Содержание к диссертации
Введение
Обзор литературы 8
Глава 1 . Гиппокампальный тета-ритм, его организация и функциональная роль 8
Глава 2. Морфологические и биохимические особенности гиппокампа и медиальной септальной области 15
Глава 3. Связи между гиппокампом и септум 22
Глава 4 . Характеристики нейронной активности гиппокампа и медиальной септальной области 24
Глава 5. Восходящие афферентные пути к септум и гиппокампу 35
Глава 6. Регуляция активности септо-гиппокампальной системы стволовыми структурами 38
Цель и задачи исследования 42
Материалы и методы 43
Результаты исследования 48
Глава 1. Характеристики ритмической тета-модуляции активности медиальной септальной области и гиппокампа у бодрствующих кроликов 48
1.1. Активность медиальной септальной области 48
1.2. Активность гиппокампа 50
Глава 2. Активность нейронов гиппокампа при функциональной блокаде медиальной септальной области 54
2.1. Спонтанная активность .54
2.2. Вызванная активность 56
Глава 3. Характер активности нейронов трансплантированной эмбриональной ткани септум 59
3.1. Эксперименты in vivo 60
3.2. Эксперименты in vitro 61
Глава 4. Активность нейронов трансплантированной эмбриональной ткани гиппокампа 63
4.1. Активность в изолированных трансплантатах 63
4.2. Активность в трансплантатах, интегрированных с мозгом реципиента 63
Глава 5. Холинергическая и ГАМКергическая модуляция тета-осцилляций в гиппокампе 67
5.1. Влияния холинергических веществ 67
5.2. Влияния ГАМКергических веществ , 71
Глава 6. Регуляция тета-активности в септум и гиппокампе структурами ствола мозга 76
6.1. Серотонинергические влияния 76
6.2. Норадренергические влияния 82
6.3. Дофаминергические влияния 94
Глава 7. Изучение функционального значения тета-осцилляций 99
7.1. Характер вызванных ответов нейронов гиппокампа при изменении выраженности тета-ритма холинергическими препаратами 99
7.2. Изменения сенсорных ответов при влиянии на серотонинергическую систему (блокада медианного ядра шва) 112
7.3. Изменения сенсорных ответов при влиянии на норадренергическую систему (использование разных доз клонидина) 115
Обсуждение результатов 119
Глава 1. Свойства клеток медиальной септальной области как основа генерации тета-ритма 119
1.1. Функциональная блокада септум и активность гиппокампа 119
1.2. Септум как источник тета-активности нейронов гиппокампа в условиях трансплантации эмбриональной нервной ткани 122
Глава 2. Механизмы регуляции тета-ритма 124
2.1. Холинергическая и ГАМКергическая модуляция тета-активности нейронов гиппокампа 125
2.2. Серотонинергические влияния 134
2.3. Норадренергические влияния 140
2.4. Дофаминергические влияния 145
- . Гиппокампальный тета-ритм, его организация и функциональная роль
- . Характеристики нейронной активности гиппокампа и медиальной септальной области
- Активность нейронов гиппокампа при функциональной блокаде медиальной септальной области
- Регуляция тета-активности в септум и гиппокампе структурами ствола мозга
Введение к работе
Интерес к изучению механизмов организации и значения ритмических процессов в мозге возник более полувека назад и значительно усилился в последние годы. В течение всего этого времени ученые пытаются ответить на один из самых интригующих вопросов нейрофизиологии: почему мозг осциллирует? В этом аспекте весьма актуальными являются исследования тета-осцилляций в гиппокампе - структуре, без которой невозможно запоминание новой осознанной информации.
Клинические исследования показали значение гиппокампа для обеспечения внимания и памяти у человека [Лурия, 1970; Milner, 1970; Grace, 2000]. Экспериментальные работы свидетельствуют, что гиппокамп и связанные с ним структуры участвуют в отборе и регистрации новой и значимой информации [обзоры Виноградова, 1975; Vinogradova, 2001]. Показано, что при действии новых, потенциально важных стимулов в электроэнцефалограмме гиппокампа появляются или усиливаются тета-осцилляции — высоко амплитудные, почти синусоидальные волны, следующие с частотой от 4 до 10 Гц. Какую роль тета-активность играет в работе гиппокампа во время регистрации сигналов, — этот вопрос является одним из самых сложных в современной нейрофизиологии.
Нерешенными остаются и вопросы о механизмах генерации и регуляции тета-ритма. Эти вопросы вместе составляют большую проблему организации этого ритмического процесса. Зависит ли тета-ритм от какой-то одной структуры или в этом процессе участвуют многие образования мозга, - единая точка зрения в этом отношении в настоящее время отсутствует. Тета-осцилляции регистрируются в электроэнцефалограмме многих структур, от нижнего ствола мозга до неокортекса. Эта активность может зависеть от внутренних свойств нейронов или нейронных сетей в данных структурах, а также от их афферентных входов. В середине прошлого столетия было начато изучение медиальной септальной области мозга (МС, медиальное септальное ядро и ядро диагонального пучка Брока), являющейся основным субкортикальным входом гиппокампа и составляющим вместе с ним единую септо-гиппокампальной систему. В этой области были зарегистрированы нейроны, разряжающиеся ритмическими залпами импульсов, совпадающими по частоте с тета-волнами в электроэнцефалограмме гиппокампа и имеющие4 с ними определенные фазовые отношения [Green, Arduini, 1954; Dutar et al., 1986; Sweeney et al., 1992; Borhegyi et al., 2004]. Однако является ли эта область звеном, необходимым для генерации гиппокампального тета-ритма, или в его организации участвуют другие образования мозга, остается неясным. Существует также мнение о способности самого гиппокампа к организации осцилляторной активности, при наличии какого-либо возбуждающего воздействия [Konopaski et al., 1987; Bland et al., 1988; Fellows, Sejnowski, 2000].
С вопросом о происхождении тета-ритма тесно связан вопрос о его регуляции. Известно, что выраженность тета-осцилляций зависит от объема и степени новизны поступающих стимулов [Vinogradova, 1995]. Гиппокамп не получает прямых входов от сенсорных систем мозга; информацию о приходящих извне сигналах ему доставляют главным образом афферентные пути от стволовых структур, где происходит первичная обработка сенсорного притока. Достаточно хорошо изучено влияние на активность септо-гиппокампальной системы ретикулярной формации ствола мозга, стимуляция которой повышает выраженность и частоту тета-осцилляций (Gogolak et al., 1967; Vertes, 1980; Бражник и др., 1984; Vertes, Kocsis, 1997). Каково влияние других стволовых образований, основными из которых являются моноаминергические структуры мозга, посылающие афференты к септум и гиппокампу, ко времени начала данной работы оставалось неизвестным.
Решение всех перечисленных вопросов весьма актуально для понимания механизмов высших когнитивных функций мозга — внимания и памяти.
. Гиппокампальный тета-ритм, его организация и функциональная роль
Тета-осцилляции являются наиболее характерной особенностью суммарной электрической активности гиппокампа. Это самый большой, относительно устойчивый во времени, синхронный экстраклеточный сигнал, который может быть зарегистрирован в нормальной электроэнцефалограмме (ЭЭГ) мозга млекопитающих. Впервые тета-ритм был описан в ЭЭГ кролика в 1938 г [Jung, Kornmuller, 1938]. Почти два десятилетия спустя были сделаны первые попытки его анализа [Green, Arduini, 1954; Green, Adey, 1956]. В течение всех последующих лет и до настоящего времени, несмотря на усилия многих исследователей по выяснению его происхождения и функционального значения, тета-ритм остается предметом столкновения разноречивых точек зрения и интерпретаций.
До сих пор нет единого мнения относительно природы тета-ритма. Существует несколько точек зрения в отношении механизмов его организации. Поскольку именно в ЭЭГ гиппокампа регистрируется максимально выраженная тета-активность, внутренние свойства его нейронных систем рассматриваются отдельными авторами в качестве независимого источника генерации тета-ритма. Ритмические колебания мембранного потенциала пирамидных нейронов, синхронные с тета-волнами в ЭЭГ, были обнаружены в гиппокампе во многих экспериментальных работах [Fujita, Sato, 1964; Grantyn, Grantyn, 1972; Артеменко, 1972, 1975; Nunez et al., 1987; Ylinen et al., 1995b]. В зависимости от используемого наркоза, авторы приходили к выводу, что мембранные тета-колебания представляют собой либо осциллирующие ТПСП (в экспериментах с применением уретановой анестезии) [Leung, Yim, 1986; Fox, 1989; Soltesz, Deschenes, 1993; Ylinen et al., 1995b], либо осциллирующие ВПСП (на курарезированных животных) [Fujita, Sato, 1964; Nunez et al., 1987; Munos et al., 1990]. В обзоре Vertes, Kocsis [1997] предполагается, что в естественных условиях мембранные осцилляции представляют собой чередование ритмических гиперполяризационных и деполяризационных потенциалов. По мнению авторов, первые представляют собой ТПСП, а вторые, возможно, не ВПСП, как предполагалось ранее, а медленные внутренние мембранные колебания, вызываемые деполяризацией пирамидных нейронов. Способность генерировать внутренние флуктуации мембранного потенциала, по-видимому, определяется специфической композицией ионных каналов. Длительные внутриклеточные регистрации in vitro при различных уровнях мембранного потенциала продемонстрировали, что почти все пирамидные нейроны поля СА1 при инъекции деполяризующего тока способны продуцировать мембранные осцилляции с частотой 2-10 Гц, даже в отсутствии синаптической трансмиссии [Leung, Jim, 1991]. Мембранные осцилляции активировались при пороговом для генерации спайка или слегка подпороговом уровне мембранного потенциала, и имели среднюю частоту 5.7±0.2 Гц, которая соответствует тета-полосе. Около вершины осцилляторной волны часто возникали спайки, что свидетельствует о том, что мембранные осцилляции регулируют частоту потенциалов действия. У пирамид СА1 обнаружен Ыа+-ток, приводящий к появлению деполяризационной фазы волны осцилляции, и Са2+-активируемый К+-ток, который вызывает появление гиперполяризационной фазы [Hotson , Prince, 1980; MacVicar, Tse, 1989; Leung, Jim, 1991; Carcia-Munuz et al., 1993]. У 40% пирамидных нейронов, после блокады Na+ токов тетродотоксином, мембранные осцилляции исчезали, что указывает на зависимость этих осцилляции от IN3- После блокады натриевых токов, у 60% пирамид СА1 внутриклеточная инъекция деполяризующего тока вызывала медленные спайки и Са2+-зависимые мембранные осцилляции. [MacVicar, Tse, 1989; Leung, Yim, 1991; Garcia-Munos et al., 1993]. Таким образом, механизмы тета-осцилляций мембранного потенциала включают калиевую, натриевую и кальциевую проводимости. Потенциал-зависимая кинетика их взаимодействий приводит к внутренним тета-осцилляциям пирамидных нейронов.
Однако отношениия между мембранными флуктуациями у отдельных клеток и ритмическими осцилляциями гиппокампалыюй нейронной сети до настоящего времени остаются не вполне ясными. В организации сетевого тета-ритма существенное значение имеют строение гиппокампа и характер его афферентных входов (см. главу 2).
При отсутствии связи гиппокампа с подкорковыми образованиями полевые тета-осцилляции в нем не генерируется, хотя в интактном мозге они отчетливо выражены [Бражник, Виноградова, 1974; 1978; Стафехина, Виноградова, 1977; 1979а, 19796; 1984]. В более поздних опытах in vitro, при введении в инкубационную среду агониста ацетилхолина карбахола, показана способность гиппокампа к самостоятельной генерации в этих условиях суммарной осцилляторной активности в тета-диапазоне [Konopacki et al., 1987; Bland et al., 1988; Fellows, Sejnowski, 2000]. В зависимости от концентрации вещества, выраженность полевого тета-ритма и синхронность нейронных популяций варьировала от тета-подобной (по сравнению с активностью in vivo), до явного эпилептического паттерна [Williams, Kauer, 1997]. Однако в отличие от тета осцилляции в интактном мозге, которые могут быть достаточно устойчивыми, in vitro они состоят лишь из ограниченного числа циклов [Konopacki et al., 1987; Mac Vicar, Tse, 1989; Traub et al., 1992; Van der Linden et al., 1999]. Williams, Kauer [1997] провели детальный анализ тета-активности in vitro и пришли к выводу о том, что вызванные кабахолом осцилляции фундаментально отличаются от тета-осцилляций in vivo; эти авторы утверждают, что тета-подобная активность в срезах гиппокампа по своей природе больше похожа на эпилептиформные разряды, чем на тета-ритм in vivo.
Тета-осцилляции наиболее регулярны по частоте и имеют наибольшую амплитуду в слое lacunosum-moleculare поля СА1 гиппокампа (см. главу 2). Амплитуда и фаза тета-волны изменяются как функции глубины, т.е. зависят от слоя, где они регистрируются: позитивная фаза тета-волны, отводимой от пирамидного слоя, соответствует негативному пику в слое дистальных дендритов. В то же время амплитуда и фаза осцилляции практически не изменны вдоль длинной оси гиппокампа [Bullok et al., 1990]. Тета-ритм также генерируется в поле САЗ, зубчатотй фасции и некоторых других структурах, включая субикулярный комплекс, энторинальную, периринальную, цингулярную кору и амигдалу [Adey, 1967; Mitchel, Rank, 1980; Alonso, Garcia-Aust, 1987; Leung, Borst, 1987; Pare, Collins, 2000].
Еще в 60-х годах было сделано предположение о ключевой роли медиальной септальной области (МС), нейроны которой разряжаются залпами на тета-частоте, в генерации гиппокампального полевого тета-ритма (Petsche and Stumpf, 1960; Gogolak et al, 1968). В первых работах по исследованию природы гиппокампального тета-ритма основная роль приписывалась холинергическим септальным нейронам и холинергической трансмиссии посредством мускариновых рецепторов. В классической работе Petshe et al. [1962] авторы полагают, что механизмом генерации тета-ритма в гиппокампе является прямая активация пирамидных нейронов гиппокампа ацетилхолином, выделяемым терминалями септальных афферентов. В дальнейшем это предположение было поддержано экспериментами с внутривенным введением холинергического мускаринового антагониста атропина анестезированным крысам [Stewart, Fox, 1989]; оно приводило к переходу ритмического паттерна активности нейронов МС (по предположению авторов, холинергических) в нерегулярный, и параллельному исчезновению тета-ритма в гиппокампе. Однако в МС содержатся как холинергические, так и ГАМКергические залповые проекционные нейроны (см. ниже), при этом именно последние обладают внутриклеточными осцилляторными свойствами, в то время как первые их, как правило, не обнаруживают [Sotty et al., 2003]. Другие авторы придерживаются бинарной концепции тета-ритма. Согласно этой теории, его частотный диапазон не является непрерывным, а состоит из двух полос, различающихся по своим источникам и «поведенческим коррелятам»: низкочастотный тета-ритм (4-6 Гц) наблюдается при неподвижном состоянии, блокируется атропином и зависит от холинергических септальных нейронов (см. далее), а высокочастотный тета-ритм (7-12 Гц), источником которого является серотонинергическая система ядер шва, появляется при произвольных движениях, не блокируется атропином и чувствителен к различным анестетикам [Vanderwolf, et al., 1975; Kramis et al., 1975; Vanderwolf, Baker, 1986; Vanderwolf, 1988].
. Характеристики нейронной активности гиппокампа и медиальной септальной области
Гиппокамп. Пирамидные клетки и иптерпейропы гиппокампа обычно легко различают по характеру спонтанной активности, вызванным ответам и пассивным мембранным свойствам [Andersen et al., 1963, 1964, 1969; Rank, 1973; Fox, Rank, 1981; Buzsaki, Eidelberg, 1981, 1982; Ashwood et al., 1984; Lacail et al., 1987; Bragin et al., 1997]. В интактном гиппокампе пирамидные клетки спонтанно разряжаются плотными залпами, состоящими из 2-10 потенциалов действия, снижающихся по амплитуде и возрастающих по длительности ("комплексные спайки"). При определенных обстоятельствах уже одно это может быть использовано для отличия пирамид от интернейронов, разряжающихся одиночными импульсами [Rank, 1973]. Однако чаще необходимо использовать ряд критериев для электрофизиологической идентификации гиппокампальных нейронов. Обычно пирамидные клетки разряжаются с низкой частотой ( 10 имп/с, 1-2 залпа/с) и имеют продолжительные потенциалы действия, в то время как для интернейронов характерна высокая частота разрядов (5-80 Гц), и небольшая длительность потенциалов действия ( 1.2 мс). Интернейроны обычно имеют значительно более низкие пороги и более короткий латентный период реакций на афферентную стимуляцию, чем пирамиды, отвечая при этом, в отличие от пирамид, множественными разрядами [Buzsaki, Eidelberg, 1982; Ashwood et al., 1984; Lacail et al., 1991]. Возможной причиной низкопороговых ответов интернейронов является то, что заканчивающиеся на них афферентные волокна образуют синаптические контакты на шахтах дендритов, в то время как у пирамидных нейронов - на дендритных шипиках; кроме этого, синапсы на интернейронах имеют большие размеры. Предполагается также, что генерация быстрых потенциалов действия осуществляется на дендритах интернейронов [Spencer, Kandel, 1961; Pools, Kocsis, 1990; Traub, 1995]. Существуют различия и в мембранной проводимости, и в плотности NA-K7 насосов. Обнаружено также, что глутаматные рецепторы интернейронов содержат субъединицу, проницаемую для Са2+ (GluR4), имеющую очень быструю кинетику [Seeburg, 1993]. Большинство гиппокампальных интернейронов отличаются от пирамидных клеток и пассивными электрическими свойствами. Так, у тормозных клеток отсутствуетдшаиковая следовая деполяризация, в то время как у пирамид она отчетливо выражена. У интернейронов, в отличие от пирамид, обнаруживаются слабая спайковая аккомодация в ответ на деполяризующие импульсы вводимого в клетку тока, высокое входное сопротивление, а также большая постспайковая гиперполяризация [Schwartzkroin, Kunkel,1985; Lakaille et al., 1987], ограничивающая частоту разрядов интернейронов [Zhang, McBain, 1995]. Однако, несмотря на относительно продолжительную следовую гиперполяризацию, весь единичный цикл (потенциал действия и следовой процесс) у интернейрона составляет 200 мс, в то время как у пирамиды он превышает 1 с. Короткая продолжительность потенциала действия у баскетных клеток может объясняться наличием субъединицы Kv3.1 потенциал-зависимых калиевых каналов, обеспечивающей быструю реполяризацию [Du et al., 1996]. У "горизонтальных" нейронов субъединица Kv3.1 отсутствует, но они обнаруживают более короткий потенциал действия, чем баскетные клетки [Lakaille et al., 1987; Buhl et al., 1994]. У этого типа нейронов (в str. oriens-alveus) выявляется мРНК субъединицы Kv3.2; селективная модуляция этого типа калиевых каналов циклическим АМФ, по-видимому, является важным фактором, регулирующим активность дендритных тормозных клеток [Lien et al., 2002]. Предполагается, что нейрон-специфический фенотип потенциала действия у тормозных клеток определяется взаимодействием между некоторыми временно перекрывающимися калиевыми токами [Weiser et al., 1994]. Обнаружены определенные различия и в паттерне разрядов разных интернейронов, даже в пределах клеток одного типа. Так, большинство ПВ-содержащих баскетных нейронов являются бысто-разряжающимися, с высокой частотой разрядов ( 100 Гц), без аккомодации; холецистокинин-содержащие баскетные клетки, как правило, разряжаются регулярными спайками, частота их разрядов не превышает 40-50 Гц и обнаруживают аккомодацию [Thompson et al., 2000; Maccaferri et al., 2000; Pawelzik et al., 2002]. В последние годы изучение корреляции между морфологическими и физиологическими свойствами различных групп интернейронов активно развиваются, при регистрации электрической активности тормозных клеток и использовании иммунофлуоресцентной микроскопии [Klausberger, 2003,2004].
Принято считать, что перисоматические контакты, образованные корзинчатыми и аксо-аксональными интернейронами на соме, начальных сегментах дендритов и аксонов пирамидных и гранулярных клеток, обеспечивают прямое и возвратное торможение [Andersen et al., 1964; Flicker, Miles, 2001]. В системе прямого торможения афферентные экстра- и иптрагиппокампальные входы активируют интернейроны, которые тормозят основные клетки. В системе возвратного торможения возбуждающие входы вызывают разряды пирамид, которые через аксонные коллатерали активируют тормозные интернейроны [Andersen et al., 1964]. Перисоматическое торможение контролирует паттерн выходных сигналов основных нейронов [Buzsaki, Chrobak, 1995; Bragin et al., 1995; Cobb et al., 1995; Miles et al, 1996]. Показано также, что перисоматическое торможение устанавливает фазу внутренних осцилляции пирамидных нейронов [Cobb et al., 1995]. Роль дендритного торможения, обеспеченного дендритными клетками [Buhl et al., 1994; Miles et al., 1996; Szabadics et al., 2001; Maccaferri, Dingledine, 20011, менее изучена. Предполагается, что дендритное торможение контролирует эффективность и пластичность возбудительных входов к пирамидным клеткам [Freund, Buzsaki, 1996; Freund, 2003].
В гиппокампе зарегистрированы различные популяционные паттерны активности в виде спонтанных полевых потенциалов и различных ритмов. Различают тета- и гамма-ритмические осцилляции, которые, как правило, совпадают по времени, а также острые волны и ассоциируемые с ними ультрабыстрые "риппл"-осцилляции (200 Гц) [Buzsaki, 1983,1994; Bland, 1990; Ylinen et al., 1995a; Klausberger et al., 2003; Gloveli et al., 2005]. Тета-осцилляции имеют наибольшую амплитуду и наиболее регулярны по частоте в str. lacunosum-moleculare поля СА1 гиппокампа. Амплитуда и фаза тета-волн имеют различную выраженность в разных слоях гиппокампа, в то же время в одном и том же слое вдоль длинной оси гиппокампа они строго постоянны [Bullock et al., 1990]. Тета-ритм регистрируется также в поле САЗ и зубчатой фасции. Предполагается, что часть экстраклеточного поля, ассоциируемая с тета-активностью, является следствием перисоматических гиперполяризационных потенциалов пирамидных клеток, обеспечиваемых ритмическими разрядами интернейронов [Buzsaki, Eidelberg, 1983; Buzsaki et al., 1983]. Многоми авторами выдвигаются разные гипотезы относительно механизмов, посредством которых осуществляется этот процесс; так, ритмические разряды гиппокампальных интернейронов на тета-частоте могут обеспечиваться (1) ритмическим возбуждением со стороны септального холинергического входа; (2) ритмическим возбуждением, сочетаемым с ритмическим торможением одних-и-тех жо\/ интернейронов ГАМКергическим входом от МС; (3) тонической холинергической и/или глутаматергической активацией, сочетаемой с ритмической модуляцией ГАМКергическим септальным входом; (4) гиппокампальными интернейронами с внутренними медленными осцилляциями; (5) медленной осцилляцией пирамидных нейронов, вызванной их деполяризацией [Petsche et al., 1962; Andersen, Eccles, 1962; Buzsaki et al., 1983; Konopaski et al., 1987; Fox, 1989; MacVicar, Tse,1989; Srewart, Fox, 1989, 1990; Fraser, MacVicar, 1991; Leung, Jim, 1991; Soltesz, Deschenes, 1993; Lee et al., 1994; Brazhnik, Fox, 1997, 1999;White et al., 2000; Henderson et al., 2004; Yoder, Pang, 2005].
Активность нейронов гиппокампа при функциональной блокаде медиальной септальной области
Для проверки предположения о зависимости генерации тета-ритма в гиппокампе от МС, проведено сравнительное исследование активности гиппокампальных нейронов (поле СА1) в контрольном состоянии и после локального введения анестетика лидокаина гидрохлорида (10%-ный раствор, 3-4 мкл), вызывающего временную функциональную блокаду септум. Для инъекции лидокаина в МС, в направляющие канюли (вживленные во время операции) вводили иглу, на 4 мм превышающую длину канюли. Иглу соединяли посредством полиэтиленовой трубки с микрошприцем, для осуществления дистанционного введения; это позволяло избегать контакта с экспериментальным животным. В опытах тестировали также ответы на сенсорные (звуковые, световые, тактильные) стимулы.
Спонтанная активность. Проанализирована активность зарегистрированных на трех бодрствующих кроликах 34 клеток, идентифицированных как тормозные интернейроны гиппокампа. В контрольном состоянии у 83% клеток активность была существенно неравномерной, модулированной на дельта-частоте (0.5-2.5 Гц). Вместе с тем у 35% клеток исследованной популяции (12 из 34) в активности присутствовали тета А mmmm
Влияние отключения МС на активность гиппокампа. А: Записи активности. Б: АКГ и ГСП для нейронной активности (обозначения как на рис 1). 1 - контроль; видны тета-осцилляции в активности гиппокампального нейрона и ритмический тета-компонент на АКГ и ГСП; в ЭЭГ регистрируются тета-волны. 2 - функциональная блокада МС введением анестетика лидокаина; компьютерный анализ демонстрирует отсутствие тета-модуляции и появление дельта-компонента в нейронной активности; тета-волны в ЭЭГ исчезают. 3- сенсорный стимул не вызывает появления тета-активности. 4 -восстановление тета-модуляции через 30 минут после инъекции лидокаина. Калибровка: 1 с; 0.5 мВ для ЭЭГ, 0.1 мВ для нейронной активности. В: динамика изменения выраженности тета-осцилляций в ЭЭГ гиппокампа после внутрисептального введения лидокаина (отмечено стрелкой). осцилляции. Средняя частота тета-залпов была стандартной и составляла 5.3+0.1 Гц, устойчивость тета-процесса (ю) равнялась 0.254+0.02 с. После введения лидокаина в МС активность в гиппокампе существенно изменялась. Средняя частота разрядов снижалась более чем в 2 раза, при параллельном повышении нерегулярности активности и полном исчезновении тета-модуляции; в одновременно регистрируемой ЭЭГ гиппокампа тета-волны также исчезали. В то же время резко возрастала дельта-составляющая нейронной активности (рис. 4). Средний латентный период наблюдаемых изменений составлял 105±40 с. Восстановление активности до контрольного уровня наблюдалось через 35±5.5 мин. Изменения параметров спонтанной активности гиппокампальных нейронов через разные интервалы времени после введения лидокаина в МС приведены в табл. 2.
Вызванная активность. Наряду с исчезновением тета-модуляции в спонтанной активности, снижалась и реактивность к сенсорным стимулам; в некоторых случаях знак ответа менялся на противоположный. Наиболее заметным изменением в этом отношении было исчезновение тета-компонента сенсорных реакций (рис. 5), который присутствовал в интактпом гиппокампе у большинства зарегистрированных клеток (см. выше). Раздражение ретикулярных ядер среднего мозга или моста также не приводило к появлению тета-модуляции. Применение тех же раздражителей спустя 30-40 мин, когда фоновая активность возвращалась к исходному уровню, выявляло полное или частичное восстановление сенсорных реакций.
МС. А: записи нейронных ответов на звуковой тон (отметки стимулов в виде линий под осциллограммами); 1 - контроль, 2 - после введения лидокаина в МС. Б: АКГ (слева) и ГСП (справа) активности во время раздражения, в контроле и после блокады МС. Видно исчезновение тонического активационного компонента с тета-модуляцией в сенсорном ответе после отключения МС.
Исчезновение тета-осцилляций после функционального отключения септум несомненно свидетельствует о зависимости ритмического процесса в гиппокампе от влияний, идущих со стороны септальной области. Однако через септум к гиппокампу проходят транзитные волокна от стволовых структур, воздействия которых также блокируются после введения анестетика, что может проявляться в изменении активности гиппокампа.
Для более точной оценки способности нейронов гиппокампа и септум к генерации осцилляторной тета-активности, а также их зависимости от афферентных влияний, необходимо выявление эндогенных свойств этих нейронов. Весьма подходящей моделью в этом аспекте является трансплатнация и выращивание эмбриональной нервной ткани в мозге взрослых животных. В этом случае можно выявить генетически обусловленные и зависящие от внешних влияний факторы, определяющие характер активности нервных клеток.
Регуляция тета-активности в септум и гиппокампе структурами ствола мозга
Эксперименты проведены на 4 кроликах, зарегистрировано 59 нейронов. Раздражение мЯШ производили короткими (200-500 мс) пачками частотой 100 Гц. Для сравнения производили также раздражение ретикулярного тегментального ядра покрышки среднего мозга или моста (РФ). Неожиданным фактом было обнаруженное у всех животных с электродами, вживленными в мЯШ, снижение частоты тета-залпов у септальных нейронов до 4.7±0.1 Гц, что является значимым отклонением от стандартных характеристик, полученных в предшествующих экспериментах, где частота тета-залпов составляла 5.2±0.19 Гц. Для проверки этого факта была проведена контрольная серия, в которой стимулирующие электроды вживляли только в РФ; она дала близкое к стандартному значение 5.1±0.2 Гц. Таким образом, уже из этого факта можно предположить существование тонического тормозного влияния мЯШ на септальный генератор тета-ритма, по-видимому, усиливающегося при ирритирующем влиянии введенного электрода. Электрическое раздражение токами низкой интенсивности, наносимое через этот электрод, вызывало дополнительное снижение фоновой частоты, а также подавление тета-залпов у значительного числа нейронов МС (рис. 22). Если в контроле тета-залпы наблюдались у 28.5% клеток, то при раздражении мЯШ их число снижалось до 12%. При этом достоверно снижалась как частота тета-пачек (на 0.5-1.5 Гц), так и их устойчивость (те=0.34±0.4с в контроле и 0.22±0.1с при стимуляции мЯШ). Подавление тета-модуляции происходило параллельно с появлением дельта-составляющей (0.5-3.0 Гц) в активности нейронов и в ЭЭГ гиппокампа, где присутствовали также периодические «сонные» веретена 12 Гц (рис.21, 2). Снижение частоты тета-залпов в основном определялось значительным возрастанием межзалповых интервалов (с 87.7±8.1 до 116.0±4.3 мс, РО.01) при относительно инвариантных параметрах пачек. Стимуляция РФ импульсами низкой интенсивности вызывала противоположные эффекты: повышение средней фоновой частоты и устойчивости тета-пачек, при снятии фоновой дельта-составляющей (рис. 22 5; 23 Б). Она приводила и к возрастанию числа спайков в залпе и увеличению числа нейронов с тета-модуляцией. Наблюдалось также вовлечение дополнительного числа нейронов в ритмический процесс, до 52.5% от числа всех клетокВлияние стимуляции мЯШ и РФ короткими высокочастотными залпами импульсов (100 Гц, 100 мс) на тета-осцилляции. А- запись активности нейрона МС (верхняя полоса) и ЭЭГ гиппокампа (нижняя полоса) в контроле (/), при раздражении мЯШ (2), и при стимуляции РФ (5). Стимуляция отмечена линиями под записями. Калибровка: 1 с; 0.5 мкВ - для ЭЭГ; ОЛмкВ - для нейрона, -спектральные гистограммы для другого нейрона МС. Сверху вниз: фоновая активность; после стимуляции мЯШ; после раздражения РФ. По оси абсцисс - частота, Гц; область анализа от 0.5 до 20 Гц; бин 0.5 Гц. По оси ординат - мощность ритмической модуляции в относительных единицах. Цифры над гистограммами указывают спектральные максимумы в тета и дельта диапазонах.
Влияние временного функционального выключение мЯШ на активность МС и гиппокампа. Для этого над ядром шва во время предварительной хирургической операции вживляли канюлю, через которую посредством микрошприца в эксперименте дистанционно вводили локальный анестетик лидокаин (2.0-2.5 мкл, 10%-ный раствор), что приводило к обратимой блокаде мЯШ на 30±6 мин. Проанализирована активность 59 нейронов МС и 30 клеток гиппокампа. У большинства септальных нейронов функциональное отключение мЯШ вызывало повышение средней фоновой частоты; при этом у 75% клеток наблюдалась устойчивая тета-модуляция активности (тв=0.43±0.07 с), частота которой возрастала на 0.5-2.0 Гц (рис.24).
. Влияние функциональной блокады мЯШ (введением лидокаина) на активность нейронов МС и гиппокампа. А 1 — запись активности нейрона МС и ЭЭГ гиппокампа в контроле (вверху) и после блокады мЯШ (внизу); Б 1 - спектральные гистограммы того же нейрона МС в двух указанных условиях эксперимента; А 2 - запись активности нейрона поля СА1 гиппокампа и суммарная ЭЭГ в контроле (вверху) и после блокады мЯШ; Б 2 - спектральные гистограммы того же нейрона; все обозначения как на рис. 22. Изменения характеристик тета-модуляции в активности нейронов МС при воздействиях на стволовые структуры суммированы в таблице
Идентичные изменения происходили в этот период и у нейронов, зарегистрированных в поле СА1 гиппокампа. После блокады мЯШ гиппокампальные нейроны, независимо от исходной фоновой активности, существенно повышали средний уровень разрядов; число нейронов с тета-модуляцией возрастало с 37 до 79%, при параллельном исчезновении дельта-компонента. Устойчивость и регулярность тета-модуляции достоверно повышалась: среднее значение те составляло 0.42+0.017с по сравнению с контрольным 0.32±0.007с. Частота тета-залпов увеличивалась с 4.6+0.2 до 5.5+0.2 Гц (рис.24, 2); это происходило за счет сокращения межзалповых интервалов с 108.9+4.8 до 87.2+3.9 мс. Все эти изменения в активности клеток МС и гиппокампа отражались в быстром повышении амплитуды, частоты и регулярности тета-ритма в гиппокампалыюй ЭЭГ.
Влияние блокатора обратного захвата серотопина, флуоксетшш. на тета-осцшляиии в гиппокампе. Известно, что около половины клеток мЯШ являются несеротонинергическими [Kohler, Steinbuch, 1982]. В этом ядре обнаружены нейроны, содержащие ГАМК, соматостатин, нейротензин и опиоиды. Исходя из этого, угнетающее воздействие мЯШ на основные параметры тета-ритма, — мощность и частоту, обнаруженное в наших экспериментах, могло быть результатом активности как серотонинергических нейронов, так и клеток иной нейрохимической природы. С целью уточнения характера серотонинергических влияний МЯШ на осцилляторную тета-активность в септо-гиппокампальной системе, мы анализировали ЭЭГ гиппокампа на фоне повышения уровня серотонина в мозге. Для этого в боковые желудочки вводили флуоксетин, блокирующий обратный захват серотонина, что приводило к увеличению времени действия серотонина на рецепторы [Fuller Wong, 1977]. Флуоксетин вводили в дозе 15 мкг/5 мкл/желудочек. В этих экспериментах регистрировали только ЭЭГ гиппокампа. На фоне введения флуоксетина во всех экспериментах отмечено снижение выраженности тета-ритма в гиппокампалыюй ЭЭГ. В 15 из 18 (83.3%) опытах наблюдали угнетение осцилляторного процесса не менее чем на 50% от контрольного уровня (рис. 25). В отличие от исходных записей, где тета-модуляция наблюдалась в среднем в течение 30% всего времени регистрации активности, после введения блокатора в ней преобладали дельта-волны и периодически возникающие веретена. Мощность тета-ритма, оцениваемая по амплитуде тета-полосы в спектральных гистограммах, снижалась в среднем на 44±5.8% по сравнению с контрольным уровнем. Ни в одном случае не отмечено усиления ритмической тета-активности. Латентный период в среднем составлял 3.5±0.11 мин. Эффект сохранялся в течение 64.8±3.2 мин (рис.26). Достоверных изменений частоты тета-ритма в наших экспериментах не наблюдалось; она составляла как в контроле, так и после введения флуоксетина
