Введение к работе
Актуальность исследования. Одной из актуальных проблем современной нейрофизиологии является изучение роли эндогенного и экзогенного электрического ПОЛЯ в регуляции функционального состояния и когнитивной деятельности мозга в норме и патологии. Исследования последних лет показывают, что электрические поля в ткани мозга, генерируемые работой ионных каналов на мембранах клеток, регулируют миграцию клеток, их поляризацию и частоту делений во время эмбриогенеза (Song et al., 2002; Li et al., 2008), обеспечивают дифференцировку нервных клеток (Sundelacruz et al., 2009), участвуют в регенерации тканей (Brown, Dransfield, 2008), влияют на синхронизацию активности нервных клеток (Anastassiou et al., 2010).
В коре, благодаря поляризации и вертикальной ориентации нейронов перпендикулярно ее поверхности, возникает дипольный момент, определяющий уровень постоянного потенциала (У 1111) коры. Медленные изменения УПП мозга тесно связаны с характером текущего ритмогенеза, обусловленного активацией потенциал-зависимых К -, Na - и Са -мембранных каналов нейронов, и нейроглиальными взаимодействиями (Amzica, Steriade, 2000; Seigneur et al., 2006). Целый ряд ЭЭГ-феноменов, связанных с когнитивной деятельностью животных и человека, функциональными сдвигами в цикле сон-бодрствование и рядом патологических изменений ЭЭГ, сопровождается сдвигами У1111 (Гусельников, 1976; Фокин, Пономарева, 2002; Шимко и др., 2005; Lehmenkuhler et al., 1999; Miller et al., 2007; Shinba, 2009). Однако причинно-следственная взаимосвязь этих процессов в настоящее время не исследована. Вопрос, влияет ли эндогенное поле на состояние нейронов или является побочным продуктом функционирования нейроглиального и сосудистого комплексов, представляет собой актуальную проблему современной нейробиологии.
Поскольку экзогенный постоянный электрический ток может имитировать поле постоянного потенциала и модулировать уровень возбудимости коры, большой интерес представляет поляризационная доминанта, формируемая действием постоянного электрического тока на кору и обладающая свойствами естественных мотивационных доминант: повышенной возбудимостью, ассоциативностью, усвоением ритма стимуляции (Русинов, 1969). Известно, что постоянный электрический ток избирательно модулирует частоту нейронных разрядов в зависимости от полярности, длительности и силы воздействия и приводит к долговременным эффектам последействия как у животных, так и у человека (Nitsche, Paulus, 2001; Baudewig et al., 2001). Учитывая колончатый принцип структурно-функциональной организации коры мозга животных и человека, можно предположить, что ключ к раскрытию механизмов модулирующего влияния постоянного
электрического тока следует искать на уровне организации отдельной корковой колонки, однако такие исследования ранее не проводились.
Возросший, в последнее время, интерес к механизмам влияния экзогенного электрического поля обусловлен успешным клиническим использованием транскраниальной электрической микрополяризации, позволяющей улучшить или восстановить двигательные (Fehlings, Tator, 1992; Wu et al., 2008), психические функции (Nitsche, 2002; Ferrucci et al., 2009; George, Aston-Jones, 2010), купировать судорожные приступы (Шелякин и др., 2000; Warren, Durand, 1998), уменьшить очаги поражения головного мозга у больных с инсультом и черепно-мозговой травмой в острый период (Шелякин, Пономаренко, 2006) и др. В настоящее время накапливается все больше свидетельств в пользу того, что ведущую роль в реакции мозга на постоянный ток играют сдвиги мембранного потенциала нейронов (Liebetanz et al., 2002) и несинаптические эффекты (Ardolino et al., 2005). В связи с этим выяснение потенциал-зависимых механизмов влияния электрического поля на мозг представляет несомненную актуальность с биомедицинской точки зрения.
Цель работы: исследование потенциал-зависимых механизмов влияния постоянного электрического тока на функционирование колонок соматической коры мозга крыс.
Достижение поставленной цели требовало решения следующих задач:
Изучить роль эндогенного электрического поля в формировании и регуляции уровня колебаний постоянного потенциала коры и ритмической веретенообразной активности корковых колонок при сниженном тонусе ретикулярной формации и низком уровне активированности мозга.
Изучить роль эндогенного электрического поля в соотношении колебаний УПП и эпилептиформной активности (ЭпиА) при повышенном уровне активированности мозга.
Изучить роль экзогенного постоянного электрического тока в регуляции функционального состояния корковых колонок при их микрополяризации.
Изучить роль экзогенного постоянного электрического тока в усвоении ритма стимуляции в очаге поляризационной доминанты.
Сформулировать теоретически и экспериментально обоснованную гипотезу о роли УПП и экзогенного электрического поля в регуляции функционального состояния и пластичности мозга.
Научная новизна работы. 1. Впервые выявлен разнонаправленный характер изменения УПП при развитии веретенообразной и ЭпиА, отражающий различие потенциал-зависимых механизмов их
формирования. При веретенообразной активности отмечен электропозитивный сдвиг УПП, при эпилептиформной - электронегативный сдвиг.
Впервые установлена зависимость частотных параметров и формы ЭпиА от уровня негативного сдвига УПП. Большей электронегативности соответствует более высокая частота генерации эпилептиформных разрядов во время эпиактивности.
Впервые установлена возможность образования микроочага поляризационной доминанты на структурной основе отдельной корковой колонки.
Впервые исследована динамика изменений уровня возбудимости корковой колонки во время усвоенного ритма при поляризационной доминанте.
Установлено облегчение пластических перестроек ритмогенеза в коре при увеличении негативности УПП как в очаге поляризационной доминанты при усвоении, запоминании и воспроизведении ритма стимуляции, так и в очаге эпилептиформной патологической доминаты при усвоении паттерна эпилептиформных разрядов во вторичных зеркальных очагах.
Впервые сформулировано представление о двух разных формах электротонического взаимодействия нейронов в колонках. Внеклеточное электротоническое (эфаптическое) взаимодействие разных нейронов одной колонки осуществляется за счет суммации внеклеточных потенциалов всех нейронов этой колонки. Избирательное электротоническое взаимодействие соседних однотипных тормозных нейронов, осуществляется за счет электрических синапсов. Оба механизма участвуют в обеспечении синхронизации осцилляторной активности нейронов колонки.
Научно-теоретическое и практическое значение результатов исследования. Выявленные в настоящей работе нейрофизиологические механизмы влияния экзогенного электрического поля при микрополяризации отдельной корковой колонки могут быть использованы для дальнейшего развития методики микрополяризационной терапии человека. Исходя из того, что механизм усвоения ритмичных воздействий является единым для всех анализаторов, полученные в работе результаты по усвоению ритма стимуляции в зоне микрополяризационной доминанты могут быть использованы в лечебных мероприятиях для выработки артифициальных стабильных функциональных связей (Бородкин, Шабанов, 1986), супраспинальной регуляции мышечного тонуса, интенсивной терапии различных гиперкинезов. Используемая в работе комплексная методика функциональной оценки состояния коры головного мозга с регистрацией УПП расширяет возможности направленного поиска и изучения новых противосудорожных препаратов. Полученные сведения о разнонаправленных сдвигах УПП могут быть использованы для разработки методов коррекции патологических состояний мозга,
связанных с повышенным уровнем возбудимости, а также для оптимизации электростимуляционной терапии при лечении нейрональных дисфункций. Результаты работы использованы при выполнении исследований по грантам РФФИ № 07-04-00424 и Минобразования № 2.1.1/1129, а также в учебном процессе при чтении спецкурса по эволюции ритмогенеза на кафедре физиологии человека и животных ЮФУ. Основные положения, выносимые на защиту:
Эндогенный постоянный потенциал коры является производным от медленных изменений мембранного потенциала корковых нейронов при действии различных медиаторов и модуляторов на метаботропные рецепторы.
Длительное изменение потенциала покоя корковых нейронов в сторону деполяризации или гиперполяризации вызывает врожденную, генетически запрограммированную активацию различных потенциал-зависимых каналов с формированием соответствующей формы ритмогенеза.
Основной функциональной ролью пейсмекерного ритмогенеза, обусловленного активностью потенциал-зависимых каналов, является устранение избыточной де- или гиперполяризации нейронов и восстановление исходного потенциала покоя клеток.
Пейсмекерный ритмогенез с участием потенциал-зависимых каналов играет основополагающую роль в механизмах усвоения, запоминания и воспроизведения ритма стимуляции в очаге поляризационной доминанты, составляя основу временной организации активности нейронов в процессах анализаторной деятельности.
Сформулирована гипотеза о наличии двух типов электротонического взаимодействия и их различной роли в функциональной организации нейронов, учитывающая разную селективность этих взаимодействий. Экстраклеточное влияние электрического поля более эффективно действует на радиально-ориентированные пирамидные нейроны, а избирательный характер взаимодействия однотипных тормозных нейронов одного ансамбля обеспечивается наличием между ними электрических синапсов с низким электрическим сопротивлением, что способствует электротонической синхронизации осцилляторной активности нейронов этого ансамбля.
Апробация диссертационной работы. Материалы диссертации были представлены на: Всероссийской конференции «Механизмы синаптической передачи» (Москва, 2004), II Межрегиональной научно-практической конференции «Молодежь XXI века - будущее Российской науки» (Ростов-на-Дону, 2004), XI и XIII Всероссийских научных конференциях студентов-физиков и молодых ученых (Екатеринбург, 2005, 2007), XIV и XV Международных конференциях по нейрокибернетике (Ростов-на-Дону, 2006, 2009), ХШ и XTV Международных конференциях «Ломоносов» (Москва, 2006, 2007), 18-м Конгрессе ESRS
(Инсбрук, Австрия, 2006), XX Конгрессе Общества физиологов им. И.П. Павлова (Москва, 2007), Всероссийской конференции "Структурно-функциональные, нейрохимические и иммунохимические закономерности асимметрии и пластичности мозга" (Москва, 2007), II Всероссийской научно-практической конференции «Функциональное состояние и здоровье человека» (Ростов-на-Дону, 2008), X Всероссийской научно-технической конференции «Нейроинформатика-2008» (Москва, 2008). Работа была апробирована на заседании Ученого Совета НИИ нейрокибернетики ЮФУ, и совместном заседании кафедры физиологии человека и животных биолого-почвенного факультета ЮФУ и Ростовского-на-Дону отделения физиологического общества им. И.П. Павлова (2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе две статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ. Личный вклад автора в опубликованном материале составляет 76 %, объем 2,8 п.л.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 138 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав (обзор литературы, методика, результаты исследования, обсуждение результатов), выводов и библиографического указателя, включающего 272 работы отечественных и зарубежных авторов. Работа иллюстрирована 24 рисунками и двумя таблицами.
