Введение к работе
Эффективность приспособления индивидуума к меняющимся условиям среды обеспечивается не только возмояностями специфических систем организма, несущих бремя гомеостатических регуляций, но и способностью центральных механизмов формировать на основе накопленного опыта оптимальную стратегию реагирования. Качество адаптивное реакции зависит, следовательно, от активности ряда систем мозга, выпал-' няющих интегративные и регуляторные функции на пути от запускающего адаптационный процесс стрессирующего раздравителя до комплекса соответствующих реакции. Выяснение роли таких систем в организации основных составляющих адаптационного процесса - стрессорноа реакции , привыкания и фиксации адаптивного навыка - представляет собой одну из важнейших фундаментальных проблем современной физиологии.
Ряд аспектов проблемы центральных механизмов адаптации подвергся интенсивной разработке, самостоятельное значение приобрел вопрос о физиологических и нейрохимических механизмах психо-эмоцио-нального стресса и путях снижения его негативных последствий (Судаков , 1981; Судаков и соавт. , 1990; Юматов и соавт. 1991). Сформированы представления об общих закономерностях развития адаптационных процессов и организации стресс-реализующих и стресс-лимитирующнх систем (Меерсон, 1973-1986; Меерсон, Пшенннкова, 1988). Определены стресс-специфические измеиення катехоламинов в ядрах мозга (Белова, Кветнянский, 1981). Показана критическая роль центральных моноами-нергических систем (Naumenko, 1973; Popova et al., 1985) в активации гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы - основного аппарата, формирующего гормональную картину стресса (Selye, 1973).
Необходимыми компонентами физиологических адаптации являются также привыкание и фиксация адаптивного навыка. Привыканию отводится роль основного пути приспособления организма к среде (Слоним, 1964, 1979; LeBlanc, 1967-1992). Память также занимает важные позиции в представлениях о физиологических адаптациях. Выдвинута даже гипотеза о существовании особой формы вегетативной памяти (Слоним, 1979; 1987). Тем не менее, лишь отдельные работы были посвящены центральной регуляции привыкания к действию факторов среды (Glaser, Griffin, 1962; Talan, Engel, 1988). Механизмы регуляции памяти также исследовались главным образом в поведенческих или электрофиэио-логнческих моделях (Kesner, Doty, 1968; Kaada, 1972; Виноградова, 1975; Кругликов, 1975; Симонов и соавт., 1975; Keener et al., 1971-1992).
К моменту постановки задач настоящего исследования было показано, что успешность формирования адаптивных навыков в поведенчес-
ких моделях в высокой степени определяется эмоциогенностью предъявляемых раздраяителей. При этом оказалось, что активную роль в эмо-циогенной регуляции обучения и памяти играет миндалевидный комплекс (МК) мозга (Goddard, 1964a,b; Илыоченок, Винницкий, 1971; Fonberg, 1974, 1981; Симонов и соавт. 1975; Пигарева, 1978). В дальнейшем различные авторы по разному оценили функции этого образования в эмоциогенной регуляции поведения и памяти: от сугубо интегративных (Чепурнов, Чёпурнова, 1981; Gloor, 1992), до модуляторных (илыоченок, 1979; McGaugh et al., 1992). Важно отметить, что влияние МК наиболее серьезно сказывалось в отношении обучения с высокоэмоцио-генньш подкреплением (Gold et al., 1975b).
В поведенческих экспериментах было установлено, что деструкция МК подавляет эмоционально-стрессорную симптоматику (Henke, 1980-1988; Beauleau et al., 1987; Gray et al., 1989). Появились такие.данные о важности МК в организации привыкания и угашения (Bagshaw et ьі., 1965; 1968; Прибран и соавт., 1973; Суворов, 1974). Таким образом, экспериментальные данные свидетельствовали, что все компоненты адаптационного процесса зависят от эмоциогеннос-ти раздражителя и , соответственно , от регуляторной активности МК. Вместе с тем, сведений о механизме реализации регуляторних влияний МК на обработку сигналов и фиксацию их в памяти практически не было . оставались неизученными и нейрохимические механизмы регуляторной активности МК, в частности роль центральных моноамннергических систем.
Вопрос о связи адаптации с эмоциями , обучением и памятью ставился ранее как на основе модельных экспериментов на животных (Ме-ерсон и соавт., 1976), так и при анализе результатов психофизиологического тестирования людей, адаптировавшихся к различным клима-то-географическим условиям (Ильюченок 19796; Леутин, Николаева, 1988). В этих работах получены значительные по обьему и качеству данные о влиянии адаптации к изменениям физико-химических свойств среды на обработку нейтральной и эмоциогенной информации, обучение и сохранение следа памяти. Вместе с тем, в аспекте анализа механизмов реализации регуляторних влияний интересным представлялось решение обратной задачи с оценкой эффективности физиологической адаптации как функции паняти и активности эмоциогенных регуляторных систем мозга. Даже постановка такого рода задач в литературе за редкими исключениями (загустина и соавт., 1986) отсутствовала. Настоящее исследование было предпринято в попытке решения вопроса об эмоциогенной регуляции адаптационных процессов на основе анализа механиз-
мов регуляторних влияний миндалевидного комплекса мозга.
Цель в задачи исследования
Основной целью данной работы бил анализ механизмов влияния миндалевидного комплекса .как звена эмоциогенноР регуляторноп системы на эффективность адаптационных процессов. В соответствии с этой целью были поставлены следующие задачи:
-
На модели холодовой адаптации установить, в какой форме проявляется участие эмоциогенных образований мозга, в частности миндалевидного комплекса, в адаптации к действию природных факторов, сопоставить характер регуляторних влияний МК в отношении адаптации к холоду и адаптации к условиям поведенческого эксперимента.
-
Оценить роль эмоционального стресса и привыкания к холодовому раздражителю в формировании адаптивных изменений терморегуляции .
-
в электрофизиологических экспериментах изучить взаимоотношение мозговых структур при формировании и воспроизведении следа памяти, проанализировать центральные механизмы амигдалоидной модуляции адаптационного процесса. Определить характер участия МК в формировании параметра значимости сигнала. Сопоставить особенности распространения сигналов миндалевидного комплекса с электрофизиологическими коррелятами эндогенной регуляции центральных процессов.
-
Проанализировать характеристики активности моноаминовых систем мозга при воздействиях на МК, изменяющих эффективность адаптации . Изучить особенности концентрационных показателей состояния этих систем у животных с генетически предопределенными изменениями адаптивности.
-
На основе моделей поведенческой адаптации изучить роль собственных дофаминергическнх систем МК в реализации модулирующих влияний МК на обучение. оценить возможность компенсации нарушений адаптации, вызванных дезорганизацией активности МК.
Положения, выносимые на защиту: 1) Формирование следа повышенной холодовой устойчивости после однократной экспозиции холода или в процедуре ускоренной адаптации модулируется эмоциогенными механизмами мозга, в которых центральную роль играет миндалевидный комплекс. Разрушение миндалины препятствует становлению1 адаптивного навыка, не затрагивая возможностей специфических термогенных механизмов и не снижая устойчивости функций при первом контакте с Холодовым раздражителем.
-
Рост холодовой устойчивости находится под влиянием двух сопряженных процессов. Первый из них - мобилизация функций - инициируется Холодовым стрессированием, второй - торможение эмоциональных реакций - развивается по мере ознакомления с Холодовым раздражителем. Каждый из факторов является необходимым, но не достаточным звеном в. формировании специфической адаптационной картины. Падение приспособительных возможностей организма при амигдалэктомии обусловлено деформацией основных составляющих адаптационного процесса: стресса, привыкания и памяти.
-
Механизмы участия миндалевидного комплекса в адаптационных процессах включает в себя модуляцию взаимоотношений коры и подкорки в процессе формирования следа памяти. Гиперактивация миндалины блокирует проявление следа памяти, причем двигательные и вегетативные компоненты следа проявляют разную степень устойчивости к амнести-ческим влияниям. Ниндалина способна также значительно облегчить становление и воспроизведение следа, не запуская активационных механизмов мозга. Миндалевидный комплекс играет активную роль в механизмах селекции сигналов, контрастируя реакции на раздражители различной значимости.
-
Успешное формирование Холодовых н поведенческих адаптационных навыков связано с мобилизующим влиянием тренинга на метаболические процессы в дофаминергических системах ядерных образований мозга После амигдалэктомии эффект тренинга в отношении катехолами-нов исчезает или инвертируется, при этом значительно снижается способность к обучению. Затруднения в формировании поведенческих и терморегуляцнонных адаптивных навыков, возникающие после выключения миндалины как эвена эмоцногеиной регуляторной системы, не обусловлены изменениями концентрационных показателей катехоламннов гипоталамуса или истощением катехоламиновых ресурсов надпочечников. Собственная дофаминергическая система миндалины играет важную роль в организации таких компонентов адаптационного процесса как память и угасательное торможение. По крайней мере в поведенческих моделях деструктивное влияние амигдалэктомии на процессы обучения и памяти может компенсироваться фармакологическим путем.
Научная новизна исследований
Впервые установлены следующие факты:
- разрушение миндалевидного комплекса мозга устраняет возможность формирования новых терморегуляционных навыков в моделях ускоренной холодовой адаптации. Получены экспериментальные данные, сви-
детельствующие, что падение эффективности холодового тренинга после амигдалэктомии не является результатом поражения специфических термогенных аппаратов, но отражает нарушение влияния миндалевидного комплекса как звена эмоциогенноП регуляции адаптационных процессов;
в результате амигдалэктомии нарувается процесс привыкания как в Холодовых, так и в поведенческих тестах. В пределах экспериментального дня угасательное торможение у оперированных животных проявлялось, но на следующий день накопленный опыт не воспроизводился . Зарегистрирована корреляция между показателями эмопногеннос-ти в поведенческих тестах и устойчивостью к холоду при умеренно низких температурах;
преэкспозиция неконтиигентного стрессора ухудпает холодовую устойчивость прн тестирования в условиях укереяного холода. На фоне действия агониста бензодиазепиновых рецепторов хлордиаээпоксида, оказывающего стресс-протекторный эффект, устойчивость к умеренному холоду увеличена. в этом же направлении действует и алкоголь. Вместе с тем, преэкспозиция холода на фоне действия алкоголя или хлордиаээпоксида не оставляет следа адаптации к холоду;
выявлены специфические отношения коры и ретикулярной формации а генезе электрографических символов памяти: условных вызванных потенциалов, кожно-гальванических реакций, ответов нерва и условных миографических ответов. Эти отношения коры и подкорки деформируются при провокации локальных кратковременных судорог в миндалине. Обнаружена различная устойчивость к амигдалоидным судорогам механизмов генерации кортикальных условных потенциалов и двигательных реакций с одной стороны, и ретикулярных условных потенциалов и вегетативных реакций - с другой. Установлена способность мнвдалевндного комплекса активизировать процессы памяти. При определенном режиме досудо-рожной электростимуляции миндалины.снижается число сочетания раздражителей , необходимое для становления электрографических символов памяти. стимуляция миндалины после обучения способствует проявлению периферических и центральных условных реакций, в норме не воспроизводившихся ;
показан возможный механизм участия НК в селекции сигналов по значимости. кондиционирующее раздражение миндалевидного комплекса перед звуковым сигналом контрастировало кожно-гальваническую реак-
- в -
цвю (КГР) на звук в зависимости от степени угаоевяя ответа, высокий уровень реакции (в начале эксперимента или после подкрепления звука болевым стимулом) оставался неизненным или дополнительно возрастал. По мере угашения ответов стимуляция мк начинала угнетать КГР;
обнаружен потенциальный источник увеличения дисперсии амиг-дало-гнппокампальных ответов, проявляющийся в том, что распространение сигналов от миндалины в гнппоканп монет подвергаться эндогенной ритмическое модуляции в декасекундном диапазоне. зарегистрирована связь этой модуляции с ритмическими изменениями частоты сердечных сокращений и амплитуды КГР;
через полтора месяца после разрушения МК существуют стабильные изменения уровня моноаминоа н нетаболвтов в отдельных ядрах мозга. Содержание ворадреиалива, дофамина, серотоннна и 5-оксвиндо-луксусной кислоты в пробах переднего гипоталамуса оперированных крыс повышено в сравнению с ннтактныни. сниженным оказалось содержание дофамина в прилежащей ядре и серотоннна в хвостатых ядрах. Через три месяца после амигдалэктомии в переднем гипоталамусе повышенным оказался только уровень серотоннна. Обнаружена асимметрия содержания дофамина в хвостатых ядрах интактных животных. У животных с разрушенной миндалиной асимметрии моноамннов не выявлено:
зарегистрирован параллелизм в эффектах низкотемпературного холодового тренинга на холодовую устойчивость и на активность гипо-таламической тнрозингидроксилазы крыс. Выявлено, что низкотемпературный холодовой тренинг значительно увеличивает активность тирозингидроксилазы - фермента, лимитирующего синтез дофамина, в гипоталамусе интактных крыс. У анигдалэктомированных животных активность фермента в этих условиях падает. Параллельное падение у них холодовой устойчивости не является следствием истоаения содержания моноаминов в мозге или в надпочечниках;
угнетение дофамииергвческой системы МК в результате внут-риструктурной инъекции нейротоксина 6-оксидофамина снижает показатели обучения и угашения навыков. сниженные показатели активности дофаминовой системы МК обнаружены и у крыс, генетически предрасположенных к каталепсии, такке проявляющих признаки дефицита обучения и угасательного торможения. Негативное влияние амигдалэктомии на способность приобретения адаптивных навыков может существенно компенсироваться путем активации катехоламиновых систем мозга метнлфе-иидатом.
Теоретическая и практическая звачнность работы Теоретическая значимость работы определяется полученными фундаментальными данными о закономерностях эмоцногенноп регуляции адаптационных процессов. Работа представляет результаты использования нового подхода к исследование проблемы адаптации - анализа приспособления к факторам среды как функции активности центральных эмоциогенных механизмов. В итоге проведенной работы расставлены отличные от существовавших акценты в формулировках значимости образований мозга для контроля взаимодействия организма со средой. Сформировано представление о влиянии эмоционального стресса на уровень холодовоя устойчивости н на адаптивность терморегуляционной функции . значимость работы определяется также новым вкладом в систему знаний о роли в адаптационных процессах центральных моноаминерги-ческих систем.
Результаты исследований вскрывают некоторые механизмы формирования следа памяти при активизации или разрушении решающего эвена эмоциогенной регуляторной системы - миндалевидного комплекса. Они приводят к изменению представлений о взаимоотношений коры и подкорки в геиезе следа памяти, о соотношении двигательного и вегетативного компонентов следа и механизмах реактивации следа после амнес-тических воздействия. Работа представляет также примеры деятельности мозговых механизмов, потенциально способных выполнять функции селекции информации и организации периодических компонентов активности вегето-эмоциональных систем.
Данные исследований могут быть полезными для анализа общих закономерностей различных форм адаптации с приложением понятий физиологии высшей нервной деятельности и нейрофизиологии к описанию адаптации к факторам среды. В практическом плане результаты работы обеспечивают основу для формирования новых методов тренировки и закаливания с учетом мобилизационных возможностей эмоциогенных раздражителей и влияния стресс-протекторов на результаты тренинга. Возникает возможность новой интерпретации картины влияния фармакологических веществ при анализе выживания в экстремальных условиях и при адаптации к социальным и физико-химическим особенностям среды.
Апробация работы Основные результаты работы были доложены и обсуждались на 23 Всесоюзных и международных конференциях, съездах н симпозиумах по вопросам высшей нервной деятельности и нейрофизиологии, экологической физиологии и терморегуляции, физиологической роли нейромедиато-
ров и жидкостной хроматографии. Основные положения диссертации были обсуждены на объединенном семинаре-Ученом Совете Института физиологии СО РАИН.
Результаты работы опубликованы в 44 печатных трудах, из них статей - 20, (зарубежных статей - 3), монография - 1.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Животные
Хронические эксперименты проведены на 386 крысах-самцах популяции Внстар весом в начале опыта 180-220 г. электрофизиологические исследования выполнены на 195 кошках. Животные всех групп содержались во время экспериментов при комнатной температуре. светлое время доводилось до 12 часов в день. Пиша и вода не ограничивались. Крысы содержались по 6-10 особей в пластиковых ящиках с решетчатым верхом. Кошки свободно перемещались по комнате. Все животные 2-3 раза в неделю проходили процедуру приручення. Холодовые методики
В экспериментах использовано три основных режима адаптирования крыс к холоду. 1) Адаптация за один сеанс по Слониму-Швецовой:
о , о
15-20 трехминутных экспозиций глубокого (-20 т -23 с) холода, чередующихся с 12 мин отдыха в тепле. 2) Двухдневная дробная адаптация
по Леблану с общим временем охлаждения менее Э часов: применялось 8
о ежедневных охлаждений (-22 С) длительностью 12 мин, сменяемых ин-
о тервалами отогревания длительностью 48 мин при +21 С. 3) Однократ-
о ное охлаждение при умеренных температурах (+4 т +6 с, циркуляция
воздуха около 0,5 м/сек) длительностью 30-45 мин в пластиковом пенале , несколько ограничивающем подвижность животного и снабженном множеством терморегуляционных отверстий.
Основным показателем приобретения адаптивных терморегуляцион-ннх навыков служило изменение холодовой устойчивости животного, оценивавшейся по величине спада температуры тела при тестирующем охлаждении, проводившемся через 48 часов после тренинга (Гилинский, 1990). Исследовались изменения холодовой устойчивости в низкотемпературных тестах и тестах умеренных температур. В низкотемпературном
тесте измеряли время, необходимое для спада температуры ядра тела
о о
на 2 с у свободно передвигающегося животного при -20 -г -23 с. В тесте умеренных температур оценивалось падение температуры ядра в процедуре однократной экспозиции умеренного холода , совпадающей с Холодовым тренингом в режиме 3. Температура ядра тела измерялась мо-
дифицированным электротермометром ТПЭМ. Датчик вводился ректально на глубину около 6 см.
Во всех холодових экспериментах при помощи сейсмодатчиков (Ле-утии, Абуладзе, 1974) регистрировалась двигательная активность (ДВА) крыс. В опытах на 8 животных регистрировалась электрокардиограмма (ЭКГ), для оценки болевой температурной чувствительности животные проходили тест "горячей пластинки". Измерялось время схождения со столика диаметром 18 см, поднятого над полом на 20 см, в од-
о о
ном случае нагретого до 38 с, в другом - до 55 С. Деятельность термогенераторных систем животных оценивалась по потреблению кислорода в тепле, на холоде и после введения 0,5 мг/кг изопропилиорадренали-на (ИПНА). Измерение содержания кислорода в воздухе производили методом и оборудованием П.В. Лазаренко и В.э. диверта (1983).
сбор данных , управление Холодовым экспериментом, а также первичная обработка информации производились при помощи ЭВМ "Электро-ника-60" с системой КАМАК. эта же машина использовалась для статистической обработки данных. Исследования поведения.
При исследовании особенностей привыкания к нехолодовым факторам применяли методику открытого поля. отличие от описанных в литературе приемов (Маркель, 1981) состояло в оценке двигательной активности при помощи сйсмоактограммы по В.П. Леутину и Г.В. Абуладзе (1974). Животные высаживались в открытое поле на 5 мин дважды с интервалом 24 ч. оценивалось количество умываний, вставаний, число болюсов,а также интегральная двигательная активность по значению интеграла сейсмоактограммы. Сопоставлялись значения первого и второго дней.
Формирование следа памяти у крыс исследовалось по показателям условной реакции пассивного избегания (урпи) по методу джарвика и коппа (1967). животное высаживалось в освещенную часть камеры и стремилось перейти в темную. Изменение латентного периода перехода (ЛПП) при последовательных высадках свидетельствовало об особенностях привыкания к обстановке. Рост ЛПП при тестировании через 24 и более часов после получения в темном отсеке неизбегаемого болевого (2 мА, 2 сек) раздражения конечностей отражал формирование следа памяти на эмоционально значимые события. Хирургическая подготовка животных.
Разрушение МК или гиппокампа крыс производили под нембуталовым наркозом электрокоагуляцией через стереотаксически введенный электрод (Гилинский, 1990). Процедура выполнялась билатерально по коор-
динатам Кенига и Кляплель CKonig, Klippel, 1963). Для стимуляции МК крыс биполярный электрод вживлялся унилатерально. У кошек вживление электродов в структуры нозга производилось под неибуталовым наркозом при помощи кассеты, определяющей горизонтальные координаты электродов и относительную ориентацию их кончиков. После приготовления отверстий в кости кассета с электродани опускалась стереотак-сическим прибором до нужной глубины погружения. Координаты определялись по атласу снайдера и Нимера
для формирования следа памяти в остром эксперименте на кошках сочетали щелчки как условные стимулы (УС) с болевым электрокожным раздражением - безусловным стимулом (БО. Отставление составляло 300-1000 мсек. Проявлением следа памяти служил условный вызванный потенциал (УВП), появлявшийся в ответ на изолированный УС во временном интервале пропущенного БС. УВП регистрировали в слуховой, сомато-сенсорной и моторной зонах коры, а также в подкорковых образованиях мозга: преоптической области, zona incerta, центральном сером веществе , мезэнцефалической ретикулярной формации, переднем вентральном ядре таламуса и в баэо-латеральной миндалине. УВП усреднялись по 20 анализаторами ART-1000 (SAIP, Франция). Параллельно цинковыми дисковыми электродами с подушечек лап регистрировали КТР.
Записывались также электрические реакции радиального нерва или электромиограмма (эмт) мышц передней конечности для анализа формирования условных нейрографических ответов (УНО) и условных миографических ответов (УМО), как периферических символов реализации временной связи (гилинский, Пухов, Илыоченок, 1981). В экспериментах регистрировалась динамическая компонента частоты сердечных сокращений (чес), получаемая в виде колебаний потенциала, представляющего скользящее среднее значение длительности RR-ннтервалов за вычетом постоянной составляющей (Гилинский, 1979). Методики нейрохимических исследований.
Активность тироэингидроксилаэы - фермента, лимитирующего синтез дофамина измеряли в образцах ткани гипоталамуса по методике Н.Н. Дыгало (1987) в совместных с ним экспериментах, концентрации норадреналина (НА), дофамина (ДА), серотонина (5-НТ), диоксифенн-луксусной кислоты (ДОФУК) и 5-оксииндолуксусной кислоты (5-ОИУК) в образованиях мозга определялись при помощи микроколоночной высоко-
эффективной жидкостной хроматография с электрохимической ДР7ЄКЦНЄЙ. Разделение моноаминов и метаболитов производилось на колонках 2x60 мм из нержавеющей стали, упакованных обрашеяно-фазовым сорбентом Nuoleosil СІ8-5 мкм (Германия). Использовались насос хроматографа милихром ("Научприбор", г. Орел) и сконструированный нами электрохимический детектор (Гилинский, Кумарев, 1985). технические решения , возникшие в работе над детектором, легли в основу детектора, выпускаемого ПО "Научприбор" (г. орел), что удостоверено Актом. Техника подготовки проб и работы со стандартами описана ранее (кумарев, гилинский, Барам, 1985).
При исследовании роли дофаминергических структур МК в формировании и угашений следа памяти в центральное ядро МК стереотаксичес-ки вводили полиэтиленовую канюлю. Через канюлю микроиньектором подводился нейротоксин 6-оксидофамин (8 мкг в 2 мкл растворителя), избирательно разрушавший дофамииергические терминали. Норадренерги-ческие терминали защищались системно вводившимся блокатором обратного всасывания норадреналина - дезметилимипрамином.