Содержание к диссертации
Введение
Обзор литературы 11
1. Филогенетические и морфологические данные о CM-Pf комплексе. 11
2. Клеточная организация CM-Pf комплекса 16
3. Электрофизиологические исследования CM-Pf комплекса 19
4. CM-Pf комплекс и осцилляторная синхронизированная активность таламуса 24
5. Исследования CM-Pf комплекса таламуса мозга человека 29
Материалы и методы исследования 40
1. Методика микроэлектродных исследований 40
2. Методы обработки и анализа данных 42
Методы анализа фоновой импульсной активности (ФИА) 43
Методы анализа вызванной импульсной активности (ВИА) 45
3. Характеристика материала и объект исследования 49
Результаты исследований 50
1. Особенности фоновой импульсной активности (ФИА) нейронов CM-Pf комплекса таламуса 50
2. Особенности вызванной импульсной активности (ВИА) нейронов CM-Pf комплекса таламуса. 54
3. Особенности межнейронного взаимодействия в CM-Pf комплексе таламуса 59
4. Особенности реакций нейронов CM-Pf комплекса таламуса, коррелирующих с двигательной патологией спастической кривошеи.63
Обсуждение результатов 70
Выводы 87
Литература 89
- Клеточная организация CM-Pf комплекса
- CM-Pf комплекс и осцилляторная синхронизированная активность таламуса
- Методы обработки и анализа данных
- Особенности вызванной импульсной активности (ВИА) нейронов CM-Pf комплекса таламуса.
Введение к работе
Актуальность исследования.
Изучение центральных механизмов сложных форм деятельности, реализуемых человеком при участии речевых систем, является одним из ключевых вопросов понимания основ целенаправленного поведения. Благодаря успешному применению в клинике с лечебно-диагностическими целями методов регистрации электрической активности нейронов с помощью микроэлектродной техники (Albe-Fessard et al, 1962; Jasper a. Bertrand, 1964; Gaze et al., 1964; Bertrand a. Jasper, 1965; Li et al., 1965; Раева, 1970, 1977; Ohye et al., 1972; Raeva, 1972, 1986; Lenz et al., 1989, 1999; Jeanmonod et al., 1993, 1996; Zirh et al., 1998; Magnin et al., 2000; Zhuang et al., 2004 и др.) или долгосрочных вживленных электродов (Bickford et al., 1953; Walter a. Crow, 1961; Бехтерева, 1966, 1974, 1980 и др.), был выдвинут ряд новых представлений о функциональной организации этих форм психической деятельности, связанных с речью (Бехтерева, 1974, 1980; Раева и Ливанов, 1975; Раева, 1977, 1989; Бундзен, 1981; Бехтерева и др, 1985; Ojeman et al., 1988; Медведев и Пахомов, 1989; Раева и др., 1990). Возможность отражения в активности нейрона изменений системного уровня при осуществлении сложных форм деятельности, связанных с реализацией функций осознанного восприятия, селективного внимания, памяти, произвольного движения, до настоящего времени остается одной из актуальных проблем в нейрофизиологии и психологии (John, 1967; Evarts, 1972, 1979; Костюк, 1973; Прибрам, 1975; Раева, 1977, 1989, 2005; Scheibiel, 1980; Швырков, 1986; Соколов, 1990; Mennemeier et al., 1997; Van der Verf et al., 2000, 2003; Bhatnagar a. Mandybur, 2005 и др.).
Первые результаты в этом направлении были получены на животных в экспериментах с регистрацией нейронной активности в различных структурах мозга, в особенности в коре больших полушарий, при выработке ус-ловнорефлекторного поведения (Fuster a. Alexander, 1971; Ливанов, 1972; Evarts, 1972, 1979; Дуринян, 1975; Серков и Казаков, 1980; Батуев, 1981,
1986; Шульговский и др., 1990; Fuster, 1990; Krauthamer et al., 1992, 1995; Шульговский, 1993; Massanes-Rotger et al., 1998; Matsumoto et al., 2001; Kimura et al., 2004 и др.). В ряде экспериментальных работ, выполненных на животных и человеке, выявлена высокая значимость процессов меняющихся проприоцептивных афферентаций при осуществлении движений (Бернштейн, 1966; Иоффе и Самойлов, 1971; Козловская и Овсянников, 1972; Иоффе, 1975; Козловская, 1976; Шаповалова, 1978; Гурфинкель, 1994 и др.).
Позднее, при проведении микроэлектродных исследований во время стереотаксических операций с целью.хирургического лечения дискинезий, были получены первые данные об опережающих активационных изменениях нейронной активности в ряде подкорковых структур мозга человека, которые возникали при реализации произвольных движений (Umbach а. Ehrkardt, 1965; Jasper a. Bertrand, 1966; Crowell et al., 1968; Raeva, 1972, 1986; Hongel et al., 1973; Ohye, 1982; Раева, 1989, 2005; Lenz et al., 1989; Raeva a. Lukashev, 1993 и др.). Анализ этих опережающих нейронных процессов показал их полифункциональный характер и связь с концентрацией внимания при инициации и осуществлении произвольного движения. Исследования качественно новых форм ВНД позволили впервые на клеточном уровне получить прямые доказательства участия ряда неспецифических подкорковых образований в целенаправленной, опосредованной речью, двигательной и умственной деятельности человека (Raeva, 1972, 1986; Раева и Ливанов, 1975; Раева, 1977, 1988; Raeva a. Lukashev, 1993; Раева, 2005). В некоторых неспецифических и ассоциативных структурах таламуса и стриопаллидарной системы (Rt, MD, LP, Cd, Pal.l) был впервые выявлен и описан особый класс полифункциональных клеточных элементов, названный "нейронами вербальных команд", селективно реагирующих ак-тивационными изменениями на релевантные словесные стимулы, побуждающие человека к реализации какого-либо целенаправленного поведенческого акта. Была установлена связь реакций этих клеток с фокусировкой
селективного внимания, осознанным восприятием релевантной информации при реализации произвольного движения, и показана важная роль неспецифических подкорковых структур в обеспечении этих функций (Raeva, 1972, 1986; Раева и Ливанов, 1975; Раева, 1977, 1988; Раева и Лукашев, 1987; Раева и др., 1990, 1991; Raeva a. Lukashev, 1993; Raeva et al., 1999; Раева, 2005).
В кругу неспецифических структур, участвующих в этих процессах системного уровня, роль парафасцикулярного (CM-Pf) комплекса до настоящего времени остается наименее изученной. Ряд авторов рассматривает этот комплекс как одно из ключевых звеньев кортико-таламической интеграции, обеспечивающей обработку и передачу восходящей (сенсорной) и нисходящей (регуляторной) информации при реализации функций селективного внимания, оперативной памяти, целенаправленного действия (Раева, 1977, 1988, 2005; Crick, 1984; Jones, 1985; Steriade, 1990; Miller, 1992; Paradiso et al., 2004; Bratnagar a. Mandybur, 2005 и др.).
В работах на животных показано, что неспецифический подкорковый центр - CM-Pf комплекс, являясь частью неспецифической таламической системы (Jasper, 1949), имеет многочисленные афферентные и эфферентные морфологические связи со многими структурами мозга: с корой больших полушарий, включая фронтальные и префронтальные отделы (Дуринян, 1975; Серков и Казаков, 1980; Jones, 1985; Berendse a. Gro-enewegen, 1991; Steriade et al., 1997), с базальными ганглиями (Francois et al., 1991; Grunwerg a. Krauthamer, 1992; Parent, 1995, 2005; Matsumoto et al., 2001; Minamimoto et al., 2002, 2005), некоторыми таламическими структурами (Cesaro et al., 1985; Jones, 1985; Schneider a. Rothblat, 1996; Kolmac et al., 1997), с тектальной и претектальной областью среднего мозга (Benevento a. Ebner, 1970; Benevento et al., 1977; Grunwerg a. Krauthamer, 1992; Ichinohe a. Shoumura, 1998), с черной субстанцией (Schneider a. Rothblat, 1996; Sibide et al., 1997, 2002) и с некоторыми другими подкорковыми образованиями (Fenelon et al., 1994; Balercia et al., 1996). Согласно
литературным данным, парафасцикулярный CM-Pf комплекс участвует в механизмах регуляции состояния сна и бодрствования (Groenwegen а. Вег-endse, 1994; Smythies, 1997; Steriade et al., 1997; Ullman, 1998; Van der Werf et al., 2002). В экспериментах по выработке условных рефлексов показано участие CM-Pf комплекса в моторной функции, активации внимания при формировании поведенческого ответа на значимые стимулы, а также в механизмах обучения и памяти (Groenwegen et al., 1990; Berendse a. Groenwegen, 1991; Sadikot et al., 1992; Parent, 1995, 2005; Guillazo-Blanch et al., 1995, 1999; Шаповалова и др., 1996; Шаповалова, 1997; Steriade et al., 1997; Sidibe et al., 1997, 2002; Vale-Martinez, 1998; Massanes-Rotger et al., 1998; Burk a. Mair, 1998, 2001; Matsumota et al., 2001; Minamimoto et al., 2002; Van der Werfetal., 2002, 2003).
Использование новейших технологий (фМРТ, ПЭТ) и микроэлектродного метода для изучения деятельности мозга позволило получить данные о важном значении лобных отделов коры и неспецифических ядер таламуса (парафасцикулярного CM-Pf комплекса и ретикулярного ядра) в организации селективного внимания человека (Раева, 1977, 1989, 2005; Raeva a. Lukashev, 1993; Crick, 1994; Kinomura et al., 1996; Konishi et al., 1999; Cohen, 2000; Minamimoto et al., 2002).
Однако до настоящего времени остаются неизвестными или недостаточно изученными роль этого неспецифического подкоркового центра таламуса и конкретные нейронные механизмы, лежащие в основе организации качественно новых форм ВНД человека, связанных с осознанным восприятием и обработкой словесных функционально значимых стимулов при осуществлении целенаправленных словесно опосредованных поведенческих актов.
Цели и задачи исследования.
Целью настоящей работы было изучение особенностей нейронной организации одного из важных неспецифических подкорковых центров -парафасцикулярного CM-Pf комплекса таламуса, и его роли в центральных
механизмах произвольного словесно опосредованного движения человека в норме и патологии (спастическая кривошея).
Конкретными задачами исследования являлись:
Изучение особенностей нейронной организации CM-Pf комплекса человека и функциональных характеристик нейронов по данным фоновой и вызванной импульсной активности с помощью функционально значимых речевых и/или сенсорных стимулов.
Количественный анализ паттернов быстропротекающих импульсных реакций CM-Pf нейронов на речевые релевантные стимулы с применением вейвлет-анализа, а также исследование связи этих реакций с активацией селективного внимания, запуском и реализацией целенаправленного произвольного движения в норме и патологии.
Детальный анализ реакций клеток парафасцикулярного CM-Pf комплекса при реализации произвольных движений с вовлечением и без вовлечения пораженных мышц шеи, а также при спонтанно возникающих непроизвольных патологических напряжениях шейной мускулатуры у больных спастической кривошеей.
Исследование динамики межнейронных взаимодействий в близлежащих клеточных элементах, отводимых одним микроэлектродом, при функционально значимых речевых и/или сенсорных стимулах и реализации целенаправленного произвольного движения.
Новизна исследования и его научно-прикладное значение.
Применение микроэлектродной техники и ряда математических методов позволило получить новые количественные данные об особенностях нейронной организации парафасцикулярного (CM-Pf) комплекса таламуса при целенаправленной деятельности человека. Выявлена функциональная гетерогенность организации этого неспецифического таламического центра, характеризующегося наличием в нем двух основных типов конвергентных нейронов, обладающих полифункциональными свойствами и ха-
рактеризующихся различием фоновой и вызванной активности. Показана роль неспецифического парафасцикулярного CM-Pf комплекса в реализации целенаправленных поведенческих актов, запускаемых при участии речевых систем. Показаны механизмы взаимосвязи изменений импульсной активности с фазами восприятия и обработки словесного побудительного стимула, в частности, с активацией селективного внимания и реализацией произвольного движения человека в сопоставлении с суммарными электрографическими и поведенческими данными в ходе тестирования.
Впервые описаны особенности межнейронных перестроек в близлежащих CM-Pf нейронах, зарегистрированных одновременно с помощью одного микроэлектрода. Показано, что в момент начала предъявления императивной команды соседние нейроны динамически формируют актива-ционно-тормозный ансамбль согласованно разряжающихся клеток. Выявлена связь этих импульсных перестроек со смысловой значимостью речевого стимула при отсутствии корреляций с его физическими или акустическими характеристиками.
Использование разработанного в настоящей работе метода вейвлет-анализа применительно к импульсной активности нейронов мозга человека, а также ряда других математических методов, позволило впервые количественно исследовать быстропротекающие (0,5-1,5 сек) процессы локальной синхронизации с осцилляторными (3-5 Гц) явлениями, возникающие в ансамбле близлежащих нейронов CM-Pf комплекса, и их роль в целенаправленной деятельности человека. Впервые показано участие этого неспецифического подкоркового центра в патологии спастической кривошеи, что имеет важное прикладное значения при хирургическом лечении вышеупомянутого заболевания. Полученные данные могут позволить оптимизировать проведение нейрохирургических стереотаксических операций путем включения парафасцикулярного CM-Pf комплекса как одной из возможных мишеней при оперативном лечении спастической кривошеи.
Апробация диссертационной работы.
Материалы работы докладывались на научных конференциях ИХФ РАН (2004, 2005); на Х1Х-м Съезде физиологического общества им. И.П. Павлова в г. Екатеринбурге (2004); на Всероссийской конференции молодых исследователей "Физиология и медицина" в г. Санкт-Петербурге (2005); на 1-м Международном междисциплинарном конгрессе "Достижения нейронауки для современной медицины и психологии" в г. Судаке, Крым, Украина (2005); на XIV-й Международной конференции по нейро-кибернетике (ICNC-05) "Живой организм в реальном мире: от нейрофизиологии к нейрокомпьютерам" в г. Ростов-на-Дону (2005).
Публикации.
Основные положения диссертационной работы опубликованы в 4 печатных работах.
Объем и структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, обзора литературы, материалов и методов исследования, 4 глав результатов работы, обсуждения полученных результатов и выводов. Работа изложена на 109 страницах, включает 16 иллюстраций. Библиография включает 276 работ, из них 60 отечественных и 216 зарубежных источников.
Список обозначении:
СМ - срединный центр таламуса
Pf - парафасцикулярное ядро таламуса
Rt - ретикулярное ядро таламуса
MD - медиодорзальное ядро таламуса
VL - вентролатеральное ядро таламуса
Vim - вентромедиальное ядро таламуса
Voa - вентрооральное переднее ядро таламуса
Vc - вентрокаудальное ядро таламуса
Cd - хвостатое ядро
Pal.l. - паллидум латеральный
GPi - внутренний членик бледного шара
GPe - внешний членик бледного шара
LP - латеральное заднее ядро таламуса
SC - верхнее двухолмие
D - зубчатое ядро мозжечка
РФ - ретикулярная формация ствола
MRF - мезенцефальная ретикулярная формация
Sth - субталамус
STR - стриатум
SNr - черная субстанция среднего мозга (ретикулярная часть
ПЭТ - позитронно-эмиссионная томография
фМРТ - функциональная магнитно-резонансная томография
ФИА - фоновая импульсная активность
ВИА - вызванная импульсная активность
НГ - нейрограмма
ЭМГ - электромиограмма
ФГ - фонограмма
ЭЭГ - электроэнцефалограмма
ОКГ - окулограмма
НВК - "нейроны вербальных команд"
ФЗ - функционально значимый
ЛП - латентный период
РТЦ - расчетная точка цели
СА-СР - межкомиссуральная линия
ТЧ - текущая частота
МИ - межимпульсный интервал
ГМИ - гистограмма межимпульсных интервалов
АКГ - автокорреляционная гистограмма
АКФ - автокорреляционная функция
ПСГ - перистимульная гистограмма
МГК- метод главных компонент
ККМ -кросскорреляционная матрица
ККФ - кросскорреляционная функция
Клеточная организация CM-Pf комплекса
Клетки CM-Pf комплекса у обезьян представлены проекционными нейронами и локальными интернейронами. Нейроны Гольджи 2-го типа были исследованы в ядрах CM-Pf у приматов с помощью метки Гольджи (Hazlett et al., 1976), а наличие ГАМКэргических локальных интернейронов в CM-Pf было выявлено иммуногистохимическими методами (Bentivoglio et al., 1991; Hunt et al., 1991).
Все проекционные нейроны CM-Pf комплекса имеют размеры от среднего до большого и проявляют одинаковые свойства, независимо от их конечной мишени. Сома этих клеток в среднем меньше, и размер клеток более однороден в CM-Pf, чем в других моторных ядрах таламуса обезьян (Ilinsky a. Kultas-Ilinsky, 1990; Kultas-Ilinsky a. Ilinsky, 1991). ГАМКэргиче-ские нейроны имеют меньший размер в ядрах CM-Pf, чем в других талами-ческих ядрах (Hunt et al., 1991).
Согласно данным Фенелона (Fenelon et al., 1994), у макак нейроны парафасцикулярного отдела CM-Pf комплекса имеют несколько дендритных стволов и окончаний (3-11) и короткие дендриты (2000 мкм). Нейроны паралатеральной части комплекса имеют более разветвленные (5-60) и длинные (5800 мкм) дендриты. Клетки медиальной части имеют промежуточные характеристики (5-19, 2400 мкм). У человека нейроны парафасци-кулярной части CM-Pf комплекса имеют аналогичные топологические характеристики (3-12), но более длинные дендриты (3000 мкм). Нейроны паралатеральной части имеют более разветвленные (6-71) и длинные (9000 мкм) дендриты. Клетки медиального отдела имеют промежуточные характеристики (4-25,3800 мкм) (Fenelon et al., 1994).
Локальные интернейроны обнаружены во всех отделах CM-Pf комплекса мозга обезьян и человека. Согласно данным Балерсия с соавт., размеры локальных интернейронов немного меньше, чем у проекционных нейронов. Они характеризуются достаточно малыми дендритными ветвлениями (Balercia, 1996).
По данным гистохимических исследований, основным нейромедиа-тором проекционных клеток парафасцикулярного CM-Pf комплекса у кошек и обезьян является глутамат или аспартат (Steriade a. Llinas, 1988; Balercia et al., 1996; Шаповалова и др, 1996; Шаповалова, 1997). Этот ней-ромедиатор оказывает деполяризующее влияние на эфферентные волокна, идущие в различные корковые и подкорковые структуры. Некоторые структуры среднего мозга, в частности, ножкомостовое ядро, играющее важное значение в регуляции позы (Lai, 1991), оказывают на CM-Pf холи-нергические влияния, используя в качестве нейромедиатора ацетилхолин (Шаповалова и др., 1996; Шаповалова, 1997), Локальные интернейроны в качестве нейромедиатора содержат 7_аминомасляннУю кислоту (ГАМК), образуя тормозную обратную связь с проекционными клетками (Steriade а. Llinas, 1988; Bentivoglio, 1991; Balercia et al., 1996). Что касается афферентных связей, то ряд структур, включая ретикулярное ядро, внутренний членик бледного шара, а также черную субстанцию среднего мозга, оказывают на клетки CM-Pf ГАМКэргические влияния (Jones, 1985; Steriade a. Llinas, 1988; Шаповалова и др., 1996; Шаповалова, 1997; Steriade, 2000, 2001).
Синаптическая организация и мембранные свойства нейронов CM-Pf комплекса. С помощью ультраструктурного анализа (Balercia et al., 1996) было выявлено, что проекционные нейроны CM-Pf комплекса таламуса обезьян среднего размера, овальной или полигональной формы, с несколькими первичными дендритами и частыми соматическими шипиками; локальные интернейроны имеют меньший размер. Согласно литературным данным, в CM-Pf комплексе имеются 4 основных типа синаптических контактов (Jones, 1985; Balercia et al., 1996). Синаптические контакты между таламо-кортикальными клетками и локальными интернейронами находятся в гло мерулах, содержащих два пресинпатических и два постсинаптических элемента. Первый тип пресинаптического элемента состоит из аксонального окончания нисходящих афферентных волокон, которые содержат большие и круглые везикулы и создают ассиметричные синаптические контакты с дендритами таламокортикальных клеток и локальных интернейронов (Steride a. Llinas., 1988). Второй тип пресинаптического элемента представлен дендритами ГАМКэргических локальных интернейронов. Они создают постсинаптический контакт с афферентными окончаниями, содержат пле-оморфные везикулы и образуют симметричные синаптические связи с проксимальными дендритами таламокортикальных клеток и дендритами локальных интернейронов. Экстрагломерулярный нейропиль включает окончания таламокортикальных аксонов с большими и маленькими везикулами, которые образуют асимметричные синаптические контакты с дис-тальной частью дендритов релейных клеток и дендритов локальных интернейронов (Steriade a. Llinas, 1988; Steriade, 2001).
Согласно литературным данным (Jahnsen a. Llinas, 1984; Jones, 1985; Steriade a. Llinas, 1988; Steriade, 2000, 2001), таламокортикальные нейроны в разных областях дорзального и медиального таламуса, включая CM-Pf комплекс, обладают сходными электрофизиологическими внутренними свойствами. Мембраны этих клеток характеризуются следующими ионны-ми токами: 1) переменным Са -током (1т), деинактивирующимся гиперполяризацией с последующей генерацией низкопороговых Са2+-зависимых пачек импульсов (LTS) (Jahnsen a. Llinas, 1984; Llinas, 1988; Huguenard, 1996); 2) катионным током (1н), генерирующим деполяризующий саг (McCormick а. Раре, 1990; Leresche et al., 1991); 3) высокопороговыми Са -токами (Hernandez-Cruz а. Раре, 1989; Kammermeier a. Jones, 1997); 4) постоянным Na+OKOM (Іщр)) (Jahnsen a. Llinas, 1984) и 5) различными типами К+-токов (Jahnsen a. Llinas, 1984; McCormick, 1991; Budde et al., 1992). Эти внутриклеточные мембранные свойства имеют большое значение для процессов генерации и синхронизации таламических осцилляции (Steriade a. Llinas, 1988; Steriade, 2000,2001).
CM-Pf комплекс и осцилляторная синхронизированная активность таламуса
Классические представления о процессах синхронизации опираются на понятия близости частот (или их гармоник), или скоординированности фаз подсистем, продуцирующих периодические колебания (Абарбанель и др., 1996).
Вопрос об источнике различных форм ритмической электрической активности является важным для понимания как внутрицентральных взаимоотношений, так и функциональной роли структур мозга, в которых наблюдается такого рода активность. Кроме того, выяснение механизмов синхронизированной активности может быть решающим моментом для понимания таких фундаментальных состояний мозга, как сон и бодрствование, реакция arousal, ориентировочный рефлекс и пр. То обстоятельство, что веретенообразная активность с частотой 8-12 Гц возникает синхронно в коре головного мозга и в неспецифических ядрах таламуса, привело к предположению, что первичным источником её возникновения являются неспецифические ядра таламуса (Morison a. Dempsey, 1942; Purpura а. Shofer, 1963; Purpura et al., 1966; Purpura, 1973; Серков и Казаков, 1980; Lli-nas, 1988; Steriade et al., 1997; Timofeev a. Steriade, 1998). Наиболее важные факты, касающиеся роли таламических ядер в генерации ритмической активности мозга, получены в исследованиях по изучению реакции вовлечения (recruiting reaction) и реакции нарастания (augmenting reaction). Было показано, что эти виды реакций возникают при низкочастотном (5-15 имп/сек) раздражении неспецифических (реакция вовлечения), либо специфических (реакция нарастания) ядер таламуса. Впервые реакция вовлечения была описана Морисоном и Демпси (Morison a. Dempsey, 1942) при низкочастотном раздражении медиальной группы ядер таламуса. Реакция с характерным нарастанием и спадом амплитуды с начально негативными волнами регистрировалась в обширных территориях коры с преимущественным преобладанием в орбитофронтальной, моторной, теменной и лимбической областях.
Ряд авторов полагает, что основу внутриталамической синхронизации составляет наличие замкнутых внутриталамических (вентробазальный комплекс-Я интраламинарные ядра) и таламокортикальных (кора-Rt интраламинарные ядра-кора) петель, циркулирующих в неспецифическом таламусе и коре при проведении сенсорной информации (Andersen et al., 1964; Purpura et al., 1966; Scheibiel a. Scheibiel, 1966, 1967; Purpura, 1973; Steriade et al., 1982; Серков и Казаков, 1985; Steriade a. Llinas, 1988; Steriade, 2000, 2001). Согласно Андерсену и Экклсу (Andersen et al., 1964), большую роль в механизмах таламической синхронизации играет возвратное торможение, обусловленное наличием локальных интернейронов в центральном таламусе. Сложная конфигурация дендритных коллатералей ретикулярного ядра таламуса позволила многим авторам рассматривать это ядро как одно из ключевых звеньев, участвующих в процессах синхронизации в таламусе (Scheibel a. Scheibel, 1966, 1967; Schlag a. Waszak, 1971; Steriade a. Llinas, 1988; Contreras a. Steriade, 1997; McCormick a. Bal., 1997; Steriade, 2000, 2001). Все таламокортикальные волокна, проходя через Rt, дают коллатерали в дендритную сеть этого ядра, что обеспечивает синхронизацию таламической активности.
Явления синхронизации и осцилляторной активности в настоящее время представляют большой интерес для исследований в области нейрофизиологии, так как эти процессы тесно связаны с механизмами, участвующими в высших интегративных функциях мозга (Ливанов, 1972; Steriade a. Llinas, 1988; Абарбанель и др., 1996; Steriade, 2000, 2001). Так, в работах Ливанова (Ливанов, 1972, 1975), при выработке условных рефлексов у кроликов было показано, что синхронность колебаний биопотенциалов в диапазоне частот 4-7 кол/сек способствует передаче возбуждения в коре больших полушарий, облегчая проведение функционально значимой информации. В обзоре Абарбанеля с соавт. описано важное значение явлений синхронизации в распознавании зрительных образов и кратковременной ассоциативной памяти (Абарбанель и др., 1996). Стериаде с соавт. рассматривает процессы синхронизации в качестве одного из важных механизмов кортико-таламо-кортикальной интеграции (Steriade a. Deschenes, 1984; Contreras a. Steriade, 1997; Steriade, 2000, 2001). Ранние внутриклеточные записи таламокортикальных нейронов показали rebound пачечные разряды, возникающие в состоянии гиперполяризации (Steriade a. Deschenes, 1984; Deschenes et al., 1984; Roy et al., 1984). Исследования in vitro показали, что эти пачечные разряды генерируются путем активации специализированного Са -тока, известного как низкопо-роговый или переходный (1т) Са -ток (Jahnsen a. Llinas, 1984). Voltage-clamp анализ подтвердил присутствие низкопорогового Са2+-тока, также как высокопороговых Са -токов в таламокортикальных клетках (Coulter et al., 1989; Crunelli et al., 1989; Hernandez-Cruz a. Pape, 1989). Эти исследования привели к выводу, что ток 1т может активироваться и инактивировать-ся в зависимости от мембранного потенциала. Активация возникает при мембранном потенциале приблизительно -65 мВ. Кинетика активации тока 1Т быстрее, чем кинетика инактивации, аналогично Na+OKy, лежащему в основе генерации классических вызванных потенциалов. Таким образом, если мембранный потенциал деполяризовать из состоянии относительной гиперполяризации (ниже -65 мВ), то ток 1Т может сначала активироваться, а затем медленно инактивироваться, генерируя низкопороговый Са2+-зави-симый спайк. Эти Са -зависимые спайки обычно длятся 100-200 мс и, в свою очередь, могут деполяризовать мембранный потенциал (приблизительно до -55 мВ) с последующей генерацией пачек импульсов, состоящих из 3-8 быстрых вызванных потенциалов (Jahnsen a. Llinas, 1984).
Методы обработки и анализа данных
Анализ фоновой импульсной активности (ФИА) проводился с целью выявления исходной структуры импульсных процессов в нейронах мозга человека, находящегося в состоянии покоя, и после предъявления функциональных тестов. Для анализа ФИА использовались приводимые ниже стандартные средства анализа квазистационарных импульсных процессов, реализованные сотрудниками лаборатории в виде набора программ. 1. Текущая частота (ТЧ) разрядов, позволяющая путем подсчета количества импульсов за определенные промежутки времени (бины) обнаружить наличие локальных усилений или ослаблений импульсной активности на определенном промежутке времени, а также значительно сжать исходные записи. Бины выбирались в зависимости от средней частоты импульсной активности и характера импульсации в диапазоне от 20 до 200 мс. 2. График кумулятивной активности, представляющий зависимость количества спайков от времени. Он позволяет выявить и графически показать наличие периодических и/или непериодических фрагментов молчания нейрона, а также оценить различия уровня импульсной активности нейронов в фоне и после реализации каких-либо функциональных тестов. 3. Гистограмма межимпулъсных интервалов (ГМИ), описывающая функцию распределения межимпульсных интервалов (МИ) по длительно сти, позволяет наглядно представить соотношение интервалов разной дли тельности в исследуемом отрезке активности нейрона, и может использо ваться для численного определения ряда статистических характеристик. 4. Автокорреляционная гистограмма (АКГ) и автокорреляционная функция (АКФ) описывают безусловную вероятность появления одного спайка через определенное время после прихода другого спайка, выявляя определенные корреляционные зависимости во времени появления разрядов. В отличие от АКГ, автокорреляционная функция даёт количественную характеристику процесса и позволяет судить о степени затухания колебаний. Эти средства использовались для выявления периодичности или регулярности импульсного процесса одного нейрона, а также для оценки стабильности этих процессов. 5. Кросскорреляционная гистограмма (ККГ) и кросскорреляционная функция (ККФ) описывают безусловную вероятность появления спайка одного нейрона после спайка другого нейрона. Эти средства использовались для исследования корреляционной зависимости между импульсной активностью нескольких нейронов. 6. Спектральный анализ описывает общую частотную структуру случайного процесса и использовался для выявления частотных состав ляющих импульсаций одиночных нейронов. 7. Кросспектр представляет собой преобразование Фурье взаимной корреляционной функции и использовался для выявления частотной корреляции между импульсной активностью нескольких одиночных нейронов. 8. Анализ внутренней структуры пачек состоял в построении графика зависимости среднего межспайкового интервала внутри пачки от порядкового номера этого интервала. 9. Матрицы Пуанкаре представляют собой набор точек, абсцисса которых соответствует текущему межимпульсному интервалу (МИ) (t[i][i-1]), а ордината соответствует предыдущему МИ (t[i-l][i-2]). Данный метод позволяет оценить наличие регулярности межимпульсных и/или межпачечных интервалов, а также оценить по размытости графика стабильность этих интервалов.
Методы анализа вызванной импульсной активности (ВИЛ). Обработка ВИА осуществлялась в три этапа. На первом этапе осуществлялась формализация данных путем построения гистограмм текущей частоты (ТЧ) разрядов и скользящих средних с целью выявить наличие реакций нейронов на предъявляемые больному тесты и сопоставить их с медленными процессами (ЭМГ, ЭЭГ, ОКГ) (бин ТЧ определялся исходя из паттерна импульсации в диапазоне от 20 до 200 мс). На втором этапе осуществлялось выделение ключевых моментов функциональных тестов, соответствующих различным этапам реализации целенаправленной деятельности: начала предъявления побудительной команды, начала ЭМГ изменений и т.д. На третьем этапе обработки ВИА анализировались паттерны реакций нейронов с помощью нижеперечисленных методов. /. Построение перистимулъных гистограмм (ПСГ) и накопления отрезков текущей частоты для выявления реакций клеток путем суммирования последовательности нейронных разрядов после предъявления нескольких одинаковых тестов (бин 50-200 мс). 2. Построение растровых диаграмм (РАСТР) для исследования последовательной динамики ответов клеток по мере предъявления функциональных тестов. 3. Метод выделения независимых составляющих реакций на основе метода главных компонент (МГК) использовался для выявления значимых независимых компонент реакции клеток в разные этапы реализации целенаправленной деятельности, а также для исследования динамики этих компонент по мере повторения однотипных тестов. Более подробно разработка и применение этого метода описаны в работе Лукашева и Раевой (Лукашев и Раева, 1990). 4. Кросскорреляционная матрица (ККМ) использовалась для выявления моментов возникновения межнейронного взаимодействия в ансамбле из 2-3 нейронов и сопоставления их с функциональными этапами реализации произвольного целенаправленного действия. ККМ представляет собой набор точек, в которых коэффициент корреляции К превышает некоторое пороговое значение (К 0,9). По осям матрицы отложены времена для двух нейронов, от момента предъявления стимула до завершения действия. Более подробно разработка и применение этого метода описаны в работе Лукашева и Раевой (Лукашев и Раева, 1990). 5. Динамический спектр представляет собой множество оконных спектров мощности со сдвигом во времени относительно друг друга и использовался для исследования динамики ритмических процессов, протекающих в клетках при реализации человеком целенаправленной деятельности. 6. Специально разработанный в нашей работе метод исследования импульсной активности с использованием вейвлет-преобразования.
В настоящее время метод вейвлет-анализа широко используется в различных областях науки и техники. Основным полем применения вейв-лет-преобразований является анализ и обработка нестационарных (во времени) или неоднородных (в пространстве) сигналов разных типов. Он используется для исследования и локальзации частотных характеристик нестационарных процессов, для фильтрации сигналов, сжатия данных, распо-знования образов и для решения многих других задач. Краткое, но достаточно подробное изложение теории вейвлет-преобразований приведено в обзорах Астафьевой и Дремина (Астафьева, 1996; Дремин и др., 2001). В электрофизиологии метод выйвлет-анализа нашел применение при исследовании электроэнцефалографических сигналов и позволил выявить частотную синхронизацию различных областей коры в короткие промежутки времени (до 100 мс) при поиске вербальных ассоциаций (Николаев и др., 2000). В некоторых других работах вейвлет-анализ использовался для выявления кратковременной фазовой синхронизации на различных уровнях (Varela et al., 2001; Le Van Quyen et al., 2001). Однако для исследования импульсных процессов, протекающих в одиночных нейронах мозга человека метод вейвлет-анализа до настоящего времени не использовался.
В настоящей работе был разработан метод с использованием вейв-лет-преобразования для исследования быстропротекающих (0,5-1,5 сек) процессов локальной синхронизации и осцилляторной (3-5 Гц) активности в близлежащих нейронах парафасцикулярного CM-Pf комплекса таламуса мозга человека. В качестве входных данных использовалась сглаженная текущая частота разрядов одиночных нейронов или ансамбля близлежащих клеток. Бин текущей частоты выбирался исходя из паттерна импульсаций и исследуемых частотных характеристик (50-200 мс). Для изучения динамики локальной синхронизации близлежащих нейронов на определенных частотах строилась корреляция между вейвлет-разложениями отдельных клеток. Коэффициенты кросскорреляции вейвлет-разложения сглаживались и нормировались (от 0 до 1). Для решения поставленной задачи на основании теоретических и экспериментальных исследований нами использовалось непрерывное преобразование с помощью вейвлета Морле, поскольку он хорошо локализован как в частотном, так и во временном пространствах (рис. 2).
Особенности вызванной импульсной активности (ВИА) нейронов CM-Pf комплекса таламуса.
Анализ реакций нейронов парафасцикулярного (CM-Pf) комплекса таламуса показал высокую реактивность двух вышеописанных основных типов нейронов с нерегулярной одиночной активностью (А-тип) и с низко-пороговой Са -зависимой ритмической (3-5 Гц) пачечной формой активности (Б-тип) с дифференцированным паттерном ответов к разного рода функциональным воздействиям.
Нейроны А-типа (12 из 25 исследованных, 48%) с нерегулярной одиночной активностью отвечали на предъявление функционально значимой команды (обращение по имени, "Приготовились!"), вызывающей активацию селективного внимания человека, фазической активацией с латентным периодом (ЛИ) от 50 до 200 мс (х=120; ст=80) от начала команды и длительностью от 50 до 500 мс (х=210; а=120). В ряде случаев (3 из 25, 12%) наблюдалась активация "молчащих" нейронов в виде разряда из 2-5 спай-ков с ЛП 50-100 мс длительностью 50-200 мс. В отличие от этого, нейроны Б-типа (19 из 30, 63%) с пачечной ритмической формой активности реагировали на предъявление тех же релевантных вербальных стимулов тоническим торможением с ЛП от 100 до 300 мс (х=210; сг=95) от начала команды и длительностью от 0,5 до 3 сек (х=1,7; а=1,0).
Предъявление функционально значимых вербальных стимулов, побуждающих человека к реализации произвольного движения (типа сжимания руки в кулак), также характеризовалось высокой реактивностью нейронов обоих типов. Всего были исследованы реакции 124 нейронов CM-Pf комплекса таламуса. Нейроны А-типа (28 из 60 исследованных, 46%) с нерегулярной одиночной активностью реагировали на предъявление "побудительной" команды фазической активацией в виде увеличения частоты спайков от 2-5 до 3-7 (р 0.05) в сек с ЛП от 100 до 350 мс (х=230; а=80) от начала команды длительностью от 100 до 500 мс (х=280; а=160). Реакция на 50-200 мс опережала начало ЭМГ изменений и коррелировала с этапом осознанного восприятия побудительного стимула и подготовкой к двигательному акту (рис. 6А). В небольшом проценте случаев (5 из 60 исследованных, 8%) наблюдалась активация "молчащих" нейронов. Реакции нейронов носили стабильный характер и не угасали при повторении команд. При проведении нескольких однотипных тестов латентный период от предъявления команды до начала ЭМГ изменений уменьшался в среднем от 625 мс (о"=320) до 510 мс (а=280). Анализ латентных периодов от побудительной команды до ЭМГ изменений с предварительной командой "Приготовились!" или без нее показал достоверное уменьшение ЛП от 625 мс до 530 мс, что свидетельствует о важной роли процессов внимания в подготовке и реализации произвольного двигательного акта.
В последействии от двигательных тестов наблюдалась выраженная активация нейронов обоих типов в виде увеличения частоты разрядов от 1-5 имп/сек до 15-20 имп/сек (р 0.01) у А-нейронов, увеличения количества спайков в пачках и частоты ритма на 0,2-0,5 Гц у Б-клеток.
В целом, полученные данные указывают, с одной стороны, на дифференциацию и различие функциональных характеристик ответов нейронов CM-Pf, с другой - на тесную функциональную взаимосвязь клеточных элементов двух (А и Б) типов при реализации двигательных тестов. Показана высокая реактивность нейронов обоих типов CM-Pf комплекса как к предъявлению функционально значимых словесных (или сенсорных) стимулов, так и к осуществлению произвольных движений.
Полученные в настоящей работе данные показали, что на функционально значимых этапах реализации однотипных тестов в парах исследованных нейронов А-А, Б-Б и А-Б типов возникают достоверные взаимодействия. Установлено, что между близлежащими нейронами А-типа при предъявлении речевого релевантного стимула в момент произнесения побудительной, императивной части команды, стабильно проявлялась положительная кросскорреляция, которая при предъявлении императивной команды опережала начало ЭМГ изменений на 100-500 мс. Параллельно с этими перестройками между нейронами Б-типа с пачечной ритмической (3-5 Гц) активностью развивалась положительная корреляция, сопровождавшаяся тормозной синхронной реакцией. Исследования кросскорреляций между различными типами (А и Б) нейронов показали реципрокный согласованно протекающий активационно-тормозный паттерн реакций нейронов А- и Б-типов при предъявлении релевантного словесного (или сенсорного) стимула. Другой характер межнейронных корреляций наблюдался на этапе осуществления произвольного движения без вовлечения пораженных мышц шеи, а также в последействии от него. Во всех парах А- и Б-клеток наблюдались синергичные активационные изменения активности, возникающие через 100-500 мсек после начала ЭМГ изменений.
Особый интерес представляло изучение синхронизированных и ос-цилляторных (3-5 Гц) процессов, возникающих в функционально значимые этапы реализации целенаправленной деятельности (подготовка, запуск, реализация, последействие).
Представлена натуральная запись нейрограммы (НГ), фонограмма (ФГ), фрагмент НГ на большой развертке; А - вейвлет-анализ: абсцисса - время, сек; ордината - частота, Гц; нормированные значения вейвлет-коэффициентов обозначены цветом; Б - кросс-корреляционная матрица (К 0.9): абсцисса - время для НІ, сек; ордината - время для Н2, сек.
Применение кросскорреляционного анализа и специально разработанной метода с использованием вейвлет-преобразований позволило выявить в ряде случаев (19 из 55, 35%) при предъявлении релевантного вербального стимула (типа "Приготовились!", "Внимание!" и др.) возникнове ниє быстропротекающей локальной синхронизации (0,8-1,5 сек) со стабилизацией осцилляторной (4-5 Гц) активности, коррелирующей с активацией селективного внимания человека. Об этом свидетельствуют выраженные сгущения точек на ККМ и ярко выраженные максимумы коэффициентов вейвлет-разложения в эти промежутки времени (рис. 9А,Б).
Возникновения быстропротекающей (0.5-1.5 сек) локальной синхронизации со стабилизацией осцилляторной (5 Гц) активности близлежащих нейронов CM-Pf комплекса на высоте реализации произвольного сжимания руки в кулак. Последовательно представлены: фрагмент нейрограммы (НГ); фонограмма (ФГ); элек-тромиограмма (ЭМГ) мышц сгибателей пальцев контралатеральной руки больного; А -вейвлет-анализ: абсцисса - время, сек; ордината - частота, Гц; нормированные значения вейвлет-коэффициентов обозначены цветом; ЭМГ мышц сгибателей руки больного; Б -кросскорреляционная матрица: по абсциссе - время для одного нейрона; по ординате -время для второго нейрона, точками обозначены моменты времени с К 0.9; перисти-мульная гистограмма реакций (бин=30 мс); ЭМГ мышц сгибателей руки больного. Стрелка вниз - момент предъявления команды "Сожмите руку в кулак", стрелка вверх -"Разожмите". Как правило, явления синхронизации сопровождались стабилизацией ос-цилляторных (3,5-5 Гц) процессов в клетках с увеличением частоты ритма на 0,2-0,5 Гц (рис. 10).
