Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Обзор литературы 7
ГЛАВА II. Методо исследования 17
ГЛАВА III. Результаты собственных исслщований и их обсуждение
3.1. Исследование нейронной активности разлишыхчастей лобной коры у бодрствующих обезьян при предъявлении разномодальных перифери ческих раздражителей 34
3.2 Характеристика активности нейронов коры вокруг главной борозды во время исполнения обезьянами пространственных отсроченных реакций 68
3.3. Организация афферентной импульсапии в коре вокруг главной борозды у бодрствующих обезьян 95
3.4. Влияние высокочастотного электрического раздражения дорсомедиального ядра таламуса на исполнение пространственных отсрочен ных реакций
Заключение 133
Вывода 136
Литература 139
- Исследование нейронной активности разлишыхчастей лобной коры у бодрствующих обезьян при предъявлении разномодальных перифери ческих раздражителей
- Характеристика активности нейронов коры вокруг главной борозды во время исполнения обезьянами пространственных отсроченных реакций
- Организация афферентной импульсапии в коре вокруг главной борозды у бодрствующих обезьян
- Влияние высокочастотного электрического раздражения дорсомедиального ядра таламуса на исполнение пространственных отсрочен ных реакций
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из актуальных проблем современной нейрофизиологии является исследование клеточных механизмов, лежащих в основе поведения. Исследование данной проблемы имеет значение не только для объяснения механизмов поведения, но и для понимания другой, не менее важной проблемы нейрофизиологии - функциональной организации нервной системы. Сравнительно ограниченный репертуар поведения, а также простота строения нервной системы беспозвоночных животных определили их в качестве наиболее удобных экспериментальных объектов для исследования нейронных механизмов поведения. Однако на беспозвоночных животных невозможно изучить все те закономерности поведения, которые выработались в процессе эволюции нервной системы. Поэтому исследование клеточных механизмов поведения на млекопитающих, и особенно на приматах, приобретает важное значение для познания механизмов поведения человека.
Несмотря на то, что нейропсихологическими исследованиями достигнут определенный успех в картировании мозговых субстратов поведения у млекопитающих (Лурия, 1966; Батуев, 1966; Бери-ташвили, 1975; Bures ,1959; Всі to? am ,1975), клеточные механизмы, обеспечивающие различные виды поведения, остаются неясными. Одним из наиболее достоверных феноменов экспериментальной нейропсихологии является дефицит в исполнении пространственных отсроченных реакций (ПОР), который проявляется у низших обезьян после локальных повреждений в пределах дорсолатеральной пре фронтальной коры, а в частности коры вокруг главной борозды (КЕПБ) (Бакурадзе, Кац, 1972; Blum, 1952;Goldman , Rosvold, 1970). Следовательно, наиболее адекватным путем для исследова-
_ 4 -
ния нейронных механизмов, лежащих в основе исполнения ПОР, а также для выяснения некоторых закономерностей функциональной организации префронтальной коры.является определение тех параметров нейронной активности, которые коррелируют и причинно связаны с данным видом поведения и соответственно отражают принцип организации, специфику функционирования данного коркового субстрата. Так как функция той или иной мозговой структуры в значительной мере определяется ее анатомическими связями с другими структурами мозга, исследование функциональной организации афферентных импульсаций, поступающих на нейроны КЕЕБ из различных мозговых структур, может дать сведения о некоторых закономерностях в свете поставленной проблемы.
Цель и задачи. Целью настоящей работы явилось исследование функциональной организации дорсолатеральной префронтальной коры обезьян. Для этого мы поставили задачу исследовать:
спонтанную и вызванную периферическими стимулами активность нейронов КВГБ и лремоторной коры у бодрствующих обезьян;
нейронную активность различных частей КЕЕБ во время исполнения обезьянами ПОР;
организацию афферентной импульсаций на идентифицированных в поведенческом тесте нейронах КЕЕБ;
значение дорсомедиального ядра таламуса в деятельности механизмов, обеспечивающих исполнение ПОР,
Научная новизна. Результаты исследования показали, что сенсорные и пластические свойства нейронов, проявляющиеся при предъявлении разномодальных периферических раздражителей, не отличаются друг от друта у нейронов, расположенных в различных участках КЕЕБ. При тестировании нейронов во время исполнения обезьянами ПОР активность этих нейронов отличается друг от дру-
га, что дает возможность отдифференцировать функционально отличающиеся участки КВГБ. Таким образом определены те параметры нейронной активности, которые отражают специфику функционирования определенных участков КЕПБ. Установлен ряд закономерностей организации афферентной импульсации в ШГВ и показано участие дорсомедиального ядра таламуса в процессах пространствен! ой краткосрочной памяти. На основе этих данных предполагается наличие в КЕГБ ^нкпиональных единиц, которые, взаимодействуя с определенными структурами мозга, принимают участие в различных процессах обработки информации, необходимой для исполнения ПОР.
Практическая значимость работы. Настоящая работа относится к числу теоретических исследований. Бе значение для фундаментальной науки связано с выяснением вопросов, дающих представление об интимных, нейрофизиологических, механизмах поведения и функциональной организации ассоциативных систем мозга. Некоторые положения нашего исследования включены в лекционный материал соответствующих разделов курса по нейрофизиологии Тбилисского государственного университета и Тбилисского государственного медицинского института.
Так как исследование проведено на обезьянах, описанный фактический материал и сделанные на основе этих данных заключения могут более достоверно отражать аналогичные процессы, происходящие в мозге человека, чем данные, полученные на других животных, более отдаленных по уровню эволюционного развития мозга.
Полученные результаты могут быть использованы также при решении ряда практических задач медицины. Результаты, показывающие участие дорсомедиального ядра таламуса в процессах пространственной краткосрочной памяти, могут быть использованы
--6-.
для топической диагностики у больных с нарушением пространственной памяти.
Разработанная методика определения стереотаксических координат диэнцефалических структур мозга по внутричерепным костным ориентирам может быть применена в различных нейрофизиологических экспериментах, проводимых на макак-резусах.
Исследование нейронной активности разлишыхчастей лобной коры у бодрствующих обезьян при предъявлении разномодальных перифери ческих раздражителей
Электро изиологические работы последних лет (Мачавариани, 1975; Эристави, 1980; Walter ,1964; ELgnall , Singer ,1967; Bignall, imbert ,1969) дали убедительные доказательства об участии ПФК в интеграции разномодальной афферентной импульса-ции. В этих работах показано, что вызванные суммарные потенциалы в ПФК обезьш возникают на раздражение зрительных, слуховых и тактильных рецепторов ( Bignain, singer ,1967). Однако возникновение вызванных потенциалов в ПФК на гетеросенсорную стимуляцию не дает возможности судить о том, происходит ли конвергенция разномодальной импульсапии на одних и тех же нейронах ПФК или различные афферентные входы поступают на различные нейронные ансамбли, функционирукщие независимо друг от друга. Изучение взаимодействия вызванных потенциалов при гетеросенсорной парной стимуляции (Батуев, 1973) показало, что в ПФК обезьяны существуют как полимодальные, так и мономодальные (в пределах применяемых раздражителей) нейроны. На существование мономодаль ных нейронов в данной области указывает уменьшение интервала восстановления амплитуды вызванного потенциала на тестирующий стимул при разномодальной парной стимуляции по сравнению с од-номодальной спаренной стимуляцией (Батуев, 1973).
И все же более полное представление о механизмах интеграции афферентного потока в ПФК из разных сенсорных анализаторов дают микроэлектрофизиологические исследования (Mohier et al , 1973; Nelson , Bignall ,1973; Tanabe et al .,1974; Schechter, Murphy ,1975; Newman , Lindaley ,1976; Benevento et al ., 1977). В этих работах показано, что нейроны ЇЇФК обезьян реагируют на зрительный, тактильный, слуховой и обонятельный раздражители. Некоторые из этих нейронов отвечают лишь на один стимул, другие проявляют би- или тримодальную конвергенцию ( NeL-son , Bignall ,1973; Schechter , Murphy ,1975; Benevento et ai.,I977). Однако большинство этих экспериментов проведено в условиях острого эксперимента на наркотизированных препаратах, С другой стороны, известно, что наркотизирующие вещества (хлоралоза, нембутал) сильно влияют на сенсорные свойства нейронов ассоциативной коры. Хлоралоза, по-видимому, облегчает синаптическую передачу, так как показано, что под ее влиянием моносенсорные нейроны приобретают полисенсорные свойства (Нари-кашвили и др., 1968; Dubner , Rutledge ,1964). Барбитураты действуют наоборот - они угнетают полисенсорную деятельность нейронов ассоциативной коры (Арутюнов и др., 1970; Eutledge, 1963). Кроме того, хорошо известно, что в естественных условиях восприятие окружающей среды и выделение из нее биологически значимой информации определяются уровнем соответствующей мотивации и тем эмоциональным сдвигом, который возникает у животного в соответствии с прошлым опытом. В условиях острого эксперимента приходится игнорировать те существенные параметры, которые характеризуют внутреннее состояние животного - мотивацию, эмоцию, внимание.
Исходя из этого, становится ясным, что в результатах, полученных в условиях острого эксперимента на наркотизированных животных, не отражены те параметры периферического раздражителя (биологическая значимость, новизна), которыми определяется отношение животного к данным раздражителям.
Учитывая вышеизложенное, целью настоящей работы являлось изучение спонтанной и вызванной разномодальными периферическими стимулами нейронной активности дорсолатерапьной ПФК, а в частности, КВПБ у бодрствующих обезьян в условиях хронического эксперимента. Изучались следующие параметры нейронной активности: средняя частота спонтанной активности, типы ответных реакций, сенсорные свойства нейронов. Б этой серии экспериментов мы исследовали и пластические свойства нейронов, для выявления которых наблюдали за динамикой нейронной активности в условиях: I) повторного предъявления серии (от 10 до 40) одних и тех же сенсорных раздражителей и 2) сочетания двух сенсорных раздражителей, один из которых до сочетания не вызывал ответной реакции нейрона.
КЕШ по показателям поведенческих опытов (Бакурадзе и др., 1984; Butters et al ,,1972), а также судя по анатомическим данным ( Jacobson et al.fI978) неоднородна. Н.Батерс И др. ( Bitters et al .,1972) локальными удалениями в пределах КВГБ показали, что различные ее части неодинаково заинтересованы в исполнении пространственных отсроченных тестов. По их данным необратимый дефицит в исполнении пространственного чередования наблюдается при удалении лишь средней трети ШБ, тогда как удаление передней или задней трети не оказывает такого влияния. В отличие от отсроченного чередования для исполнения ПОР критическими оказались средняя и задняя части КЕГБ (Бакурадзе и др., 1984).
Характеристика активности нейронов коры вокруг главной борозды во время исполнения обезьянами пространственных отсроченных реакций
Проблема исследования клеточных механизмов высших функций мозга наряду с методическими сталкивается с более сложными, методологическими трудностями, обусловленными, в частности тем, что все еще не определены те категории, которые отражали бы "сложные" функции мозга в соотнесении с мозговым субстратом. Нейропсихологические исследования, направленные "...на уточнение функциональной структуры изучаемого психологического процесса с выделением его составных компонентов и с дальнейшим анализом их "размещения" по системам головного мозга позволяет подойти к новому решению вопроса о локализации психических функций в коре головного мозга" (Лурия, 1973, стр.76). Такой подход к исследованию мозговых субстратов поведения несколько облегчает и делает доступным изучение нейрофизиологических механизмов поведения. Благодаря нейропсихологическим принципам исследования мозговых субстратов поведения стало возможным выделить из других видов памяти ту форму краткосрочной памяти, которая измеряется пространственными отсроченными тестами и определить причастность КЕСБ к деятельности ее механизмов. Б работе Бакурадзе и др. (1984), где авторами был применен метод локального удаления мозговой ткани, показано, что различные части КВГБ (передняя, средняя, задняя) неодинаково заинтересованы в исполнении ПОР. Микроэлектрофизиологические корреляты такой диссоциации функции в пределах ККПБ все еще не определены.
В первой главе нашей работы изложены данные о спонтанной и вызванной активности нейронов КВГБ и премоторной коры. По-видимому, эти показатели нейронной активности (степень реактивности, типы ответов, пластические перестройки реактивности) отражают тот уровень нейронной организации, по которому различные участки КВГБ, а возможно, и вся ПФК гомогенны, но отличаются от премоторной коры.
Наиболее существенным препятствием на пути к исследованию клеточных механизмов поведения млекопитающих является то, что специфический механизм, лежащий в основе реализации определенных поведенческих актов (например, ПОР), по-видимому, функцио-нирует на уровне нейронных цепей, так как на молекулярном и клеточном уровнях организации нервной системы различия практически отсутствуют не только в функционально отличающихся корковых областях, но и у различных видов животных, даже у позвоночных и беспозвоночных животных (Костюк, Сахаров, 1980; Кэн-дель, 1980). К сожалению, наши знания о принципах организации нейронных цепей, о внутриструктурной обработке информации существенно отстают. Неизвестно, отличаются ли они у разных видов животных и даже у одного и того же вида в функционально отличных участках коры головного мозга. Некоторые успехи достигнуты в изучении принципов первичной обработки сенсорной информации ( Mount castle ,1957; Hubel , Wiesel ,1977), в организации моторных функций ( Asanuma, 1973; Evarts ,1974). Принцип функционирования первичных сенсорных зон, заключающийся в том, что основной функциональной единицей новой коры является вертикально ориентированная колонка (вертикально расположенные ряды нейронов, проходящие через все слои коры), был высказан еще в 30-е годы РДоренте Де НЬ (Lorente de No Д938) на основе ис-следования им внутрикорковых связей по методу Гольджи. Микро-электрофизиологические исследования Б.Маунткасла (Mountcastle, 1957), Д.Хыобела и Т.Визела (Hubel ,Wiesel ,1977), К.Вулси ( Woolsey ,1960), Е.Эвартса varts ,1974) показали, что отдельные параметры внешнего сигнала представлены в коре отдельными, вертикально расположенными колонками. Данные этих работ продемонстрировали общий принцип организации различных проекционных зон коры.
На фоне указанных достижений отсутствует единое мнение о путях исследования принципов организации нервных цепей, обслуживающих "высшие" функции мозга. Неизвестно, какие параметры следует применять для идентификации колонок (если они существуют) в тех структурах, которые не являются первичными сенсорными областями и не связаны однозначно с периферическими эффекторами, как моторная кора, а участвуют в реализации функции более "высшего порядка". Б таких случаях, как указывает В.Маунт-касл (1981) "определяющие параметры для групп колонок надо искать в опытах с электрофизиологическими наблюдениями на животных, обученных определенным поведенческим актам, относящимся к изучаемой зоне".
Организация афферентной импульсапии в коре вокруг главной борозды у бодрствующих обезьян
В предыдущей главе на основе изучения активности не фонов КЕГБ во время исполнения обезьянами ПОР было выделено несколько типов нейронов. Определение некоторых факторов, влияющих на активность этих нейронов и сопоставление данных об их количественном распределении в разных участках КЕЕБ с поведенческими данными, полученными при локальных удалениях тех же областей мозга, дало возможность предположить, что различные типы нейронов участвуют в разных процессах, обеспечивающих исполнение ПОР и, следовательно, представляют собой различные функциональные единицы.
Насколько отражает такая классификация нейронов наличие в КЕЕБ фуїіквдональннх единиц, непосредственно занятых переработкой информации данной поведенческой программы, или, иными словами, можно ли исследуемыми нами параметрами нейронной активности идентифицировать эти группы как определенные дискретные единицы переработки информации, участвующие в сложных функциях мозга и, следовательно, можно ли на основе этих данных описать цепочку тех единиц, в пределах которых осуществляется данная поведенческая программа - определить трудно.
По нашему мнению, если отдифференцированные нами типы нейронов (по характеру их участия в ПОР) отражают существующие в КЕЕБ функциональные единицы, аналогичные описанным Маунткаслом и др. ( Maimtcastls et аЗ.,1975) в теменной коре, то они должны отличаться друг от друга и своими афферентными и эфферентными связями, ПФК, в том числе и КЕЕБ, имеет обширные как односторонние, так и двусторонние связи со многими областями мозга (Nauta ,1972; Jacobson et al .,1978), По-видимому, не каждый нейрон или функциональная единица, сосредотачивает все связи на себе. Наличие анатомических связей КЕЕБ с различными функционально отличающимися структурами мозга хотя и является убедительной предпосылкой, но не может служить определяющим фактором для такого допущения.
По нашему мнению, наиболее доступным и адекватным подходом для исследования функциональной организации афферентной импульсации в КЕГБ является исследование реактивности отдифференцированных (по характеру активности в ПОР) нейронов КЕГБ в ответ на одиночное раздражение тех мозговых структур, с которыми КЕЕБ имеет анатомические и функциональные связи и которые, в свою очередь, объединены в различных функциональных системах.
Наиболее мощные афференты со стороны подкорковых структур ПФК получает из дорсомедиального ядра таламуса ( Walker ,1936, 1938; Pribram et al .,1953; Akert ,1964; Kievit , Kuypers , 1977). Б работах с применением аксонального транспорта перок-сидазы хрена показано наличие прямых афферентов из гипоталами-ческой области ( Kievit, Kuypers ,I975a,b; Jacobson et al ., 1978). Описаны также афференты КЕГБ, исходящие из нижневисочной коры ( Cbavis, Pandya ,1976). Вопрос о существовании прямых афферентов в КЕГБ из хвостатого ядра остается предметом дискуссии. Большинство исследователей отрицает их существование (Voneida ,1960; Szabo ,1962; Spiegel ,1964; Nauta ,1966). Параллельно с этим в литературе накопились данные, позволяющие допустить существование таких связей. Была обнаружена ретроградная дегенерация нейронов в хвостатом ядре, наступающая после удаления лобной коры (Harman et al.,I954). Исследование дегенерации аксонов и их окончаний показало наличие прямых эфферентных волокон, исходящих из головки хвостатого ядра (Ермоленко, 1976). Кроме того, в электрофизиологических работах, проведенных на кошках ( Purpura et al .,1958) и обезьянах (Хаса-бов, 1978), показано возникновение вызванного ответа в ПФК при электрической стимуляции головки хвостатого ядра. Наиболее документированным является наличие полисинаптического пути от хвостатого ядра к ПФК, который опосредован бледным шаром и ядрами таламуса (вентромедиальное ядро и центральное ядро) ( Cowan, Powell ,1966; Carpenter et al .,1968).
Учитывая эти данные, с целью изучения функциональной организации афферентной импульсацаи в КЕЕБ, изучали реактивность нейронов,отдифференцированных по характеру их активности в программе ПОР в ответ на электрическое раздражение дорсомедиаль-ного ядра таламуса, нижневисочной коры, гипоталамуса и головки хвостатого ядра. Для электрического раздражения перечисленных структур применяли одиночные прямоугольные импульсы длительностью 0,1 - 0,5 мс. Напряжение стимулирующего тока подбиралось ежедневно и варьировало в пределах 2-Ю Б. Ни в одном случае применяемые параметры электрической стимуляции не вызывали каких-либо изменений в поведении животных.
Влияние высокочастотного электрического раздражения дорсомедиального ядра таламуса на исполнение пространственных отсрочен ных реакций
Результаты наших исследований показали, что нейроны Ш типа получают афферентную импульсацию лишь из нижневисочной коры и гипоталамуса среди всех исследованных нами структур (рис. 32 Б). Необходимо отметить, что ни один исследуемый нами ней # рон данной популяции не отвечал на раздражение дорсомедиального ядра таламуса и головки хвостатого ядра. Конвергенция им-пульсапии, поступающей из различных структур, на этих нейронах представлена весьма ограниченно. Из 39 исследованных нейронов на раздражение нижнє височной коры реагировали 7 и на раздражение гипоталамуса - 3 нейрона. Один из них реагировал на раздражение обеих структур.
Данные о реактивности нейронов П и ВТ типа приведены на рис.32 Б,Г. Нейроны П типа проявляли почти одинаковую реактивность ко всем применяемым раздражителям, а нейроны ІУ типа преимущественно реагировали на раздражение дорсомедиального ядра таламуса и головки хвостатого ядра. Кроме того, нейроны 17 типа оказались наиболее конвергентными. Почти все исследуемые реактивные нейроны U типа отвечали на раздражение двух или трех структур. Наиболее часто проявлялась конвергенция между импульсадиями, поступающими из дорсомедиального ядра таламуса и головки хвостатого ядра. Из всех исследованных нейронов ни в одном случае не наблюдали конвергенцию между импульсациями, поступающими из нижневисочной коры и головки хвостатого ядра. В единичных случаях была представлена конвергенция на нейронах КЕЕБ между импульсациями, поступающими из дорсомедиального ядра таламуса и нижневисочной коры. Наиболее широко на нейронах КЕГБ конвергенция представлена между импульсациями, поступающими из дорсомедиального ядра таламуса и головки хвостатого ядра.
Ввиду того, что в микроэлектрофизиологических исследованиях так или иначе приходится ограничиваться определенным количеством нейронов, могут возникнуть некоторые сомнения относительно описанных закономерностей взаимодействия импульсаций, поступающих в КЕЕБ из различных мозговых структур. По нашему мнению, более полное представление об этих вопросах может дать наблюдение над динамикой вызванных суммарных корковых ответов при парной гомо- и гетерогенной стимуляции исследуемых структур.
Исходя из сказанного, в последующей серии экспериментов на двух обезьянах исследовали взаимодействие вызванных суммарных потенциалов и цикл восстановления вызванного ответа при парной гомо- и гетерогенной стимуляции дорсомедиального ядра таламуса, головки хвостатого ядра и нижневисочной коры. Так как при малых интервалах парной стимуляции ответ на тестирующее раздражение маскируется ответом, вызванным кондицируицим раздражением, для оценки изменения этих ответов мы применяли процедуру математического вычитания. С этой целью регистрировали потенциал, возникающий при парной стимуляции (Pj+Pg). Параллельно с этим регистрировали и потенциал, возникающий на кондинирующее раздражение (Pj). Путем вычитания из суммарного ответа, возникающего на парную стимуляцию, ответа, возникающего на кондицирущее раздражение /(Pj+PgKPj/, определяли величину вызванного ответа на тестирую-щее раздражение при парной стимуляции. Полученную в результате вычитания амплитуду вызванного потенциала сопоставляли с амплитудой потенциала, вызванного при изолированном применении тестирующего раздражителя (Pg)» При этом исходили из допущения, что эти потенциалы при парной стимуляции просто складываются, хотя не исключено, что при малых интервалах парной стимуляции ранние компоненты второго ответа оказывают влияние на поздние компоненты первого ответа. Несмотря на это, данный способ (Шагас, 1975) кажется нам адекватным для установления ряда закономерностей об организации афферентной ивдульсации. Описанная процедура производилась на цифровой машине АН0Ш-І01.
О надичии и степени конвергенции гетерогенной импульсапии мы судили по изменению и по времени восстановления амплитуды вызванных ответов на тестирующие раздражители. Б качестве контрольных опытов для установления функциональных свойств нейронов исследовали цикл восстановления ответа на тестирующее раздражение при парной гомогенной стимуляции.
Полученные в этой серии экспериментов результаты представлены на рис.33. При парной гомогенной стимуляции дорсомедиально-го ядра таламуса в случае малых интервалов между двумя последующими стимулами в зависимости от интенсивности стимулирующего тока наблюдалось увеличение (рис.33 А-І) или угнетение (рис. 33 Б, Б-І) амплитуды ответа на тестирующее раздражение. Полное восстановление амплитуды ответа на тестирующее раздражение происходило при интервале между стимулами в пределах 130-140 мс (рис.33 Г-І). При парной стимуляции дорсомедиального ядра тала-муса и головки хвостатого ядра с малыми интервалами между стимулами в зависимости от интенсивности стимулирующего тока наблюдалось увеличение или угнетение ответа на тестирующее раздражение (рис. 33 А,Б-2). При удлинении интервала между стимулами наблюдалось угнетение амплитуды второго ответа (рис.33 Б-2). Полное восстановление амплитуды ответа происходило при интервале между стимулами в пределах П0-І20 мс (рис.33 Г-2).
Похожие диссертации на Функциональная организация префронтальной коры низших обезьян (электрофизиологическое исследование)
