Введение к работе
з
Актуальность исследования. Изучение механизмов неспецифической модуляции возбудимости и пластичности корковых колонок является одной из наиболее актуальных проблем современной нейрофизиологии, поскольку эти механизмы участвуют в регуляции воспринимающей, передаточной и распределительной функций коры головного мозга в процессах обработки информации и формировании того или иного функционального состояния мозга. Одной из характеристик нейронов является их способность к пластичности - изменению эффективности синаптической передачи. Синаптическая и нейронная пластичность рассматриваются в качестве основы таких функций мозга как распознавание образов, обучение, хранение информации (Kandel, 2001; Poirazi, Mel, 2001; Martin, Morris, 2002; Fusi et al. 2005). При этом следует различать процессы эндогенной модуляции уровня возбудимости корковых колонок, связанного, прежде всего, с тонусом ретикулярной формации среднего мозга (РФСМ), формированием определенного функционального состояния, и более локальные процессы изменения возбудимости и пластичности отдельных колонок (Desai, Rutherford, Turrigiano, 1999), которые связаны с оценкой биологической значимости стимула и лежат в основе обучения и памяти (Janowitz, Rossum, 2006). Наибольший интерес представляет исследование взаимодействия эндогенных и экзогенных, стимул-зависимых локальных процессов на уровне отдельных колонок, представляющих основную структурно-функциональную единицу коры мозга млекопитающих.
В зависимости от длительности, эффекты пластичности классифицируют как кратковременные (фасилитация или депрессия) и долговременные (долговременная потенциация или депрессия). Работы по исследованию пластичности проводились главным образом на гиппокампе (Клещевников, 1998; Voronin et al., 1995; Aihara et al., 2007; Nguyen, Woo, 2003; Zhang et al., 2003; Papatheodoropoulos, 2010). Значительно меньше работ посвящено исследованию эффектов пластичности в соматосенсорной коре (Levy, Reyes, Aoki, 2008; Oldford, Castro-Alamancos, 2003; Сухов, Бедудная, Медведев, 2003). Большинство из них проводились либо на срезах мозга, в которых невозможно проследить эффекты неспецифических влияний подкорковых структур, либо на наркотизированных животных, механизмы функционирования головного мозга которых существенно отличаются от таковых у ненаркотизированных животных (Steriade, 2000, 2001). Поэтому экспериментальная модель исследования механизмов пластичности на бодрствующем ненаркотизированном животном, выбранная для выполнения данной работы, является актуальной и обоснованной.
Важную роль в формировании процессов пластичности играет фоновая ритмическая активность мозга как один из параметров, организующих нормальную и патологическую мозговую деятельность (Гусельников, Супин, 1968; Виноградова, 1975; Бездудная, 2000; Steriade, 2006), поэтому выяснение механизмов генерации различных ритмов мозга и их функциональной роли в коре головного мозга также является актуальной задачей.
С начала электроэнцефалографических исследований головного мозга в 30-40-х годах XX века велась дискуссия между сторонниками внутрикоркового механизма формирования ритмической активности коры, постулированного Бремером (Bremer, 1935), и его оппонентами, выдвигающими другие структуры на роль ведущих генераторов ритмической активности (Morison, Dempsey, 1942). Впоследствии многие исследователи отводили главную роль в корковом ритмогенезе подкорковым влияниям и таламокортикальному взаимодействию (Буриков, Сунцова, 1989; Моянова, 1977; Нарикашвили, 1975; Contreras et al., 1997). Вопросы генерации нормальной и патологической ритмической активности в коре и по сей день остаются дискуссионными, в частности, широко обсуждается участие модулирующих систем в формировании эпилептиформной активности (ЭпиА) (Deisz, 1999; Gu, 2002; Potier, Psarropoulou, 2004; Shaw, 2004; Hanganu et al., 2009). Хотя существует целый ряд работ по исследованию возбудимости и пластичности корковых колонок, представленные в них данные достаточно противоречивы, а исследования роли фонового ритмогенеза в процессах восприятия и передачи сенсорной информации, а также в механизмах пластичности мозга сравнительно малочисленны. Изучение механизмов ритмогенеза и неспецифической модуляции возбудимости и пластичности может внести определенный вклад в понимание как процессов регуляции и обработки информации, так и механизмов формирования нормального и патологического состояний головного мозга, в частности, эпилептиформной активности.
Целью настоящей работы являлось изучение механизмов неспецифической модуляции возбудимости и пластичности нейронных колонок соматической коры крысы.
Задачи исследования
1. Изучить характер модуляции возбудимости и кратковременной пластичности корковых
колонок при повышенном тонусе ретикулярной формации и общей активации ретикуло-корковых влияний в состоянии бодрствования животного.
2. Изучить характер модуляции возбудимости и кратковременной пластичности корковых
колонок при снижении тонуса ретикулярной формации и общей активации ретикуло-корковых влияний после введения нембутала.
3. Определить механизмы частотно-фазовых влияний фоновой ритмической активности на
возбудимость и пластичность корковых колонок в состоянии бодрствования животного.
4. Выяснить роль холинергических влияний в модуляции возбудимости корковых колонок
при локальной аппликации агонистов ацетилхолина.
5. Выяснить роль холинергических влияний в модуляции возбудимости корковых колонок
при локальной аппликации антагонистов ацетилхолина. Научная новизна результатов исследования.
Разработан новый методический подход к исследованию нейрохимических механизмов развития фокальной активности с возможностью подведения физиологически активных веществ к идентифицированным колонкам соматической коры и одновременного мультиэлектродного отведения биоэлектрической активности от соматической коры и подкорковых структур.
Получены оригинальные данные о том, что неспецифическая модуляция эффектов кратковременной пластичности нейронных колонок соматической коры крысы зависит от характера фонового ритмогенеза и имеет фазозависимый характер.
Впервые показано, что снижение общего уровня активации коры под действием нембутала приводит к замещению процесса парной фасилитации процессом парной депрессии в нейронных колонках соматической коры, что может быть обусловлено изменением характера постстимульного торможения с перераспределением соотношения быстрого (ТПСПа) и медленного (ТПСПб) коркового торможения.
В опытах с локальной микроаппликацией растворов агонистов и антагонистов ацетилхолина к корковым колонкам получены новые данные, свидетельствующие о возможности локального изменения характера ритмогенеза, возбудимости и пластичности корковых колонок.
Получены оригинальные данные, которые свидетельствуют о том, что холинергические влияния играют существенную роль в механизмах формирования эпилептиформной активности в нейронных колонках при активации Н- или М-холинорецепторов.
Научно-теоретическое и практическое значение работы.
Выявленные особенности неспецифической модуляции возбудимости и пластичности в соматической коре могут способствовать более глубокому пониманию процессов, лежащих в основе обучения, использоваться при планировании экспериментов, целью которых является дальнейшее изучение механизмов синаптической передачи.
Разработанный в ходе исследования метод локального подведения активных веществ с помощью микроэлектрода может использоваться для доклинического испытания фармакологических препаратов и других физиологически активных веществ.
Полученные результаты могут быть использованы на кафедрах физиологии, биофизики, медицинской физики и ветеринарии при чтении спецкурсов студентам и магистрам ВУЗов.
Основные положения, выносимые на защиту
Значительную роль в регуляции как фоновой, так и вызванной активности коры играют ретикуло-корковые модулирующие влияния. Снижение тонуса РФСМ и ее ретикуло-корковых активирующих влияний проявляется в появлении и усилении фоновой веретенообразной активности в коре, а снижение возбудимости нейронных колонок ведет к росту порогов вызванных потенциалов.
Возникающая в состоянии бодрствования животного фоновая веретенообразная активность оказывает зависимое от фазы волны влияние на процессы формирования кратковременной постстимульной пластичности. В подавляющем большинстве случаев при попадании первого стимула из серии на восходящую фазу фоновой волны наблюдается подавление ответа на второй стимул (парная депрессия), а при попадании первого стимула на нисходящую фазу фоновой волны - увеличение амплитуды ответа на второй стимул (парная фасилитация).
Снижение тонуса коры при ослаблении неспецифических активирующих влияний со стороны РФСМ приводит к модификации процессов кратковременной постстимульной пластичности, что проявляется в замещении процесса парной фасилитации вызванных потенциалов на процесс парной депрессии, когда первичный ответ на второй стимул при парной стимуляции становится меньше, чем ответ на первый стимул.
Переход парной фасилитации в парную депрессию обусловлен не столько усилением постстимульного торможения, сколько его качественным изменением, в частности, наблюдается сокращение длительности тормозной паузы и медленного отрицательного потенциала, что может быть связано с ослаблением медленного торможения (ТПСПб) при сохранении быстрого торможения (ТПСПа).
Холинергическая система играет существенную роль в механизмах генерации и иррадиации эпилептиформной активности в нейронных колонках соматической коры взрослых крыс, поскольку локальная внутрикорковая аппликация агонистов ацетилхолина вызывает значительное усиление локального ритмогенеза с последующей иррадиацией эпиразрядов на подкорковые структуры и контралатеральное полушарие.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на Всероссийской научной конференции института мозга РАМН «Механизмы синаптической пластичности» (Москва, 2008), на Съездах физиологического общества им. И.П. Павлова (Екатеринбург, 2004; Москва, 2007), на конференции по нейрокибернетике (Ростов-на-Дону, 2005, 2009); на международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2006, 2007); на X Пущинской школе-конференции молодых учёных (Пущино, 2006); на 18-м Конгрессе ESRS (Innsbruck, 2006), на II Всероссийской научно-практической
конференции «Функциональное состояние и здоровье человека» (Ростов-на-Дону, 2008), на 5-ой Российской школе-конференции «Сон - окно в мир бодрствования» (Ростов-на-Дону, 2009), на Юбилейной конференции «125 лет Московскому психологическому обществу» (Москва, 2010), на заседаниях Ученого Совета НИИ НК ЮФУ (2009) и Ростовского-на-Дону отделения физиологического общества им. И.П.Павлова (2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ общим объемом 1,62 п.л., из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, личный вклад автора 84%.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 170 страницах машинописного текста, состоит из введения, 4 глав (обзор литературы, материалы и методы, результаты исследования, обсуждение результатов), выводов и библиографического указателя, включающего 285 отечественных и зарубежных источников. Работа иллюстрирована 42 рисунками.
