egy éles pozitív tüskepotenciál (P1) (2. ábra), mely parietális eloszlást mutat (Moster és Goldberg, 1990; Reva és Aftanas, 2004; Thickbroom és Mastaglia, 1985; Weinstein és mtsai., 1991). Csúcsa egybeesik a szakkád kezdetével. Egyes szerzők szerint a szemizmokhoz kapcsolódó izom-műtermék (Becker és mtsai., 1972; Moster és Goldberg, 1990), mások

7


a szemizmokat koordináló központi idegrendszeri területek aktivációját tartják felelősnek keletkezésében, azaz „járulékos kisülés” (corollary discharge) következtében létrejövő komponensnek tekintik. 2.2.2 Lambda hullámok Elsőként Evans számolt be 1949-ben szemmozgáshoz kapcsolódó bioelektromos agyi hullámról, melyet emberi skalpról elvezetett folyamatos EEG felvételen figyelt meg (EEG Társaság Kongresszusa, London, 1949). Ezt az occipitális eloszlású éles hullámot, melyet „lambda” hullámnak neveztek el, azonban nem ő, hanem két évvel később Gastaut írta le (Gastaut és mtsai., 1951). Legjobban akkor volt megfigyelhető, ha az éber kísérleti személy jól megvilágított, kontrasztos, mintázott ernyőn végzett szakkádikus szemmozgást (Evans, 1953). Később a hullámokat átlagolva kiderült, hogy valójában ez nem egy hullám, hanem kb. 200-400 ms hosszú, több komponensből álló hullámkomplexum (2. ábra). Legszembetűnőbb komponense skalp pozitív, a folyamatos EEG-n

is

látható

tulajdonképpeni

lambda

hullám,

mely

átlagosan

78

milliszekundummal a szemmozgás után jelenik meg (Green, 1957; Marton és mtsai., 1985; Marton és mtsai., 1983). Későbbi vizsgálatok rámutattak, hogy az átlagolt lambda hullám, valamint a minta elmozdulásával kiváltott válasz [vizuális kiváltott válasz (VEP)] formája és skalpi eloszlása nagyon hasonló (Gaarder és mtsai., 1964; Remond és mtsai., 1965; Scott és mtsai., 1967; Scott és Bickford, 1967). Ezenkívül amplitúdójuk és latenciájuk is hasonló összefüggést mutat a vizuális inger sajátosságaival. Például a fényerő csökkenésével a lambda hullám amplitúdója is csökken, sötétben pedig nem jelenik meg. Ennek nyomán Marton arra a következtetésre jutott, hogy a lambda hullámokat tulajdonképpen vizuális kiváltott válaszoknak tekinthetjük (Marton, 1981). Később a kutatók erőfeszítései az egyes komponensek szerepének tisztázására irányultak. Kurtzberg és Vaughan (1977) korai „szakkádikus” és késői „fixációs” komponenseket különítettek el. A szakkádikus komponensek a szemmozgás megindulásához kötöttek és parietális maximummal jelennek meg, míg a fixációs komponenseket a szemmozgás leállásakor az új fixációban megjelenő vizuális inger váltja ki és az occipitális lebeny felett mutatják a legnagyobb amplitúdót. Ezenkívül kapcsolatot tételeztek fel a szemmozgás-potenciál szakkádikus komponensei és a téri konstancia alapját képező szakkádikus szupresszió között [szakkádikus szupresszióról

8


(Burr és mtsai., 1994; Diamond és mtsai., 2000; Reppas és mtsai., 2002; Riggs és mtsai., 1974; Thiele és mtsai., 2002; Ulbert és mtsai., 2001b)]. Véleményük szerint a lambda hullám korai komponensei olyan folyamattal lehetnek kapcsolatban, amely a szakkádok alkalmával magakadályozza a környezet látszólagos elmozdulását (azaz a szakkád alatt a mozgási percepció csökken) ezzel biztosítva környezetünk folyamatos észlelését, jóllehet általában másodpercenként 2-3 ugró szemmozgással tekintünk körül. A fixációs komponenseket pedig a látási élmény alapjait képező összetevőknek tekintették. Yagi (1979) a fentiekhez hasonló eredményre jutott. Vizsgálatában a kísérleti személyek különböző nagyságú (5º-20º) szakkádokat végeztek két fixációs pont között. Hipotézise abból indult ki, hogy ha egy komponens a fixációhoz kötött, akkor a szakkád hosszával nő a latenciája is, míg ha a szemmozgás elindulásához kötött, akkor a latenciája független a szemmozgás hosszától. Eredményei szerint a P1 és P2 hullám a szakkád megindulásával, míg a P3 komponens (a legnagyobb komponens) a szemmozgás végével áll kapcsolatban (2. ábra). A P1 hullám pedig nem más, mint a szemmozgás előtt gyakran észlelt, a parietális kéreg felett megjelenő tüskehullám. További kísérletek kimutatták, hogy a szakkádok iránya és a figyelem befolyásolja a lambda hullámok latenciáját és amplitúdóját (Barlow, 1971; Skrandies és Laschke, 1997) [a lambda hullámokról összefoglaló: Marton, 1981)].

2. ábra Az emberi skalpról elvezethető átlagolt lambda válasz sematikus ábrája. Alul a szakkádikus szemmozgás időtartamát jelző vonal. (Marton, 1981)

9


2.2.3 Lokális szemmozgás-potenciálok Számos kísérlet során regisztráltak az agy különböző régióiban helyi bioelektromos aktivitásváltozást, melyek a szakkádikus szemmozgással szoros összefüggést mutat. Ezek magukba foglalják egyrészt a lokális mezőpotenciál, másrészt az idegsejtek kisülési frekvenciájának változásait. A lokális szemmozgáshoz kötött aktivitásváltozás vizsgálatainak túlnyomó többsége macskákon és majmokon történt, bár humán vizsgálatokra is van példa (Fawcett és mtsai., 2007). A vizsgált területek közé tartoznak többek között a következők: •

corpus geniculatum laterale (Brooks és Gershon, 1971; Feldman és Cohen, 1968; Jeannerod és Sakai, 1970; Lee és Malpeli, 1998; Reppas és mtsai., 2002),

•

V1 régió (Purpura és mtsai., 2003),

•

V2 régió (Purpura és mtsai., 2003),

•

V3a régió (Nakamura és Colby, 2000),

•

inferotemporalis kéreg (Purpura és mtsai., 2003; Ringo és mtsai., 1994; Sobotka és mtsai., 2002; Sobotka és mtsai., 1997),

•

MT régió (Bair és O'Keefe, 1998),

•

frontális kéreg (Dejardin és mtsai., 1998; Klostermann és mtsai., 1994; Seidemann és mtsai., 2002),

•

limbikus rendszer [septum és hippocampus (Ringo és mtsai., 1994; Sobotka és mtsai., 1997; Sobotka és Ringo, 1997)].

A lokális szemmozgás-potenciálok sajátosságainak megítélésekor figyelembe kell venni, hogy a kísérleti állatok sötétben voltak-e a regisztráció alatt vagy sem. Azok a felvételek, melyek nem sötétben készültek nagy variabilitást mutatnak, szemben azokkal az eredményekkel, amelyeket sötétben rögzítettek. A sötétben rögzített lokális szemmozgás-potenciálok jellegzetességeit a következő fejezetben részletezem.

10


2.2.4 Szemmozgás-potenciálok sötétben Az emberi hajas fejbőrről elvezetett lambda választ vizsgáló szerzők egyöntetűen rámutattak, hogy a szemmozgás után az occipitális kéreg felett megjelenő nagy pozitív lambda hullám nem jelenik meg sötétben. Ez a megfigyelés azonban a lambda komplexum legnagyobb komponensére, a P3 hullámra vonatkozik (2. ábra). Kurtzberg és Vaughan (1977) rámutattak, hogy sötétben végzett szemmozgás előtt is megfigyelhető a pozitív, fázisos hullámegyüttes, de a szemmozgást követő pozitív komponens nem jelenik meg. Ellenben mintegy 150-200 ms-mal a szakkád után elhúzódó negativitás lép fel, amely a parietális terület felett mutat maximális amplitúdót. A szerzők véleménye szerint a sötétben végzett szakkád után megjelenő negativitás a „járulékos kisülés” (gyakran használt angol nevén: corollary discharge) következménye lehet. Állatkísérletekben egysejt-elvezetéses technikával az agy több területéről sikerült kimutatni olyan aktivitásváltozást (sejtek tüzelési frekvenciaváltozását), mely teljes sötétben a szemmozgással szoros összefüggést mutatott. Ilyen terület például a CGL (Lee és Malpeli, 1998), hippocampus, gyrus parahippocampalis (Ringo és mtsai., 1994), inferotemporalis kéreg (Ringo és mtsai., 1994). Ezek a kísérletek több szempontból is nagy jelenőséggel bírnak. Egyrészt támogatják azt az elképzelést, hogy a szemmozgás-potenciálok nem (vagy nem teljes egészében) retinális eredetűek. Másrészt a CGL, inferotemporális kéreg, limbikus rendszer jellegzetesen nem tartoznak a szemmozgást szabályozó, kontrolláló okulomotoros rendszerhez. Ez a „járulékos kisülés” szerepének jelentőségét húzza alá a lokális szemmozgás-potenciálok keletkezésében (Sommer és Wurtz, 2002; Wurtz és Sommer, 2004). Harmadsorban pedig szembetűnő, hogy a különböző szerzők által közölt idegsejti aktivitásmintázatok (periszakkádikus hisztogramok), melyek különböző agyi területekről származnak, nagyfokú hasonlóságot mutatnak (Purpura és mtsai., 2003). Ez jellegzetesen az idegsejtek tüzelési frekvenciájának csökkenését jelenti szakkád alatt (illetve már azt megelőzően 50-300 ms-mal), valamint megnövekedett aktivitást a szemmozgás után, mely körülbelül 100 ms-mal a szemmozgás után éri el maximumát, majd folyamatosan csökken [lásd 6. ábrát Lee és Malpeli közleményében (1998)].

11


2.2.5 Szemmozgás-potenciálok eredete A szemmozgás-potenciálok eredetében nincs egyetértés a kutatók között. Több kutató a retinális eredet mellett tör lándzsát (Beeler, Jr., 1967; Burr és mtsai., 1994; Campbell és Wurtz, 1978; Castet és mtsai., 2001; Diamond és mtsai., 2000; MacKay, 1970). Azonban úgy tűnik, hogy a retinális eredeten kívül jelentős nem ideghártya eredetű forrása is van a szemmozgás-potenciáloknak. Erre utalnak az alábbi kísérleti eredmények: •

a nervus opticus átmetszése illetve koagulációja macska CGL-ben nem szünteti meg a szemmozgás-potenciálokat (Brooks és Gershon, 1971; Jeannerod és Sakai, 1970).

•

a szemmozgások reverzibilis blokkolása mellett (flaxedil) is kiválthatók szemmozgás-potenciálok a labirintus kalorikus ingerlésével (Brooks és Gershon, 1971).

•

szemmozgás-potenciálok nem voltak regisztrálhatók majmok CGL-ében a szem gyors mechanikus elforgatásával (Feldman és Cohen, 1968).

•

lokális szemmozgás-potenciálok teljes sötétségben is kiválthatók (Lee és Malpeli, 1998; Ringo és mtsai., 1994; Sobotka és mtsai., 1997; Sobotka és Ringo, 1997)

Mindezek ellenére a lambda hullámok eredete nem teljesen tisztázott és valószínűleg több folyamat (VEP, járulékos kisülés, motoros-vizuális integráció, figyelem) következtében létrejövő potenciálok egymást átfedve hozzák létre a hajas fejbőrről elvezethető komplex hullámformát.

2.3 Perifixációs válaszfüggvény Lee és Malpeli (1998) kísérletükben nemcsak sötétben vizsgálták a macska CGL sejtek aktivitását a szakkád függvényében, de felvillanó fénnyel is tesztelték a sejtek válaszképességét. A kísérleti állat előtti képernyő közepén egy tárgy jelent meg, amire a macskának 0.8-1.5 s-ig fixálnia kellett a tekintetét. Ezután a tárgy eltűnt és 8º-kal arrébb

12


egy céltárgy jelent meg a periférián. A macskának 1.5 s-on belül a céltárgyra kellett irányítani a szemét, hogy jutalmat kapjon. Ha a szakkád során a szem pozíciója elérte a képernyőn megjelenő céltárgyat, akkor különböző latenciával (0, 50, 100, 500 ms) egy rövid fényinger villant fel a macska előtt. Ezen túlmenőleg, ha a szemmozgás sebessége elérte a 25º/s-ot, akkor szintén különböző latenciával (0, illetve 50 ms) fény villant fel. Így valamelyest képesek voltak képet alkotni az idegsejtek válaszképességének modulációjáról a fixáció körüli időtartamban. Ez a moduláció (perifixációs vagy periszakkádikus válaszfüggvény) tendenciájában meglehetős hasonlóságot mutat a perifixációs (vagy periszakkádikus) hisztogrammal, ami az idegsejtek „spontán” aktivitását mutatta sötétben a szemmozgás körül (Lee és Malpeli, 1998). Reppas és mtsai (2002) hasonló eredményre jutottak majom CGL sejtjei aktivitását vizsgálva szemmozgások során. A kísérleti állatok jutalmat kaptak, ha az előttük lévő képernyőn felvillanó célingerre a megjelenés után 70-350 ms-mal ránéztek. Eközben a képernyő világításának intenzitása véletlenszerűen két érték között változott ~7.7 ms elteltével. Ezek az intenzitásváltozások a vizsgált idegsejtek jellegzetes kisülési frekvenciaváltozását hozták létre (impulzus válaszfüggvény), melyet ők csak vizuális válasznak neveznek.

A vizuális válaszok amplitúdója a szemmozgás különböző

fázisában (periszakkádikus válaszfüggvény) hasonló változást mutatott, mint amit Lee és Malpeli találtak macska CGL-ban. A szemmozgás után a válaszok amplitúdója (azaz sejtek tüzelési frekvenciája) jelentősen megnő, ami kb. 60-100 ms-mal a fixáció után éri el

maximumát.

Ezzel

a

módszerrel

azonban

a

sejtek

szemmozgás

előtti

válaszképességét is meg tudták mérni, szemben Lee és Malpeli kísérletével, ahol a szemmozgás valamelyik fázisához kötötték a vizuális stimulációt. Eredményeik szerint a sejtek válaszképessége a szemmozgás előtt és alatt csökken, minimumát a szemmozgás alatt éri el. Ha a szemmozgás körüli tüzelési frekvenciát nézték (periszakkádikus hisztogram) függetlenül a fényintenzitástól (mindkét fényintenzitás alatti szakkádokat figyelembe véve), akkor a periszakkádikus válaszfüggvénnyel szinte megegyező görbét kaptak. Ez arra utal, hogy a CGL idegsejtjeinek szemmozgás körüli spontán aktivitása talán a sejtek ingerelhetőségének (vagy válaszkészségének, ami alatt az idesejtek ingerekkel szembeni megnövekedett érzékenységét értjük) változását követi. Reppas és mtsai felvetették, hogy talán az idegsejtek szakkád során tapasztalt csökkent tüzelési frekvenciája és válaszkészsége képezi a neurofiziológiai alapját a

13


szemmozgás során csökkent mozgási percepciónak, azaz a régóta vizsgált szakkádikus szupressziónak (Burr és mtsai., 1994; Diamond és mtsai., 2000; Reppas és mtsai., 2002.). Mások szerint ehhez még egyéb, jelentős kiegészítő mechanizmusok is társulnak, mint például az MT és MST mozgásérzékelésért felelős agyi területek idegsejtjeinek egy csoportjánál a szemmozgás időtartama alatt megfordul a mozgásérzékelés preferált iránya, következésképpen az ellentétes irányú mozgási jelek kioltják egymást és a mozgáspercepció csökken (Thiele és mtsai., 2002). Mindezek együtt felvetnek egy kézenfekvő, de mindezidáig nem tesztelt hipotézist, mely szerint az idegsejtek fixáció utáni megnövekedett aktivitásának hátterében egy olyan aktív folyamat állhat, amely a szemmozgás végén (azaz a fixáció kezdetekor) az új vizuális információra adott fokozott válaszkészséget eredményez. Ezt neveztük el Fixációhoz Kapcsolt Jelerősítő Hipotézisnek (lásd 5.4 fejezetben). Ennek a hipotézisnek a tesztelését azért tartjuk fontosnak, mert a látható világ megismerésében döntő szerepet játszanak a szakkádikus szemmozgások.

2.4 EEG oszcillációk és az idegsejtek válaszkészsége Az az elképzelés, hogy az idegsejtek válaszkészsége ritmikusan változik, és hogy ez összefüggésben lehet az agy spontán bioelektromos oszcillálóival, egyidős azzal, hogy Berger először vezetett el EEG hullámokat emberi skalpról (Berger, 1929). Bishop már 1933-ban vizsgálta ezt az elképzelést. Nyulak nervus opticusát ingerelte és a kiváltott válaszok amplitúdójának 5-8 Hz-es, ciklikus változását figyelte meg (ő ezt akkor alfa ritmusnak nevezte) (Bishop, 1933). Ennek a jelenségnek a szisztematikus vizsgálata azonban nem történt meg és a 70-es évek végéig (Pfurtscheller, 1976) gyakorlatilag alig-alig vizsgálták. Ennek több lehetséges oka van. Az egyik ahhoz az elképzeléshez kapcsolódik, ahogyan az eseményhez kötött potenciálok (EKP-k) keletkezésére tekintettek. A 60-as évek elejétől az eseményhez kötött potenciálok vizsgálatában egyre jobban elterjedt az átlagolási technika (Geisler, 1958; Dawson, 1951; Dawson, 1954). Ezzel a technikával a kis amplitúdójú EPK-k egyes komponensei jól láthatóvá, elkülöníthetővé, mérhetővé, kutathatóvá váltak. Lehetővé tette, hogy különböző pszichológiai folyamatok (pl.: figyelem, szemantikus feldolgozás, szabad agyi kapacitás mérése stb.) és az EKP komponensek közötti összefüggések empirikus úton vizsgálhatók legyenek. Az átlagolási technika azon az

14


elképzelésen alapszik, hogy a háttér EEG aktivitásra, mint zajra tevődik rá a kiváltott potenciál, mint jel. Azaz a mért aktivitás a jel és a zaj számtani összege és a kettő közötti összefüggés lineáris. Az átlagolás során a háttéraktivitás (zaj) amplitúdója csökken, azaz javítja a jel-zaj arányt. Ha azonban az EKP-k függnek a háttéraktivitástól, akkor ez az elterjedt nézet nem állja meg a helyét. Egy másik lehetséges ok szintén a 60-as évek elejére esik. Hubel és Wiesel egysejt-elvezetéses technikával végzett kísérletei az idegsejtek specifikus működésére irányították rá a figyelmet és az idegrendszer „szigorú huzalozottságát” (hard wire theory) helyezték előtérbe (Hubel, 1959; Hubel és Wiesel, 1962; Hubel és Wiesel, 1959). Kísérleteiknek jelentősége rengeteg kutatót fordított az egysejt-elvezetéses technika és a „szigorú huzalozottság” elmélete felé, ezzel párhuzamosan a mezőpotenciálok vizsgálata és az eseményhez kötött potenciálok jelentősége (és természetesen ezek összefüggéseinek vizsgálata) leértékelődött. Napjainkban azonban az oszcillációk vizsgálata reneszánszát éli. Az utóbbi időben egyre több bizonyíték gyűlt össze, amely a háttér EEG aktivitás szerepének jelentőségét hangsúlyozza a szenzoros kiváltott válaszok létrejöttében (Arieli és mtsai., 1996; Contreras és mtsai., 1996; Fiser és mtsai., 2004; Kisley és Gerstein, 1999; Kruglikov és Schiff, 2003; Lakatos és mtsai., 2005b; Polich, 1997; Rahn és Basar, 1993a; Rahn és Basar, 1993b; Sanchez-Vives és McCormick, 2000; Truccolo és mtsai., 2002), valamint azt, hogy az EEG oszcillációk az idegsejtek válaszkészségének ciklikus változását tükrözik (Fiser és mtsai., 2004; Lakatos és mtsai., 2005b; Pfurtscheller, 1976; Rudell, 1980; Sanchez-Vives és McCormick, 2000; Steriade és mtsai., 1993; Timofeev és mtsai., 1996). Ezen túlmenően többen kimutatták, hogy nemcsak az EKP-k, de egyes pszichológiai teljesítménymutatók (pl.: reakcióidők, célinger felismerése stb.) is összefüggést mutatnak az EEG egyes frekvenciasávjainak fázisával (Callaway és mtsai., 1960; Dustman és Beck, 1965; Rice és Hagstrom, 1989).

15


2.5 A szemmozgások szabályozása

A szemmozgásokat szabályozó rendszer a legegyszerűbb mozgásszabályozó rendszerek közé tartozik, mely a két szem mozgatásában részt vevő, mindössze 12 izom működését koordinálja. A szemmozgást szabályozó rendszer legfontosabb feladata, hogy a foveának, azaz a szivárványhártya legérzékenyebb részének pozícióját szabályozza. Mielőtt 1890-ben Edwin Lésott felismerte, hogy olvasás közben szemünk nem folyamatosan mozog, hanem kis „ugrásokat” végez, melyek mindegyikét rövid fixáció követi, a kutatók - bár fontosnak tartották a szemmozgások tanulmányozását a látás mélyebb megértése érdekében – azt feltételezték, hogy csak egyféle, folyamatos szemmozgás

létezik.

Ma

hat

különböző

szemmozgást

szabályzó

rendszert

különböztetünk meg, mely öt eltérő szemmozgástípusért felelős. A szakkádikus szemmozgáson túl megkülönböztetünk még követő vagy folyamatos szemmozgást, amely egy mozgó tárgy képét folyamatosan a foveán igyekszik tartani. A konvergáló szemmozgás a szemeket ellentétes irányba mozgatva egy adott távolságra lévő tárgy képét mindkét oldali retina ekvivalens részére helyezi. A vesztibuláris szemmozgás a fejmozgás során tartja a tárgy képét a sárgafolton a vesztibuláris rendszer információi alapján, az optokinetikus szemmozgás pedig a látórendszer információi alapján, folyamatos fejforgás során tartja a tárgy képét a foveán. A hatodik rendszer pedig a szem fixációját szabályozza. A céltárgy kiválasztását, melyre szemmozgásunk irányul, az agykéreg végzi. Az agykérgi jelek a motoros, mozgásszabályzó rendszerre a középagyban lévő colliculus superiorban kapcsolódnak át. Azonban sem a kérgi, sem a colliculus superior jelei nem tartalmaznak specifikus információt az egyes szemmozgató izmok számára. Ez az információ, azaz a szemizmok összehangolt működésének megtervezése az agytörzsben történik. Az egyes izmokhoz küldött jelek két komponensből állnak: az egyik a szem helyzetére, a másik a sebességére vonatkozik. Ezek az agytörzs eltérő helyén szerveződnek és a motoneuronokon konvergálnak. A horizontális és a vertikális szemmozgásnak eltérő agyi központjuk van: a vertikális szemmozgásban a középagyi, míg a horizontálisban a hídi formatio reticularis vesz részt.

16


A szemgolyó mozgatását szemenként négy egyenes (musculus rectus medialis, lateralis, superior, inferior) és két ferde izom (musculus obliquus superior és inferior) végzi. Ezek beidegzését három agyideg látja el. A musculus rectus lateralis beidegzését a nervus abducens végzi (VI. agyideg), melynek magja a hídban helyezkedik el. A musculus obliquus superiort a nervus trochlearis innerválja (IV. agyideg). Az összes többi szemmozgató izmot a nervus oculomotorius (III. agyideg) idegzi be. A III. és IV. agyidegek motoros magjai a középagyban találhatók. A következőkben sorra veszem a különböző szemmozgást szabályozó rendszereket, különös hangsúlyt fektetve ezen értekezés szempontjából kiemelkedő jelentőségű szakkádikus szemmozgásokra. Az eredmények többsége majmok

3. ábra A szakkádikus szemmozgás szerveződéséért felelős agyi központok és összeköttetéseik majomban. Az agytörzsi szakkád-generátorok bemenetet kapnak a colliculus superiorból. A colliculus serkentő bemenetet kap a frontális tekintésközpontból és a laterális intraparietális áreából, valamint gátló bemenetet kap a substantia nigrából. A substantia nigra a nucleus caudatus gátlása alatt áll, amely viszont serkentő bemenetet kap a frontális tekintésközpontból. Így a frontális tekintésközpont közvetlenül serkenti a colliculus superiort és közvetetten felszabadítja azt a substantia nigra gátlása alól. A szakkádok kontrollálásáért felelős kérgi központok lilával, a közbülső magok kékkel, míg az agytörzsi formatio reticularis barnával vannak jelölve [Goldberg ME. The control of gaze. In: Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM (eds) Principals of Neural Science, 4th Edition, McGraw-Hill, New York, 2000:793].

17


idegrendszerének vizsgálataiból származik, ezért a leírások elsősorban majmokra vonatkoznak (Fuchs és mtsai., 1985; Henn és mtsai., 1982a; Henn és mtsai., 1982b; Hepp és mtsai., 1982; Sparks, 1986; Sparks és Mays, 1990). Egyes részeknél külön feltüntetem az emberi szemmozgató idegrendszer károsodása következtében kialakuló klinikai szindrómákat. 2.5.1 Szakkádikus szemmozgás 2.5.1.1 Motoros végrehajtó hálózat és a szemmozgató izmok A külső szemizmok motoneuronjainak kisülési frekvenciája egyenesen arányos a szem helyzetével és sebességével (4. ábra). Ahogy a sebesség növekszik, úgy nő meg hirtelen a tüzelési frekvencia is, azaz szemmozgáskor a motoneuronok úgynevezett pulzusokban tüzelnek (pulzusaktivitás). Ennek köszönhető, hogy a szem olyan gyorsan éri el az új pozícióját, amilyen hamar csak tudja; ilyenkor a szemmozgás sebessége elérheti a 900º/s-ot is. Amint az új pozíciót elérte, az izmok egyenletes összehúzódása biztosítja az irány megtartását. A kiindulási és a végső tüzelés mértéke között szintkülönbség van, ezért a különbségét úgy írjuk le, mint egy „lépést” a tüzelési aktivitásban (lépésaktivitás). A lépés nagysága meghatározza a szemmozgás amplitúdóját, míg a pulzus nagysága meghatározza a szemmozgás sebességét. A pulzus hossza pedig meghatározza a szakkád hosszát. Azokat a sejteket, melyek a szakkádikus szemmozgás pulzus komponenséért felelősek, burst sejteknek nevezik. A vízszintes szemmozgásban szerepet játszó burst sejtek a hídban, a függőleges szemmozgásért felelősek pedig a középagyi formatio reticularisban helyezkednek el. Ezek a sejtek nagy frekvenciával kezdenek tüzelni az ellenoldali irányú szemmozgás kezdete előtt. A hídi formatio reticularis elektromos ingerlése ellenoldali irányú szemmozgást vált ki; a sejtek roncsolása pedig a szakkádok megszűnéséhez vezet, míg a folyamatos, követő szemmozgások épek maradnak (Cohen és Henn, 1972). Azok a sejtek, melyek a lépés komponensért felelősek, egyrészt a kisagyban (nucleus flocculus cerebelli), másrészt az agytörzsben helyezkednek el (nucleus vestibularis medialis, nucleus prepositus hypoglossi). Ezeknek a sejteknek a tónusos tüzelése (tónusos sejtek) tartja a szemeket az elért pozícióban. A burst sejtektől kapnak

18


4. ábra A szem pozíciójának és mozgási sebességének kódolása a motoneuronokban. A) A bal oldali nervus abducens kisülési frekvenciájának kapcsolata a szem pozíciójával és sebességével. B) A szakkádok kapcsolata a lépésaktivitással, amely a szem pozícióját kódolja és a pulzusaktivitással, amely a szemmozgás sebességéért felelős. Θ:szempozíció, D:sejttüzelési pulzusok (Fuchs and Luschei, 1970).

beidegzést és mivel a burst sejtek a szem sebességére vonatkozó információt kódolják, ebből az integrálszámítás neurális megfelelője révén, a szem helyzetére vonatkozó információhoz lehet jutni. A majmok ezen területek roncsolása után is képesek szakkádikus szemmozgásra, de az új pozíciót szemük nem tudja megtartani és középállásba kúszik vissza. Egy másik fontos sejttípust képeznek az úgynevezett szüneteltető sejtek, melyek a hídban helyezkednek el, a nucleus raphe dorsalisban. Ezek a sejtek folyamatosan tüzelnek, kivéve a szakkádot. A szemmozgás kezdete előtt nem sokkal abbahagyják a

19


tüzelést egészen a szakkád végéig. Ezen sejtek elektromos ingerlése megállítja a szemmozgást. A szünetsejtek tulajdonképpen GABA-erg interneuronok, amik a burst sejteket gátolják. Mivel a szakkádhoz mind a burst sejtek aktivitása, mind a szünet sejtek gátlása szükséges, ezért a szakkádikus szemmozgásokat szabályozó rendszer stabil, csak ritkán fordul elő akarattól független szakkád. Míg a musculus rectus lateralis motoneuronja a hídban közvetlenül kap beidegzést a burst és tónusus sejtektől, addig a musculus rectus mediális motoneuronja a hídban csak közvetve. Ezek a jelek előbb a nucleus abducens interneuronjaihoz mennek, amik aztán az ellenoldali nucleus oculomotoriushoz továbbítják az információt, a fasciculus longitudinális mediálison keresztül. Ennek a pályának az épsége elengedhetetlen az oldalirányú tekintéshez; léziója lehetetlenné teszi a horizontális irányú szakkádot és követő szemmozgást, de a konvergáló szemmozgások épen maradnak, mert azok motoneruronjai a középagyban helyezkednek el (Fuchs és Luschei, 1970; Henn és mtsai., 1982a). Károsodása emberben internuclearis ophtalmoplegiát okoz, mely a sclerosis multiplex gyakori tünete (Yoshikura és mtsai., 1979). 2.5.1.2 Colliculus superior Bár a hídi és középagyi burst sejthálózatok küldik a szakkád indításához szükséges motoros jeleket a szemizmoknak, azonban azt, hogy mikor történjen a szemmozgás és mire irányuljon, az agykéreg irányítja. A kéreg a colliculus superioron keresztül éri el az agytörzsi motoros végrehajtó hálózatokat. A középagyban elhelyezkedő colliculus superior legfőbb feladata, hogy integrálja a motoros és szenzoros jeleket és ennek megfelelően vezérelje a motoros végrehajtó hálózatot. Kétfelől kap motoros bemenetet: egyrészt a fali lebeny area intraparietalis lateralis (LIP) felől, másrészt a frontális tekintésközpontból (FEF). Gátló bemenete pedig a substantia nigrából származik. A colliculus superior funkcionálisan két részre különül: a felszíni rétegekre, valamint a nem felszíni rétegekre (középső és mély rétegek), melyeknek elkülönült feladatuk van. A felszíni rétegek mind a retinától, mind a primer látókéregből kapnak információt az ellenoldali látómezőről. Az itt elhelyezkedő sejtek tüzelési frekvenciája

20


szoros összefüggést mutat a szakkádikus szemmozgásokkal. Majmokon a sejtek tüzelése megnő, ha a szakkád a sejt receptív mezejében lévő tárgyra irányul. A középső és mély rétegek vizuális (V1, MT) és motoros (FEF, LIP) bemenetet is kapnak. Ezenkívül van akusztikus és szomatoszenzoros beidegzésük is. A sejtek receptív mezőik alapján a vizuális és akusztikus világról háromdimenziós térképeket alkotnak, valamint ezek a rétegek a test felszínéről is rendelkeznek reprezentációval. A tér azonos pontjára vonatkozó szenzoros és motoros sejtek egymás mellett helyezkednek el. Azok az idegsejtek tehát, melyek a tér egy adott pontján lévő tárgyra irányítják a szemet, ugyanabban a régióban helyezkednek el, mint azok a sejtek, melyeket a tárgy képe vagy hangja ingerületbe hoz. Egyes sejtek fokozott tüzelése már 200 ms-mal a szakkád kezdete előtt megnő és ez a szakkád kezdete után 300 ms-ig fennállhat (Peck és mtsai., 1980). A felszíni és középső rétegek egymástól függetlenül is aktiválódhatnak és nincs is közöttük erős, közvetlen összeköttetés. A felszíni rétegek inkább a pulvinarral és a thalamus lateralis posterior magjaival állnak összeköttetésben, ahonnan az információ az agykérgen keresztül kerül a középső rétegekbe. A colliculus superior teljes irtása az ellenoldali szakkádok megszűnését eredményezi, mely kiesett funkció idővel helyreáll. A colliculus superior legrosztrálisabb részén lévő idegsejtek vizuális fixáció során erőteljesen tüzelnek. Ezt a területet fixációs zónának is nevezik. Ezek a sejtek gátolják a kaudálisabban elhelyezkedő motoros sejteket, valamint a raphe dorsalis szüneteltető sejtjeit (Munoz és Wurtz, 1993a; Munoz és Wurtz, 1993b). 2.5.1.3 Basalis ganglionok A substantia nigra pars reticulata GABA-erg sejtjei gátolják a colliculus superiort. A gátlás csak a szemmozgás előtt szűnik meg, azáltal, hogy a nucleus caudatus gátolja a substantia nigra sejtjeit (3. ábra). Ez a gátlás hasonló ahhoz, ahogyan a hídi szüneteltető sejtek gátolják a motoros végrehajtó hálózat sejtjeit. 2.5.1.4 Fali lebeny A szakkádikus szemmozgás és a vizuális figyelem szorosan összefügg. Egyes vizuális ingerekre válaszoló, fali lebenyi idegsejtek tüzelése különösen megnő, ha a szakkád a vizuális ingerre irányul. Majmokon végzett kísérletek kimutatták, hogy ezen

21


sejtek tüzelési gyakorisága szintén megnő akkor, ha a majom az ingerre csak figyel, de nem néz rá. A fali lebeny egyoldali léziója egyrészt megnyújtja a szakkádok hosszát, másrészt azt idézi elő, hogy a majom figyelmen kívül hagyja az azonos oldali vizuális ingereket (Gaffan és Hornak, 1997; Lynch és McLaren, 1989; Mesulam, 1981; Valenstein és mtsai., 1982). Azok az emberek, akiknek kétoldali fali lebeny sérülése következtében Bálint szindrómájuk alakul ki, hajlamosak csak egy tárgyat észrevenni a látóterükben és nehezen terelődik figyelmük más ingerekre. Ezenkívül jellemző rájuk, hogy kevés szakkádikus szemmozgást végeznek (Malcolm és Barton, 2007; Moulignier és mtsai., 1995; Pierrot-Deseilligny és mtsai., 2002; Rafal, 2006). 2.5.1.5 Frontális tekintésközpont Az akaratlagos szemmozgások központja. Ezen a területen háromféle sejttípust különböztetünk meg. A vizuális idegsejtek vizuális ingerekre reagálnak. Ez különösen kifejezett, ha az inger a szemmozgás céltárgya is. Ellentétben a fali lebeny sejtjeivel, ezek a sejtek nem aktiválódnak, ha a majom az ingerre figyel, anélkül, hogy ránézne. A motoros sejtek a szemmozgás előtt és alatt tüzelnek. Ezeket a sejteket csak a majom viselkedése szempontjából releváns szakkádok aktiválják. Ezen sejtek axonjai a colliculus

superiorban

végződnek.

A

vizuális-motoros

idegsejtek,

mind

szemmozgáskor, mind vizuális ingerrel aktiválhatók. A frontális tekintésközpont kétféle módon aktiválja a colliculus superiort. Egyrészt közvetlenül serkenti a középső rétegek motoros sejtjeit, másrészt a nucleus caudatus aktiválásával felszabadítja a substantia nigra felőli gátlásból (3. ábra). További két agyi régió játszik még szerepet a szemmozgások szabályozásában. Az egyik a kiegészítő tekintésközpont, amely sejtjei a céltárgy helyzetéhez viszonyítottan kódolják a szemmozgást. Például a céltárgy jobb vagy bal oldalára irányuló szakkádok előtt aktiválódnak, nem pedig a szemmozgás abszolút téri iránya szerint. A másik a prefrontális kéreg dorsolaterális része, melynek sejtjei akkor aktiválódnak, ha a majom emlékezetből hajtja végre a szemmozgást egy céltárgyra. 2.5.1.6 Kisagy A motoros végrehajtó hálózat része. Ahogy korábban írtam, a nucleus flocculus cerebellinek elsősorban a szakkád utáni szempozíció fenntartásában van szerepe. Sejtjei

22


a burst sejtek pulzus információját felhasználva a lépésaktivitás mértékét állítják be. Irtása esetén a lépés mértéke hibás lesz a pulzushoz képest. A vermis dorsalis része és a nucleus fastigii pedig a lépésaktivitás egyenletes fenntartásában játszik szerepet. 2.5.2 Követő szemmozgás Ellentétben a szakkádikus szemmozgásokkal, amikor a szem egyik pontról a másikra ugrál, a követő vagy folyamatos szemmozgásoknál a szem mozgásának folyamatosan követnie kell egy mozgó tárgyat. A motoros végrehajtó hálózatot a nucleus vestibularis medialis és nucleus propositus hypoglossi képezi, amelyek a nucleus abducens és oculomotorius motoros magjait idegzik be. Bemenetüket a kisagyból kapják (nucleus flocculus cerebelli és a vermis), melyek a szem sebességére vonatkozó információt kódolják. A hídi formatio reticularis szintén részt vesz a követő szemmozgások szabályozásában és kap bemenetet a nucleus flocculus cerebelliből és a vermisből. Ezek a területek az agykéregből a híd dorsolaterális magjában átkapcsolódva kapnak beidegzést. Az agykéreg két területe vesz részt a követő szemmozgások irányításában. Az egyik a sulcus temporalis superior, gyrus temporalis medius és gyrus temporalis medius superior alkotta terület. A másik terület a frontális tekintésközpont. Az MT sejtjei, amelyek a retinális kép mozgására érzékenyek, abbahagyják a tüzelést, amint a szemmozgás következtében a tárgy retinális képének mozgása alábbhagy, annak ellenére, hogy a tárgy mozog. Az MST sejtjei a tárgy térbeli sebességét kódolják a szem mozgásából és a retinális kép mozgásából nyert információ alapján. Roncsolásukkal a majom elveszíti azt a készséget, hogy egy tárgyat szemével kövessen, ha a tárgy a roncsolt terület által reprezentált térrészben tűnik fel. MST lézió esetén a lézió oldala felé irányuló mozgást nem tudja követni a majom. Ezek a területek inkább a követő szemmozgás irányításában vesznek részt, mintsem az indításában. Az indításban sokkal nagyobb szerepe van a frontális tekintésközpontnak. Ezen terület idegsejtjeinek fokozott aktivitása az azonos oldali követő szemmozgásokhoz kapcsolódik. Emberekben a követő szemmozgást szabályozó rendszer sérülése bármely szinten (kérgi, kisagyi, agytörzsi) a követő szemmozgások lassulását eredményezi, melyet a beteg kis szakkádokkal korrigál.

23


2.5.3 Konvergáló szemmozgás Egy adott pillanatban a látható világ csak egy kis része esik az éleslátás helyére a retinán. Amikor egy közeli tárgyra nézünk, a távoli tárgyak homályosnak tűnnek, ha távolra, akkor a közelinek. A konvergáló szemmozgás a szemlélni kívánt tárgy távolságától függően a szemgolyókat különböző mértékben egymás felé forgatja. Létrejöttében csak a vízszintes rectus izmok vesznek részt (musculus rectus medialis és lateralis). Közelre nézéskor mindkét musculus rectus medialis megfeszül, míg távolba nézéskor a mediális egyenes izmok tónusa csökken és a laterálisoké nő meg. A középagyi formatio reticularis idegsejtjei vesznek részt a konvergáló szemmozgások szabályozásában. Ezekhez a sejtekhez közel helyezkednek el azok a sejtek, amelyek a musculus ciliaris összehúzódása révén a szemlencse görbületi fokát szabályozzák, így biztosítva, hogy a szemlélt tárgy képe, távolságának megfelelően, mindig a foveára essen (akkomodáció). 2.5.4 Vesztibuláris szemmozgás A vesztibuláris szemmozgások biztosítják, hogy egy tárgy képe akkor is a foveán maradjon, ha a fejünk elmozdul. Ezt a szemizmok vesztibulo-okuláris reflexe (VOR) teszi lehetővé. Ha a fejünk elmozdul, a belső fül labirintusának szőrsejtjei érzékelik, hogy a fej milyen irányban és milyen gyorsan mozdul el és a nervus vestibulocochlearison (VIII. agyideg) keresztül a nyúltvelői vesztibuláris magokhoz továbbítják az információt. Ezek pedig összeköttetésben állnak a szemizmokat beidegező rostok motoros magjaival. A fej mozgási sebességét és irányát aztán a szemmozgást szabályzó motoros végrehajtó rendszer használja fel, hogy a szemeket az adott tárgyon tudja tartani (Parker, 1980). A labirintus rendszerből érkező információ felhasználásának előnye, hogy a fej elmozdulásának kompenzálása nagyon gyors. A VOR

kiesése

(leggyakrabban

streptomycin

injekció

következtében)

következményekkel jár: a beteg látása a legkisebb fejmozdulatra is elhomályosul.

24

drámai


2.5.5 Optokinetikus szemmozgás Az optokinetikus szemmozgás - a vesztibuláris szemmozgásokhoz hasonlóan szintén a szemek egy adott tárgyon való fixálását segíti, de a vesztibuláris ingerek helyett látási információkra támaszkodik. Tulajdonképpen a VOR kiegészítője olyan esetekben, amikor az nem tudja a feladatát maradéktalanul ellátni. A VOR például gyorsan habituálódik és a szemet nem tudja tovább egy ponton tartani (ez sötétében megfigyelhető). A fej kis elmozdulásaira (pl.: amikor a megfigyelő mozog és távoli mozdulatlan tárgyakat néz) a vesztibuláris rendszer nem igazán érzékeny. Az optokinetikus rendszer ezzel szemben a retinális kép kis mozgására is érzékeny és kompenzálja, illetve kiegészíti a vesztibuláris rendszert.

25


3. CÉLKITŰZÉSEK Kísérleteink célja a szakkádikus szemmozgást és a vizuális fixációt kísérő elektrofiziológiai változások vizsgálata sokcsatornás multielektródával majmok látóidegrendszerében. Vizsgálataink a következő kérdésekre keresik a választ: •

Megfigyelhető-e sötétében szakkádikus szemmozgáshoz illetve fixációhoz kötött bioelektromos aktivitásváltozás a primer látókéregben?

•

Ha igen, milyen jellegzetességeket mutat? Ezen belül: o Mi jellemző az agykérgi áramforrás-sűrűség profiljára? o Hogyan viszonyul a vizuális kiváltott válaszokhoz? o A szemmozgás kezdetével vagy végével állnak-e szorosabb kapcsolatban?

•

Regisztrálható-e a látórendszer más területeiről is fixációhoz kötött aktivitásváltozás (CGL, V2, MT, IT)?

•

Milyen mechanizmusok állhatnak keletkezésének hátterében? Ezen belül a Fixációhoz Kapcsolt Jelerősítő Hipotézis tesztelése: szabad nézelődés során megnő-e az idegsejtek válaszkészsége a vizuális fixáció kezdetekor?

•

Mi lehet a fixációhoz kötött aktivitásváltozás látásban betöltött szerepe?

•

Mi lehet a szerepe általában a szenzoros információfeldolgozásban? Reményeink szerint vizsgálataink a látórendszer szerveződésének alaposabb

megismeréséhez, a szakkádikus szemmozgások és vizuális fixációk szerepének mélyebb megértéséhez vezethet a természetes látás folyamatában.

26


4. MÓDSZEREK 4.1

Kísérleti állatok Az értekezésben ismertetett kísérletekben összesen négy hím makákó majom

(három Macaca fascicularis és egy Macaca mulatta) vett részt. Súlyuk 6 és 9 kg között volt. A vizsgálatok során szigorúan betartottuk az állatkísérletek nemzetközi etikai normáit, valamint az Egyesült Államok Nemzeti Egészségügyi Szervezetének állatkísérletekre vonatkozó irányelveit (NIH Publication no. 86-23, revised 1985). A kísérletek az Albert Einstein College of Medicine, Departments of Neuroscience and Neurology, Bronx, New York, USA, valamint a Nathan S. Kline Institute for Psychiatric Research, Department of Life Sciences, Orangeburg, New York, USA intézetekben történtek.

4.2

Lokalizációs eljárások Ahhoz, hogy elvezetésünk az agy különböző mélységű területeiről sikeres

legyen, minél jobban ismernünk kell a kísérletekben szereplő majmok agyának egyedi anatómiai viszonyait. Ezért az állatok agyáról narkózisban MRI felvételeket készítettünk és meghatároztuk a látó- és hallókéreg, valamint az CGL sztereotaxikus pozícióit, felhasználva a koponyacsont egyes kitüntetett részeihez való relatív viszonyukat. Így a sztereotaxikus atlaszoknál lényegesen pontosabb anatómiai képet kaptunk. Ezeket az adatokat használtuk fel a műtéti előkészítés során, hogy minél pontosabban meghatározhassuk a koponyára illeszkedő vezetőcső mátrix helyzetét és dőlésszögét (Schroeder és mtsai, 1994). A mátrix dőlésszögét és így az elektródák szögét is az elvezetni kívánt agykéregre merőlegesen, ennek segítségével tudtuk meghatározni.

Ez

fontos

kritérium

az

egydimenziós

áramforrás-sűrűség

meghatározásához. Az MRI felvételt [Sigma Performance Plus 1.5 T MR Scanner (General Electric, Milwaukee, WI)] körülbelül 1.5-2 óra Nembutál (pentobarbital) narkózisban (i.v., 1215mg/ttkg) végeztük. Koronális T2 súlyozott spin echo szekvenciával (TR4000, TE30/90, 256x256 mátrix, négyszögletű 14 cm FOV, 3 mm szeletvastagság), majd T1

27


súlyozott 3D gradiens echo szekvenciával (TR55, TE17, theta 60 fok, 256x256 mátrix, 12 cm FOV, 1 mm szeletvastagság) készült felvétel 60 db képet biztosított. Az előbbi jó szöveti kontrasztot ad, az utóbbira az 1 mm-es szeletelés miatt a 3D rekonstukcióhoz volt szükség.

5. ábra A kísérleti állatok agyáról készített MRI felvételek. Bal oldalon a kísérleti állat agyának paramedián-szagittális, jobb oldalon a frontális MRI metszete látható. A nyilak a fontos tájékozódási pontokat jelzik. STS: sulcus temporalis superior, ITS: sulcus temporalis inferior, V1: elsődleges látókéreg, LGN: corpus geniculatum laterale. A nyilak iránya megegyezik a koponyára ültetett vezetőcső mátrixok és így a bevezetett multielektróda irányával. Látható, hogy az LGN megközelítéséhez szinte az egész agyszöveten keresztül kell hatolni.

Az elektródák pozíciójának ellenőrzésére szövettani vizsgálattal került sor. Az utolsó kísérlet alkalmával az egyik elektróda kontaktuson keresztül áramot folyattunk, ami kis, mikroszkopikus méretű léziót idézett elő a kontaktus körül. Ez szolgált a későbbiekben az elektróda kontaktusok és az agyszövet rétegeinek egymáshoz való viszonyának ellenőrzésére. Az adatgyűjtés befejeztével az állatokat feláldoztuk (Nembutal túlaltalás), meghatároztuk az egyes elektródák behatolásának pontos helyét és az agyról 40, 80 vagy 120 μm nagyságú metszeteket készítettünk a szúrt csatornával párhuzamosan. Néhány kivételtől eltekintve rekonstruálni lehetett az összes penetrációt, mivel azok elhelyezkedését a vezetőcső mátrix erősen meghatározta.

28


6. ábra A majom agyának 3D rekonstrukciója. A nyilak a fontos tájékozódási pontokat jelzik. STS: sulcus temporalis superior, ITS: sulcus temporalis inferior, V1: primer látókéreg.

7. ábra A majom agyának szövettani metszetei Nissl festéssel. A) Coronalis metszet a corpus geniculatum lateralen keresztül. B) parasagittalis metszet C) parasagittalis metszet D) Coronalis metszet. A nyilak az elektróda penetráció helyét jelzik. STS: sulcus temporalis superior, ITS: sulcus temporalis inferior, V1: primer látókéreg, LGN: corpus geniculatum laterale

29


4.3 Műtéti beavatkozás A majmok a műtéti beavatkozás előtt profilaktikusan antibiotikumot kaptak (harmadik generációs cephalosporin). Izomba adott Ketamin injekcióval elbódítottuk az állatot, majd perifériás vénán keresztül infúziós Nembutal (25 mg/ttkg pentobarbital) narkózisban végeztük a műtétet. A műtét aszeptikus körülmények között folyt az emberi gyógyászatban megszokott módon. A rektális hőmérséklet, a szívfrekvencia, a légzésszám, valamint a reflexingerlékenység folyamatos ellenőrzése mellett történt a beavatkozás. A műtétet követő öt napban az állatok antibiotikumot, fájdalomcsillapítót kaptak. Az állatok felépülése körülbelül két hétig tartott, ezután kezdtük fokozatosan a kísérleti körülményekhez való szoktatást. A műtét során a majom fejét sztereotaxikus műtéti berendezésbe helyeztük (Kraut és mtsai., 1985). A bőrt és a fasciát a középvonalban megnyitottuk. A temporális izmot a külső hallójáratig letoltuk. Ha túl nagynak ítéltük meg, a tömegét is megkisebbítettük a passzív izomtömeg következtében könnyen kialakuló fertőzést kivédendő. Minél szélesebb feltárásra törekedtünk, hogy a rögzítő rozsdamentes acélcsavaroknak stabil elhelyezést tudjunk kialakítani. Lekapartuk a csonthártyát is, egyfelől a sarjadzás megakadályozása miatt, másrészt ezzel a fogászati cementnek jobb kötőfelületet biztosítottunk. Egy kísérleti állatnál epidurálisan csontcsavar elektródák is elhelyezésre kerültek az agyfelszíni bioelektromos jelek elvezetésére. A feltárás után kijelöltük a vezetőcső mátrixok, föld-, referencia-, illetve csavarelektródák helyeit. A koponyacsontból a mátrix méretének megfelelő nagyságú kis részt eltávolítottunk, miközben a dura mater épségének megőrzésére ügyeltünk. 80100 db rozsdamentes acél csövecskét (átmérő: 18 gauge) egymással szorosan összeragasztva hoztuk létre a vezetőcső mátrixot, mely az elektródáknak az agyba történő bevezetését segítette. A mátrix aljára szigetelésnek szilikongumi réteg került, ezzel a fertőzés kialakulásának esélyét igyekeztünk csökkenteni. A csőmátrixot ráhelyeztük az eltávolított koponyacsonton keresztül az agyfelszínre úgy, hogy a szilikon réteg az ép dura materrel érintkezzen. A csöveket úgy helyeztük el az agyfelszínen egy befogó segítségével, hogy merőleges behatolást tegyenek lehetővé a vizsgálni kívánt agykéregbe, majd a mátrixot fogászati cementbe ágyaztuk.

30


Egy-egy csövet epidurálisan a fejtetőn és a homloklebeny fölött is elhelyeztünk, ezek szolgáltak később föld- illetve referenciaelektródaként. Ezenkívül a jobb rögzítés érdekében rozsdamentes acélcsavarokat helyeztünk el a koponyacsontban. Miután a cement megkötött, eltávolítottuk a mátrixokat rögzítő befogókat és az egész feltárt területet fogászati cementbe ágyaztuk. Ebben a koronában helyeztük el a fej fájdalommentes rögzítését szolgáló plexiüvegből készült rudakat is. A cement megkötése után a bőrt elöl és hátul összevarrtuk, a sebszélet antiszeptikummal kezeltük. A műtét után 5-6 órán keresztül folyamatos megfigyelés alatt tartottuk az állatokat.

4.4 Kísérleti paradigma, ingerek és a szempozíció detektálása A jelen értekezés tárgyát képező eredmények olyan kísérletek során gyűjtött adatokból származnak, melyek célja egyrészt a szelektív figyelem moduláló hatásának feltárása volt a vizuális illetve akusztikus információfeldolgozásban, másrészt az eseményhez kötött potenciálok keletkezési mechanizmusának jobb megértése. Az ingerek feldolgozásával kapcsolatos eredményeket Mehta és munkatársai illetve Shah és munkatársai közleményeiben találhatók meg (Mehta és mtsai., 2000; Shah és mtsai., 2004). Ezen értekezés azonban a szemmozgáshoz és a vizuális fixációhoz kötődő bioelektromos változások vizsgálatát helyezi középpontba. Jelen esetben azoknak az adatoknak az elemzésére összpontosítottunk, amikor az állatok a kísérleti paradigma végrehajtása közben két ingersorozat között várakoztak, sötét, hangszigetelt, elektromosan árnyékolt megfigyelőhelyiségben lévő primáta székben ültek, szabadon nézelődtek, feladatot nem hajtottak végre. Eredményeink ellenőrzése céljából kísérletünket megismételtük egy olyan majmon is, mely nem vett részt szelektív figyelmi feladathelyzetben. A kísérlet alatt az állat feje, bal felső végtagja és lábai a primáta székhez rögzítve voltak, jobb kezével egy válaszpedállal manipulált. A fotostimulátor berendezésen kívül nem volt más fényforrás a helységben. A kísérlet előtt a kísérletvezető

a

helyiségben

tartózkodva

meggyőződjön, nincs más beszűrődő fényforrás.

31

alkalmazkodott

a

sötéthez,

hogy


A szemek pozícióját egy infravörös szempozíció meghatározó rendszer (Stoeing, Model 4100/4500) segítségével, 1º-os felbontásban, 60 Hz-es mintavételi frekvenciával detektáltuk. Mivel összehasonlítás céljából az ingerhez kötött elektromos jelek egy részét is tárgyaljuk, ezért a következőkben röviden ismertetem a viselkedési paradigmát. Az ingersorozat akkor kezdődött, ha a majom egy fixációs pont körüli 4.5º-os ablakon belül nézett 500 ms hosszan és a pedált is lenyomva tartotta. Fixációs pontként a betanítási idő alatt egy LED (light-emitted diode) izzó szolgált. Amikor az állat megtanulta a fixációs pont helyzetét, az izzóra nem volt többé szükség; a kísérletek alatt a LED nem égett. Kakukktojás (oddball) paradigmához hasonlóan rövid akusztikus és vizuális ingereket adtunk váltakozva, 200-400 ms között véletlenszerűen váltakozó ingerek közötti intervallummal (ISI). Egy modalitáson belül a standard ingereket 86%-os, a deviánsokat 14%-os valószínűséggel adtuk. Az állatnak szelektíven kellett figyelnie az egyik, relevánsnak kijelölt modalitás ingereit, míg a másik, irreleváns modalitás ingereit figyelmen kívül hagyta. A releváns modalitás deviáns ingereit (célinger) kellett felismernie és a pedál felengedésével jeleznie. Ha ez a célinger után 120-650 ms-mal bekövetkezett, akkor jutalomképpen gyümölcslevet (0.2 ml) kapott. Az átlagos reakcióidő a vizuális csatornán 250-450ms, az akusztikus csatornán 150-350ms között mozgott. Ha a majom a deviáns ingeren kívül másra is jelzett, akkor 3 másodpercre leállt az ingersorozat és így megszűnt a jutalom lehetősége is. A releváns csatorna kijelölése a futamok elején történt. Ekkor az állat csak ebben a modalitásban kapta az ingereket. 8-10 helyes válasz után az irreleváns modalitás ingerei is megjelentek. Egy futamban 40-60 deviáns inger szerepelt. Utána hasonló módon került kijelölésre a másik modalitás, mint figyelendő csatorna. A futamok között olykor az ingerek fizikai sajátosságai is változtak. A kísérletek általában 2-4 óra hosszat tartottak, mely alatt 10-20 futam regisztrálására került sor. Ha az állat nem nézett a fixációs ablakba, vagy felengedte a pedált, az ingersorozat megszakadt, szünet következett. Ez addig tartott, míg a majom ismét lenyomta a pedált és a fixációs ablakba nézett.

32


A vizuális inger a majom előtti diffúzorra vetített, 10 µs hosszú villanólámpa fény volt, melyet a két Grass PS22 fotostimulátor egyike szolgáltatott. Egyik stimulátor a standard, a másik a deviáns ingereket szolgáltatta. A diffúzor 43 cm távolságra helyezkedett el a majom szemétől, és a látóteréből 11.8º-os területet fogott át. Sem a fotostimulátornak, sem a diffúzornak nem volt háttérvilágítása és nem volt más fényforrás a helységben a kísérletek alatt. A felvillanások színét és intenzitását a stimulátorok

előtt

elhelyezett

szűrőkkel

lehetett

változtatni.

A

maximális

transzmittancia/félamplitúdó sávszélesség standard vörös ingerek esetén 660 nm/141 nm volt. Korábbi kísérletek azt mutatták, hogy ez a fajta inger erős aktivitást vált ki számos látókérgi területen (Givre és mtsai., 1994; Givre és mtsai., 1995; Schroeder és mtsai., 1991; Schroeder és mtsai., 1995). A legtöbb futamban intenzitás diszkrimináció volt a feladat. Standard ingerek intenzitása 200 cd/m2 volt, míg deviánsok ennél kisebb. Ezen értekezésben csak a standard vörös ingerekre adott válaszokat tárgyaljuk. Az akusztikus ingerek 50 ms hosszú, 70 dB intenzitású tiszta szinuszos hangok voltak, egy futamban két különböző frekvenciával. A standard ingerek mindig alacsonyabb frekvenciájúak voltak (2 kHz), mint a deviánsok (2.1-4.0 kHz). Az ingereket hangszórók szolgáltatták. Az akusztikus ingerekre adott válaszokat jelen értekezésben nem tárgyaljuk.

4.5 Elvezetési technika A kérgi és kéreg alatti mezőpotenciálokat sokcsatornás multielektródával vezettük el. Ezek 10-12 cm hosszú, 300 µm átmérőjű, 14-16 kontaktusú rozsdamentes acélcsőből készült elektródák voltak (8. ábra). Az egyes kontaktusok egymástól azonos távolságra (150 µm) helyezkedtek el, átfogva a kéreg teljes vastagságát, lehetőséget adva, hogy az összes kérgi rétegből szimultán vezessük el a bioelektromos jeleket (Barna és mtsai., 1981; Karmos és mtsai., 1986a, 1986b; Schroeder és mtsai., 1998). A kísérlet időtartamára egy vagy két multielektródát vezettünk be a vezetőcső mátrixon keresztül a látókéregbe illetve a CGL-ba. A kísérlet előtt kijelöltük a használni kívánt vezetőcsövet, azt kitisztítottuk, antiszeptikummal fertőtlenítettük. Injekcióstűvel a szilikongumit átlyukasztottuk, utat készítve az elektródának. Mikropozícionáló egység segítségével vezettük az elektródát a kívánt helyre.

33


Az impedancia minden kontaktuson 0.1-0.3 MΩ között volt. Referenciaként a frontális epidurális elektróda szolgált. A kivonást, a jelek elsődleges tízszeres erősítését az elektródához közel elhelyezkedő előerősítő végezte (Karmos és mtsai, 1990). A végerősítők (Grass P5 és P12C) szűrési tartománya 1-3000 Hz illetve 3-3000 Hz, erősítésük 200-1000 szeres volt. A végerősítők kimeneti jelei PC-alapú rendszerrel 2000 Hz mintavételi frekvenciával folyamatosan regisztrálásra kerültek (Neuroscan®, El Paso, Texas). Bár ez az elrendezés a nagy frekvenciájú potenciálok mintavételi hibáját (aliasing) okozhatja, a jelek spektrális elemzése azt mutatta, hogy az oszcillációk teljesítményének túlnyomó többsége 50 Hz alá koncentrálódik és csak elhanyagolható teljesítményű jel mutatható ki 1 kHz felett (Schroeder és mtsai., 1998). A mezőpotenciálokkal párhuzamosan a soksejt-aktivitást (MUA) is regisztráltuk. A jelek 500-2000 Hz tartományban szűrtük (24 dB/oktáv meredekségben), teljes hullámban egyenirányítottuk (BF-094 MUA-filter) és 4000 Hz-es frekvenciával digitalizáltuk. A szempozíció koordinátáit, az egyes ingerek időpontját, a pedál helyzetét PC-alapú rendszerrel szintén folyamatosan regisztráltuk. A szempozíció adatai a kísérletvezérlő egységbe is befutottak (DataWave), ami képes volt az ingerek prezentációját a szempozíciónak megfelelően kontrollálni. Az ingereket Neuroscan Stim rendszer (Neuroscan®, El Paso, Texas) szolgáltatta.

4.6 Adatfeldolgozás Az értekezés tárgyát képező adatok öt agyi területről (V1, V2, MT, IT, CGL) és összesen 35 kísérleti ülésből származnak. Ezek megoszlása a következő: V1: 13; V2: 8; MT: 5; IT: 4; CGL: 5. Mindegyik régióban legalább két majomból származnak adatok. A szakkád kezdete és vége a szemmozgás sebessége alapján kerültek meghatározásra. Minden egyes szakkádra, amelyik meghaladta a 40º/s küszöböt (az ennél lassabb szemmozgást nem tekintettük szakkádnak), meghatároztuk a maximális sebességét. A szakkád kezdetét onnan számítottuk, amikor a szemmozgás meghaladta a maximális sebesség 10%-át. A fixáció kezdetének pedig azt tekintettük, amikor a szemmozgás sebessége a maximum 10%-a alá csökkent. A szakkád hossza a két időpont között eltelt idő. Csak azok a szakaszok kerültek feldolgozásra, amelyeknél a

34


fixáció hosszabb volt, mint 500 ms. Azokat a szakaszokat, amelyek pislogás vagy izom műterméket tartalmaztak, kizártuk az adatfeldolgozásból. Mind a szempozíció meghatározására, mind a rögzített bioelektromos jelek feldolgozására saját fejlesztésű MATLAB (The Mathworks Inc., Natik, MA) programkódokat használtunk. Az adatfeldolgozás első részében szakaszokra (epochokra) bontottuk a folyamatos felvételeket úgy, hogy ezek a szakaszok a szemmozgás kezdete (I), vége (II) és az ingeradás pillanata (III) előtt 500 ms-mal kezdődtek és 500 ms-mal utána fejeződtek be. Ezeket a szakaszokat külön-külön összeátlagoltuk a három helyzetnek megfelelően. Ez lehetővé tette, hogy külön vizsgálhassuk a szakkád kezdetéhez, végéhez és az ingerhez kapcsolódó hatásokat. Ezután egydimenziós áramforrás-sűrűség (current source density, CSD) profilokat számítottunk az átlagolt mezőpotenciálokból és az inger kiváltotta CSD profilok segítségével meghatároztuk a szupragranuláris, granuláris és infragranuláris rétegek elhelyezkedését, korábbi tanulmányok által felállított funkcionális kritériumok alapján (Givre és mtsai., 1995; Schroeder és mtsai., 1991, 1998). A 14-16 lineárisan elhelyezkedő elektróda kontaktusból egyidejűleg elvezetett mezőpotenciálok második téri deriváltjai jó közelítéssel adják meg az áramforrássűrűség értékeket. A CSD analízis a transzmembrán áramok helyét, irányát és sűrűségét jelöli ki, segítséget adva a mezőpotenciálok keletkezéséért felelős kérgi generátorok lokalizálásához. Ezen túlmenőleg az analízis a távoli, volumenvezetett (ú.n. far-field) potenciálok kiszűrésével lehetőséget ad arra, hogy a helyi idegsejti populáció szinaptikus aktivitását elkülönülten vizsgáljuk (Freeman és Nicholson, 1975; Lakatos és mtsai., 2005b; Nicholson, 1973; Schroeder és mtsai., 1995). Ezen módszerrel 150 µm-es térbeli és 0.5 ms-os időbeli felbontást tudtunk elérni. A CSD analízisről részleteket találhatunk Freeman és Nicholson (1975), Nicholson és Freeman (1975), Mitzdorf (1987) Tenke és mtsai (1993), valamint Ulbert és mtsai (2001a) közleményeiben. A becsült CSD érték egy j elektróda kontaktuson: CSDj = - (ij-ij+1)/h

(1)

ahol, ij a becsült áramerősség j és j+1 elektróda kontaktus között, h pedig a kontaktusok közötti távolságot jelöli. Az áramerősséget (ij ) az egymás melletti kontaktusokon mért mezőpotenciálok különbségéből számoljuk, osztva a kontaktusok közötti szöveti

35


ellenállással (r) és a kontaktusok közötti távolsággal (h) [a szöveti ellenállást homogénnek feltételezzük (Holsheimer, 1987; Mitzdorf, 1985)]. ij = (uj - uj-1)/rh

(2)

Az (1)-es és (2)-es egyenletet kombinálva a következő 3-pontos CSD formulához jutunk: CSDj = - ((uj-1 - uj) - (uj - uj+1))/rh2

(3)

A (3)-as egyenletet átrendezve: CSDj = - (uj-1 - 2uj + uj+1)/rh2

(4)

A (4)-es egyenletet használtuk minden esetben az áramforrás-sűrűség értékek kiszámításához. Számos tanulmányban a fenti vagy ahhoz hasonló számítást alkalmazták az áramforrás-sűrűség analízishez (Barth és mtsai., 1989; Buzsaki és mtsai., 1986; Chen és mtsai., 2006; Fu és mtsai., 2004b; Karwoski és mtsai., 1996; Lakatos és mtsai., 2007; Sukov és Barth, 1998; Ulbert és mtsai., 2001b, 2004) A kéreg teljes mélységében a sejtmembránokon keresztülfolyó árammennyiség összességének jellemzésére szolgál az AVREC (averaged rectified current source density). Ez gyakorlatilag azt jelenti, hogy a CSD-t minden csatornán egyenirányítottuk és ezeket összeátlagoltuk. Ha az AVREC-et minden egyes egyedi válaszra kiszámoljuk és ezután készítünk átlagot, akkor sAVREC-et kapunk. Ez abban különbözik az AVREC-től, hogy míg az AVREC csak a fázis-kötött (kiváltott) aktivitást tartalmazza, addig az sAVREC mind a fázis-kötött, mind a fázisban nem kötött (indukált) aktivitásról információt ad. Hasonlóképpen, a kéreg teljes mélységében a sejtek tüzelésének összességét az AVMUA (averaged multi unit activity) mutatja. Az egyedi válaszon alapuló sAVMUA és az AVMUA megegyezik, mivel a soksejt-aktivitás egyenirányítását már az erősítő elvégezte az adatrögzítést megelőzően. Az adatfeldolgozás második részében az egyedi válaszok közötti fáziseloszlást határoztuk meg az epoch minden időpillanatára. Ahhoz, hogy az egyedi válaszokon alapuló adatfeldolgozást a nagymennyiségű adat miatt kezelhetővé tegyük, redukálni kellett a feldolgozandó adatmennyiséget (Shah és mtsai., 2004). Minden csatornán egyenirányítottuk a CSD értékeket (azaz abszolút értékét vettük) és kiválasztottunk mind a három rétegből egy csatornát, amelyik a legnagyobb görbe alatti területtel rendelkezett. Ezt minden kísérleti elvezetésre elvégeztük.

36


A fázis meghatározáshoz Hilbert transzformációt alkalmaztunk (Kruglikov és Schiff, 2003; Le Van és mtsai., 2001; Netoff és Schiff, 2002; Pereda és mtsai., 2005; Quian és mtsai., 2002; Rosenblum és mtsai., 1996). A Hilbert transzformációt széles frekvenciaspektrumú jeleken használtuk, azaz nem szűrtük előzetesen az EEG-t. Ezzel megőriztük az eredeti EEG jel nagy időbeli felbontásának előnyét, amit szűrés esetén vagy wavelet transzformáció esetén elvesztettünk volna, egyben elkerültük a lehetséges műtermékeket, amiket ezek a módszerek generálhatnak (Kruglikov és Schiff, 2003; Netoff és Schiff, 2002). A Hilbert transzformáció egy jól alkalmazható módszer a széles frekvenciaspektrumú, zajos jelek (mint amilyenek az EEG/CSD jelek is) fázisának meghatározásához, amit számos tanulmányban használtak ilyen típusú jelek vizsgálatára (Breakspear és mtsai., 2004; Haslinger és mtsai., 2006; Kruglikov és Schiff, 2003; Netoff és Schiff, 2002). A módszer előnye az, hogy széles frekvenciaspektrumú jelek esetében is megadja a fázist úgy, hogy a legnagyobb teljesítményű frekvenciakomponens fázisát határozza meg, függetlenül attól, hogy az milyen frekvenciatartományba esik (delta, théta, alfa stb.). Még ha a jel zajos is, a számított fázis kijelöli a maximum és minimumpontokat, így alkalmas az oszcillációk dinamikájának vizsgálatára. Hogy elkerüljük a nagy frekvenciájú és amplitúdójú zajok által okozott esetleges hibákat, statisztikai módszert (Rayleigh-teszt) alkalmaztunk a Hilbert transzformáció által kapott eredmények kiértékelésére. A Rayleigh-tesztet minden időpillanatra alkalmaztuk a fixációt megelőző -500 ms-tól a szakkádot követő +500 ms-ig, így az analízisablak 0.5 ms széles és az egyes időpillanatokban kapott értékek egymástól függetlenek. Ezen túlmenőleg, hogy a Hilbert transzformáció által kapott eredmények és az idegsejtek oszcillációja közti összefüggéseket közvetlenebbül is megvizsgáljuk, kiszámítottuk a fáziskoncentrációt valamint az EEG teljesítményét (amplitúdóját) a fixációt megelőzően (-300 ms) és azt követően (77.5 ms) három frekvenciasávban [delta/téta (3-8 Hz), alfa/béta (8-20 Hz) és béta/gamma (20-58 Hz)] a szupragranuláris, granuláris és infragranuláris rétegekben külön-külön. Mind a három rétegben először megszűrtük az EEG jeleket a három frekvenciasávnak megfelelően, majd a Hilbert transzformációt alkalmaztuk ezekre a sávokra. Ennek eredményeként mind a három frekvenciasávra fázis és amplitúdó értékeket kaptunk. Ezután Rayleighteszt segítségével meghatároztuk a fáziskoncentrációkat [azaz kiszámítottuk a Rayleighteszt R paraméterét és az egyedi válaszok közti koherenciát (Makeig és mtsai., 2002;

37


Tallon-Baudry és Bertrand, 1999)] minden frekvenciasávban. Páros t-próbát alkalmaztunk a fixáció előtti és utáni amplitúdó-értékek statisztikai összehasonlítására. Az adatfeldolgozás harmadik részében meghatároztuk az inger kiváltotta válasz amplitúdóját az inger időpontjában mért EEG fázis függvényében. Ehhez a Hilbert transzformációval nyert fázisokat –π-tól +π-ig sorba rendeztük. Ezután a sorbarendezés során nyert permutációs vektort alkalmaztuk az inger kiváltotta válasz amplitúdóértékeire. A teljes ciklust hat egyenlő részre osztottuk és azokat az amplitúdókat átlagoltuk össze, amelyek ugyanabba a ciklusrészbe estek a fázis alapján (28. ábra). Ha a vizuális kiváltott válaszokat rendezzük növekvő sorrendbe amplitúdó-értékek szerint és a permutációs vektort a fázis értékekre alkalmazzuk, akkor meghatározhatjuk azt a fázist, ami a legnagyobb amplitúdójú választ kíséri. Ezt neveztük el ideális fázisnak. Azt a fázist pedig, ami a legkisebb amplitúdójú válasszal jár együtt, rossz fázisnak hívjuk. Az ideális és rossz fázis közötti CSD amplitúdó különbség az ideális és rossz fázisban mért amplitúdó-értékek különbségéből adódik. Ezt a különbséget meghatároztuk mind a vizuális ingerlést megelőző (-170 ms-tól az inger időpontjáig terjedő), mind az ingert követő (30 ms-tól 200 ms-ig terjedő) időtartamra. Az amplitúdó- és frekvenciaértékeket Student féle t-próbával elemeztük statisztikailag. fáziseloszlási

A

fázisokat

minta

cirkuláris

összehasonlítására

statisztikai Watson

U2

tesztekkel tesztet

analizáltuk.

Két

használtunk.

Egy

fáziseloszlásnak a véletlenszerű eloszlástól való eltérését Rayleigh-próbával teszteltük. .

38


5. EREDMÉNYEK 5.1

Lokális szemmozgás-potenciálok

5.1.1 V1 área A 8.A ábrán egy jellegzetes, primer látókéreg (Brodmann 17) foveát reprezentáló területéről származó, felvillanó vörös fény által kiváltott áramforrássűrűség térkép látható. Az ábra bal oldalán az elektróda sematikus rajza helyezkedik el a látókéregben elfoglalt pozíciójának megfelelően. A színkódolt CSD térképre ráhelyezve, görbék mutatják a soksejt-aktivitást (MUA-görbék) a szupragranuláris, granuláris és infragranuláris rétegekben. Fontos, hogy ezek az MUA adatok egyidőben kerültek felvételre a CSD értékekkel (lásd 4.5 fejezetet). Az irodalom alapján ez az ábra egy V1 áreára jellemző, tipikus, fényingerrel kiváltott CSD profilnak megfelelő képet mutat (Givre és mtsai., 1995; Mehta és mtsai., 2000; Schroeder és mtsai., 1991). A kezdeti aktivációt egy „elektromos nyelő” (angol nevén „current sink”) reprezentálja, ami a sejtek belseje felé irányuló áramot jelent, azaz a környező extracelluláris tér negatív

(az

ábrán

piros-sárga

színnel

jelölve).

Ezt

a

sejtek

tüzelési

frekvencianövekedése kíséri (MUA csúcs; lásd nyíl). Az „elektromos nyelő” soksejtaktivitásnövekedéssel párosulva az idegsejtek depolarizációjára utal. Ez a korai depolarizáció a primer látókéreg 4c rétegére jellemző (Schroeder és mtsai., 1998; Ulbert és mtsai., 2001b). A szupragranuláris réteg valamivel később kerül izgalmi állapotba. A granuláris-szupragranuláris aktiválódási sorrend jellegzetes a CGL-ből jövő, specifikus szenzoros információt hordozó thalamokortikális rostok által az elsődleges látókéregben kiváltott kérgi izgalmi állapotra [„előrefelé haladó” vagy feedforward aktivitásmintázat (Givre és mtsai., 1995; Jones, 1998a; Schroeder és mtsai., 1998)]. A 8.B ábrán a vizuális fixáció kezdetéhez kötött, átlagolt CSD profil és MUA görbék láthatóak. Az adatrögzítés teljes sötétben történt és ugyanabban az elektródapozícióban, mint a 8.A ábrán látható felvételnél (ez annak a következménye, hogy a felvételek felváltva követték egymást, lásd 4.5 fejezetet). Az ábrán látható, hogy a fixációhoz időben kötötten, a sötétben is aktiválódik a primer látókéreg. Ez az

39


aktiváció azonban kisebb, mint ami az erős felvillanó fénnyel kiváltható (mind a CSD profil, mind az MUA görbék kalibrációja eltérő a 8.A és 8.B ábrán).

8. ábra Ingerhez illetve vizuális fixációhoz kötött idegsejti aktivitás kérgi profiljai a primer látókéregben. Az ábrán egy kísérleti elvezetésből származó, átlagolt idegsejti aktivitásmintázat látható. A bal oldali inzert egy sematikus multielektróda pozícióját mutatja a szenzoros kéregben (. A sötét körök jelzik az elvezetési pontokat, ahol a mezőpotenciál és a soksejtaktivitás (MUA) regisztrálásra került. Az egyes elektródok közötti távolság 150 µm. A legfelső elektród a kéregfelszínhez közel, az utolsó a fehérállomány és a kéreg határán fekszik. Az egyes rétegek számmal és betűvel jelöltek az ábra bal szélén. Az egyes rétegek határai (vízszintes szaggatott vonalak jelölik) korábbi tanulmányok által felállított funkcionális kritériumok szerint kerültek meghatározásra (lásd Módszerek fejezetben). A) Ingerhez kötött átlagolt áramforrássűrűség (CSD) térkép valamint ráhelyezett MUA görbék egy-egy elektródáról. A CSD profilokat a mezőpotenciálokból számítottuk és színkódoltan ábrázoltuk. Az áram „nyelők” (piros) a sejtek belseje felé haladó transzmembrán áramokat jelzik; az áram „források” (kék) a kifelé irányuló áramokat mutatják. Nyíl jelzi a thalamikus bemenet következtében létrejövő aktivációt a 4C rétegben. A korai MUA oszcilláció jelentős mértékű nyelővel párosulva a specifikus thalamikus pályák bemeneti aktivációját jelzi (Schroeder et al., 1998). B) Fixáció kezdetéhez kötött átlagolt CSD profil és MUA görbék. Az ábra alján néhány, horizontális szempozíciót ábrázoló görbe látható. Az egyedi válaszokat (n=100) a fixáció kezdetének megfelelően rendeztük és átlagoltuk össze. A CSD és MUA profilok a B ábrán nagyobb erősítésűek, mint az A ábrán. Mind az ingerhez kötött, mind a fixációhoz kötött aktivitások ugyanabból a kísérleti elvezetésből származnak és azonos elektróda pozícióban kerültek felvételre.

40


A fixációhoz és az vizuális ingerhez kötött válaszok amplitúdójában mutatkozó különbségeket a 10. ábra foglalja össze. A kétfajta válasz között azonban nemcsak mennyiségi, hanem jelentős minőségi különbség is látható. A fixációhoz kötött válasz nem „előrefelé haladó” aktivitásmintázatot mutat, mint a fény által kiváltott válasz esetében, hanem az aktiváció erősen a szupragranuláris rétegek felé tolódott. A szupragranuláris rétegekben végződnek a thalamus nem specifikus magvaiból jövő szinapszisok (Gattass és mtsai., 2005) valamint a koniocelluláris rendszerhez tartozó axonok (Fu és mtsai., 2004a; Jones, 1998a, 1998b). Az egyes rétegek aktivációjának pontos tér- és időbeli viszonyainak elemzése nehézségbe ütközik az alacsony jel-zaj arány miatt. Ennek oka egyrészt a szemmozgások monitorozásának viszonylag durva időbeli felbontása (~17 ms), másrészt a fixáció kezdetének pontatlanabb meghatározása a fénnyel kiváltott válaszokhoz képest. Az alacsony jel-zaj arány miatt az aktivációs mintázat tér és időbeli viszonyainak pontos elemzése nem lehetséges, mivel könnyen téves következtetésre lehetne jutni. A 8.B ábrán feltűnő azonban, hogy a szemmozgást megelőzően mind a CSD, mind a soksejt-aktivitás csökkent. Ez azért érdekes, mert a MUA csökkenést általában vagy „forrás” kíséri (angol nevén „source”; az extracelluláris tér felé irányuló áram) abban az esetben, ha aktív gátlási folyamatról van szó, illetve nem kíséri áramforrássűrűség változás akkor, ha passzívan záródik az áramkör (Mitzdorf, 1985, 1987; Schroeder és mtsai., 1998; Ulbert és mtsai., 2001a). Hogy képet kaphassunk a vizuális fixációhoz kapcsolódó transzmembrán áram és a MUA aktivitás időbeli változásáról az egész mintára vonatkozólag, kiszámítottuk a normalizált, nagyátlag AVREC, sAVREC (egyedi válaszonként egyenirányított CSD) és a hozzájuk tartozó AVMUA görbéket (az átlagolás a fixáció kezdetéhez történt). A 9. ábra a nagyátlag sAVREC és AVMUA görbéket mutatja. Látható, hogy a fixációt megelőzően mind a szinaptikus (sAVREC), mind a tüzelési (AVMUA) aktivitás csökken és ez a csökkenés mindkét esetben a szemmozgás kezdete körül éri el a minimumát [az átlagos szakkád időtartam 84 ms ± 33.6 (standard deviancia) volt]. A fényingerrel kiváltott válaszok hasonló analízise kapcsán ilyen jelenséget nem írtak le (Givre és mtsai., 1994; Givre és mtsai., 1995; Mehta és mtsai., 2000; Schroeder és mtsai., 1998; Shah és mtsai., 2004).

41


Ennek feltétezett jelentőségét a 6.2 fejezetben fejtem ki részletesen. A szemmozgást követően azonban a neurális aktivitás fokozatosan nő. Az sAVERC 77.5 ms-nál, az AVMUA 51 ms-nál éri el maximumát. Ezt követően folyamatosan csökken mindkét aktivitás és kb. 200-250 ms-mal később érik el az alapvonalat. A fixációt megelőző gátlás (szuppresszió) és az azt követő fokozott aktivitásnövekedés az idegsejtek működésének tehát az egész mintára jellemző sajátossága. A fixáció utáni növekedés mindkét esetben szignifikáns (sAVREC: páros t-próba, p<0.01, n=13; AVMUA: páros t-próba, p<0.05, n=5). A csökkenés azonban csak az sAVREC esetében érte el a szignifikanciaszintet (páros t-próba, p<0.01, n=13). Ha összehasonlítjuk a 9. ábrán az AVREC görbét az sAVREC görbével, akkor a legszembetűnőbb különbség, hogy az AVREC a fixációt megelőzően nem mutat csökkenést a szinaptikus aktivitásban, szemben az sAVREC-kel. Ez arra utal, hogy a csökkenés a szemmozgáshoz nem fáziscsatolt idegsejti működést érinti elsősorban. Ha a szemmozgás végéhez szinkronizált AVREC, sAVREC és AVMUA görbéket (9. ábra, bal oszlop) összehasonlítjuk a szemmozgás kezdetéhez szinkronizált görbékkel (9. ábra, jobb oszlop), akkor azt látjuk, hogy tendenciájukban nagyfokú hasonlóságot mutatnak. A fixáció utáni aktivitásnövekedés azonban szignifikánsan nagyobb abban az esetben, ha az átlagolás a szemmozgás végéhez szinkronizált (p<0.05, páros t-próba). Ez arra utal, hogy a fixáció utáni aktivitásnövekedés jobban csatolt a fixációhoz, mint a szemmozgás megindulásához. A 10. ábrán láthatóak a szemmozgás kezdetéhez illetve végéhez kötött válaszok amplitúdójában mutatkozó különbségek.

42


9. ábra Csatornák között átlagolt soksejt-aktivitás (AVMUA), csatornák között átlagolt, egyenirányított transzmembrán áram (AVREC) és egyedi válaszokon alapuló AVREC (sAVREC) normalizált nagyátlagai a V1 áreában. A bal oszlopban az aktivitásokat a szemmozgás végéhez, míg a jobb oszlopban a szemmozgás elejéhez szinkronizáltuk. A normalizálás az ülésenkénti legnagyobb csúcstól csúcsig mért amplitúdóhoz viszonyítottan történt. A szaggatott vonalak a második standard hibát (± 2SEM) jelzik. A függőleges vonalak a bal oszlopban a szemmozgás végét (fixáció kezdetét), a jobb oszlopban a szemmozgás kezdetének időpontját jelölik. A vízszintes vastag csíkok az alapvonaltól való szignifikáns eltérés időtartamát jelzik (p<0.01 az AVREC és sAVREC görbéknél és p<0.05 az AVMUA esetében)

43


10. ábra Szakkád kezdetéhez kötött, fixáció kezdetéhez kötött és ingerhez kötött aktivitások csúcsamplitúdóinak nagyátlagai (átlag ± SEM) a primer látókéregben. A) Csatornák között átlagolt, egyenirányított transzmembrán áram (AVREC) csúcsamplitúdói a különböző kondíciókban. B) Csatornák között átlagolt soksejt-aktivitás (AVMUA) csúcsamplitúdói a különböző kondíciókban. A szignifikáns eltéréseket az oszlopok feletti csillag jelöli (egy csillag: p<0.05; két csillag: p<0.01).

5.1.2 V2 área A 11. ábrán a fixáció kezdetéhez szinkronizált, átlagolt CSD profil és MUA görbék láthatóak a V2 vizuális áreából. A primer látókéreghez hasonlóan a V2 área is aktiválódik a fixációt követően, ahhoz időben kötötten, mindenfajta fényforrás hiányában. Ez az aktiváció mind a CSD, mind a MUA esetében kisebb amplitúdójú, mint egy erős felvillanó fénnyel kiváltott válaszé (13. ábra). A 11. ábrán látható CSD profil hasonlít a primer látókéregben látotthoz: itt is a szupragranuláris rétegek dominálnak. Összességében elmondható, hogy a V2-ből elvezetett CSD és MUA mintázatok meglehetősen heterogének, változatosak. Az aktivációs mintázat pontos időbeli viszonyainak elemzése a heterogén elvezetések és az alacsony jel-zaj arány miatt nem célszerű. Itt is megfigyelhető azonban a soksejt-aktivitás csökkenése a fixációt megelőzően és a megnőtt aktivitás a szakkádot követően. Ez a mintázat az egész V2 populációra általánosan jellemző, ahogy ez a 12. ábrán látható.

44


11. ábra Fixáció kezdetéhez kötött átlagolt áramforrás-sűrűség (CSD) térkép valamint ráhelyezett MUA görbék a V2 látókérgi áreában. Az egyedi válaszokat (n=100) a fixáció kezdetének megfelelően rendeztük és átlagoltuk össze. Az egyes rétegek határát vízszintes szaggatott vonalak jelölik (lásd a Módszerek fejezetben). A CSD profilokat a mezőpotenciálokból számítottuk és színkódoltan ábrázoltuk. Az áram „nyelők” (piros) a sejtek belseje felé haladó transzmembrán áramokat jelzik; az áram „források” (kék) a kifelé irányuló áramot mutatják.

A V2 vizuális régióban is megfigyelhető az a primer látókéregben már látott jelenség, hogy az AVMUA csökkenést sAVREC csökkenés kíséri a fixációt megelőzően. A csak fáziscsatolt aktivitást tartalmazó AVREC nem mutat a fixációt megelőző szignifikáns csökkenést, viszont markáns növekedést mutat a szemmozgást követően, mely már a fixáció előtt elkezdődik és a szakkádot követően kb. 90-100 ms-mal éri el csúcspontját. A szemmozgás megállása után, az AVMUA és az sAVREC is szignifikáns növekedést mutat és nagyjából egyidőben érik el maximumukat. Megfigyelhető, hogy a növekedés sokkal inkább kifejezett, mint a fixációt megelőző csökkenés. A szakkád kezdetéhez szinkronizált aktivitások (12. ábra, jobb oszlop) alapvetően hasonló mintázatot mutatnak, mint a szakkád végéhez szinkronizált aktivitások (12. ábra, bal oszlop).

45


12. ábra Csatornák között átlagolt soksejt-aktivitás (AVMUA), csatornák között átlagolt, egyenirányított transzmembrán áram (AVREC) és egyedi válaszokon alapuló AVREC (sAVREC) normalizált nagyátlagai a V2 áreában. A bal oszlopban az aktivitásokat a szemmozgás végéhez, míg a jobb oszlopban a szemmozgás elejéhez szinkronizáltuk. A normalizálás az ülésenkénti legnagyobb csúcstól csúcsig mért amplitúdóhoz viszonyítottan történt. A szaggatott vonalak a második standard hibát (± 2SEM) jelzik. A függőleges vonalak a bal oszlopban a szemmozgás végét (fixáció kezdetét), a jobb oszlopban a szemmozgás kezdetének időpontját jelölik. A vízszintes vastag csíkok az alapvonaltól való szignifikáns eltérés időtartamát jelzik (p<0.01 az AVREC és sAVREC görbéknél és p<0.05 az AVMUA esetében)

46


Az egyetlen lényegi eltérés a latenciákban mutatkozik közöttük. Az amplitúdóban mutatkozó különbségek az egyes kísérleti ülések közti szinkronizációs eltérésből adódnak. A szemmozgás kezdetéhez szinkronizált válasz a V2 áreában is kisebb, mint a fixáció kezdetéhez kötött aktivitás, de a különbség nem éri el a szignifikanciaszintet (p>0.05, páros t-próba) (13. Ábra). A felvillanó fény által kiváltott válaszok amplitúdója szignifikánsan nagyobb az AVREC esetében. Ez a tendencia megfigyelhető a soksejtaktivitásban is, de a válaszamplitúdók között nincs szignifikáns eltérés.

13. ábra Szakkád kezdetéhez kötött, fixáció kezdetéhez kötött és ingerhez kötött aktivitások csúcsamplitúdóinak nagyátlagai (átlag ± SEM) a V2 áreában. A) Csatornák között átlagolt, egyenirányított transzmembrán áram (AVREC) csúcsamplitúdói a különböző kondíciókban. B) Csatornák között átlagolt soksejt-aktivitás (AVMUA) csúcsamplitúdói a különböző kondíciókban. A szignifikáns eltéréseket az oszlopok feletti csillag jelöli (egy csillag: p<0.05; két csillag: p<0.01)

5.1.3 MT área A korábban látottakhoz hasonlóan az MT régió esetében is megfigyelhető a sejtek aktiválódása teljes sötétben a fixációt követően, ahhoz időben szorosan kötötten. A 14. ábrán a fixáció kezdetéhez szinkronizált, átlagolt CSD profil és MUA görbék láthatóak az MT áreából. Ez az aktiváció is kisebb amplitúdójú, mint egy erős felvillanó

47


fénnyel kiváltott válaszé, de ez csak az AVMUA estében éri el a szignifikáns szintet (p<0.05) (16. ábra). A 14. ábrán bemutatott példa esetében az infragranuláris rétegek előbb aktiválódnak, mint a granuláris vagy szupragranuláris rétegek. Ez azonban nem általános jellemzője az MT területről származó elvezetéseknek. Az erről a területről származó profilok is meglehetős változékonyságot mutatnak. Az aktivációs mintázat pontos időbeli viszonyainak elemzésére ezért nincs mód. Itt is megfigyelhető azonban a soksejt-aktivitás csökkenése a fixációt megelőzően és a megnőtt aktivitás a szakkádot követően. Ez a mintázat az összes MT régióból származó elvezetésre jellemző. Ennek összefoglalóját mutatja a 15. ábra.

14. ábra Fixáció kezdetéhez kötött átlagolt áramforrás-sűrűség (CSD) térkép valamint ráhelyezett MUA görbék az MT látókérgi áreában. Az egyedi válaszokat (n=100) a fixáció kezdetének megfelelően rendeztük és átlagoltuk össze. Az egyes rétegek határát vízszintes szaggatott vonalak jelölik (lásd a Módszerek fejezetben). A CSD profilokat a mezőpotenciálokból számítottuk és színkódoltan ábrázoltuk. Az áram „nyelők” (piros) a sejtek belseje felé haladó transzmembrán áramokat jelzik; az áram „források” (kék) a kifelé irányuló áramot mutatják.

48


15. ábra Csatornák között átlagolt soksejt-aktivitás (AVMUA), csatornák között átlagolt, egyenirányított transzmembrán áram (AVREC) és egyedi válaszokon alapuló AVREC (sAVREC) normalizált nagyátlagai az MT áreában. A bal oszlopban az aktivitásokat a szemmozgás végéhez, míg a jobb oszlopban a szemmozgás elejéhez szinkronizáltuk. A normalizálás az ülésenkénti legnagyobb csúcstól-csúcsig mért amplitúdóhoz viszonyítottan történt. A szaggatott vonalak a második standard hibát (± 2SEM) jelzik. A függőleges vonalak a bal oszlopban a szemmozgás végét (fixáció kezdetét), a jobb oszlopban a szemmozgás kezdetének időpontját jelölik. A vízszintes vastag csíkok az alapvonaltól való szignifikáns eltérés időtartamát jelzik (p<0.01 az AVREC és sAVREC görbéknél és p<0.05 az AVMUA esetében).

49


A csökkent aktivitás csak az AVMUA esetén éri el a szignifikáns küszöböt, sAVREC esetén csak tendencia figyelhető meg. Azonban itt is inkább szuppresszió, mintsem aktiváció jellemzi az egyedi válaszon alapuló transzmembrán áramokat a szakkádot megelőzően. Az AVREC nem mutat a fixációt megelőző csökkenést, viszont markáns növekedést mutat a szemmozgást követően, mely már a fixáció előtt elkezdődik és a szakkádot követően kb. 40-50 ms-mal éri el csúcspontját. A szemmozgás megállása után, az AVMUA és az sAVREC is markáns növekedést mutat, mely sokkal kifejezettebb a szemmozgást megelőző csökkenésnél. A szakkád kezdetéhez szinkronizált aktivitások (15. ábra, jobb oszlop) és a szakkád végéhez szinkronizált aktivitások (15. ábra, bal oszlop) között lényegében csak latencia-eltolódás van. Az egyetlen amplitúdóban megfigyelhető különbség, hogy az sAVREC szakkád előtti csökkenése kifejezettebb (de a különbség nem szignifikáns), ha a szinkronizáció a szemmozgás kezdetéhez történik (16. ábra). A szemmozgás kezdetéhez szinkronizált válasz amplitúdója az MT áreában is kisebb, mint a fixáció kezdetéhez kötött aktivitás, de a különbség nem éri el a szignifikanciaszintet (p>0.05, páros t-próba) (16. ábra).

16. ábra Szakkád kezdetéhez kötött, fixáció kezdetéhez kötött és ingerhez kötött aktivitások csúcsamplitúdóinak nagyátlagai (átlag ± SEM) az MT áreában. A) Csatornák között átlagolt, egyenirányított transzmembrán áram (AVREC) csúcsamplitúdói a különböző kondíciókban. B) Csatornák között átlagolt soksejt-aktivitás (AVMUA) csúcsamplitúdói a különböző kondíciókban. A szignifikáns eltéréseket az oszlopok feletti csillag jelöli (egy csillag: p<0.05)

50


5.1.4 IT área

A 17. ábrán a fixáció kezdetéhez szinkronizált, átlagolt CSD profil és MUA görbék láthatóak az inferotemporális régióból. Az IT régió sejtjei is aktiválódnak teljes sötétben a fixációt követően. Ez az aktiváció azonban sem a CSD, sem az MUA estében nem szignifikánsan kisebb, mint egy erős felvillanó fénnyel kiváltott válaszé (páros tteszt, p>0.05) (19. ábra). A 17. ábrán látható CSD profilon a szupragranuláris rétegek dominálnak, de az IT áreából származó elvezetések is eltérőek ebben a tekintetben. Az aktivációs mintázat pontos, rétegek szerinti, időbeli viszonyainak elemzése a heterogén elvezetések és az alacsony jel-zaj arány miatt nem célszerű. Általános jelenség azonban

17. ábra Fixáció kezdetéhet kötött átlagolt áramforrás-sűrűség (CSD) térkép valamint ráhelyezett MUA görbék az IT látókérgi áreában. Az egyedi válaszokat (n=100) a fixáció kezdetének megfelelően rendeztük és átlagoltuk össze. Az egyes rétegek határát vízszintes szaggatott vonalak jelölik (lásd a Módszerek fejezetben). A CSD profilokat a mezőpotenciálokból számítottuk és színkódoltan ábrázoltuk. Az áram „nyelők” (piros) a sejtek belseje felé haladó transzmembrán áramokat jelzik; az áram „források” (kék) a kifelé irányuló áramot mutatják.

51


18. ábra Csatornák között átlagolt soksejt-aktivitás (AVMUA), csatornák között átlagolt, egyenirányított transzmembrán áram (AVREC) és egyedi válaszokon alapuló AVREC (sAVREC) normalizált nagyátlagai az IT áreában. A bal oszlopban az aktivitásokat a szemmozgás végéhez, míg a jobb oszlopban a szemmozgás elejéhez szinkronizáltuk. A normalizálás az ülésenkénti legnagyobb csúcstól csúcsig mért amplitúdóhoz viszonyítottan történt. A szaggatott vonalak a második standard hibát (± 2SEM) jelzik. A függőleges vonalak a bal oszlopban a szemmozgás végét (fixáció kezdetét), a jobb oszlopban a szemmozgás kezdetének időpontját jelölik. A vízszintes vastag csíkok az alapvonaltól való szignifikáns eltérés időtartamát jelzik (p<0.01 az AVREC és sAVREC görbéknél és p<0.05 az AVMUA esetében).

52


a korábban leírt területekhez képest a későbbi aktivációs latencia. Ebben a régióban a fixációt nem előzi meg szignifikáns AVMUA csökkenés, bár a szemmozgás végéhez szinkronizált aktivitás esetében van ilyen tendencia. Az sAVREC is csak a szakkád végéhez szinkronizált aktivitás esetén mutat szignifikáns csökkenést a fixációt megelőzően. Az AVREC, a korábbi régiókhoz hasonlóan, nem csökken a fixációt megelőzően, de markáns növekedést mutat a szemmozgást követően, mely a szakkád után kb. 110-120 ms-mal éri el csúcspontját. A szakkádot követően, az AVMUA és az sAVREC is szignifikáns növekedést mutat. Ez a növekedés ebben a régióban is sokkal inkább kifejezett, mint a fixációt megelőző csökkenés. A szakkád kezdetéhez szinkronizált aktivitások (18. ábra, jobb oszlop) alapvetően hasonló mintázatot mutatnak, mint a szakkád végéhez szinkronizált aktivitások. Az egyetlen lényegi eltérés a latenciákban mutatkozik közöttük. A szemmozgás kezdetéhez szinkronizált válasz a IT áreában is kisebb, mint a fixáció kezdetéhez kötött aktivitás, de a különbség nem éri el a szignifikanciaszintet (p>0.05, páros t-próba) (19. ábra).

19. ábra Szakkád kezdetéhez kötött, fixáció kezdetéhez kötött és ingerhez kötött aktivitások csúcsamplitúdóinak nagyátlagai (átlag ± SEM) az IT áreában. A) Csatornák között átlagolt, egyenirányított transzmembrán áram (AVREC) csúcsamplitúdói a különböző kondíciókban. B) Csatornák között átlagolt soksejt-aktivitás (AVMUA) csúcsamplitúdói a különböző kondíciókban.

53


5.1.5 CGL

A CGL az egyetlen általunk vizsgált látórendszerhez tartozó terület, amely nem a kéregben található. A 20. ábra a fixáció kezdetéhez szinkronizált, átlagolt CSD profil és MUA görbéket mutatja. Látható, hogy CGL sejtjei is aktiválódnak a fixációhoz időben kötötten, teljes sötétben. Ez az aktiváció mind a soksejt-aktivitás, mind a transzmembrán áramok esetében kisebb amplitúdójú, mint egy erős felvillanó fénnyel kiváltott válaszé (22. ábra). A 20. ábrán bemutatott példa esetében feltűnő, hogy a parvocelluláris régió nagyobb aktivitást mutat, mint a magnocelluláris rétegek. Ez minden CGL-ből származó elvezetésre általánosan jellemző volt.

20. ábra Fixáció kezdetéhez kötött átlagolt áramforrás-sűrűség (CSD) térkép valamint ráhelyezett MUA görbék a CGL-ban. Az egyedi válaszokat (n=100) a fixáció kezdetének megfelelően rendeztük és átlagoltuk össze. Az egyes rétegek határát vízszintes szaggatott vonalak jelölik (lásd a Módszerek fejezetben). A CSD profilokat színkódoltan ábrázoltuk. Az áram „nyelők” (piros) a sejtek belseje felé haladó transzmembrán áramokat jelzik; az áram „források” (kék) a kifelé irányuló áramot mutatják.

54


21. ábra Csatornák között átlagolt soksejt-aktivitás (AVMUA), csatornák között átlagolt, egyenirányított transzmembrán áram (AVREC) és egyedi válaszokon alapuló AVREC (sAVREC) normalizált nagyátlagai a CGL-ben. A bal oszlopban az aktivitásokat a szemmozgás végéhez, míg a jobb oszlopban a szemmozgás elejéhez szinkronizáltuk. A normalizálás az ülésenkénti legnagyobb csúcstól csúcsig mért amplitúdóhoz viszonyítottan történt. A szaggatott vonalak a második standard hibát (± 2SEM) jelzik. A függőleges vonalak a bal oszlopban a szemmozgás végét (fixáció kezdetét), a jobb oszlopban a szemmozgás kezdetének időpontját jelölik. A vízszintes vastag csíkok az alapvonaltól való szignifikáns eltérés időtartamát jelzik (p<0.01 az AVREC és sAVREC görbéknél és p<0.05 az AVMUA esetében).

55


A CGL-ben is megfigyelhető a soksejt-aktivitás csökkenése a fixációt megelőzően, valamint a megnövekedett aktivitás a szakkádot követően. Ez különösen a parvocelluláris rétegeknél figyelhető meg. A magnocelluláris rétegek kevésbé aktiválódnak. Ebben a rétegben elhelyezkedő sejtekre az a jellemző, hogy nagyon fényérzékenyek, már kevés fény esetén is aktiválódnak. A szuppresszió-aktiváció mintázata az összes geniculatumból származó elvezetésre általánosan jellemző, ahogy ezt a 21. ábra mutatja. A CGL-ben is megfigyelhető az a kérgi területeken is látott jelenség, hogy az AVMUA csökkenést sAVREC csökkenés kíséri a fixációt megelőzően. A csak fáziscsatolt aktivitást tartalmazó AVREC nem csökken a fixációt megelőzően szignifikáns mértékben, de markáns növekedést mutat a szemmozgást követően, mely már a fixáció előtt elkezdődik és a szakkád után kb. 20-30 ms-mal éri el maximumát. A szemmozgást követően az AVMUA és az sAVREC is szignifikáns növekedést mutat. Megfigyelhető, hogy az sAVREC esetében a fixációt követő aktiváció jobban kifejezett, mint a fixációt megelőző csökkenés. A szakkád kezdetéhez szinkronizált aktivitások (21. ábra, jobb oszlop) ezen a területen is hasonló mintázatot mutatnak, mint a szakkád végéhez szinkronizált aktivitások (21. ábra, bal oszlop). Lényegében csak a latenciákban van eltérés közöttük.

22. ábra Szakkád kezdetéhez kötött, fixáció kezdetéhez kötött és ingerhez kötött aktivitások csúcsamplitúdóinak nagyátlagai (átlag ± SEM) a CGL-ben. A) Csatornák között átlagolt, egyenirányított transzmembrán áram (AVREC) csúcsamplitúdói a különböző kondíciókban. B) Csatornák között átlagolt soksejt-aktivitás (AVMUA) csúcsamplitúdói a különböző kondíciókban. Szignifikáns eltéréseket az oszlopok feletti csillag jelöli (egy csillag: p<0.05).

56


A szemmozgás kezdetéhez szinkronizált válasz a geniculatumban is kisebb amplitúdójú, mint a fixáció kezdetéhez kötött aktivitás, de a különbség itt sem éri el a szignifikanciaszintet (p>0.05, páros t-próba) (22. ábra). A felvillanó fény által kiváltott válaszok amplitúdója szignifikánsan nagyobb az AVREC és AVMUA esetében is. A vizsgált látókérgi területekről (V1, V2, MT, IT) valamint a geniculátumból származó, fixáció kezdetéhez kötött bioelektromos aktivitások áttekintését adja a 23. ábra.

57


23. ábra Négy látókérgi területről (V1,V2,MT,IT) és a geniculátumból származó, fixáció kezdetéhez kötött áramforrás-sűrűség (CSD) térképek, valamint az sAVREC és AVMUA görbék áttekintése. A CSD profilokat színkódoltan ábrázoltuk. Az áram „nyelők” (piros) a sejtek belseje felé haladó transzmembrán áramokat jelzik; az áram „források” (kék) a kifelé irányuló áramot mutatják. A görbék amplitúdójának normalizálása az ülésenkénti legnagyobb csúcstól csúcsig mért amplitúdóhoz viszonyítottan történt. A szaggatott vonalak a második standard hibát (±2SEM) jelzik. A függőleges vonalak a szemmozgás végét (fixáció kezdetét) jelölik. A vízszintes vastag csíkok az alapvonaltól való szignifikáns eltérés időtartamát jelzik (p<0.01 az AVREC és sAVREC görbéknél és p<0.05 az AVMUA esetében).

58


5.2 Latenciaviszonyok a különböző áreákban A környezetünkből érkező fényinger a retina receptrosejtjeit ingerületbe hozza. Ez az ingerület a látópályán továbbhaladva egyre magasabb idegrendszeri központokat ér el. Ha megmérjük a felvillanó fény által keltett aktiváció legkorábbi időpontját a látóidegrendszer különböző területein, akkor képet kaphatunk arról, hogy a külvilágból beérkező ingerület milyen sorrendben aktiválja ezeket az agyi régiókat. A 24.A ábrán az így kapott aktivációs időpontokat láthatjuk az agy különböző területeiről. Az általunk kapott időmintázat jól egybevág az irodalomból ismert hasonló mérések eredményeivel (Robinson és Rugg, 1988; Schmolesky és mtsai., 1998; Schroeder és mtsai., 1998). Mivel korábban láthattuk, hogy a szemmozgáshoz kötötten a látóidegrendszer ezen területei sötétben is aktiválódnak, megmértük az átlagolt CSD aktivációk szakkád kezdetétől mért legkorábbi latenciáját is (lásd 24.B ábra). Az így kapott időmintázat tendenciájában hasonló képet mutat, mint az inger kiváltotta aktiváció időmintázata.

24. ábra Átlag CSD profilok kezdeti latencia értékei (átlag ± SEM) öt különböző idegrendszeri területen. Kezdeti latenciának tekintjük, ha a CSD aktivitás először haladja meg az alapvonal aktivitásának kétszeres standard devianciáját. (Alapvonal az ingerhez kötött aktivitás esetén 150 ms-tól 0 ms-ig , míg a szakkádhoz kötött aktivitás esetén -500 ms-tól -300 ms-ig értendő.) A) Ingerhez kötött aktivitás kezdeti latencia értékei B) Szakkád kezdetéhez kötött aktivitás kezdeti latencia értékei. Megjegyzendő, hogy az ábra a kezdeti latenciák átlagait mutatja, szemben az átlag AVREC kezdeti latenciájával.

59


5.3 Vizuális fixáció hatása az EEG fázisára a primer látókéregben

A korábbi analízisek nyomán látható, hogy a vizuális idegrendszer összes általunk vizsgált területén a vizuális fixációt követően jelentősen megnő az idegsejtek aktivitása mindennemű fényforrás hiányában. Vizsgálataink további célja volt annak tisztázása, hogy ennek a jelenségnek a hátterében milyen neurális mechanizmusok állhatnak. Egy lehetséges magyarázat, hogy a megnövekedett aktiváció egy látórendszeri területre beérkező valamilyen inger által kiváltott válasz következménye (Kiváltott Válasz Hipotézis). A beérkező inger lehet például a szemmozgási parancs „másolata”, ami a szemmozgásért felelő agyi központokból az alsóbbrendű magvakhoz (lásd 2.5.1 fejezetet) futó efferens rostok kollaterálisai révén érik el a szenzoros agyi területeket (járulékos kisülés). Egy másik lehetőség szerint a tovafutó intrakortikális EEG fázisának újrarendeződése eredményezi ezt a jelenséget anélkül, hogy az EEG összteljesítménye növekedne. A teóriának ezt a végletes formáját Tiszta Fázis Újrarendeződési Hipotézisnek nevezik. Mindkét lehetőség azt jósolja, hogy a fixációt megelőzően az EEG fázisa véletlenszerű, azaz független a szakkádtól, míg a szemmozgást követően a fázis eloszlása egységesebb, azaz koncentrálódik. A fáziskoncentráció vizsgálata érdekében, elemeztük az egyedi válaszok fázisainak eloszlását minden időpillanatban a fixációt megelőző -500 ms-tól a szakkádot követő +500 ms-ig a Rayleigh cirkuláris statisztikai teszt segítségével (25.A ábra). Erre a vizsgálatra a legalkalmasabb területnek a primer látókéreg mutatkozik, mivel innen származik a legtöbb kísérleti adat ennek megbízható teszteléséhez. Előzetes vizsgálatok a szupragranuláris, granuláris és infragranuláris rétegben hasonló fáziseloszlási mintázatot mutattak, ezért a három rétegből származó adatokat összevontuk. A fixációt megelőzően (ami magában foglalja a szakkád időtartamát is), a fáziseloszlás nem különbözik szignifikánsan a véletlenszerű eloszlástól (Rayleigh-teszt, p>0.05). A fixációt követően azonban, és még további körülbelül 200 ms-ig, a fázis eloszlása szignifikánsan eltér a véletlentől (Rayleigh-teszt, p<0.001). A fáziskoncentráció tehát felöleli azt az időtartamot, amíg a retinából érkező információ eléri a primer látókérget. Annak érdekében, hogy megállapítsuk, milyen fázis az, amelyik koncentrálódik,

60


kiválasztottunk két időpillanatot és megvizsgáltuk az egyedi válaszok fáziseloszlását ezekben az időpontokban. Az egyik pont a fixációt megelőző -300 ms, ami megelőzi a szemmozgáshoz kapcsolódó bioelektromos változásokat (lásd 9. ábra), a másik a fixáció kezdete (0 ms). Az 25. ábra B része a három réteg egyesített fáziseloszlását mutatja ebben a két időpillanatban. A fixáció pillanatában az egész mintára vonatkozó átlagos fázis: 1.85 rad, az anguláris deviáció: 0.91 rad.

25. ábra Egyesített szakkád körüli fáziskoncentráció és fázis hisztogramok. Az adatok 13 kísérleti elvezetésből származnak és mind a három réteg adatait tartalmazzák. A) A Rayleigh-teszt R értéke az idő függvényében (0 ms a fixáció kezdetét jelöli) az egyedi potenciálok fáziskoncentrációjának mértékét mutatja. A szaggatott vonal a véletlentől szignifikánsan (p=0.01) eltérő fáziseloszlás küszöbét jelöli. A Rayleigh-tesztet minden időpillanatra alkalmaztuk a fixációt megelőző -500 ms-tól a szakkádot követő +500 ms-ig, így az analízisablak 0.5 ms széles és az egyes időpillanatokban kapott értékek egymástól függetlenek. B) Egyesített fáziseloszlás hisztogramok. A fázisértékeket Hilbert-transzformácival számítottuk a fixációt megelőző -300 ms-ban (bal oldalon) és 0 ms időpontban (jobb oldalon). A -300 ms a szemmozgáshoz kapcsolódó bioelektromos modulációt megelőző (lásd 9. ábra), míg a 0 ms a szemmozgás végi fáziseloszlást mutatja. A Rayleigh-teszt R értéke és a hozzátartozó p érték a hisztogramok felett láthatóak. A véletlenszerű fáziseloszlástól szignifikáns eltérést a p érték melletti csillag jelöli. 61


Ezek az eredmények felvetnek két további kérdést. Az egyik, hogy a kimutatott fáziskoncentráció vajon tiszta fázis-újrarendeződés következménye-e. A tiszta fázisújrarendeződés kritériuma szerint (Shah és mtsai., 2004) az EKP-k keletkezését nem kíséri teljesítménynövekedés a domináns (legnagyobb teljesítményű) frekvenciasávban. A másik kérdés azzal függ össze, hogy a Hilbert transzformációval számolt fázisok esetén a fázishoz tartozó frekvencia nem ismert. Felvetődik tehát, hogy hogyan értelmezhetjük a fáziskoncentrációt a különböző frekvenciájú oszcillációk tükrében, azaz hogyan alakul a fáziskoncentráció a jól ismert frekvenciasávoknak megfelelően. A kérdések megválaszolásához megvizsgáltuk a fáziskoncentráció mértékét és az EEG amplitúdójának alakulását (az amplitúdó megegyezik a teljesítmény négyzetgyökével) három különböző frekvenciasávban (delta/téta sáv: 3-8 Hz, alfa/béta sáv: 8-20 Hz, béta/gamma sáv: 20-58 Hz) a fixációt megelőzően (-300 ms-nál) valamint a fixációt követően [77.5 ms-nál, ami megfelel az sAVREC fixációt követő növekedés csúcslatenciájának a V1 áreában (lásd 9. ábra)]. Az analízis (26. ábra) a delta/téta sávban szignifikánsan nagyobb fáziskoncentrációt mutat a fixáció után, mint azt megelőzően, míg a másik két sávban a különbség nem szignifikáns (lásd 26.A ábra). Ehhez hasonlóan, a fixációt megelőző és az azt követő amplitúdók közötti különbség is nagyrészt a delta/téta sávra korlátozódik (lásd 26.B ábra).

5.4 Az EEG fázisa és az idegsejtek válaszkészsége közti összefüggés Az eddigi eredmények azt mutatják, hogy mind a transzmembrán áram, mind a soksejt-aktivitás megnő a fixációt követően, és kimutattuk, hogy ezt a növekedést az EEG fázisának koncentrációja (25. és 26. ábra), valamint az EEG teljesítményének növekedése kíséri a primer látókéregben (27. ábra). Megállapítottuk továbbá, hogy a fixáció kezdetekor milyen fáziseloszlás jellemző. Vizsgálataink további célja volt annak kiderítése, hogy vajon a tapasztalt fáziseloszlás milyen kapcsolatban áll az idegsejtek válaszképességével, ingerelhetőségével. Ehhez a kísérleti paradigma azon részét használtuk fel, amikor a kísérleti állatokat felvillanó fénnyel ingereltük. A kérdés megválaszolásához meg kellett határozni, hogy az ingeradás időpontjában az

62


26. ábra Fáziskoncentrációk és spektrális amplitúdók a vizuális fixáció előtt és után, 3 frekvenciasávban, a 3 kérgi rétegben. Az adatok a primer látókéregből származnak. A) Rayleigh-teszt R értékei a fixáció előtt (-300 ms) és után (77.5 ms) 3 frekvenciasávban (kékkel: delta/téta sáv: 3-8 Hz, naranccsal: alfa/béta sáv: 8-20 Hz, zölddel: béta/gamma sáv: 20-58 Hz). A boxplot-ok feletti hányados számlálója azt mutatja, hogy hány kísérletben különbözött szignifikánsan a fázisok eloszlása a véletlenszerű eloszlástól az összes (n=13) kísérleti ülésből (nevező). B) Spektrális amplitúdó értékek a fixáció előtt (-300 ms) és után (77.5 ms) 3 frekvenciasávban. A boxplot-ok feletti kapcsok jelzik a szignifikáns eltéréseket a fixáció előtti és utáni amplitúdók között ( páros t-próba, p<0,05). 63


intrakortikális EEG fázisa milyen összefüggésben áll az ingerhez kötött válasz amplitúdójával. Azért, hogy a fixációhoz kapcsolódó fázisváltozások ne befolyásolják az eredményeket, csak azokat a válaszokat elemeztük, amikor az állat folyamatosan egy ponton tartotta tekintetét. Minden egyedi válasz esetén kiszámítottuk az ingert követő 30-tól 200 ms-ig terjedő periódus átlagos, egyenirányított CSD és MUA amplitúdóját [körülbelül 30 ms az aktiváció kezdeti latenciája a primer látókéregben (Givre és mtsai., 1995)]. Ahhoz, hogy meghatározzuk, van-e szisztematikus összefüggés az egyedi válaszok amplitúdója és a háttér EEG fázisa között, az amplitúdóértékeket a fázisnak megfelelően szétválogattuk mind a CSD, mind az MUA esetében. Az ingeradás időpontjában mért bioelektromos oszcilláció fázisa és a fényingerrel kiváltott válasz amplitúdója közti összefüggés kördiagram formájában a 27. A ábrán látható. Az 27.B ábra pedig a nagyátlag amplitúdó-eloszlást mutatja az ingerlés időpontjában mért EEG fázis függvényében. Azt találtuk, hogy az EEG fázisa konzekvensen összefügg a kiváltott válasz amplitúdójával. Azt a fázist, amelyik a legnagyobb amplitúdójú válasszal mutat összefüggést, „ideális” fázisnak (átlagos fázis: 1.92 rad; anguláris deviancia: 1.13 rad), azt pedig, amelyik a legkisebb válaszhoz kapcsolódik „rossz” fázisnak (átlagos fázis: -1.73 rad; anguláris deviancia: 0.98 rad) neveztük el. A fixáció pillanatában mért átlagos fázis (lásd 5.3 fejezet) szignifikánsan nem különbözik az „ideális” fázistól (Watson U2-teszt, p>0.05), azonban szignifikánsan különbözik a „rossz” fázistól (Watson U2-teszt, p < 0.001). A továbbiakban megvizsgáltuk annak lehetőségét, hogy vajon az „ideális” fázisban tapasztalt nagyobb válaszamplitúdó a háttér EEG oszcilláció és a kiváltott válasz lineáris szummációja révén jön-e létre, vagy a kéregbe beérkező ingerület és az EEG megnövekedett válaszkészsége közötti interakció eredménye. Ennek vizsgálatához összehasonlítottuk az „ideális” és a „rossz” fázisban mért amplitúdók közötti legnagyobb kölönbséget a fixáció előtt és után. A kettő közötti szignifikáns eltérés valódi interakcióra utalna, szemben a lineáris szummációval. A fixáció előtti (-170 mstól a fixációig) CSD amplitúdó-különbség az „ideális” és a „rossz” fázis között 0.082 mV/mm2 (átlag) ± 0.063 (STD), míg a fixáció utáni (30 ms-tól 200 ms-ig) CSD amplitúdó-különbség 0.114 mV/mm2 (átlag) ± 0.071 (STD) volt. Azt találtuk, hogy a

64


két fázisban („ideális” és „rossz”) mért amplitúdók közti különbség szignifikánsan nagyobb a fixációt követően, mint azt megelőzően (páros t-teszt, p=0.0015).

27. ábra Az EEG fázisa és az idegsejtek válaszkészsége közötti összefüggés a primer látókéregben. A) Vizuális inger által kiváltott egyedi CSD (baloldalon) és MUA (jobboldalon) válaszok amplitúdóértékei az ingerlés időpontjában (0 ms) mért háttér EEG fázisának függvényében egy kísérleti elvezetésben. A háttér EEG fázisértékei a kör mentén radiánban vannak feltüntetve. Az egyes fázisokhoz tartozó normalizált amplitúdóértékeket az origótól való távolságuk reprezentálja. A kör közepe jelenti a legkisebb amplitúdójú válaszokat. A kör sugara 1 egység. A fázist a szupragranuláris elektródon mértük. Az amplitúdóértékek az ingerlést követő 30 ms-tól 200 ms-ig terjedő intervallum átlagos egyenirányított CSD és MUA értékei, ugyanazon elvezetésen (csatornán) mérve. B) Nagyátlag (n=13) egyenirányított CSD (baloldalon) és MUA (jobboldalon) amplitúdó-eloszlása az ingerlés időpontjában mért EEG fázisának függvényében. A normalizáció az elvezetésenkénti legnagyobb válaszamplitúdóval történt. A háttér EEG-nek azt a fázisát, amelyik a legnagyobb amplitúdójú válaszhoz kapcsolódik, ideális fázisnak (teli nyilak), azt pedig, amelyik előfordulása esetében a legkisebb amplitúdójú válasz keletkezik, rossz fázisnak (üres nyilak) nevezzük .A stimulus prezentáció alatt a majmok folyamatosan egy pontra fixáltak és nem végeztek szakkádikus szemmozgást közvetlenül a vizuális ingerlés előtt és után. A fixáció kezdete és az ingerlés közötti idő 1-2 s között változott, így az inger véletlenszerűen érkezett az oszcillációhoz képest.

65


Összefoglalásképpen megállapíthatjuk, hogy a fixáció kezdetekor leggyakrabban előforduló fázis nem különbözik lényegesen az „ideális” fázistól, amelynél a vizuális inger hatására a legnagyobb amplitúdójú válaszok keletkeznek. Úgy tűnik, hogy az „ideális” fázis a helyi idegsejtek megnövekedett válaszkészségét tükrözi. Összességében ezek az eredmények összhangban vannak azzal az elképzeléssel, hogy a fixáció kezdetét a neuronok megnövekedett válaszkészsége kíséri (Fixációhoz Kapcsolt Jelerősítő Hipotézis).

66


6. MEGBESZÉLÉS A dolgozatban ismertetett kísérleteink során sokcsatornás multielektródával történt elvezetések segítségével állatkísérletekben vizsgáltuk a kérgi, illetve kéreg alatti bioelektromos jelek és a szakkádikus szemmozgás közötti összefüggéseket. Elsősorban arra voltunk kíváncsiak, hogy a szemmozgást követő vizuális fixáció, hogyan befolyásolja az idegsejtek helyi szinaptikus (CSD) illetve tüzelési aktivitását (MUA) a különböző agyi régiókban, és milyen neurofiziológiai mechanizmusok állhatnak a fixációhoz (ill. szemmozgáshoz) kapcsolódó jelenségek hátterében. A változások elemzésével reményeink szerint a mai kognitív idegtudomány két igen aktuális kérdésének megválaszolásához kerülhetünk közelebb. Az egyik kérdés: hogyan és mennyiben járulnak hozzá a fixációhoz kapcsolódó neurális változások a természetes látás folyamatához. A természetes látás során egymást követő gyors szemmozgásokkal tekintetünket különböző tárgyakra irányítjuk. A létrejövő idegsejti változások egyrészt a fényingerhez, másrészt a fixációhoz (ill. szemmozgáshoz) kapcsolódnak. A látórendszer hagyományos vizsgálatai elsősorban a fényingerhez kötött idegsejti változásokra fókuszáltak és olyan természetellenes kísérleti elrendezésekben vizsgálták a látórendszert, melyekben a kísérleti személynek (ill. állatnak) folyamatosan fixálnia kellett. Jelen tanulmány a vizuális fixációnak a természetes látás során létrejövő neurális változásokban betöltött szerepére összpontosít, a fényingertől függetlenül. Ennek ismerete nagy jelentősséggel bír a természetes látási folyamatok során keletkező idegsejti aktivitások értelmezésében. A másik kérdés, hogy mennyiben járulnak hozzá az

agyban

folyamatosan

jelenlévő

bioelektromos

oszcillációk

a

szenzoros

információfeldolgozáshoz. Az oszcillációkra vajon az idegsejtek működése során keletkező zajként tekintsünk-e vagy pedig mint eszközre, melyben rejlő lehetőségeket az agy képes kihasználni. E kérdések megválaszolásához az áramforrás-sűrűség analízis módszerét használtuk, mely lehetőséget ad a távoli idegsejti generátorok hatásainak eliminálásával a helyi szinaptikus áramforrások vizsgálatára (Freeman és Nicholson, 1975; Mitzdorf és Singer, 1978; Nicholson és Freeman, 1975). Ezt összevetve az egyidejűleg detektált populációs tüzelési mintázattal, különösen érzékeny módszert kapunk olyan finom

67


elektrofiziológiai folyamatok vizsgálatára, mint például a küszöbalatti izgalmi/gátló szinaptikus folyamatok felderítése (Schroeder és mtsai., 1998; Tenke és mtsai., 1993). A Megbeszélés első fejezetében áttekintjük a fixációhoz kapcsolódó bioelektromos változásokat (6.1 fejezet), a második fejezetben a lehetséges neurofiziológiai

mechanizmusokat

(6.2 fejezet) ismertetjük, majd a korábbi

tanulmányok eredményeinek tükrében értelmezzük eredményeinket (6.3 fejezet). A Megbeszélés negyedik fejezetében a figyelmi mechanizmusok lehetséges szerepét tárgyaljuk (6.4 fejezet), végül pedig az eredményekből levonható következetésekre térünk ki (6.5 fejezet).

6.1 Fixációhoz kapcsolódó bioelektromos változások Az értekezésben közzétett eredmények arra utalnak, hogy a teljes sötétben létrejövő, a vizuális fixáció kezdetét követő neurális moduláció hátterében olyan, nem fényingerhez kötött mechanizmus áll, amely az idegsejtek fokozott aktiválódását eredményezi. A fixáció kezdetét követő fokozott aktiváció az összes általunk vizsgált agyi régióban kimutatható volt (CGL, V1, V2, MT, IT). Bár a fixációhoz kapcsolódó áramforrások (source) és nyelők (sink) tér és időbeli viszonyainak pontos elemzésére az alacsony jel-zaj arány miatt nincs lehetőségünk, általánosságban elmondható, hogy többnyire jelentősen eltérnek a fényingerrel kiváltott aktivitásmintázatoktól. A V1 áreában például a fényingerrel kiváltott áramforrás-sűrűség „feedforward” (alacsonyabb rendű agyi területekről a magasabb rendű felé előrehaladó) mintázatával szemben (lásd 5.1.1 fejezetet; 8.A ábra) a fixációhoz kötötten egy újfajta aktivitásmintázat jelenik meg, ahol az aktiváció erősen a szupragranuláris rétegek felé tolódott (8.B ábra). A fixációhoz kötött CSD és MUA profilokról általánosságban elmondható továbbá, hogy a legtöbb agyi régióban meglehetősen heterogének és így, az egy területről származó, viszonylag kevés számú elvezetés miatt nehéz következtetéseket levonni a mintázatokból. Eredményeinkből kitűnik, hogy AVREC a fixációt megelőzően egyik régióban sem mutat szignifikáns csökkenést, szemben az sAVREC-el. Ez arra utal, hogy a csökkenés minden vizsgált régióban a szemmozgáshoz nem fáziscsatolt idegsejti működést érinti. A primer látókéregből származó eredményeink arra utalnak, hogy a fixáció kezdetét követő aktiváció az idegsejtek válaszkészségének átmeneti növekedése

68


következtében jön létre. Azt feltételezzük, hogy az idegsejtek megnövekedett válaszkészsége következtében a fényingerre adott neurális válasz a fixációt követően felerősödik. Ezzel az elképzeléssel összhangban van, hogy a fixációt követő moduláció kb. 150-200 ms hosszan tart, ami elegendő időt biztosít még a leglassabb retinából érkező ingerületnek is, hogy eljusson az elsődleges látókérgen keresztül a magasabb rendű idegrendszeri területekre (Rajkai és mtsai., 2007). A V1 régióból származó eredmények továbbá azt mutatják, hogy a fixáció kezdetét követően jelentős fáziskoncentráció jön létre. Bár a fáziskoncentráció létrejöttében más mechanizmusok is szerepet játszhatnak (lásd 5.3 fejezetet), a jelenség összhangban van azzal az elképzeléssel, hogy a fixációhoz kapcsolódó moduláció a háttér EEG oszcillációk fázisának újrarendeződése révén jön létre. Az elképzelés szerint a fázis-újrarendeződés lehetővé teszi, hogy a külvilágból újonnan beérkező ingerület az idegsejtek ritmikusan oszcilláló válaszkészségének ideális fázisával találkozzon a látórendszerben, ezáltal az agy felkészül a fixáció kezdetét követően a külvilágból újonnan érkező vizuális információ optimális feldolgozására. Az elképzelés azért vonzó, mert ez a mechanizmus kihasználja az bioelektromos oszcillációkban rejlő nagy mennyiségű energiát. Az elképzelést azon újabb eredmények is tovább valószínűsítik, melyek szerint a bioelektromos agyi oszcillációk fázisának modulációja általános szerepet játszhat a környezet ingereihez való alkalmazkodásban (Lakatos és mtsai., 2007). A modulációt kísérő EEG teljesítménynövekedés azonban kizárja, hogy tiszta fázis-újrarendeződés álljon a fixációt követő moduláció hátterében (lásd 5.3 fejezetet). A tiszta fázis-újrarendeződés ugyanis nem jár teljesítménynövekedéssel (Makeig és mtsai., 2002; Makeig és mtsai., 2004; Shah és mtsai., 2004; Rajkai és mtsai., 2004; Yeung és mtsai., 2004). Fontos megjegyezni, hogy a szemmozgáshoz kapcsolódó fázisújrarendeződés nincs közvetlen hatással arra a régóta vita tárgyát képező teóriára, miszerint az EKP-k keletkezésének mechanizmusa tiszta fázis-újrarendeződés lenne (Jansen és mtsai., 2003; Klimesch és mtsai., 2004; Makeig és mtsai., 2002; Penny és mtsai., 2002; Sayers és mtsai., 1974; Shah és mtsai., 2004). Fontos kérdés, hogy a fixációt követő idegrendszeri változásoknak van-e jelentősége

a

látási

percepcióban.

Mivel

a

szakkádok

jelentik

a

vizuális

információszerzés fő formáját embernél és más főemlősnél is (Yarbus, 1967), logikusnak tűnik feltételezni, hogy az idegrendszer felerősíti azoknak az ingereknek a

69


percepcióját, amelyek a fixációkat követik. Bár a percepciónak a szemmozgással összefüggést mutató változásait közvetlenül nem vizsgáltuk, irodalmi adatok arra utalnak, hogy valóban ez a helyzet. Több vizsgálatban kimutatták, hogy a percepciós érzékenység megnő a fixációt követően, különösen a színes minták detektálása vagy diszkriminációja esetén (Burr és mtsai., 1994; Burr és Morrone, 1996). Ezenkívül azt találták,

hogy

a

percepciós

impulzus

válaszfüggvény

(egy

rendszernek

az

egységimpulzus bemenőjelre adott válasza, az ún. Impulzus válaszfüggvény; segítségével tetszőleges bemenőjelre meg tudjuk határozni egy rendszer kimenőjelét) felgyorsul közvetlenül a szemmozgás után (Burr és Morrone, 1996; Ikeda, 1986).

6.2 Neurofiziológiai mechanizmusok A

vizsgálatokhoz

kapcsolódó

fontos

kérdés,

hogy

hol

van

a

szemmozgáshoz/fixációhoz kapcsolódó bioelektromos változások kiindulási forrása. Sem az irodalom, sem a jelenlegi vizsgálataink nem adnak erre egyértelmű választ, de számos közvetlen illetve közvetett forrás lehetséges. Ezek között szerepel a parietális kéregből származó visszacsatolás (Barash és mtsai., 1991a, 1991b; Goldberg és mtsai., 2002), a frontális/prefrontális terület [prefrontális kéreg (Funahashi és mtsai., 1991; Schall, 1991; Stanton és mtsai., 1995)), szupplementer motoros área (Schall, 1991), frontális tekintésközpont (Stanton és mtsai., 1995)], vagy a kéreg alatti területekről származó felszálló pályák, például a laterális pulvinarból (Benevento és Rezak, 1976) intralaminális thalamikus magvakból (Schlag-Rey és Schlag, 1984), vagy az agytörzsből származó felszálló pályák (Doty és mtsai., 1973; Lu és mtsai., 1993; McCormick és Pape, 1988). További kísérletek szükségesek annak tisztázására, hol a forrása a szemmozgáshoz kötött bioelektromos modulációknak. Bárhol is van a fixációhoz kapcsolódó moduláció kiinduló forrása, a látórendszerben lezajló helyi neurofiziológiai folyamatok tisztázásának nagy jelentősége van. Az moduláció létrejöttében mind izgalmi, mind gátló folyamatok szerepet játszhatnak. Bár távoli afferensek, mint például a kéregből érkező projekciók, elsősorban izgalmi állapotot okoznak glutamáterg szinapszisokon keresztül, a helyi GABA-erg sejteket ingerületbe hozva azonban gátlást is előidézhetnek (Gonchar és Burkhalter, 1999). A sejtek válaszkészségének közvetlen, serkentés útján létrejövő növelése

felelős

lehet

mind

a

fixáció

70

kezdetét

követően

észlelt

EEG


teljesítménynövekedésért, mind a fáziskoncentrációért (Kiváltott Válasz Hipotézis). A kiváltott válasz létrejöhet például a járulékos kisülés révén. A járulékos kisülés lényegében azt jelenti, hogy a szemmozgás szabályozásában részt vevő okulomotoros agyi központok információt küldenek a szemmozgásról (pl.: szemmozgás hosszáról, irányáról) a vizuális ingerfeldolgozásban szerepet játszó agyi területekre. A járulékos kisülésnek fontos szerepet tulajdonítanak a saját mozgás következtében megváltozó szenzoros környezet megbecslésében. Segítségével az idegrendszer a saját mozgásból illetve a környezet változásából eredő ingereket el tudja különíteni (Krekelberg és mtsai., 2003; Poulet és Hedwig, 2006; Sommer és Wurtz, 2002; Zaretsky és Rowell,1979; Webb, 2004; Wurtz és Sommer, 2004). A Kiváltott Válasz Hipotézis lehetőségnek a valószínűségét azonban valamelyest csökkenti, hogy a lehetséges kiinduló forrásokból eredő pályák többnyire inkább moduláló bemenetet képeznek a látórendszerben (Sherman és Guillery, 2002), amire a küszöb alatti gátló/izgalmi bemenetek a jellemzőek (Schroeder és mtsai., 1995, 1998). A fixáció kezdetét követő EEG teljesítménynövekedés és az ezzel egyidejű MUA amplitúdó-növekedés azonban nem moduláló bemenetre utal. Egy komplexebb neurofiziológiai mechanizmus is felelős lehet az általunk kapott eredményekért. Bár a jelen értekezés elsősorban a fixációval kapcsolatos bioelektromos változásokkal foglalkozik, a szemmozgást megelőző aktivitásnak fontos vonatkozásai lehetnek ezzel összefüggésben. Az összes általunk vizsgált régióban megfigyelhető volt valamilyen mértékben, hogy a szemmozgás alatt a transzmembrán áramok csökkenését (sAVREC) a soksejt-aktivitás csökkenése kísérte (23. ábra). Ez a jelenség tökéletesen megfelel a GABAa receptor által közvetített (csöndes vagy söntölő) gátlásnak [összefoglaló (Nicoll és mtsai., 1990)]. Mivel a kloridionok egyensúlyi (ekvilibrium) potenciálja közel van az idegsejtek nyugalmi membránpotenciáljához, a GABAa receptorok aktivációja nem okoz nagy traszmembrán áramot így nagy CSD eltérést (forrást) sem, valamint a „söntölő” gátlás következtében a folyamatosan jelenlévő, a háttéraktivitást fenntartó, serkentő bemenetek által kiváltott transzmembrán áramok is csökkennek. Az idegsejtek lényegében a nyugalmi membránpotenciálról nehezen tudnak kimozdulni bármely irányba. Így a „söntölő” gátlás révén mind a CSD, mind a MUA aktivitás csökken. Ez a kép teljesen ellentétben áll a hyperpolarizációval létrejött gátlással, amikor a MUA amplitúdó-csökkenés „aktív” CSD forrással társul (Schroeder és mtsai., 1990, 1995,

71


1997). A szakkádot megelőző gátlás felelős lehet az általunk észlelt jelenségekért, mind a fixáció kezdetét követő EEG teljesítménynövekedésért, mind a fáziskoncentrációért. A nyugalmi membrán potenciálra szorított idegsejtek ugyanis a gátlás megszűnését követően azonos fázisban kezdenek oszcillálni a serkentő bemenetek hatására. Az azonos fázisban oszcilláló sejtek önmagukban szemmozgás-potenciált hoznak létre a fixációt követően. A szemmozgást megelőző gátlás és az azt követő aktiváció tehát ennek a közös mechanizmusnak a következménye lehet. Hasonló logika vezette Purpurát és munkatársait, amikor a „pause-rebound” (szünet-visszaugrás) sejtek kifejezést használták a szemmozgás-potenciálok keletkezésével kapcsolatban (Purpura és mtsai., 2003). Bár azt a megfigyelést, hogy a transzmembrán áramok csökkenését a soksejt-aktivitás csökkenése kíséri, a „söntölő” gátláson kívül más mechanizmussal nehéz magyarázni, a GABAa receptor szerepének tisztázására további, neurokémiai vizsgálatok szükségesek.

6.3 Eredményeink korábbi tanulmányok tükrében A jelen értekezésben közzétett eredmények megerősítenek számos korábban már közölt eredményt és tovább bővítve szélesebb kontextusba helyezik azokat. Eredményeink megerősítik, hogy a neurális aktivitás növekszik a fixációt követően, amit néhány kutatócsoport egysejt-elvezetéses technikával korábban kimutatott (Lee és Malpeli, 1998; Park és Lee, 2000; Reppas és mtsai., 2002). Ezek a kutatócsoportok azonban csak az idegsejtek megnövekedett aktivációját írták le. A primer látókéregből származó eredményeink azt mutatják, hogy az aktiváció valójában az idegsejtek megnövekedett válaszkészségével áll összefüggésben. Számos kutatócsoport számolt be szemmozgás-potenciálról, akár lokálisan az agykéreg striatális és extrastriatális területeiről (Purpura és mtsai., 2003; Sobotka és Ringo, 1997), akár a hajas fejbőrre helyezett felszíni elektródákkal elvezetve (Evans, 1953; Marton és mtsai., 1983; Skrandies és Laschke, 1997) vagy a potenciálok mágneses megfelelőjét vizsgálva fMRI készülékkel (Sylvester és mtsai., 2005; Sylvester és Rees, 2006). A vizsgálatainkban használt áramforrás-sűrűség analízis azonban lehetőséget ad a korábban észlelt potenciálok kérgi vagy kéreg alatti generátorainak a vizsgálatára. A CSD analízist összevetve az egyidejűleg detektált populációs tüzelési mintázattal (MUA) a szemmozgás-potenciálok mélyebb fiziológiai elemzését teszi lehetővé.

72


Sobotka és munkatársai hipotetikusan felvetették, hogy a szemmozgás-potenciál valójában az EEG fázisok és a vizuális ingerfelvételek (azaz a szakkádok), egymáshoz való szinkronizációjának következtében jön létre (Sobotka és Ringo, 1997), hasonlóképpen, mint ahogy a rágcsálók szaglászási ritmusa és a hippocampális theta oszcillációi szinkronizálódnak (Gray, 1971; Komisaruk, 1970; Macrides, 1975). Bár ezt a hipotézist felvetése óta soha nem tesztelték, az elképzelés nem mond ellent eredményeinknek. Eredményeink alapján azonban az látszik valószínűbbnek, hogy a szemmozgás és az EEG fázisának szinkronizációja inkább a fixációhoz kapcsolódó fázis-újrarendezés következménye. Ha fordított lenne a helyzet, azaz az EEG egy adott fázisa lenne a kiváltója a szemmozgás megindulásának, akkor a szemmozgás kezdetén látnánk fáziskoncentrációt és nem a szemmozgást követően (lásd 25. és 26. ábrákat). Ugyanez a helyzet, ha a szemmozgás megindulásának az idegsejti aktiváció csökkenése lenne a kiváltója, ami esetleg felvetődhet a 9. ábra láttán. A természetes látás során azok az ingerek kis hatással vannak az idegrendszerre, amelyek nem ideális EEG fázisban érkeznek (Fiser és mtsai., 2004). Számos kutató kimutatta már, hogy az ingerrel kiváltott thalamikus illetve kérgi válasz amplitúdója és az EEG oszcilláció fázisa között összefüggés van (Contreras és mtsai., 1996; Kruglikov és Schiff, 2003; Lakatos és mtsai., 2005b; Pfurtscheller, 1976; Sanchez-Vives és McCormick, 2000; Steriade és mtsai., 1993). Többek között ezek az eredmények vezették Arielit és munkatársait arra a konklúzióra, hogy a folyamatosan jelenlévő oszcillációk képezik a környezetet (context) az újonnan beérkező tartalom (content) számára (Arieli és mtsai., 1995). Összességében ezek az eredmények azt mutatják, hogy az idegsejtek válaszkészségének oszcillációja erősen befolyásolja az ingerfelvételt és meghatározza annak további sorsát. Azon eredményünk, hogy az EEG fázisa újrarendeződhet a vizuális fixációval összefüggésben, arra a következtetésre vezet, hogy ezt az ingerfeldolgozást jelentősen befolyásoló mechanizmust kiaknázhatja az agy természetes látási körülmények között. Ahhoz, hogy ezt a mechanizmust optimálisan kihasználja az agy, a fixációhoz kapcsolódó fázis-újrarendeződésnek (és jelerősítő mechanizmusnak) a látórendszer többi részén is jelen kell lennie. Ez biztosítaná, hogy az újonnan bejövő „ingerületcsomag” az EEG ideális fázisával találkozzon a különböző kéregterületeken. Ez a feltételezés összhangban van azzal, hogy számos látórendszerhez tartozó agyi

73


területen kimutattak a szemmozgáshoz kötött idegsejt aktivitást, akár teljes sötétben is. Ezen területek közé tartozik a CGL (Lee és Malpeli, 1998; Park és Lee, 2000; Reppas és mtsai., 2002), a V1 área (Purpura és mtsai., 2003), a V3a área (Nakamura és Colby, 2000), az MT régió (Bair és O'Keefe, 1998), az inferotemporális kéreg (Purpura és mtsai., 2003; Ringo és mtsai., 1994; Sobotka és mtsai., 1997; Sobotka és Ringo, 1997). Nem tisztázott azonban, hogy vajon ugyanaz a mechanizmus szerepel-e ezeknek a modulációknak

a

létrejöttében.

Mivel

a

külvilágból

újonnan

beérkező

„információcsomag” különböző időben éri el az egyes agyi területeket, ezért a fázisújrarendeződésnek is követnie kell

az inger kiváltotta aktivitás időbeli mintázatát

ahhoz, hogy az egyes kéregterületekben az EEG ideális fázisával „találkozzon”. A négy különböző látókérgi területről (V1, V2, IT, MT) és a CGL-ből származó adatok azt mutatják,

hogy

a

szemmozgáshoz

kapcsolódó

aktivációk

időbeli

mintázata

nagymértékben hasonlít az inger kiváltotta aktivitás időbeli mintázatára (lásd 23. ábrát) (Rajkai és mtsai., 2005). Ez az eredmény összhangban van azzal az elképzeléssel, hogy a többi agyi régióban is hasonló mechanizmusok lehetnek felelősek a fixációhoz kötött aktivitás létrejöttéért. További vizsgálatok szükségesek ennek pontos tisztázására.

6.4 Figyelmi hatások szerepe Szoros kapcsolat van a tekintet szabályozása és a téri szelektív figyelem kontrollálásáért felelős agyi központok között (Bisley és Goldberg, 2003; Goldberg és mtsai., 2002). Lehetséges, hogy az eredményeinkben bemutatott modulációban jelentős szerepet játszik a figyelem. Az is ismert azonban, hogy a figyelem nem feltétlenül irányul arra, amire nézünk, azaz a szempozíció és a figyelem iránya külön utakon járhatnak (Harter és mtsai., 1982; Hillyard és Munte, 1984; Moran és Desimone, 1985; Treue és Maunsell, 1996). Mivel a kísérleti állatok a jelen értekezés tárgyát képező adatok gyűjtése során teljes sötétben ültek és szabadon nézelődtek, kísérletünk nem arra irányult, hogy az állatok figyelmét kontrolláljuk. Sokkal inkább arra, hogy megvizsgáljuk, szabad nézelődés során hogyan változik az idegsejtek válaszkészsége a fixációt követően, illetve milyen összefüggésben áll ez az agyban folyamatosan jelenlévő oszcillációkkal. Mivel kísérleti elrendezésünk nem alkalmas arra, hogy a figyelem irányultságát vizsgálja, ezért a szerepének tisztázása továbbra is nyitott kérdés marad az ismertetett folyamatokban. Fontos és érdekes lenne annak tisztázása, vajon a

74


szemmozgást követő, választ erősítő mechanizmus hátterében figyelmi folyamatok állnak-e, vagy pedig automatikusabb mechanizmusok eredményeképpen jön létre (például járulékos kisülés közvetítésével). Fontos hangsúlyozni, hogy bár a figyelem téri allokációjának pontos ismerete a természetes, szabad nézelődési paradigmában nehézségekbe ütközik, a szempozíció egy robosztus függő változó, aminek téri és időbeli adatai jól mérhetőek és pontosan összevethetőek az agy aktuális bioelektromos állapotával. Számos kutató vizsgálta a figyelem és a bioelektromos oszcillációk közti összefüggéseket. Ezeknek a vizsgálatoknak a többsége a figyelmi folyamatokat az idegsejtek (vagy idegsejt-populációk) magasabb frekvenciájú oszcillációjával hozták összefüggésbe. Fries és mtsai majmok látókérgének vizsgálata során azt találták, hogy szelektív figyelemi helyzetben megnő a figyelt ingert kódoló idegsejtek közti szinkronizáció a gamma frekvenciatartományban (Fries és mtsai., 2001). A figyelt inger feldolgozását általában a magasabb frekvenciájú (>20 Hz) EEG oszcillációk teljesítménynövekedéséhez kötik a szerzők (Engel és mtsai., 2001; Gruber és mtsai., 1999; Keil és mtsai., 2001; Muller és mtsai., 2000; Ward, 2003). Ezzel összhangban saját vizsgálatainkban azt találtuk, hogy a figyelem modalitás-specifikusan növeli a spontán gamma oszcillációk teljesítményét (Lakatos és mtsai., 2004). A macska hallókérgéről elvezetett gamma oszcillációk teljesítménye növekszik, ha az állatok az akusztikus modalitásra figyelnek, szemben azzal, ha a vizuális modalitásra összpontosítanak. Továbbá azt találtuk, hogy a spontán gamma oszcillációkhoz hasonlóan, a gamma frekvenciasávba eső, repetitív ingerléssel kiváltott ún. steady-state (SSR) válaszok teljesítménye is megnő figyelmi ill. fokozott motivációs helyzetekben (Karmos és mtsai., 2001, 2002; Lakatos és mtsai., 2002a, 2002b). A szemmozgást követő, választ erősítő mechanizmus létrejöttében a figyelmi hatás szerepe ellen szól tehát, hogy a fixációt követően a béta/gamma frekvenciasáv amplitúdója nem nő meg jelentősen, egyedül az infragranuláris rétegben éri el a növekedés a szignifikáns szintet (lásd 26.B ábrát). Eredményeink azt mutatják, hogy sokkal inkább a delta/téta frekvenciasáv teljesítménye és fáziskoncentrációja nőtt meg (lásd 5.3 fejezetet). A figyelmi mechanizmusok magyarázatára több olyan modellt leírtak, amely figyelembe veszi a bioelektromos oszcillációkban bekövetkező változásokat (Deco és mtsai., 2002; LaBerge, 2001). Large és Johnes figyelmi modellje szerint a figyelmi szint

75


ritmikusan változik, aminek fázisa és frekvenciája egy külső, repetitív inger esetén hozzáigazodik (angolul „entrain”) annak ritmusához (Large és mtsai., 2002). A hozzáigazodásnak az lesz a következménye, hogy az idegrendszer bizonyos ritmusokban „várja” az ingert, ami, ha a vártnak megfelelő fázisban érkezik, akkor hatékonyabban kerül feldolgozásra, mint amikor nem a várt fázisban érkezik (Barnes és Jones, 2000; Jones és mtsai., 2002; Large és mtsai., 2002). Azt, hogy az agyi bioelektromos oszcilláció frekvenciája és fázisa hozzáigazodik egy külső, repetitív ingerhez, többek között Lakatos és mtsai is kimutatták (Lakatos és mtsai., 2005b). Elképzelhető tehát, hogy a szakkádikus szemmozgások delta frekvenciatartományába eső (2-3 Hz) ritmusához igazodna a figyelmi szint ingadozásának ritmusa is. Több vizsgálat kimutatta majmok látókérgében, hogy szelektív figyelem hatására megnő az idegsejtek válaszkészsége (Luck és mtsai., 1997; Reynolds és mtsai., 2000; Williford és Maunsell, 2006). Haider és munkatársai macskák primer látókérgében kimutatták, hogy az idegsejtek kismértékű depolarizációja hozzájárul a sejtek válaszkészségének gyors és hatékony növekedéséhez (Haider és mtsai., 2007). A sejtek válaszkészsége különböző kontrasztú ingerek hatására hasonló változást mutatott, mint amit szelektív figyelmi helyzetben megfigyeltek. Eredményeik alapján felvetették, hogy esetleg az idegsejtek depolarizációja állhat a téri szelektív figyelmi hatások hátterében. Ezek az eredmények támogatják azt az elképzelést, hogy a szemmozgást követő, választ erősítő mechanizmus létrejöttében a figyelemi hatások szerepet játszhatnak.

6.5 Következtetések Eredményeink

közelebb

hoznak

egymáshoz

két,

egyre

inkább

az

idegtudományok figyelmébe kerülő területet. Egyfelől, a vizsgálatok többsége - ideértve a képalkotó eljárásokat, egysejt-elvezetéses és mezőpotenciál elektrofiziológiai kísérleteket - nagymértékben alábecsüli a folyamatosan jelen lévő oszcillációknak az információfeldolgozásra kifejtett hatását, annak ellenére, hogy számos kísérlet aláhúzza ennek jelentőségét (Arieli és mtsai., 1996; Dockree és mtsai., 2007; Fiser és mtsai., 2004; Harter és mtsai., 1982; Hillyard és Munte, 1984; Kisley és Gerstein, 1999; Kruglikov és Schiff, 2003; Lakatos és mtsai., 2005a, 2005b, 2007; Moran és Desimone, 1985; Polich, 1997; Rahn és Basar, 1993b; Rahn és Basar, 1993a; Rudell, 1980;

76


Truccolo és mtsai., 2002). Ahogy korábban említettük, az is világos, hogy a thalamikus illetve kérgi idegsejtek válaszkészsége és az EEG oszcilláció fázisa között összefüggés van (Contreras és mtsai., 1996; Kruglikov és Schiff, 2003; Lakatos és mtsai., 2005b; Pfurtscheller, 1976; Sanchez-Vives és McCormick, 2000; Steriade és mtsai., 1993). Másfelől viszont, egyre nagyobb érdeklődés mutatkozik a komplex, természetes ingerek alkalmazására a látás agyi mechanizmusainak megismerésében (Howe és Purves, 2005; Kayser és mtsai., 2003; Kayser és Konig, 2004; Kisley és Gerstein, 1999; Lesica és Stanley, 2004; Long és Purves, 2003; Pomplun, 2006; Salazar és mtsai., 2004; Yang és Purves, 2004), párosulva azzal a felismeréssel, hogy a természetes látás folyamatának jobb megértése magában foglalja a szemmozgásokhoz kapcsolódó mechanizmusok tisztázását is (Gallant és mtsai., 1998; Paradiso és mtsai., 2005; Reppas és mtsai., 2002; Vinje és Gallant, 2002). Eredményeink közelebb hozzák egymáshoz ezeket a témákat két szempontból: egyrészt technikailag, másrészt koncepcionálisan. A fixációhoz kötött vizuális kiváltott válaszok (azaz a fixációhoz átlagolt EEG) talán a természetes látás során lezajló folyamatokba engednek nagyobb betekintést. Továbbá, eredményeink azt sugallják, hogy a fixáció válaszerősítő hatása miatt a jel-zaj aránya ezeknek a válaszoknak nagyobb, mint a hagyományos módon kiváltott potenciáloké. Másfelől az eredmények tovább erősítik azt a nézetet, hogy a szenzoros és motoros agyi rendszerek szoros összhangban működnek együtt. A fixációhoz kapcsolt jelerősítő mechanizmus az agyi szemmozgató központok egy olyan képességét tükrözi, ami felkészíti a látórendszert a vizuális ingerek érkezésére, méghozzá olyan ritmusban, ahogy környezetünket szemléljük. Így a vizuális információfeldolgozás a szemlélőt érdeklő, számára releváns ingerekre „összpontosít” (Fixációhoz Kapcsolt Jelerősítő Hipotézis). Végül fontos kihangsúlyoznom, hogy a jelenlegi munka sok tekintetben csak a kezdetet jelenti, hiszen számos tisztázatlan kérdés van még. Eredményeink az információfeldolgozás természetes módjának alaposabb megértéséhez járulnak hozzá és ezzel további kísérleteknek és vizsgálatoknak nyitnak utat. A jövőben többek között meg szeretnénk vizsgálni, hogyan hat a vizuális fixáció más modalitások (pl.: akusztikus,

szomatoszenzoros)

ingerfeldolgozására.

Célunk,

hogy

a

vizuális

idegrendszer nem primer területeiről több kísérleti adatot gyűjtve megvizsgáljuk, hogy a primer látókéreghez hasonló fiziológiai folyamatok állnak-e a fixációhoz kapcsolódó

77


modulációk hátterében. Terveink között szerepel továbbá a fixációhoz kötődő jelerősítő mechanizmus direkt, fényingerrel történő vizsgálata is.

78


7. IRODALOMJEGYZÉK

Arieli A, Shoham D, Hildesheim R, Grinvald A (1995) Coherent spatiotemporal patterns of ongoing activity revealed by real-time optical imaging coupled with singleunit recording in the cat visual cortex. J Neurophysiol 73:2072-2093. Arieli A, Sterkin A, Grinvald A, Aertsen A (1996) Dynamics of ongoing activity: explanation of the large variability in evoked cortical responses. Science 273:18681871. Bair W, O'Keefe LP (1998) The influence of fixational eye movements on the response of neurons in area MT of the macaque. Vis Neurosci 15:779-786. Barash S, Bracewell RM, Fogassi L, Gnadt JW, Andersen RA (1991b) Saccade-related activity in the lateral intraparietal area. II. Spatial properties. J Neurophysiol 66:11091124. Barash S, Bracewell RM, Fogassi L, Gnadt JW, Andersen RA (1991a) Saccade-related activity in the lateral intraparietal area. I. Temporal properties; comparison with area 7a. J Neurophysiol 66:1095-1108. Barlow JS (1971) Brain information processing during reading: electrophysiological correlates. Dis Nerv Syst 32:668-672. Barna JS, Arezzo JC, Vaughan HG, Jr. (1981) A new multielectrode array for the simultaneous recording of field potentials and unit activity. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 52:494-496. Barnes R, Jones MR (2000) Expectancy, attention, and time. Cognit Psychol 41:254311. Barth DS, Di S, Baumgartner C (1989) Laminar cortical interactions during epileptic spikes studied with principal component analysis and physiological modeling. Brain Res 484:13-35. Becker W, Hoehne O, Iwase K, Kornhuber HH (1972) [Readiness potential, pre-motor positivity and other changes of cortical potential in saccadic eye movements]. Vision Res 12:421-436. Beeler GW, Jr. (1967) Visual threshold changes resulting from spontaneous saccadic eye movements. Vision Res 7:769-775. Benevento LA, Rezak M (1976) The cortical projections of the inferior pulvinar and adjacent lateral pulvinar in the rhesus monkey (Macaca mulatta): an autoradiographic study. Brain Res 108:1-24.

79


Bisley JW, Goldberg ME (2003) Neuronal activity in the lateral intraparietal area and spatial attention. Science 299:81-86. Breakspear M, Williams LM, Stam CJ (2004) A novel method for the topographic analysis of neural activity reveals formation and dissolution of 'Dynamic Cell Assemblies'. J Comput Neurosci 16:49-68. Brooks DC, Gershon MD (1971) Eye movement potentials in the oculomotor and visual systems of the cat: a comparison of reserpine induced waves with those present during wakefulness and rapid eye movement sleep. Brain Res 27:223-239. Burr DC, Morrone MC (1996) Temporal impulse response functions for luminance and colour during saccades. Vision Res 36:2069-2078. Burr DC, Morrone MC, Ross J (1994) Selective suppression of the magnocellular visual pathway during saccadic eye movements. Nature 371:511-513. Buzsaki G, Czopf J, Kondakor I, Kellenyi L (1986) Laminar distribution of hippocampal rhythmic slow activity (RSA) in the behaving rat: current-source density analysis, effects of urethane and atropine. Brain Res 365:125-137. Callaway E, III, Yeager CL (1960) Relationship between reaction time and electroencephalographic alpha phase. Science 132:1765-1766. Campbell FW, Wurtz RH (1978) Saccadic omission: why we do not see a grey-out during a saccadic eye movement. Vision Res 18:1297-1303. Carpenter R.H.S. (McCormick and Pape, 1988). Movements of the Eyes, 2nd Edition (London: Pion) Castet E, Jeanjean S, Masson GS (2001) 'Saccadic suppression'- no need for an active extra-retinal mechanism. Trends Neurosci 24:316-318. Chen CM, Lakatos P, Shah AS, Mehta AD, Givre SJ, Javitt DC, Schroeder CE (2006) Functional Anatomy and Interaction of Fast and Slow Visual Pathways in Macaque Monkeys. Cereb Cortex. Cohen B, Henn V (1972) Unit activity in the pontine reticular formation associated with eye movements. Brain Res 46:403-410. Contreras D, Timofeev I, Steriade M (1996) Mechanisms of long-lasting hyperpolarizations underlying slow sleep oscillations in cat corticothalamic networks. J Physiol 494 ( Pt 1):251-264. Cooper R, McCallum WC, Newton P, Papakostopoulos D, Pocock PV, Warren WJ (1977) Cortical potentials associated with the detection of visual events. Science 196:74-77. Dawson GD (1951) A summation technique for detecting small signals in a large irregular background. J Physiol 115:2p-3p.

80


Dawson GD (1954) A summation technique for the detection of small evoked potentials. Electroencephalogr Clin Neurophysiol Suppl 6:65-84. Deco G, Pollatos O, Zihl J (2002) The time course of selective visual attention: theory and experiments. Vision Res 42:2925-2945. Dejardin S, Dubois S, Bodart JM, Schiltz C, Delinte A, Michel C, Roucoux A, Crommelinck M (1998) PET study of human voluntary saccadic eye movements in darkness: effect of task repetition on the activation pattern. Eur J Neurosci 10:23282336. Diamond MR, Ross J, Morrone MC (2000) Extraretinal control of saccadic suppression. J Neurosci 20:3449-3455. Dockree PM, Kelly SP, Foxe JJ, Reilly RB, Robertson IH (2007) Optimal sustained attention is linked to the spectral content of background EEG activity: greater ongoing tonic alpha (approximately 10 Hz) power supports successful phasic goal activation. Eur J Neurosci 25:900-907. Donchin E, Gerbrandt LA, Leifer L, Tucker L (1972) Is the contingent negative variation contingent on a motor response? Psychophysiology 9:178-188. Doniger GM, Foxe JJ, Schroeder CE, Murray MM, Higgins BA, Javitt DC (2001) Visual perceptual learning in human object recognition areas: a repetition priming study using high-density electrical mapping. Neuroimage 13:305-313. Doty RW, Wilson PD, Bartlett JR, Pecci-Saavedra J (1973) Mesencephalic control of lateral geniculate nucleus in primates. I. Electrophysiology. Exp Brain Res 18:189-203. Dustman RE, Beck EC (1965) Phase Of Alpha Brain Waves, Reaction Time And Visually Evoked Potentials. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 18:433-440. Engel AK, Fries P, Singer W (2001) Dynamic predictions: oscillations and synchrony in top-down processing. Nat Rev Neurosci 2:704-716. Evans CC (1953) Spontaneous excitation of the visual cortex and association areas; lambda waves. Electroencephalogr Clin Neurophysiol Suppl 5:69-74. Fahy FL, Riches IP, Brown MW (1993) Neuronal activity related to visual recognition memory: long-term memory and the encoding of recency and familiarity information in the primate anterior and medial inferior temporal and rhinal cortex. Exp Brain Res 96:457-472. Fawcett AP, Cunic D, Hamani C, Hodaie M, Lozano AM, Chen R, Hutchison WD (2007) Saccade-related potentials recorded from human subthalamic nucleus. Clin Neurophysiol 118:155-163. Feldman M, Cohen B (1968) Electrical activity in the lateral geniculate body of the alert monkey associated with eye movements. J Neurophysiol 31:455-466.

81


Fiser J, Chiu C, Weliky M (2004) Small modulation of ongoing cortical dynamics by sensory input during natural vision. Nature 431:573-578. Foxe JJ, Murray MM, Javitt DC (2005) Filling-in in schizophrenia: a high-density electrical mapping and source-analysis investigation of illusory contour processing. Cereb Cortex 15:1914-1927. Freeman JA, Nicholson C (1975) Experimental optimization of current source-density technique for anuran cerebellum. J Neurophysiol 38:369-382. Fries P, Reynolds JH, Rorie AE, Desimone R (2001) Modulation of oscillatory neuronal synchronization by selective visual attention. Science 291:1560-1563. Fu KM, Shah AS, O'Connell MN, McGinnis T, Eckholdt H, Lakatos P, Smiley J, Schroeder CE (2004a) Timing and laminar profile of eye-position effects on auditory responses in primate auditory cortex. J Neurophysiol 92:3522-3531. Fu KM, Shah AS, O'Connell MN, McGinnis T, Eckholdt H, Lakatos P, Smiley J, Schroeder CE (2004b) Timing and laminar profile of eye-position effects on auditory responses in primate auditory cortex. J Neurophysiol 92:3522-3531. Fuchs AF, Kaneko CR, Scudder CA (1985) Brainstem control of saccadic eye movements. Annu Rev Neurosci 8:307-337. Fuchs AF, Luschei ES (1970) Firing patterns of abducens neurons of alert monkeys in relationship to horizontal eye movement. J Neurophysiol 33:382-392. Funahashi S, Bruce CJ, Goldman-Rakic PS (1991) Neuronal activity related to saccadic eye movements in the monkey's dorsolateral prefrontal cortex. J Neurophysiol 65:14641483. Gaarder K, Krauskopf J, Graf V, Kropfl W, Armington Jc (1964) Averaged Brain Activity Following Saccadic Eye Movement. Science 146:1481-1483. Gaffan D, Hornak J (1997) Visual neglect in the monkey. Representation and disconnection. Brain 120 ( Pt 9):1647-1657. Gallant JL, Connor CE, Van E (1998) Neural activity in areas V1, V2 and V4 during free viewing of natural scenes compared to controlled viewing. Neuroreport 9:85-90. Gastaut H, Gastaut Y, Roger A, Corriol J, Naquet R (1951) [Electrographic study of the cycle of cortical excitability cycle.]. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 3:401-428. Gattass R, Nascimento-Silva S, Soares JG, Lima B, Jansen AK, Diogo AC, Farias MF, Botelho MM, Mariani OS, Azzi J, Fiorani M (2005) Cortical visual areas in monkeys: location, topography, connections, columns, plasticity and cortical dynamics. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 360:709-731.

82


Geisler Cd, Frishkopf Ls, Rosenblith Wa (1958) Extracranial responses to acoustic clicks in man. Science 128:1210-1211. Givre SJ, Arezzo JC, Schroeder CE (1995) Effects of wavelength on the timing and laminar distribution of illuminance-evoked activity in macaque V1. Vis Neurosci 12:229-239. Givre SJ, Schroeder CE, Arezzo JC (1994) Contribution of extrastriate area V4 to the surface-recorded flash VEP in the awake macaque. Vision Res 34:415-428. Goldberg ME, Bisley J, Powell KD, Gottlieb J, Kusunoki M (2002) The role of the lateral intraparietal area of the monkey in the generation of saccades and visuospatial attention. Ann N Y Acad Sci 956:205-215. Gonchar Y, Burkhalter A (1999) Differential subcellular localization of forward and feedback interareal inputs to parvalbumin expressing GABAergic neurons in rat visual cortex. J Comp Neurol 406:346-360. Gray JA (1971) Medial septal lesions, hippocampal theta rhythm and the control of vibrissal movement in the freely moving rat. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 30:189-197. Green J (1957) Some observations on lambda waves and peripheral stimulation. Electroencephalogr Clin Neurophysiol Suppl 9:691-704. Gruber T, Muller MM, Keil A, Elbert T (1999) Selective visual-spatial attention alters induced gamma band responses in the human EEG. Clin Neurophysiol 110:2074-2085. Haider B, Duque A, Hasenstaub AR, Yu Y, McCormick DA (2007) Enhancement of Visual Responsiveness by Spontaneous Local Network Activity in vivo. J Neurophysiol. Harter MR, Aine C, Schroeder C (1982) Hemispheric differences in the neural processing of stimulus location and type: effects of selective attention on visual evoked potentials. Neuropsychologia 20:421-438. Haslinger R, Ulbert I, Moore CI, Brown EN, Devor A (2006) Analysis of LFP phase predicts sensory response of barrel cortex. J Neurophysiol 96:1658-1663. Henn V, Buttner-Ennever JA, Hepp K (1982a) The primate oculomotor system. I. Motoneurons. A synthesis of anatomical, physiological, and clinical data. Hum Neurobiol 1:77-85. Henn V, Hepp K, Buttner-Ennever JA (1982b) The primate oculomotor system. II. Premotor system. A synthesis of anatomical, physiological, and clinical data. Hum Neurobiol 1:87-95. Hepp K, Henn V, Jaeger J (1982) Eye movement related neurons in the cerebellar nuclei of the alert monkey. Exp Brain Res 45:253-264.

83


Hillyard SA, Munte TF (1984) Selective attention to color and location: an analysis with event-related brain potentials. Percept Psychophys 36:185-198. Holsheimer J (1987) Electrical conductivity of the hippocampal CA1 layers and application to current-source-density analysis. Exp Brain Res 67:402-410. Howe CQ, Purves D (2005) Natural-scene geometry predicts the perception of angles and line orientation. Proc Natl Acad Sci U S A 102:1228-1233. Hubel DH (1959) Single unit activity in striate cortex of unrestrained cats. J Physiol 147:226-238. Hubel DH, WIESEL TN (1959) Receptive fields of single neurones in the cat's striate cortex. J Physiol 148:574-591. Hubel DH, WIESEL TN (1962) Receptive fields, binocular interaction and functional architecture in the cat's visual cortex. J Physiol 160:106-154. Ikeda M (1986) Temporal impulse response. Vision Res 26:1431-1440. Jansen BH, Agarwal G, Hegde A, Boutros NN (2003) Phase synchronization of the ongoing EEG and auditory EP generation. Clin Neurophysiol 114:79-85. Jeannerod M, Sakai K (1970) Occipital and geniculate potentials related to eye movements in the unanaesthetized cat. Brain Res 19:361-377. Jones EG (1998b) A new view of specific and nonspecific thalamocortical connections. Adv Neurol 77:49-71. Jones EG (1998a) Viewpoint: the core and matrix of thalamic organization. Neuroscience 85:331-345. Jones MR, Moynihan H, MacKenzie N, Puente J (2002) Temporal aspects of stimulusdriven attending in dynamic arrays. Psychol Sci 13:313-319. Karmos, G., Bencze, J., Ulbert, I., Vértessy, M. Bioloógiai jelek multipólusú erősítése. Magyar Elektronika, 1990, VII/8: 7-13 Karmos G, Lakatos P, Pincze Z, Rajkai C, Ulbert I (2002) Frequency of gamma activity is modulated by motivation in the auditory cortex of cat. Acta Biol Hung 53:473-483. Karmos Gy., Lakatos, P., Pincze Zs., Rajkai Cs., Ulbert I. (2001) A motivációs szint változásának hatása a hallókérgi gamma oszcillációra macskán. In: Pléh Cs., László J., Oláh A. (szerk.) Tanulás, kezdeményezés, alkotás. Budapest: Eötvös Kiadó, 2001, 191202 Karmos, G., Molnár, M., Csépe, V. Intracortical profiles of Evoked-Potential components related to behavioural activation in cats. Cerebral Psychophysiology. In: W.C. McCallum, R. Zappoli, F. Denoth (Eds.), Studies in Event-Related Potentials

84


(EEG suppl. 38), Elsevier Science Publishers B.V. (Biomedical Division), 1986: 555557. Karmos G, Molnar M, Csepe V, Winkler I (1986) Evoked potential components in the layers of the auditory cortex of the cat. Acta Neurobiol Exp (Wars ) 46:227-236. Karwoski CJ, Xu X, Yu H (1996) Current-source density analysis of the electroretinogram of the frog: methodological issues and origin of components. J Opt Soc Am A Opt Image Sci Vis 13:549-556. Kayser C, Konig P (2004) Population coding of orientation in the visual cortex of alert cats--an information theoretic analysis. Neuroreport 15:2761-2764. Kayser C, Kording KP, Konig P (2003) Learning the nonlinearity of neurons from natural visual stimuli. Neural Comput 15:1751-1759. Keil A, Gruber T, Muller MM (2001) Functional correlates of macroscopic highfrequency brain activity in the human visual system. Neurosci Biobehav Rev 25:527534. Kisley MA, Gerstein GL (1999) Trial-to-trial variability and state-dependent modulation of auditory-evoked responses in cortex. J Neurosci 19:10451-10460. Klimesch W, Schack B, Schabus M, Doppelmayr M, Gruber W, Sauseng P (2004) Phase-locked alpha and theta oscillations generate the P1-N1 complex and are related to memory performance. Brain Res Cogn Brain Res 19:302-316. Klostermann W, Kompf D, Heide W, Verleger R, Wauschkuhn B, Seyfert T (1994) The presaccadic cortical negativity prior to self-paced saccades with and without visual guidance. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 91:219-228. Komisaruk BR (1970) Synchrony between limbic system theta activity and rhythmical behavior in rats. J Comp Physiol Psychol 70:482-492. Kornhuber HH, Deecke L (1965) [Changes In The Brain Potential In Voluntary Movements And Passive Movements In Man: Readiness Potential And Reafferent Potentials.]. Pflugers Arch Gesamte Physiol Menschen Tiere 284:1-17. Kraut MA, Arezzo JC, Vaughan HG, Jr. (1985) Intracortical generators of the flash VEP in monkeys. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 62:300-312. Krekelberg B, Kubischik M, Hoffmann KP, Bremmer F (2003) Neural correlates of visual localization and perisaccadic mislocalization. Neuron 37:537-545. Kruglikov SY, Schiff SJ (2003) Interplay of electroencephalogram phase and auditoryevoked neural activity. J Neurosci 23:10122-10127. Kurtzberg D, Vaughan HG (1977) Electrophysiological observations ont he visuomotor system and visual neurosensorium, In: Desmedt JE (ed.) Visual Evoked Potentials in Man: Nem Developments, Clarendon Press, Oxford, 314-331.

85


LaBerge D (2001) Attention, consciousness, and electrical wave activity within the cortical column. Int J Psychophysiol 43:5-24. Lakatos P, Chen CM, O'Connell MN, Mills A, Schroeder CE (2007) Neuronal oscillations and multisensory interaction in primary auditory cortex. Neuron 53:279292. Lakatos P., Kozák LR., Pincze Zs., Rajkai Cs., Ulbert I., Karmos G (2002a) Attention induced alterations in the gamma activity of the acoustical cortex in cat. Poster, IBRO International Workshop on Signalling Mechanisms in the Central and Periferial Nervous System, Debrecen, 2002. Lakatos P, Pincze Zs, Rajkai C, Ulbert I, Karmos G (2002b) Modulation of gammaactivity in the background of an instrumental conditioning paradigm in cats. Poster, Cognitive Neuroscience Society, San Fransisco, CA abstr.: J. Cogn. Neurosci., 2002, Suppl. 40. Lakatos P, Shah AS, Knuth KH, Ulbert I, Karmos G, Schroeder CE (2005b) An oscillatory hierarchy controlling neuronal excitability and stimulus processing in the auditory cortex. J Neurophysiol 94:1904-1911. Lakatos P, Szilagyi N, Pincze Z, Rajkai C, Ulbert I, Karmos G (2004) Attention and arousal related modulation of spontaneous gamma-activity in the auditory cortex of the cat. Brain Res Cogn Brain Res 19:1-9. Large EW, Fink P, Kelso JA (2002) Tracking simple and complex sequences. Psychol Res 66:3-17. Le Van QM, Foucher J, Lachaux J, Rodriguez E, Lutz A, Martinerie J, Varela FJ (2001) Comparison of Hilbert transform and wavelet methods for the analysis of neuronal synchrony. J Neurosci Methods 111:83-98. Lee D, Malpeli JG (1998) Effects of saccades on the activity of neurons in the cat lateral geniculate nucleus. J Neurophysiol 79:922-936. Lesica NA, Stanley GB (2004) Encoding of natural scene movies by tonic and burst spikes in the lateral geniculate nucleus. J Neurosci 24:10731-10740. Long F, Purves D (2003) Natural scene statistics as the universal basis of color context effects. Proc Natl Acad Sci U S A 100:15190-15193. Lu SM, Guido W, Sherman SM (1993) The brain-stem parabrachial region controls mode of response to visual stimulation of neurons in the cat's lateral geniculate nucleus. Vis Neurosci 10:631-642. Luck SJ, Chelazzi L, Hillyard SA, Desimone R (1997) Neural mechanisms of spatial selective attention in areas V1, V2, and V4 of macaque visual cortex. J Neurophysiol 77:24-42.

86


Lynch JC, McLaren JW (1989) Deficits of visual attention and saccadic eye movements after lesions of parietooccipital cortex in monkeys. J Neurophysiol 61:74-90. MacKay DM (1970) Elevation of visual threshold by displacement of retinal image. Nature 225:90-92. Macrides F (1975) Temporal relationships between hippocampal slow waves and exploratory sniffing in hamsters. Behav Biol 14:295-308. Makeig S, Debener S, Onton J, Delorme A (2004) Mining event-related brain dynamics. Trends Cogn Sci 8:204-210. Makeig S, Westerfield M, Jung TP, Enghoff S, Townsend J, Courchesne E, Sejnowski TJ (2002) Dynamic brain sources of visual evoked responses. Science 295:690-694. Malcolm GL, Barton JJ (2007) "Sequence Agnosia" in Balint's syndrome: defects in visuotemporal processing after bilateral parietal damage. J Cogn Neurosci 19:102-108. Marton M.: Az állandó tér észlelése. A szemmozgatás és az információfeldolgozás mérése. Pszich. 1981. 3. 331–346. Marton M, Szirtes J, Breuer P (1983) Late components of saccade-related brain potentials in guessing tasks. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 56:652-663. Marton M, Szirtes J, Breuer P (1985) Late components of lambda responses in cognitive tasks. Doc Ophthalmol 59:199-204. McCormick DA, Pape HC (1988) Acetylcholine inhibits identified interneurons in the cat lateral geniculate nucleus. Nature 334:246-248. Mehta AD, Ulbert I, Schroeder CE (2000) Intermodal selective attention in monkeys. I: distribution and timing of effects across visual areas. Cereb Cortex 10:343-358. Mesulam MM (1981) A cortical network for directed attention and unilateral neglect. Ann Neurol 10:309-325. Miller EK, Li L, Desimone R (1991) A neural mechanism for working and recognition memory in inferior temporal cortex. Science 254:1377-1379. Mitzdorf U (1985) Current source-density method and application in cat cerebral cortex: investigation of evoked potentials and EEG phenomena. Physiol Rev 65:37-100. Mitzdorf U (1987) Properties of the evoked potential generators: current source-density analysis of visually evoked potentials in the cat cortex. Int J Neurosci 33:33-59. Mitzdorf U, Singer W (1978) Prominent excitatory pathways in the cat visual cortex (A 17 and A 18): a current source density analysis of electrically evoked potentials. Exp Brain Res 33:371-394.

87


Moran J, Desimone R (1985) Selective attention gates visual processing in the extrastriate cortex. Science 229:782-784. Moster ML, Goldberg G (1990) Topography of scalp potentials preceding self-initiated saccades. Neurology 40:644-648. Moulignier A, de Saint ML, Mahieux F, Manifacier MJ, Dupont B (1995) Balint's syndrome. Neurology 45:1030-1031. Muller MM, Gruber T, Keil A (2000) Modulation of induced gamma band activity in the human EEG by attention and visual information processing. Int J Psychophysiol 38:283-299. Munoz DP, Wurtz RH (1993a) Fixation cells in monkey superior colliculus. I. Characteristics of cell discharge. J Neurophysiol 70:559-575. Munoz DP, Wurtz RH (1993b) Fixation cells in monkey superior colliculus. II. Reversible activation and deactivation. J Neurophysiol 70:576-589. Murray MM, Foxe DM, Javitt DC, Foxe JJ (2004) Setting boundaries: brain dynamics of modal and amodal illusory shape completion in humans. J Neurosci 24:6898-6903. Nakamura K, Colby CL (2000) Visual, saccade-related, and cognitive activation of single neurons in monkey extrastriate area V3A. J Neurophysiol 84:677-692. Netoff TI, Schiff SJ (2002) Decreased neuronal synchronization during experimental seizures. J Neurosci 22:7297-7307. Nicholson C (1973) Theoretical analysis of field potentials in anisotropic ensembles of neuronal elements. IEEE Trans Biomed Eng 20:278-288. Nicholson C, Freeman JA (1975) Theory of current source-density analysis and determination of conductivity tensor for anuran cerebellum. J Neurophysiol 38:356-368. Nicoll RA, Malenka RC, Kauer JA (1990) Functional comparison of neurotransmitter receptor subtypes in mammalian central nervous system. Physiol Rev 70:513-565. Nowak LG, Sanchez-Vives MV, McCormick DA (1997) Influence of low and high frequency inputs on spike timing in visual cortical neurons. Cereb Cortex 7:487-501. Paradiso MA, Macevoy SP, Huang X, Blau S (2005) The importance of modulatory input for V1 activity and perception. Prog Brain Res 149:257-267. Park J, Lee C (2000) Neural discharge coupled to saccade offset in the cat visual cortex. Neuroreport 11:1661-1664. Parker DE (1980) The vestibular apparatus. Sci Am 243:118-135. Peck CK, Schlag-Rey M, Schlag J (1980) Visuo-oculomotor properties of cells in the superior colliculus of the alert cat. J Comp Neurol 194:97-116.

88


Penny WD, Kiebel SJ, Kilner JM, Rugg MD (2002) Event-related brain dynamics. Trends Neurosci 25:387-389. Pereda E, Quiroga RQ, Bhattacharya J (2005) Nonlinear multivariate analysis of neurophysiological signals. Prog Neurobiol 77:1-37. Pfurtscheller G (1976) Variability of cortical evoked responses in man related to slow wave activity. Pflugers Arch 362:193-199. Pierrot-Deseilligny C, Ploner CJ, Muri RM, Gaymard B, Rivaud-Pechoux S (2002) Effects of cortical lesions on saccadic: eye movements in humans. Ann N Y Acad Sci 956:216-229. Polich J (1997) On the relationship between EEG and P300: individual differences, aging, and ultradian rhythms. Int J Psychophysiol 26:299-317. Pomplun M (2006) Saccadic selectivity in complex visual search displays. Vision Res 46:1886-1900. Poulet JF, Hedwig B (2007) New insights into corollary discharges mediated by identified neural pathways. Trends Neurosci 30:14-21. Purpura KP, Kalik SF, Schiff ND (2003) Analysis of perisaccadic field potentials in the occipitotemporal pathway during active vision. J Neurophysiol 90:3455-3478. Quian QR, Kraskov A, Kreuz T, Grassberger P (2002) Performance of different synchronization measures in real data: a case study on electroencephalographic signals. Phys Rev E Stat Nonlin Soft Matter Phys 65:041903. Rafal RD (2006) Oculomotor functions of the parietal lobe: Effects of chronic lesions in humans. Cortex 42:730-739. Rahn E, Basar E (1993a) Enhancement of visual evoked potentials by stimulation during low prestimulus EEG stages. Int J Neurosci 72:123-136. Rahn E, Basar E (1993b) Prestimulus EEG-activity strongly influences the auditory evoked vertex response: a new method for selective averaging. Int J Neurosci 69:207220. Rajkai C, Lakatos P, Chen CM, Pincze Z, Karmos G, Schroeder CE (2007) Transient Cortical Excitation at the Onset of Visual Fixation. Cereb Cortex. Rajkai C, Lakatos P, Shah AS, Schroeder CE (2004) Neural mechanisms and physiological significance of the visual N1 component Program No. 1023.19. 2004 Abstract Viewer/Itinerary Planner. Washington, DC: Society for Neuroscience, 2004. Online. Rajkai C, Shah AS, Lakatos P, Chen C, Schroeder CE (2005). Visual fixation-related neuronal activity in monkeys Program No. 165.5. 2005 Abstract Viewer/Itinerary Planner. Washington, DC: Society for Neuroscience, 2005. Online.

89


Remond A, Lesevre N, Torres F (1965) [Chrono-topographic study of middle occipital activity recorded on the scalp in humans in relation to eye movements (lambda complex)]. Rev Neurol (Paris) 113:193-226. Reppas JB, Usrey WM, Reid RC (2002) Saccadic eye movements modulate visual responses in the lateral geniculate nucleus. Neuron 35:961-974. Reva NV, Aftanas LI (2004) The coincidence between late non-phase-locked gamma synchronization response and saccadic eye movements. Int J Psychophysiol 51:215-222. Reynolds JH, Pasternak T, Desimone R (2000) Attention increases sensitivity of V4 neurons. Neuron 26:703-714. Rice DM, Hagstrom EC (1989) Some evidence in support of a relationship between human auditory signal-detection performance and the phase of the alpha cycle. Percept Mot Skills 69:451-457. Riggs LA, Merton PA, Morton HB (1974) Suppression of visual phosphenes during saccadic eye movements. Vision Res 14:997-1011. Ringo JL, Sobotka S, Diltz MD, Bunce CM (1994) Eye movements modulate activity in hippocampal, parahippocampal, and inferotemporal neurons. J Neurophysiol 71:12851288. Robinson DL, Rugg MD (1988) Latencies of visually responsive neurons in various regions of the rhesus monkey brain and their relation to human visual responses. Biol Psychol 26:111-116. Rosenblum MG, Pikovsky AS, Kurths J (1996) Phase synchronization of chaotic oscillators. Physical Review Letters 76:1804-1807. Rudell A (1980) The rhythm of cortical excitability. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 49:125-134. Salazar RF, Konig P, Kayser C (2004) Directed interactions between visual areas and their role in processing image structure and expectancy. Eur J Neurosci 20:1391-1401. Sanchez-Vives MV, McCormick DA (2000) Cellular and network mechanisms of rhythmic recurrent activity in neocortex. Nat Neurosci 3:1027-1034. Sayers BM, Beagley HA, Henshall WR (1974) The mechansim of auditory evoked EEG responses. Nature 247:481-483. Schall JD (1991) Neuronal activity related to visually guided saccadic eye movements in the supplementary motor area of rhesus monkeys. J Neurophysiol 66:530-558. Schlag-Rey M, Schlag J (1984) Visuomotor functions of central thalamus in monkey. I. Unit activity related to spontaneous eye movements. J Neurophysiol 51:1149-1174.

90


Schmolesky MT, Wang Y, Hanes DP, Thompson KG, Leutgeb S, Schall JD, Leventhal AG (1998) Signal timing across the macaque visual system. J Neurophysiol 79:32723278. Schroeder CE, Javitt DC, Steinschneider M, Mehta AD, Givre SJ, Vaughan HG, Jr., Arezzo JC (1997) N-methyl-D-aspartate enhancement of phasic responses in primate neocortex. Exp Brain Res 114:271-278. Schroeder CE, Mehta AD, Givre SJ (1998) A spatiotemporal profile of visual system activation revealed by current source density analysis in the awake macaque. Cereb Cortex 8:575-592. Schroeder CE, Steinschneider M, Javitt DC, Givre SJ, Mehta AD, Tenke CE, Simpson GV, Arezzo JC, Vaughan HG Jr (1994) Localization of ERP generators and identification of underlying neural processes. In: Perspectives of event-related potential research (EEG Suppl 44) (Karmos G, Csepe V, Czigler I, Desmedt, JE, eds). Pp. 55-75. Amsterdam: Elsevier Schroeder CE, Steinschneider M, Javitt DC, Tenke CE, Givre SJ, Mehta AD, Simpson GV, Arezzo JC, Vaughan HG, Jr. (1995) Localization of ERP generators and identification of underlying neural processes. Electroencephalogr Clin Neurophysiol Suppl 44:55-75. Schroeder CE, Tenke CE, Givre SJ, Arezzo JC, Vaughan HG, Jr. (1991) Striate cortical contribution to the surface-recorded pattern-reversal VEP in the alert monkey. Vision Res 31:1143-1157. Schroeder CE, Tenke CE, Givre SJ, Arezzo JC, Vaughan HG, Jr. (1990) Laminar analysis of bicuculline-induced epileptiform activity in area 17 of the awake macaque. Brain Res 515:326-330. Scott DF, Bickford RG (1967a) Electrophysiologic studies during scanning and passive eye movements in humans. Science 155:101-102. Scott DF, Groethuysen UC, Bickford RG (1967b) Lambda responses in the human electroencephalogram. Neurology 17:770-778. Sehatpour P, Molholm S, Javitt DC, Foxe JJ (2006) Spatiotemporal dynamics of human object recognition processing: an integrated high-density electrical mapping and functional imaging study of "closure" processes. Neuroimage 29:605-618. Seidemann E, Arieli A, Grinvald A, Slovin H (2002) Dynamics of depolarization and hyperpolarization in the frontal cortex and saccade goal. Science 295:862-865. Shah AS, Bressler SL, Knuth KH, Ding M, Mehta AD, Ulbert I, Schroeder CE (2004) Neural dynamics and the fundamental mechanisms of event-related brain potentials. Cereb Cortex 14:476-483. Sherman SM, Guillery RW (2002) The role of the thalamus in the flow of information to the cortex. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 357:1695-1708.

91


Skrandies W, Laschke K (1997) Topography of visually evoked brain activity during eye movements: lambda waves, saccadic suppression, and discrimination performance. Int J Psychophysiol 27:15-27. Sobotka S, Nowicka A, Ringo JL (1997) Activity linked to externally cued saccades in single units recorded from hippocampal, parahippocampal, and inferotemporal areas of macaques. J Neurophysiol 78:2156-2163. Sobotka S, Ringo JL (1997) Saccadic eye movements, even in darkness, generate eventrelated potentials recorded in medial sputum and medial temporal cortex. Brain Res 756:168-173. Sobotka S, Ringo JL (1996) Mnemonic responses of single units recorded from monkey inferotemporal cortex, accessed via transcommissural versus direct pathways: a dissociation between unit activity and behavior. J Neurosci 16:4222-4230. Sobotka S, Zuo W, Ringo JL (2002) Is the functional connectivity within temporal lobe influenced by saccadic eye movements? J Neurophysiol 88:1675-1684. Sommer MA, Wurtz RH (2002) A pathway in primate brain for internal monitoring of movements. Science 296:1480-1482. Sparks DL (1986) Translation of sensory signals into commands for control of saccadic eye movements: role of primate superior colliculus. Physiol Rev 66:118-171. Sparks DL, Mays LE (1990) Signal transformations required for the generation of saccadic eye movements. Annu Rev Neurosci 13:309-336. Stanton GB, Bruce CJ, Goldberg ME (1995) Topography of projections to posterior cortical areas from the macaque frontal eye fields. J Comp Neurol 353:291-305. Steriade M, Nunez A, Amzica F (1993) A novel slow (< 1 Hz) oscillation of neocortical neurons in vivo: depolarizing and hyperpolarizing components. J Neurosci 13:32523265. Sukov W, Barth DS (1998) Three-dimensional analysis of spontaneous and thalamically evoked gamma oscillations in auditory cortex. J Neurophysiol 79:2875-2884. Sylvester R, Haynes JD, Rees G (2005) Saccades differentially modulate human LGN and V1 responses in the presence and absence of visual stimulation. Curr Biol 15:37-41. Sylvester R, Rees G (2006) Extraretinal saccadic signals in human LGN and early retinotopic cortex. Neuroimage 30:214-219. Tallon-Baudry C, Bertrand O (1999) Oscillatory gamma activity in humans and its role in object representation. Trends Cogn Sci 3:151-162. Tallon-Baudry C, Bertrand O, Delpuech C, Pernier J (1996) Stimulus specificity of phase-locked and non-phase-locked 40 Hz visual responses in human. J Neurosci 16:4240-4249.

92


Tenke CE, Schroeder CE, Arezzo JC, Vaughan HG, Jr. (1993) Interpretation of highresolution current source density profiles: a simulation of sublaminar contributions to the visual evoked potential. Exp Brain Res 94:183-192. Thickbroom GW, Mastaglia FL (1985) Presaccadic 'spike' potential: investigation of topography and source. Brain Res 339:271-280. Thiele A, Henning P, Kubischik M, Hoffmann KP (2002) Neural mechanisms of saccadic suppression. Science 295:2460-2462. Timofeev I, Contreras D, Steriade M (1996) Synaptic responsiveness of cortical and thalamic neurones during various phases of slow sleep oscillation in cat. J Physiol 494 ( Pt 1):265-278. Treue S, Maunsell JH (1996) Attentional modulation of visual motion processing in cortical areas MT and MST. Nature 382:539-541. Truccolo WA, Ding M, Knuth KH, Nakamura R, Bressler SL (2002) Trial-to-trial variability of cortical evoked responses: implications for the analysis of functional connectivity. Clin Neurophysiol 113:206-226. Ulbert I, Halgren E, Heit G, Karmos G (2001a) Multiple microelectrode-recording system for human intracortical applications. J Neurosci Methods 106:69-79. Ulbert I, Heit G, Madsen J, Karmos G, Halgren E (2004) Laminar analysis of human neocortical interictal spike generation and propagation: current source density and multiunit analysis in vivo. Epilepsia 45 Suppl 4:48-56. Ulbert I, Karmos G, Heit G, Halgren E (2001b) Early discrimination of coherent versus incoherent motion by multiunit and synaptic activity in human putative MT+. Hum Brain Mapp 13:226-238. Valenstein E, Heilman KM, Watson RT, Van Den AT (1982) Nonsensory neglect from parietotemporal lesions in monkeys. Neurology 32:1198-1201. Vinje WE, Gallant JL (2000) Sparse coding and decorrelation in primary visual cortex during natural vision. Science 287:1273-1276. Vinje WE, Gallant JL (2002) Natural stimulation of the nonclassical receptive field increases information transmission efficiency in V1. J Neurosci 22:2904-2915. Ward LM (2003) Synchronous neural oscillations and cognitive processes. Trends Cogn Sci 7:553-559. Webb B (2004) Neural mechanisms for prediction: do insects have forward models? Trends Neurosci 27:278-282. Weinstein JM, Balaban CD, VerHoeve JN (1991) Directional tuning of the human presaccadic spike potential. Brain Res 543:243-250.

93


Williford T, Maunsell JH (2006) Effects of spatial attention on contrast response functions in macaque area V4. J Neurophysiol 96:40-54. Wurtz RH, Sommer MA (2004) Identifying corollary discharges for movement in the primate brain. Prog Brain Res 144:47-60. Yagi A (1979) Saccade size and lambda complex in man. Physiological Psychology 7:370-376 Yang Z, Purves D (2004) The statistical structure of natural light patterns determines perceived light intensity. Proc Natl Acad Sci U S A 101:8745-8750. Yarbus AL (1961) Eye movements during the examination of complicated objects. Biofizika 6(2):52-56. Yarbus,A.L. (1967). In: (ed). Eye movements and Vision. New York: Plenium. Yeung N, Bogacz R, Holroyd CB, Cohen JD (2004) Detection of synchronized oscillations in the electroencephalogram: an evaluation of methods. Psychophysiology 41:822-832. Yoshikura N, Iijima M, Kobayashi M, Takeuchi T, Hatano M (1979) [Bilateral internuclear ophthalmoplegia (author's transl)]. Rev Neurol (Paris) 135:31-40. Zaretsky M, Rowell CH (1979) Saccadic suppression by corollary discharge in the locust. Nature 280:583-585.

94


8. ÖSSZEFOGLALÓ A körülöttünk lévő látható világ megismerésének természetes módja, hogy tekintetünket gyors szemmozgásokkal (szakkádokkal) rövid időre különböző tárgyakra irányítjuk. Mindezek ellenére a látórendszer vizsgálatainak túlnyomó többsége olyan természetellenes kísérleti elrendezésben történik, melyben a kísérleti személynek (ill. állatnak) folyamatosan egy pontra kell fixálnia, míg rövidebb-hosszabb időre vizuális ingerek jelennek meg előtte. A természetes látáshoz kapcsolódó folyamatok jobb megértése érdekében megvizsgáltuk, hogy milyen hatással van a szemmozgást követő vizuális fixáció az agyban folyamatosan jelenlévő bioelektromos oszcillációkra. Kísérleteinkben összesen négy hím macaco majom vett részt. Sokcsatornás multielektróda segítségével mezőpotenciálokat és egyidejűleg neuronális soksejtaktivitást (multiunit activity, MUA) vezettünk el a látópálya kéreg alatti utolsó átkapcsoló állomásából (corpus geniculatum laterale, CGL) és további négy látókérgi területből (V1, V2, MT, IT). A bioelektromos jelek regisztrálásakor a kísérleti állatok egyrészt teljes sötétben ültek és szabadon nézelődtek, másrészt fix tekintet mellett vörös felvillanó fényingert használtunk. A mezőpotenciálokból áramforrás-sűrűséget (current source density, CSD) számítottunk, mellyel a lokálisan generált membránáramok tér- és időbeli mintázatát határoztuk meg. Azt találtuk, hogy mind a MUA, mind a CSD aktivitás csökkent a szemmozgás kezdete előtt és jelentősen megnőtt a fixációt követően, fényforrás teljes hiányában. A szemmozgást követően megnőtt CSD aktivitás kezdeti latenciái a különböző agyi területeken hasonló mintázatot mutat, mint az ingerhez kötött CSD kezdeti latenciái. A primer látókéregből származó eredményeink azt mutatják, hogy a szakkádot követő bioelektromos aktivitás fázisa nagymértékben hasonló (koncentrálódik), szemben a szakkádot megelőző aktivitással. Kimutattuk továbbá, hogy a fixáció kezdetekor koncentrálódó fázis „ideális” az idegsejtek válaszkészségének szempontjából. Eredményeink összhangban vannak azzal az elképzeléssel, hogy a fixáció kezdetét a neuronok megnövekedett válaszkészsége kíséri. A fixációhoz kapcsolt jelerősítő mechanizmus az agy olyan képességét tükrözi, ami felkészíti a látórendszert a vizuális ingerek érkezésére, méghozzá olyan ritmusban, ahogy környezetünket szemléljük (Fixációhoz Kapcsolt Jelerősítő Hipotézis).

95


9. ABSTRACT In natural vision, humans and primates actively examine the visual world by rapidly shifting their gaze (fixation) from element-to-element in a scene. Nevertheless, the regular approach of studying visual system of primates is presenting visual stimuli in front of the animals with fixed gaze, hereby might ignoring important modulation effects associated with eye movements. To better understand the dynamics of natural vision, we examined the effects of changes in visual fixation on ongoing activity. We recorded field potentials and concomitant multiunit action potentials (MUA) with a linear array multicontact electrode from five visual areas both subcortical (LGN) and cortical (V1, V2, MT, IT) from 4 macaques. Recordings were made both in total dark and during red strobe flash stimulation. One-dimensional current source density (CSD) profiles were calculated from local field potentials and data averaging based on both the onset and offset of saccade and the onset of stimulus. MUA and CSD measurements address neuronal firing patterns and underlying synaptic processes, respectively. We found that in all areas both MUA and CSD show suppression before the onset of eye movement and enhancement after the fixation of gaze in the dark, furthermore the suppression in current flow is nonphase-locked to the eye movement. The onset and peak latencies of the positive peak (enhancement) of saccade evoked CSD through visual areas are between 25-65 ms and 100-180 ms, respectively and show similar pattern than the stimulus evoked CSD (i.e. earliest in LGN and latest in IT). Furthermore, the post-saccadic CSD shows a phase concentration compared to the presaccadic CSD. The oscillatory phase associated with the onset of fixation (in the absence of stimulation) is not discriminably different from the ideal phase, that at which maximal visual evoked responses occur. The ideal phase does appear to reflect a high excitability state in local cortical neurons. Overall, these findings are consistent with the hypothesis that the onset of fixation is associated with an increase in cortical excitability (Fixation Amplifier Hypothesis). Fixation effects reflect the ability of the brain’s gaze control systems to predictively prepare the visual system for a temporal pattern of visual input that is a straightforward consequence of the way in which the eyes are used to actively sample the visual environment.

96


10. SAJÁT KÖZLEMÉNYEK JEGYZÉKE Publikációk: Rajkai C, Lakatos P, Chen CM, Pincze Z, Karmos, G, Schroeder CE (2007) Transient cortical excitation at the onset of visual fixation. Cerebral Cortex doi:10.1093/cercor/bhm046. IF:6,187 Lakatos P, Szilágyi N, Pincze Z, Rajkai C, Ulbert I, Karmos (2004) Attention and arousal related modulation of spontaneous gamma-activity in the auditory cortex of the cat. Cog Brain Res 19:1-7. IF:2,394 Karmos G, Lakatos P, Pincze Z, Rajkai C, Ulbert I (2002) Frequency of gamma activity is modulated by motivation in the auditory cortex of cat. Acta Biol Hung 53:473-483. IF:0,416 Karmos Gy., Lakatos, P., Pincze Zs., Rajkai Cs., Ulbert I. (2001) A motivációs szint változásának hatása a hallókérgi gamma oszcillációra macskán. In: Pléh Cs., László J., Oláh A. (szerk.) Tanulás, kezdeményezés, alkotás. Budapest: Eötvös Kiadó, 2001, 191-202 Az értekezéshez nem kapcsolódó, további publikációk: Pincze Z, Lakatos P, Rajkai C, Ulbert I, Karmos G (2001) Separation of mismatch negativity and the N1 wave in the auditory cortex of the cat: a topographic study Clin Neurophysiol 112: 778-784. IF:1,922 Pincze Z, Lakatos P, Rajkai C, Ulbert I, Karmos G (2001) Effect of deviant probability and interstimulus-interval on the auditory N1 and mismatch negativity in the cat Cognitive Brain Research 13: 249-253. IF:2,394 Válogatott absztraktok, előadások: Rajkai C (2006) Vizuális fixáció és agyi bioelektromos oszcillációk. XII. Látás Szimpózium, Budapest, 2006 Rajkai C, Shah AS, Lakatos P, Chen C, Schroeder CE (2005). Visual fixation-related neuronal activity in monkeys Program No. 165.5. 2005 Abstract Viewer/Itinerary Planner. Washington, DC: Society for Neuroscience, 2005. Online. Rajkai C, Lakatos P, Shah AS, Schroeder CE (2004) Neural mechanisms and physiological significance of the visual N1 component Program No. 1023.19. 2004 Abstract Viewer/Itinerary Planner. Washington, DC: Society for Neuroscience, 2004. Online.

97


Rajkai C, Kozák LR, Lakatos P, Pincze Zs, Ulbert I, Karmos G (2003) Gamma-band oscillation and event-related potentials in auditory passive oddball paradigm in monkeys. abstr.: J. of Psychophysiology, 17, suppl. 1, 2003, p60. Rajkai C, Kozák L.R., Lakatos P, Pincze Zs, Ulbert I, Karmos G (2003) Gamma-band oscillation in auditory passive oddball paradigm in monkeys. Ideggyógyászati Szemle, Abstracts of the 9th annual meeting of the Hungarian Neuroscience Society, 2003, p73. Rajkai C, Karmos G, Lakatos P, Pincze Zs, Ulbert I, Javitt DC (2003) Role of MGB subdivisions in the generation of auditory cortical event-related potentials, abstr.: Proceedings of the International Conference on Auditory Cortex, 2003, p43. Rajkai C, Karmos G, Lakatos P, Pincze Zs, Ulbert I, Javitt D.C. (2002) Effect of reversible blockade of the medial geniculate body on the auditory cortical ERP in cat. Poster, Cognitive Neuroscience Society, San Fransisco, CA abstr.: J. Cogn. Neurosci., 2002, Suppl. 40. Rajkai C, Kozák LR, Lakatos P, Pincze Zs, Ulbert I, Karmos G (2002) Induced gamma activity in passive acoustic oddball paradigm in monkeys. Poster, FENS Forum, Paris abstr.: FENS Abstr. 1, 040.17. Rajkai C, Lakatos P, Pincze Zs, Ulbert I, Karmos G (2001) Reversible blockade of different parts of the auditory thalamus influence diversely the components of the auditory cortical ERP in the cat. Poster, 31st Annual Meeting of Society for Neuroscience, San Diego, 2001. abstr.: Soc. Neurosci. Abstr., Vol. 27, Program No. 725.18, 2001 Rajkai C, Lakatos P, Ulbert I, Karmos G (2001) Time course of the development of auditory steady-state response in cat: intracortical study. Poster, MITT VIII. Konferenciája, Szeged, 2001. Rajkai C, Kozák LR., Lakatos P, Pincze Zs, Ulbert I, Karmos G (2002) Effect of reversible blockade of CGM on evoked responses in the acoustic cortex in cats. Poster, IBRO International Workshop on Signalling Mechanisms in the Central and Periferial Nervous System, Debrecen, 2002. Lakatos P, Shah A, McGinnis T, O'Connell N, Mills A, Knuth K, Chen C, Rajkai C, Karmos G, Schroeder CE (2004) Oscillatory Hierarchy Controlling Cortical Excitability And Stimulus Integration Program No. 752.7. 2004 Abstract Viewer/Itinerary Planner. Washington, DC: Society for Neuroscience, 2004. Online. Chen CM, Lakatos P, Rajkai C, Schroeder CE (2004) Neurophysiology Of Intermodal Selective Attention In Macaque Auditory Cortex Program No. 752.8. 2004 Abstract Viewer/Itinerary Planner. Washington, DC: Society for Neuroscience, 2004. Online

98


Karmos G, Lakatos P, Pincze Zs, Rajkai C, Ulbert I (2002) Behavioral modulation of the auditory steady state response in the cat. Poster, Cognitive Neuroscience Society, San Fransisco, CA abstr.: J. Cogn. Neurosci., 2002, Suppl. 40. Lakatos P, Pincze Zs, Rajkai C, Ulbert I, Karmos G (2002) Modulation of gammaactivity in the background of an instrumental conditioning paradigm in cats. Poster, Cognitive Neuroscience Society, San Fransisco, CA abstr.: J. Cogn. Neurosci., 2002, Suppl. 40.

99


KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Köszönetet mondok mentoromnak, Karmos Györgynek mindazért a gondos és körültekintő emberi és szakmai támogatásért, amit az elmúlt évek során tőle kaptam. Az ő bizalma és támogatása tette lehetővé, hogy jártasságra tehessek szert a pszichofiziológia bioelektromos jelekkel foglalkozó területén, és általában a kognitív idegtudományok terén. A jelen értekezésben bemutatásra került kísérleti anyag a Nathan S. Kline Institute for Psychiatric Reseach, Depatment of Life Sciences, Orangeburg, New York, USA intézetben végzett kutatómunka eredménye, ami sokak támogatása és segítsége nélkül nem jöhetett volna létre. Köszönettel tartozom Charles E. Schroedernek, akitől sokat tanultam és inspirációja nagyban hozzájárult az értekezés elkészítéséhez. Köszönöm Ulbert Istvánnak és Ashesh D. Mehtának, akik pótolhatatlan értékű adatgyűjtéssel járultak hozzá az értekezéshez. Köszönöm Ankoor S. Shahnak, Pincze Zsuzsának és Lakatos Péternek, akik mindig szívesen segítettek a laboratóriumi és a tudományos nehézségek leküzdésében. Köszönöm továbbá Kottra Péternek a laboratóriumi gyakorlat elsajátításában nyújtott segítséget. Köszönöm Horváth Jánosnak, hogy figyelmesen átolvasta dolgozatom, és kritikus megjegyzéseivel sokban javította azt. Ugyancsak köszönöm new york-i kollégáim, Tammy McGinnis, Noelle O’Connelle és Aimee Mills segítségét, akikkel folytatott beszélgetéseim a dolgozat írása során igen sok érdekes szempontra világítottak rá és nagyban segítették a dolgozat elkészültét. A kutatómunka elképzelhetetlen lett volna barátnőm, Németh Réka és szüleim, Rajkai Gáborné és Rajkai Gábor folyamatos támogatása nélkül, akik mindig mellettem álltak és minden felmerülő nehézségen átsegítettek. Nekik ajánlom ezt a dolgozatot.

100

Vizuális fixáció szerepének elektrofiziológiai vizsgálata a látókérgi aktivitás modulációjában

Recommend Documents