Влияние повышенного и сниженного уровня моноаминов на функциональную организацию колонок C1 коры мозга крысы
Влияние повышенного и сниженного уровня моноаминов на функциональную организацию колонок C1 коры мозга крысы
Влияние
повышенного и сниженного уровня моноаминов на функциональную организацию
колонок C1 коры мозга крысы
В.Н. Ласков
НИИ
нейрокибернетики им. А.Б.Когана, РГУ, Россия
Повышение
внутримозгового содержания нейромодулятора серотонина после электрической
стимуляции ядер шва, а также снижение содержания биогенных моноаминов после
внутрибрюшинного введения резерпина вызывали разнонаправленную пластификацию
синаптических связей во входных, выходных и ассоциативных нейронных ансамблях
бочонковой колонки С1 коры мозга крысы и модулировали уровень ее возбуждения за
счет изменения количества фоновоактивных нейронов, а также частоты и структуры
их импульсных разрядов. Показана зависимость характера сдвигов частоты,
структуры импульсных разрядов, плотности кросскорреляционной взаимосвязи
соседних нейронов от предыдущего уровня возбуждения колонки. Новизна работы
состоит в модульном аспекте рассмотрения моноаминергических механизмов
синаптической пластичности корковых нейронов в контексте действующего в
пределах фокальной бочонковой колонки гипотетического авторитмичного
сканирующего механизма формирования временной связи.
Механизмы
регуляции уровня возбуждения корковых нейронов и модуляции эффективности их
связей опосредованы наряду с холинергическими нейромедиаторными системами также
и влияниями со стороны нейромодуляторных структур ствола мозга, синтезирующих
моноамины: серотонин (СТ), норадреналин и дофамин /2,4,5,6,12,23/. СТ, который
транспортируется к коре мозга из ядер шва, рассматривается в качестве
нейромодулятора, обеспечивающего механизмы положительного подкрепления
посредством стабильного повышения при обучении уровня возбуждения и
кросскорреляционного взаимодействия корковых нейронов /4,16,18/. Методами
электронной микроскопии показано, что терминали проецирующихся к неокортексу
восходящих СТ-ергических пучков не образуют типичных синаптических контактов на
мембране нейронов. Они в виде варикозных расширений на большом протяжении
выстилают двойным слоем плотно заполненное перикарионами, дендритами и глией
межнейронное пространство, и обеспечивают непосредственный контакт
транспортируемого моноамина с синапсами специфических и неспецифических
афферентов /14,15/. Возбуждение СТ-ядер вызывает быстрое насыщение пресинапсов,
которые не имеют собственной постсинаптической комплиментарной части.
Синапсы такой
химической природы и конструкции больше не встречаются ни среди
корково-корковых, ни среди окончаний иных проекционных систем мозга. Это
свидетельствует об их особой роли в обеспечении мозговых функций. Высказано
предположение, что моноаминергические системы специфично и адресно модулируют
эффективность синапсов первичных специфических, неспецифических и ассоциативных
афферентов. Тем самым они обеспечивают необходимый уровень пластичности
межнейронных взаимодействий при формировании временных связей и памятных следов
/4,16,18/. Модулирующие влияния восходящей моноаминергической системы
опосредованы через регуляцию уровня возбуждения корковых нейронов за счет
активации вторичных посредников - циклических нуклеотидов /17/, что
обеспечивает стабилизацию пластифицированных в ходе обучения межнейронных
связей.
Плодотворной для
развития идеи о модулировании синаптической эффективности со стороны
моноаминергических структур оказались математическая и нейрофизиологическая
модели Жадина М.Н. /4,5/, описывающие динамику активности корковых нейронов при
длительном воздействии положительного и отрицательного подкрепления на нейроны
коры мозга. В основу модели положена гипотеза /4,16,18/, согласно которой СТ- и
норадреналинергическая системы являются конечными звеньями, соответственно,
положительного и отрицательного подкрепления, вызывающего устойчивые изменения
эффективности корково-корковых синапсов. В модели при длительном действии
моноамина, обеспечивающего положительное подкрепление, любые превышающие
средний уровень изменения уровня активности нейронов доводятся до своих крайних
проявлений - предельно высокому и предельно низкому. Баланс возбуждения и
торможения при такого рода положительном подкреплении характеризуется крайней
неустойчивостью: под влиянием каждой достаточно мощной афферентной посылки в
системе происходят быстрые переходы от одного уровня возбуждения на другой. В
присутствии моноамина, обеспечивающего отрицательное подкрепление, все
происходит с точностью до наоборот: и сильно, и слабо возбуждающиеся нейроны в
соответствии с предложенной схемой переходят на устойчивый к разного рода
афферентным посылкам промежуточный уровень возбуждения.
В соответствии
с нейрофизиологическими данными поведение корковых нейронов в присутствии СТ и
норадреналина согласуется с предложенной математической моделью /2,3,5,7/. В
работе /12/ длительная аппликация СТ и норадреналина вызывала более сложные по
характеру изменения структуры фоновой импульсной активности нейронов зрительной
и сенсомоторной областей коры мозга у кроликов, чем простое возбуждение и
торможение в ответ на аппликацию нейромедиаторов ацетилхолина и ГАМК. Были
также продемонстрированы различные типы реакций корковых нейронов на один и тот
же нейромодуляторный моноаминергический стимул: конечный результат при этом
обнаружил зависимость, как и предсказано моделью, от исходного уровня
возбуждения коркового нейрона. Тем самым подтверждены представления о том, что
нейромодуляторы в отличие от нейромедиаторов, действие которых локально и
кратковременно, не вызывают простого возбудительного или тормозного эффектов, а
влияют на текущую деятельность нейрона, изменяя ее в течение длительного
времени в том или ином направлении /1,20,21/.
Краткий обзор
наиболее значимых работ, посвященных исследованию механизмов модулирования
синаптической эффективности в реальных нейронных сетях и их моделях,
свидетельствует о важной роли моноаминергических систем мозга в нейрохимическом
обеспечении его ассоциативных функций. Вместе с тем многие аспекты роли и
механизмов участия моноаминергических систем в условнорефлекторной
деятельности, а также в процессах самоорганизации элементарных нейронных
ансамблей /8/ остаются не ясными, либо требуют уточнения. В данной работе
исследованы нейронные корреляты временной связи при пониженном после
внутрибрюшинного введения резерпина и повышенном после электрической стимуляции
ядер шва уровне возбуждения фокальной колонки представительства условного
стимула (УС) в С1 коры мозга крыс.
Методика
Опыты выполнены
на белых беспородных крысах обоего пола весом 120-200 г, оперированных под
эфирным наркозом, обездвиженных тубокурарином (1,5 мг/кг в/м) и переведенных на
искусственное дыхание. Трахеотомия не проводилась: воздух в легкие нагнетался
через ноздри. Использована местная анестезия (0,5% р-р новокаина) операционного
поля. Голова крысы фиксировалась с помощью игольчатых головодержателей. Череп
трепанировался над постеромедиальной субзоной бочонков (ПМСБ) корковой области
С1 по координатам: 2-3 мм каудальнее брегмы и 5-6 мм латеральнее сагиттального
шва. Фоновую импульсную активность нейронов и фокальные ВП регистрировали
одиночными стеклянными микроэлектродами (электролит - 2,5 М р-р NaCl) с
сопротивлением не ниже 5 мОм, а в ряде случаев склеенными по три-пять
вольфрамовыми в стеклянной изоляции микроэлектродами (0,5-1 мОм, расстояние
между кончиками - 70-100 мкм), которые погружались в кору перпендикулярно ее
поверхности с помощью наклонного манипулятора, оснащенного шаговым двигателем.
Регистрацию осуществляли при полосе 2-2000 Гц на входных фильтрах
электроэнцефалографа 4ЭЭГ-03. Импульсная активность после предварительного
формирования на 4-канальном амплитудном анализаторе АА-4 записывалась на
14-канальный магнитограф EАМ-500 (ЧССР, г. Прага) и вводилась в персональный
компьютер IBM-PC/AT-386 для текущей и последующей обработки.
В качестве
адекватного стимула использовано сгибание центральной в РП вибриссы с
удержанием ее в отклоненном положении в течение 0,1-1,0 с. Чтобы избежать
неконтролируемых смещений, дальние от носа вибриссы, достигающие в длину 30-50
мм, билатерально укорачивались до 5-10 мм. Механический датчик представлял
собой щуп, приклеенный на свободном конце пьезокерамической пластины,
изготовленной в ОКБ "Пьезоприбор" РГУ, на которую подавалось
напряжение от 60 до 1 В с выхода ЭСЛ-2, задающего амплитуду отклонения на конце
щупа от 90 до 1,5 мкм. Метрологическая проверка показала линейную зависимость
напряжения и амплитуды сгибания пьезокерамической пластины в используемом
диапазоне, поэтому в опыте амплитуда отклонения щупа оценивалась по напряжению
на выходе ЭСЛ-2.
Контролем
попадания электродов в ПМСБ служили фокальные ВП, возникающие в ответ на легкое
постукивание по контралатеральным вибриссам вручную, а затем с помощью
тактильного датчика, запускаемого от ЭСЛ-2. Идентификация бочонковых колонок
под каждым из микроэлектродов производилась следующим образом. Сравнивали
наблюдаемые на мониторе фокальные ВП по их латентным периодам (ЛП), крутизне и
амплитуде в ответ на последовательное сгибание вибрисс и устанавливали
соответствие между корковым бочонком и центральной в РП вибриссой. Для
уточнения идентификации центра РП производилась стимуляция ближайших к центру
вибрисс со ступенчатым уменьшением амплитуды их отклонения. Серия стимулов
определенной амплитуды предъявлялась ритмично с частотой 0,5 Гц. По 10-20
реализациям строились точечные или столбиковые перистимульные гистограммы (ПСГ)
с бином 1-2 мс за период 100-500 мс. Сужение РП до одной вибриссы в случае ее
центрального положения имело место при более низких амплитудах ее отклонения -
пороговый тест /9/.
Определяли
удельное количество фоновоактивных нейронов, по которому сравнивали исходный
уровень возбуждения бочонковой колонки с уровнем, устанавливающимся после
стимуляции ядер шва и в последействии резерпина. Нейроны с фоновой активностью
исследованы в параллельных проходках, которые осуществлялись через всю толщину
коры при межэлектродном расстоянии в склейке - 100 мкм. Треки располагались во
фронтальных (AP - 2,0 и AP - 3,0) и сагиттальных (L - 5,0 и L - 6,0)
плоскостях. На каждом из треков контролировали 60 точек с интервалом по глубине
30 мкм. Через 2-3 ч после введения резерпина (в/б 2,5 мг/кг), когда в
соответствии с многочисленными литературными источниками наблюдается наиболее
значительное снижение в мозге уровня СТ, и через 10 и 20 мин после
электрической стимуляции ядер шва (частота 1 Гц, длительность серии стимулов 20
с, импульсы длительностью 0,1-1,0 мс, напряжение на выходе стимулятора 15 В) в
тех же треках проводилась повторная регистрация фоновых импульсных разрядов. В
ряде случаев была уверенность, что тот же нейрон наблюдали до и после введения
препарата. В каждом опыте исследовалась также непосредственная динамика
импульсной активности наиболее многочисленной группы нейронов, регистрируемых с
помощью микроэлектродной склейки одновременно.
Координаты ядер
шва определяли по атласу /19/. Стимулирующие электроды погружались с помощью
микроманипулятора ММ-1 и под контролем бинокулярного микроскопа МБС-2 по
координатам: АР - 6,6; L - 0,4; H - 4,5, с контролем погружения по индикатору
глубины ГИ-100. Твердая мозговая оболочка предварительно удалялась.
Стимулирующие монополярные полумикроэлектроды представляли собой вольфрамовые в
стеклянной изоляции электролитически заточенные проволоки диаметром 50 мкм с
сопротивлением 0,5 мОм. Верификацию треков стимулирующих электродов в ядрах шва
осуществляли морфологически на парафиновых и замороженных с помощью сухого льда
срезах. Выработка условного мигательного рефлекса (УР) осуществлялась по схеме
классического обусловливания. Длительность УС и безусловного стимула (БС)
равнялась 1 с, интервал между ними - 2 с, а сочетания УС и БС подавались с
частотой 0,1 Гц. По каждому десятку стимулов строились ПСГ с квантом 2 мс за
эпоху анализа 100 мс или 200 мс в фоне и 900 мс или 800 мс, соответственно,
после предъявления УС. Реакции в ответ на обдувание роговицы при выработке
мигательного УР, как правило, не регистрировались. Уровень выработки УР
ограничивали предъявлением 50-60 подкреплений.
Частоту фоновой
импульсации и характер взаимосвязи соседних корковых нейронов методом
перекрестных интервальных гистограмм (ПИГ) исследовали до и в разные сроки
после электрической стимуляции ядер шва. Частота импульсации нейронов
измерялась с помощью частотомера Ч3-36 за 5-секундные интервалы времени.
Запуск
стимуляции, амплитудная дискриминация, формирование и запись импульсной
активности, а также оцифровка, построение и распечатка ПСГ, гистограмм
межимпульсных интервалов (ГМИ) и ПИГ осуществлялись программными средствами.
Статистическая обработка ПСГ состояла в вычислении с помощью программы
"Statgraf" средней частоты импульсации, стандартной ошибки средней и
достоверности различия средних по критерию Стьюдента: между фоновой и вызванной
активностью - для установления эффективности каждого из стимулов; между
реакциями по ходу выработки мигательного УР - для выявления условнорефлекторной
пластичности. Пики на гистограммах считали значимыми, если они удовлетворяли
критерию 2-сигма по отношению к среднему значению количества спайков в бине.
Достоверность различий между выборочными распределениями оценивали по критерию
Фишера.
Результаты
исследования
Влияние
электрической стимуляции ядер шва.
С помощью
метода пошагового определения плотности активных в фоне нейронов в отвесных
проходках через кору мозга исследованы в трех острых опытах 15 микроэлектродных
треков, которые проходили, как показала пороговая идентификация, в пределах
бочонковых колонок представительства вибрисс рядов В, С и D.
В первом опыте
в контроле наблюдалось 39, во втором опыте - 37 и в третьем - 35 фоновых
нейронов, что составило в контроле в среднем на один трек около 7 нейронов.
Более плотно активные в фоне нейроны располагались на глубине 600-1500 мкм -
78% от общего количества зарегистрированных в контроле нейронов находились на
этом уровне. Суммарно по трем опытам в контроле было зарегистрировано на уровнях:
2-3 слоев - 13 нейронов, 4 слоя -23 нейрона, 5 слоя - 52 нейрона, 6 слоя - 23
нейрона. В исходном состоянии на треках встречалось от 2 до 13 фоновоактивных
нейронов. Как правило, треки с высокой плотностью нейронов были разделены
одним-двумя относительно "пустыми" треками, принадлежавшими
одноименной бочонковой колонке. В пределах одноименной колонки за одну проходку
контролировали импульсную активность на 2-3 соседних треках. В девяти треках с
высокой плотностью элементов (от 7 до 13) зарегистрировано 90 фоновых нейронов
(82%), а в шести "пустых" (от 2 до 5 нейронов) - 21 нейрон (18%).
Электрическая
стимуляция ядер шва приводила к возникновению у части молчащих нейронов
спонтанных разрядов в течение 1-2 мин, а в ряде случаев до 20 мин и более.
После электрической стимуляции на тех же треках в первом опыте зарегистрирована
активность 43, во втором опыте - 40 и в третьем - 38 нейронов, что составило в
среднем около 8 нейронов на трек. Из них зарегистрировано на уровнях: 2-3 слоев
- 25 нейронов, 4 слоя - 24 нейрона, 5 слоя - 49 нейронов, 6 слоя - 23 нейрона.
В 9 треках с высокой плотностью элементов при этом зарегистрировано - 87
нейронов (72%), а в "пустых" треках - 34 нейрона (28%). Из данных
послойного и потрекового анализа следует, что электрическая стимуляция ядер шва
наиболее значительно увеличивает количество фоновоактивных нейронов в
бочонковых колонках на уровне 2-3 слоев - в 2 раза, и в "пустых"
треках - в 1,6 раза.
Анализ динамики
частоты фоновой импульсной активности корковых нейронов в контроле и после
активации шва, результаты которого представлены в таблице, выявил послойную
неравномерность в росте уровня возбуждения колонок. В наибольшей степени
частота фоновой импульсации увеличивалась у выходных нейронов 5 - 6 слоев (P
< 0,001), тогда как у ассоциативных нейронов 2-3 слоев повышение частоты
было достоверным при более низком уровне значимости (P < 0,05). У нейронов
афферентного уровня снижение средней частоты фонового разряда было
недостоверным.
Таблица
Изменение
частоты фоновой импульсной активности нейронов разных уровней бочонковой
колонки С1 коры мозга крыс при электрической стимуляции ядер шва и под влиянием
резерпина.