Frontiers in Systems Neuroscience

Úvod

Dva zrakové signály, které se objeví současně, jsou detekovány rychleji než kterýkoli z nich (Hershenson, 1962; Raab, 1962). Část tohoto efektu redundantního cíle (RTE) lze stochasticky vysvětlit pomocí modelu „koňských dostihů“. To znamená, že pokud jsou dva podněty zpracovávány v paralelních a nezávislých kanálech, u nichž se rychlost zpracování náhodně mění od pokusu k pokusu, při každé prezentaci vyhrává závod nejrychlejší podnět, který dosáhne prahu detekce a spustí reakci; proto je v průměru pravděpodobnější, že dva podněty přinesou rychlejší reakci než průměrná doba reakce na jeden podnět zpracovávaný v jednom z obou kanálů.

Analýzy kumulativních frekvenčních distribucí však ukázaly, že existuje další příspěvek k RTE, který nelze zohlednit modelem dostihu mezi dvěma nezávislými kanály. Miller (1982) navrhl „koaktivační“ model, v němž se oba signály sčítají v aktivačním fondu. Miniussi et al (1998) ukázali, že redundantní cíle způsobují kratší latence pro mozkové potenciály související s událostmi P1 a N1, což naznačuje, že k nervové sumaci dochází na počátku zrakové dráhy. Experimenty u hemianopických pacientů také ukázaly, že RTE nelze plně vysvětlit závodem o dosažení prahu detekce, protože RTE se může projevit i při absenci fenomenálního uvědomění si jednoho ze dvou podnětů (Marzi et al., 1986; Tomaiuolo, 1997; de Gelder et al., 2001; Leh et al., 2006a,b). U pacientů po hemisférektomii totiž redundantní cíl ve slepém poli nejenže generuje RTE, ale RTE se zvyšuje, když redundantní podnět doplňuje gestaltový vzorec (Georgy et al., 2016). Tato pozorování u hemianopiků naznačují, že nervová sumace probíhá subkortikálně a není závislá na primární zrakové kůře.

Kumulativní nepřímé důkazy implikují superior colliculus (SC) jako substrát pro nervovou sumaci, která přispívá k RTE. Přímý důkaz však dosud nebyl podán. Současný výzkum zkoumá nervovou dráhu, která přenáší zrakové signály, jež jsou integrovány v SC. SC se skládá z povrchových a hlubokých vrstev. Hluboké vrstvy koliculu přijímají aferenty, a to jak přímé, tak prostřednictvím bazálních ganglií, z okulomotorické kůry (Hikosaka a Wurtz, 1983; Pare a Wurtz, 1997; Sommer a Wurtz, 2000). Zrakové aferenty do povrchových vrstev koliculu jsou však přenášeny jak ze sítnice (prostřednictvím retinotektálního traktu), tak z časné zrakové kůry (Fries, 1984), a to přes brachium SC.

Protože u neurologických pacientů, kterým chybí zraková kůra, byly prokázány efekty nervové sumace, mohly by se zrakové signály sumované v koliculu přenášet přímo ze sítnice do povrchových vrstev koliculu prostřednictvím retinotektálního traktu. Pokud tomu tak je, mohla by být nervová sumace zrušena lézí raménka SC.

Léze, které narušují raménko SC, jsou velmi vzácné. Zde uvádíme jednotlivé případy dvou pacientů s jednostrannými subkortikálními lézemi, které deaferentovaly SC od zrakového vstupu a u kterých se neprojevila RTE. Jeden pacient měl lézi poškozující jak pulvinární jádro talamu, tak rostrální SC a jeho brachium. U druhého pacienta s poškozením dorzálního středního mozku v důsledku traumatického poranění mozku se SC jevil jako neporušený, ale jeho raménko bylo narušeno.

Materiál a metody

Účastníci

Dva neurologičtí pacienti, každý s vlastní kontrolní skupinou odpovídající svému věku, byli testováni v experimentu k měření RTE.

RE bylo v době testování 71 let. Zadní krvácení do thalamu před 3 lety zničilo mediální pulvinární, ventrolaterální thalamická jádra a zadní končetinu vnitřní kapsuly s poškozením zasahujícím do dorzálního středního mozku včetně pretekta a rostrálního SC (obr. 1) Pravděpodobnostní DTI traktografie (Behrens et al., 2003, Behrens et al., 2007) potvrdila, že léze zničila brachium SC (obr. 2). RE byla ochrnutá na levou stranu těla se ztrátou citlivosti v levém obličeji a paži. Měla abnormální pohyby očí včetně zatahování víček, paralyzované vertikální pohyby očí a poruchu konvergence, které byly důsledkem rozšíření léze do dorzálního středního mozku.

ML bylo v době testování 23 let. Před 7 lety utrpěla těžké traumatické poranění mozku při dopravní nehodě, které mělo za následek difuzní axonální poranění s krvácením do pravého putamen a dorzálního středního mozku. Podrobnosti o její anamnéze, neurologickém vyšetření a neurozobrazovacích nálezech uvádí (Poliva et al., 2015). Ačkoli vlevo byla určitá motorická porucha, včetně spasticity a ataxie, znovu získala nezávislost. Jejím hlavním postižením byla těžká sluchová agnozie v důsledku poškození sluchových drah mozkového kmene včetně levého dolního koliculu. Zraková ostrost a zorné pole byly neporušené a nedošlo k vizuálnímu zanedbání nebo vymizení. Okulomotorické příznaky dysfunkce středního mozku zahrnovaly makrovlnné záškuby a konvergenční křeč při vertikálním pohledu (více dolů než nahoru.) Nebyla zjištěna ptóza ani zornicová abnormalita. Magnetická rezonance s vysokým rozlišením prokázala cystickou dutinu v pravém putamen v místě jejího předchozího krvácení a malou periventrikulární lézi na pravém dolním ponsu v oblasti dolního mozečkového pedunklu (obr. 3). Měla téměř úplnou avulzi levého dolního koliculu, ušetřena byla pouze jeho nejmediálnější a kaudální část. Poškození zasahovalo do laterálního pretekta a tegmenta středního mozku a ničilo brachii horního a dolního koliculu a ventrálně do červeného jádra. Pravděpodobnostní traktografie DTI potvrdila, že léze zničila brachium SC (obr. 4).

Neurologicky zdravý kontrolní subjekt pro pacienta RE zahrnoval 11 starších dospělých (šest žen a pět mužů, průměrný věk: 68,5 let, rozmezí 59-73 let). Byli rekrutováni z panelu komunitních účastníků Bangorské univerzity. Účastníci neměli žádné známé neurologické, psychologické, psychiatrické nebo kognitivní poruchy a všichni účastníci měli normální/korigovaný až normální zrak. Účastníci obdrželi za svou účast platbu ve výši 6 liber.

Neurologicky zdravými kontrolními subjekty pro pacienta ML bylo 11 studentů a doktorandů Bangorské univerzity ve věku od 18 do 26 let (sedm žen a čtyři muži).

Aparatura a podmínky zobrazení

Programovací software Presentation® spuštěný na počítači PC zaznamenával reakční čas (RT) reakcí a generoval podněty, které byly prezentovány na monitoru Dell (12,5″ × 25″, obnovovací frekvence 60 Hz.) umístěném ve výšce očí 57 cm před účastníky s binokulárním zobrazením v podmínkách tlumeného osvětlení. Pro zajištění stability hlavy byla použita opěrka brady a hlavy. Reakce účastníků byly zaznamenávány pomocí stisknutí mezerníku na klávesnici.

Stimuly

Experimentální stimuly se skládaly z nevyplněných bílých značkovacích čtverců (1 cm × 1 cm) umístěných 8° vlevo a vpravo od malého fixačního pole (0,2 cm × 0,2 cm) ve středu obrazovky. Cílové podněty spočívaly ve vyplnění jednoho nebo obou okrajových značkovacích políček tak, aby vznikl celistvý bílý čtverec. Všechny podněty byly bílé a byly prezentovány na šedém pozadí.

Obrázek 5 ukazuje pořadí jednoho pokusu. Značková pole zůstala viditelná po celou dobu experimentu. Po intervalu mezi pokusy v délce 1750 ms se objevil fixační rámeček, který zahájil pokus. Po náhodném intervalu v rozmezí 250 až 750 ms (v krocích po 25 ms) se v místě jednoho nebo obou značkovacích políček objevil cíl vyžadující jednoduchou reakci stisknutím klávesy mezerníku na klávesnici. Cílem byl vyplněný bílý čtverec vytvořený vyplněním jednoho nebo obou políček značky. Náhodně a se stejnou pravděpodobností se cíle objevovaly vlevo, vpravo nebo na obou místech současně. Při pokusech s chytáním (10 % pokusů) se neobjevil žádný cíl.

Postup

Každý účastník byl testován v jednom sezení. Po přečtení pokynů na obrazovce byly účastníkům ukázány příklady všech podnětů, které byly v úloze prezentovány (fixační pole a každá ze tří prezentací cílů), a byli požádáni, aby potvrdili rozpoznání každého cíle stiskem klávesy mezerník. Instrukce zněly, aby po dobu trvání každého pokusu udržovali fixaci na středovém rámečku a aby co nejrychleji reagovali stisknutím mezerníku na klávesnici pravou rukou, jakmile se objeví cíl.

Poté, co účastník ústně a prostřednictvím stisknutí klávesy potvrdil, že všem instrukcím porozuměl, pokračovalo se prezentací cvičných pokusů (10 pokusů z každé podmínky prezentace cíle a 3 pokusy s absencí cíle „catch“). Během dokončování cvičných pokusů byla na obrazovce prezentována zpětná vazba obsahující následující výroky: (1) „Správně“, (2) „Snažte se reagovat rychleji!“ a (3) „Reagujte pouze v případě, že vidíte cíl“. Jakmile bylo cvičení dokončeno a účastník i experimentátor si byli jisti, že instrukce k úkolu byly správně pochopeny, byl účastník vyzván k zahájení experimentu. Prvních 30 pokusů každého experimentálního bloku bylo vyloučeno jako cvičné pokusy. Každý blok se skládal z celkem 233 pokusů: 70 pokusů vpravo, 70 pokusů vlevo, 70 pokusů v obou směrech a 23 „záchytných“ pokusů. V polovině bloku byla udělena krátká přestávka. Pacient ML a mladší kontrolní skupina byli testováni v jednom bloku. Vzhledem k variabilitě související s věkem a stavem pacientky RE byla testována ve dvou blocích v různých dnech; a její věkově odpovídající kontrolní účastníci byli rovněž testováni ve dvou sezeních v jeden den.

Analýzy

Pro každou kontrolní skupinu byl vypočten medián RT pro každého účastníka v každém stavu (levý cíl, pravý cíl, oboustranné cíle) po vyloučení pokusů následujících po záchytných pokusech a pokusů s RT <100 ms nebo >800 ms. Byl proveden párový výběrový t-test, aby se potvrdilo, že neexistuje asymetrie pro odpovědi na pravé a levé jednostranné cíle, a byl vypočten průměrný RT pro jednostranné cíle. RTE byl vypočten odečtením RT pro bilaterální pokusy od RT pro unilaterální pokusy. Párový výběrový t-test porovnal unilaterální a bilaterální reakce, aby se zjistilo, zda je RTE statisticky spolehlivý.

U každého pacienta se po vyloučení pokusů následujících po záchytných pokusech a pokusů s RT <100 ms nebo >800 ms porovnal párový výběrový t-test medián RT pro kontralaterální a ipsilaterální unilaterální cíle. Jak je uvedeno níže, RT pro odpovědi na kontralaterální cíle byly delší než pro ipsilaterální unilaterální cíle. Ke zjištění, zda přítomnost kontralezionálního cíle vyvolala statisticky spolehlivý RTE, byly párovým výběrovým t-testem porovnány mediány RT pro pokusy s bilaterálním cílem s pokusy s unilaterálním ipsilaterálním cílem.

Pro ověření, zda byl RTE u každého pacienta spolehlivě menší než u jeho příslušné kontrolní skupiny, byl pro každého účastníka kontroly vypočítán RTE a vypočteny horní a dolní hranice 95% intervalů spolehlivosti (CI). Z-skóre pro RTE každého pacienta bylo vypočteno vzhledem k jeho kontrolní skupině a testováno na statistickou spolehlivost pomocí Crawfordova t-testu.

P hodnoty pro párové výběrové t-testy byly uvedeny pro dva chvosty a pro Crawfordův t, jeden chvost.

Výsledky

Pacienti RE

Kontrolní účastníci: Průměrné mediány RT se nelišily pro levé a pravé odpovědi (t = 0,6.) Obrázek 6 ukazuje, že RT byly kratší (RTE) pro bilaterální cíle než pro levé (t = 6,8, p < 0,001, nebo pravé (t1,10) = 3,8, p = 0,003) unilaterální cíle. Medián RT pro pokusy s bilaterálními cíli byl odečten od průměru mediánu RT pro unilaterální cíle, aby se vypočítal průměrný RTE pro každého účastníka kontroly. Průměrný RTE kontrolní skupiny byl 24,3 ms (SEM = 2,75).

Pacient RE měl medián RT delší než kontrolní skupina (obr. 6) a byl nad horní hranicí 95% CI průměrných RT kontrolní skupiny pro všechny tři podmínky (levá = 457 ms; pravá = 449 ms; obě = 426 ms). RT na jednostranné cíle v kontralezionálním (levém) poli byly delší než u jednostranných cílů v ipsilezionálním (pravém) poli (t = 6,0, p < 0,001).

Důležité je, že nedošlo k RTE: Medián RT pro bilaterální cíle (500 ms) nebyl kratší než pro unilaterální cíle v ipsilesionálním (pravém) zorném poli (494 ms; t = 1,141), p = ns (obrázek 6). Tabulka 1 (nahoře) ukazuje, že RTE vypočtená pro pacientku RE byla významně nižší než RTE pro její kontrolní skupinu.

Pacient ML

Účastníci kontroly: Průměrné hodnoty mediánů RT se u odpovědí na levý a pravý cíl nelišily (t = 0,86. Obrázek 7 ukazuje, že RT byly kratší (RTE) pro bilaterální cíle než pro levé (t = 4,7, p = 0,001, nebo pravé (t1,11) = 7,8, p < 0,001) unilaterální cíle.

Medián RT pro pokusy s bilaterálními cíli byl odečten od průměru mediánu RT pro levé a pravé unilaterální cíle, aby bylo možné vypočítat RTE pro každého účastníka kontrolní skupiny.

Skupinový průměr RTE byl 33 ms (SEM = 6,65).

Pacient ML měl medián RT delší než kontrolní skupina (obr. 7) a byl nad horní hranicí 95% CI průměrného RT kontrolní skupiny pro všechny tři podmínky (levá = 322 ms; pravá = 307 ms; obě = 277 ms). RT na jednostranné cíle v pravém (kontralezionálním) poli byly delší než u jednostranných cílů v levém (ipsilezionálním) poli (t = 4,9, p = 0,001). Nebyl zaznamenán žádný RTE. RT pro bilaterální cíle (361 ms) nebyly kratší než pro unilaterální cíle v ipsilesionálním (levém) zorném poli (363 ms). Tabulka 1 (dole) ukazuje, že RTE vypočtené pro pacientku ML byly významně kratší než RTE pro její kontrolní skupinu.

Diskuse

U dvou pacientů, u nichž byl brachium SC poškozen v jedné hemisféře, byly měřeny jednoduché RT pro detekci jednotlivých cílů v kontralezionálním nebo ipsilezionálním zorném poli a bilaterálních cílů. U jednoho z pacientů (mladá žena) se poškození nacházelo v levé hemisféře a bylo způsobeno traumatickým poraněním mozku; a přestože léze zahrnovala dolní koliculus a zasahovala do tegmenta středního mozku, poškození SC jako takového nebylo pomocí neurozobrazení s vysokým rozlišením patrné. U druhého pacienta (starší žena) se poškození nacházelo v pravé hemisféře a bylo způsobeno hypertenzním krvácením, které rovněž způsobilo rozsáhlé poškození mediálního pulvina a laterálního talamu a zasahovalo do dorzálního středního mozku včetně rostrálního SC. U obou pacientů byl jednoduchý RT k detekci zrakových cílů v kontralezionálním poli zpomalen ve srovnání s ipsilezionálním polem. Ani u jednoho z pacientů se neprojevil efekt prostorové sumace (RTE) při detekci cíle, když byly podněty prezentovány do obou zrakových polí.

Tato pozorování vrhají světlo na roli SC při detekci cíle a konkrétněji na roli zrakových aferentů do SC. Posner et al. (1980) operačně definovali detekci jako projev schopnosti provést libovolnou reakci na vizuální signál (např. jednoduché stisknutí klávesy prstem, jako v tomto experimentu). Předpokládali, že detekce vyžaduje alokaci pozornosti pro výběr cíle ke zpracování v systému s omezenou kapacitou, který mu dává prioritu, aby na něj bylo možné působit.

Song et al (2011) ukázali, že inaktivace opičí SC způsobuje nápadné deficity výběru cíle, které nelze snadno vysvětlit jako prosté narušení zrakového vnímání nebo motorického provedení, a navrhli, že přispívá k obecnějšímu účelu mapy priorit. V tomto experimentu byly opicím předloženy dva podněty v protilehlých zorných polích a opice měly pomocí odpovědi na dosah ruky určit, který z nich se objeví jako první. Jedna opice byla trénována, aby dosáhla na podnět, který se objevil jako první, a jedna opice byla trénována, aby dosáhla na cíl, který se objevil jako druhý. V obou případech byla zjištěna silná tendence k výběru cíle, který se nacházel v zorném poli kontralaterálně od léze. Vzhledem k tomu, že stejné zkreslení bylo pozorováno i u opice, která dosáhla na cíl, který se objevil jako druhý, nemohlo být zkreslení způsobeno zpožděním při vnímání kontralezionálního cíle. Kolikulární inaktivace nezpůsobila zhoršení percepčního úsudku o tom, který podnět se objevil jako první. Spíše byly podněty v zorném poli kontralaterálně od inaktivovaného koliculu znevýhodněny v tom, že byly upřednostněny pro akci.

Zhaoping (2016) nedávno zdůraznil rozdíl mezi neuronálními mapami saliencí a mapami priorit a argumentoval pro evoluční migraci percepční mapy saliencí z optického tekta/SC do primární zrakové kůry. Navrhla, že signály salience mohou být přenášeny do prioritní mapy v SC, aniž by se do ní promítala vlastnost ladění rysů.

Brachium SC přenáší aferentní zrakové signály do povrchových vrstev koliculu ze sítnice prostřednictvím retinotektálního traktu; většina zrakových aferentních vláken přenášených brachiem jsou však projekce z primární zrakové kůry. Pokud je brachium narušeno, mohou být salience signály z primární zrakové kůry přenášeny do colliculu přes frontální oční pole. Pokud však chybí přímé projekce do povrchových vrstev koliculu ze sítnice nebo ze zrakové kůry, jak předpokládáme u pacientů s lézí brachia, trvá aktivace koliculární mapy priorit déle, což má za následek pomalejší reakce na kontralaterální zrakové signály.

Jak bylo uvedeno v úvodu, příspěvek k RTE, který je založen na pravděpodobnostním modelu dostihového koně, závisí na detekci obou cílů; a na dostihu, v němž je účinnost nezávislých kanálů, v nichž jsou oba cíle přenášeny, rovnocenná, takže výsledek dostihu na dosažení prahu detekce je od pokusu k pokusu náhodný. Vzhledem k tomu, že práh detekce kontralezionálních signálů je u zde uváděných pacientů vyšší, nemohly by redundantní cíle přinášet prospěch na základě stochastického dostihu; to znamená, že výsledek závodu mezi ipsilesionálními a kontralezionálními signály není náhodný – kontralezionální signály mají větší pravděpodobnost, že závod prohrají, než že ho vyhrají.

Výzkum u hemianopických pacientů nicméně ukázal, že k RTE přispívá také nervová sumační složka, která nezávisí na detekci obou cílů (Marzi et al., 1986; Tomaiuolo, 1997; de Gelder et al., 2001). Vzhledem k tomu, že u pacientů s komisurotomií byla prokázána RTE(Marzi et al., 1986; Reuter-Lorenz et al., 1995), bylo argumentováno, že interhemisférická integrace signálů přes vertikální meridián musí probíhat subkortikálně.

Savazzi a Marzi (2004) ukázali, že k nervové sumaci nedochází při krátkovlnných chromatických cílových podnětech ani u neurologicky intaktních lidí, ani u pacientů s rozděleným mozkem. Leh et al (2006b) uvedli, že zatímco u některých pacientů s hemianopickou hemisférektomií docházelo k RTE u achromatických podnětů, u těchto pacientů nedocházelo k RTE, pokud byly jako cíle použity chromatické podněty o krátké vlnové délce. Krátkovlnné (tj. fialové) podněty aktivují pouze S-konečky v sítnici. Gangliové buňky sítnice, které dostávají vstup z S-konečků, se nepromítají ani přímo do SC, ani do magnocelulárních vrstev laterálního genikulárního jádra (De Monasterio, 1978). Vzhledem k tomu, že projekce z primární zrakové kůry do SC přes brachium SC přenášejí zrakové signály pouze z magnocelulárních genikulostriátních aferentů (Schiller et al., 1979), selhání S-konečných podnětů při vyvolání RTE naznačuje, že nervová sumace probíhá v SC a je závislá na zrakových aferentech přenášených přes jeho brachium.

U pacientů s rozděleným mozkem, hemianopických pacientů se slepotou a z experimentů využívajících podněty s krátkou vlnovou délkou tedy existují sbíhající se důkazy, že k nervové sumaci dochází v SC. Nicméně i když podněty o krátké vlnové délce neaktivují gangliové buňky sítnice, které se promítají do SC přes brachium, nelze z toho vyvodit závěr, že colliculus je vůči těmto podnětům zcela slepý. Záznamy jednotlivých jednotek v opičím SC prokázaly, že krátkovlnné podněty aktivují odpovědi v povrchových vrstvách koliculu. Kromě toho traktografie prokázala u pacientů po hemisférektomii s RTE (tj. slepotou), ale ne u pacientů, kteří nevykazovali známky slepoty, že SC má spojení s intaktní hemisférou (Leh et al..), 2006a).

Zjištění současného šetření tedy přinášejí první přímý důkaz, že v SC dochází k prostorové sumaci, která je závislá na přenosu zrakových signálů přes jeho raménko.

Etické prohlášení

Tato studie byla provedena v souladu se směrnicemi a se schválením protokolu etickou komisí NHS, Bangor, UK, a etickou komisí School of Psychology University, Bangor, UK. Od všech účastníků byl získán ústní a písemný informovaný souhlas v souladu s Helsinskou deklarací.

Příspěvky autorů

MvK: Koncipoval výzkum, navrhl a naprogramoval experiment, shromáždil a analyzoval údaje pacientů a podílel se na napsání rukopisu. KK: Shromáždil kontrolní údaje, prostudoval příslušnou literaturu, analyzoval kontrolní údaje a přispěl k napsání rukopisu. RR: Provedl nábor pacientů a analyzoval neurozobrazovací studie včetně virtuální disekce s traktografií DTI, připravil anamnézy pacientů a podílel se na psaní rukopisu.

Prohlášení o střetu zájmů

Autoři prohlašují, že výzkum byl prováděn bez jakýchkoli komerčních nebo finančních vztahů, které by mohly být chápány jako potenciální střet zájmů.