Введение к работе
Актуальность проблемы. Миндалевидный комплекс мозга (МК) представляет собой сложное, структурно и функционально гетерогенное образование (Акмаев, Калимуллина, 1993, Pitkanen, 2000, San et al, 2003), вовлеченное в организацию широкого спектра эмоционально и мотивационно окрашенных врожденных и приобретенных поведенческих реакций (Ильюченок и др, 1981, LeDoux, 1992, Шабанов и др, 2000, Шуваев, Суворов, 2001, Cardinal et al, 2002), непременным сопровождением которых являются изменения в деятельности висцеральной и эндокринной систем (Чепурнов, Чепурнова, 1981, Iwata et al, 1987, Roozendaal et al, 1991, LeDoux, 2000)
Возможность влияния МК на висцеральную и эндокринную сферы установлена во множестве экспериментальных работ при электрической и/или химической стимуляции этой структуры, а также в опытах с повреждением различных ее ядер (Kaada, 1972, Beltramino, Talesmk, 1978, Гамбарян и др , 1981, Добровольская, 1987, Любашина, Ноздрачев, 1991, Henke, 1991, Hermann et al, 2002 и др)
Тем не менее, несмотря на давнюю историю и большое количество исследований, функциональная роль как МК в целом, так и его отдельных ядер в системе центральной регуляции висцеральных функций до сих пор неясна Полученные к настоящему времени данные по этому вопросу в большинстве своем противоречивы, отличаются у разных авторов и в значительной степени зависят от условий проведения экспериментов Поэтому на данном этапе мы не можем создать единого представления о характере обеспечиваемых МК регуляторных и модуляционных процессов
Одной из причин неоднозначности полученных разными авторами данных может являться структурная и функциональная гетерогенность МК, которая, как показали последние исследования, проявляется не столько на ядерном, сколько на подъядерном уровне его организации (Pitkanen, 2000, Sah et al, 2003) Различные подъядра и даже части подъядер МК характеризуются индивидуальными особенностями цитоархитектонической и нейрохимической организации (Рпсе et al, 1987, Roberts, 1992, Акмаев, Калимуллина, 1993, De Olmos et al, 2004), а также уникальной для каждого из них сетью афферентных и эфферентных проекций (Pitkanen, 2000, Sah et al, 2003, De Olmos et al, 2004) иными словами, не столько ядра МК в целом, сколько отдельные подъядра в пределах одного ядра
обеспечивают различные функции этого сложнейшего интегративного образования и могут быть ассоциированы с деятельностью различных функциональных систем
По современным представлениям координация деятельности важнейших вегетативных центров мозга в целях формирования адекватных текущему эмоциональному состоянию висцеральных и эндокринных ответов реализуется благодаря взаимодействию МК с образованиями, так называемой, центральной вегетативной нервной сети (Benarroch et al, 1993) Эта сеть включает в себя непосредственно вовлеченные в процессы висцеральной регуляции области лимбической и инсулярной коры, ядра ложа конечной полоски, таламуса, гипоталамуса, околоводопроводное серое вещество, парабрахиальный комплекс моста, ядра ваго-солитарного комплекса и вентролатеральную ретикулярную область продолговатого мозга (Быков, 1947, Курцин, 1973, Черниговский, 1975, Беллер, 1977, Ноздрачев, 1983, Александров, Беллер, 1990, Gray, 1993, Багаев и др, 1997, Баклаваджян и др , 1998а, 19986, Багаев, Александров, 2000, Пантелеев и др , 2004).
Можно полагать, что в условиях хронического стресса чрезмерное напряжение связей МК с упомянутыми выше структурами может являться причиной возникновения психосоматических заболеваний (Henke, 1992, Krukoff, 1999, Fukuman et al, 2004) В свою очередь, нарушение нормальных взаимоотношений МК с важнейшими вегетативными центрами мозга в условиях развития таких неврологических патологий, как эпилепсия, болезнь Альцгеймера, последствия инсультов (Чепурнов, Чепурнова, 1981, Cechetto, 1993, Pitkanen et al, 1998 и др), может вызвать свойственные этим заболеваниям нарушения в деятельности висцеральных систем, нередко приводящие к смерти (Devinsky et al, 1986, Baumgartner et al, 2001, Opeskin, Berkovic, 2003) Именно поэтому исследование структурно-функциональных взаимодействий МК с образованиями центральной вегетативной нервной сети представляется чрезвычайно актуальным не только для фундаментальной науки, но и для клинической практики
Между тем, несмотря на значительное количество данных, подтверждающих существование реципрокных структурных (Мухина, 1985, McDonald, 1991, Cameras et al, 1995, Pitkanen, 2000, Petrovich et al, 2001, Zhang et al, 2003 и др) и функциональных (Ferreyra et al, 1983, Nishimura, 1987, Velasco et al, 1989, Petrov et al, 1995, Баклаваджян и др, 1996; Прудкова, 1996, Нерсесян и др, 1999, Ishikawa, Nakamura, 2003 и др) отношений МК с большинством образований мозга, входящих в состав центральной вегетативной нервной сети, основополагающие
закономерности включения отдельных ядер и подъядер МК в процессы регуляции висцеральных функций до сих пор остаются неясными
За последнее время эфферентные проекции МК на кортикальные и субкортикальные образования мозга, вовлеченные в процессы регуляции висцеральных функций, были убедительно продемонстрированы и достаточно подробно изучены многими нейроанатомическими исследованиями (Мухина, 1985, Pitkanen, 2000, Petrovich et al, 2001, Sah et al, 2003, De Olmos et al, 2004 и др) Однако большинство известных к настоящему времени данных по этому вопросу получены разными авторами, в различных методических условиях и с помощью различных по свойствам нейрональных маркеров
Указанные причины значительно усложняют сопоставление представленных в этих исследованиях результатов и не позволяют с достаточной степенью определенности судить об особенностях формирования этих связей, характере распределения и степени выраженности проекций конкретного ядра или подъядра комплекса на функционально различные области центральной вегетативной нервной сети, а также об относительном представительстве в пределах отдельных вегетативных центров мозга входов от различных ядер МК
В связи с этим, особую актуальность в плане выяснения основных анатомических путей, обеспечивающих участие МК в процессах регуляции висцеральных функций, имеет проведение специального исследования пространственной организации эфферентных проекций комплекса на функционально различные области центральной вегетативной нервной сети с уделением особого внимания связям, формируемым его отдельными подъядрами
Что касается нейрофизиологических механизмов, обеспечивающих влияния различных ядер МК на функциональную активность важнейших вегетативных центров мозга, то имеющиеся в литературе сведения по этому вопросу довольно ограничены и противоречивы При этом практически неисследованной является нейромедиаторная составляющая этих процессов
Между тем, известные к настоящему времени экспериментальные данные свидетельствуют о том, что большинство структур центральной вегетативной нервной сети характеризуется присутствием в них клеток, синтезирующих окись азота (McDonald et al., 1993, Rodngo et al, 1994, Коржевский, Отеллин, 1996, Krukoff, 1999, Елисеева и др, 2002, Kantzides, Badoer, 2005). Это газообразное вещество общепризнанно является важнейшим нейромодулятором, обеспечивающим необходимый уровень функциональной активности различных
структур мозга (Travagh, Gilhs, 1994, Гурин, 1997, Prast, Phihppu, 2001, Dms et al, 2003, Li et al, 2003), а его участие в центральных и периферических механизмах регуляции висцеральных функций доказано множеством экспериментов (Уразаев, Зефиров, 1999, Krukoff, 1999, Марков, 2001, Покровский, Виноградов, 2005)
На основании этого правомерно предположить, что одним из механизмов реализации влияний МК на структуры центральной вегетативной нервной сети может являться модуляция NO-синтезирующей активности содержащихся в них популяций нитроергических нейронов Результатом такой модуляции могут быть определенные изменения в уровне возбудимости клеток иннервируемых МК структур и, как следствие, изменения их взаимоотношений с другими образованиями мозга, включая ядра самого МК Однако экспериментальных данных, которые бы подтверждали это предположение, в доступной литературе нет В связи с этим вполне актуальным представляется проведение специальных исследований, направленных на экспериментальное подтверждение этой гипотезы
Цель и задачи исследования Целью настоящей работы, выполненной в рамках плановых исследований лаборатории кортико-висцеральной физиологии Института физиологии им И П Павлова РАН, являлось комплексное структурно-функциональное исследование организации эфферентных проекций различных ядер и подъядер миндалевидного комплекса на нейроны важнейших кортикальных и субкортикальных образований центральной вегетативной нервной сети с одновременной оценкой роли локальных нитроергических механизмов этих структур в реализации опосредуемых проекциями МК модулирующих влияний
Задачи работы состояли в следующем
1 С использованием метода антероградного нейронального транспорта Phaseolus vulgans-leucoagglutmin (PHA-L) на подъядерном уровне изучить особенности формирования и пространственного распределения проекций различных ядер миндалевидного комплекса на ключевые структуры центральной вегетативной нервной сети, а именно, на висцеральные области передней лимбической и инсулярной коры, паравентрикулярное ядро гипоталамуса и латеральную гипоталамическую область, центральное серое вещество среднего мозга, парабрахиальный комплекс моста, ядра ваго-солитарного комплекса и область вентролатерной ретикулярной формации продолговатого мозга
-
С использованием гистохимического метода определения внутриклеточной никотинамид-динуклеотид-фосфат-диафоразы (НАДФ-д) изучить эффекты электрической стимуляции идентифицированных групп нейронов миндалевидного комплекса на активность нейрональной NO-синтазы в клетках иннервируемых ими областей передней лимбической и инсулярной коры, а также вегетативных центров гипоталамуса, моста и продолговатого мозга
-
В нейрофизиологических экспериментах с использованием микроэлектродных методов и центрального (в боковой желудочек мозга) введения селективного блокатора нейрональной NO-синтазы 7-нитроиндазола изучить роль нитроергических механизмов в реализации модулирующих влияний идентифицированных подъядерных образований миндалевидного комплекса на текущую активность нейронов передней лимбической коры и вегетативных центров гипоталамуса и продолговатого мозга и их активность в условиях стимуляции афферентных волокон блуждающего нерва
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Влияния миндалевидного комплекса на кортикальные и субкортикальные процессы регуляции висцеральных функций у крыс осуществляются клетками различных подъядер латерального, базального, добавочного базального и центрального ядер, а также переднего кортикального ядра и амигдалогишюкампальной области Каждое подъядро миндалевидного комплекса характеризуются специфическим диапазоном распространения эфферентных проекций
-
Основными источниками проекций миндалевидного комплекса на висцеральные области коры, гипоталамуса и ствола мозга являются его базальное и центральное ядра Нейроны мелкоклеточного и крупноклеточного подъядер базального ядра преимущественно иннервируют прелимбическую и переднюю агранулярную инсулярную области коры Наиболее выраженные проекции интермедиального и медиального подъядер центрального ядра миндалевидного комплекса адресованы структурам восходящей части центральной вегетативной нервной сети - латеральной гипоталамической области, парабрахиальному комплексу моста и ядру одиночного тракта
-
Нейроны мелкоклеточной части базального ядра миндалевидного комплекса оказывают возбуждающее влияние на активность клеток глубоких слоев передней лимбической коры, часть из которых относится к популяции N0-
синтезирующих нейронов Активируемые базальным ядром локальные нитроергические механизмы характеризуются различной ролью в формировании нейрональной активности прелимбической и инфралимбической областей
-
Результатом активации медиальной части центрального ядра миндалевидного комплекса являются дифференцированные возбуждающие или тормозные влияния на NO-синтезирующие клетки функционально различных областей паравентрикулярного ядра гипоталамуса, латеральной гипоталамической области и ядра одиночного тракта Такие же по характеру влияния обеспечивают процессы амигдалофугальной модуляции нейрональной активности указанных структур Часть возбуждающих и тормозных влияний центрального ядра миндалевидного комплекса на активность нейронов вегетативных центров гипоталамуса и продолговатого мозга обеспечивается локальными нитроергическими механизмами, тогда как другие являются NO-независимыми
-
В основе механизмов, обеспечивающих участие миндалевидного комплекса в процессах центральной регуляции висцеральных функций, лежат дифференцированные возбуждающие или тормозные влияния его отдельных подъядер на функционально специфичные популяции клеток висцеральных областей коры, гипоталамуса и ствола мозга Часть этих влияний реализуется с участием локальных процессов синтеза окиси азота
Научная новизна. Впервые выполнено комплексное исследование основных анатомических путей, нейрохимических и нейрофизиологических механизмов, обеспечивающих процессы модуляции функциональной активности важнейших вегетативных центров и областей мозга ядрами миндалевидного комплекса
Впервые с использованием микроинъекций антероградного нейронального маркера Phaseolus vulgans-leucoagglutimn (PHA-L) на подъядерном уровне дано детальное описание формирования и пространственного распределения проекций миндалевидного комплекса на функционально различные области в пределах важнейших структур центральной вегетативной нервной сети висцеральных областей лимбической и инсулярной коры, паравентрикулярного ядра гипоталамуса и латеральной гипоталамической области, центрального серого вещества среднего мозга, парабрахиального комплекса моста, ядер ваго-солитарного комплекса и области вентролатеральной ретикулярной формации продолговатого мозга
Впервые показано, что отдельные подьядра и подобласти миндалевидного комплекса характеризуются свойственным только им диапазоном распространения
эфферентных проекций в пределах центральной вегетативной нервной сети При этом установлено, что основными «выходными» элементами миндалевидного комплекса на кортикальные и субкортикальные уровни регуляции висцеральных функций являются, соответственно, его базальное и центральное ядра
Впервые продемонстрировано, что основными реципиентами проекций базального ядра миндалевидного комплекса являются выполняющие высшие интегративные функции прелимбическая и передняя агранулярная инсулярная кортикальные области В свою очередь установлено, что волокна центрального ядра миндалевидного комплекса главным образом адресованы структурам восходящей части центральной вегетативной нервной сети - латеральной гипоталамической области, парабрахиальному комплексу моста и ядру одиночного тракта
В результате осуществления оригинальной серии исследований, основанной на сочетании традиционных гистохимических и современных электрофизиологических методов, получены приоритетные данные, впервые демонстрирующие модулирующие влияния базального и центрального ядер миндалевидного комплекса на NO-синтезирующую активность клеток иннервируемых ими кортикальных и субкортикальных областей центральной вегетативной нервной сети
Впервые показано, что электрическая стимуляция мелкоклеточной части базального ядра приводит к усилению активности нитроергических нейронов глубоких слоев передней лимбической и передней агранулярной инсулярной областей коры В свою очередь, в результате активации медиальной части центрального ядра впервые продемонстрированы его дифференцированные возбуждающие или тормозные влияния на NO-синтезирующую активность клеток функционально различных областей паравентрикулярного ядра гипоталамуса, латеральной гипоталамической области и ядра одиночного тракта
В результате осуществления оригинальной серни нейрофизиологических экспериментов с использованием микроэлектродной техники и центрального (в боковой желудочек мозга) введения 7-нитроиндазола получены приоритетные данные о характере модулирующих влияний базального и центрального ядер миндалевидного комплекса на нейрональную активность функционально различных областей передней лимбической коры, гипоталамуса и продолговатого мозга и впервые доказано участие NO-зависимых механизмов в реализации этих процессов
Установлено, что возбуждающие влияния мелкоклеточной части базального ядра миндалевидного комплекса на активность нейронов глубоких слоев передней лимбической коры обеспечиваются локальными нитроергическими механизмами, характеризующимися дифференцированным действием в пределах прелимбической и инфралимбической областей Впервые показано, что эффективность выявленных амигдалокортикальных влияний изменяется в условиях стимуляции левого блуждающего нерва
Впервые выявлены дифференцированные возбуждающие или тормозные влияния центрального ядра миндалевидного комплекса на нейрональную активность функционально различных областей гипоталамуса и продолговатого мозга Впервые показано, что эффективность возбуждающих амигдалофугальных влияний снижается в условиях стимуляции левого блуждающего нерва
Установлено, что модулирующие влияния центрального ядра на активность нейронов паравешрикулярного ядра гипоталамуса, вентролатеральной части латеральной гипоталамической области и ядра одиночного тракта определяются локальными нитроергическими механизмами. В свою очередь, амигдалофугальная модуляция нейрональной активности медиальной части латеральной гипоталамической области, дорсального моторного ядра блуждающего нерва и вентролатеральной ретикулярной области продолговатого мозга в значительной степени является NO-независимой
Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные в работе нейроанатомические, гистохимические и нейрофизиологические данные представляют существенное значение для развития теории центральной регуляции висцеральных функций и создания теоретических основ психосоматической медицины, поскольку раскрывают роль одного из ключевых эмоциогенных образований конечного мозга в центральных механизмах модуляции функциональной активности важнейших вегетативных центров
Выявленные на подъядерном уровне особенности формирования и пространственного распределения проекций различных ядер миндалевидного комплекса на важнейшие структуры центральной вегетативной нервной сети представляют существенное значение для более глубокого понимания структурно и функционально гетерогенной организации миндалевидного комплекса и впервые предоставляют детальное описание анатомического субстрата, посредством
которого осуществляется включение этого образования конечного мозга в центральные механизмы регуляции деятельности внутренних органов
Полученные в ходе выполнения работы данные о влияниях базального и центрального ядер миндалевидного комплекса на NO-синтезирующую активность клеток иннервируемых ими областей коры, гипоталамуса и продолговатого мозга являются первым экспериментальным доказательством включения нитроергической системы мозга в процессы амигдалофугальной модуляции структур центральной вегетативной нервной сети и расширяют наши представления о функциональной роли окиси азота в пределах центральной нервной системы
Представленные в работе нейрофизиологические данные о NO-зависимых возбуждающих влияниях базального ядра миндалевидного комплекса на переднюю лимбическую область коры и разнонаправленных, частично обслуживаемых окисью азота, влияниях его центрального ядра на нейрональную активность важнейших вегетативных центров гипоталамуса и продолговатого мозга, раскрывают важнейшие механизмы, лежащие в основе осуществляемого миндалевидным комплексом формирования адекватных текущему эмоциональному состоянию эндокринных и висцеральных ответов
Впервые представленные в работе данные о снижении эффективности возбуждающих влияний миндалевидного комплекса на иннервируемые им структуры центральной вегетативной нервной сети в условиях активации афферентных волокон блуждающего нерва углубляют наши представления о влиянии висцеросенсорной информации на процессы внутримозговой интеграции и механизмы центральной регуляции висцеральных функций
Полученные данные о путях и механизмах распространения влияний миндалевидного комплекса на функционально различные структуры и области мозга могут быть полезны в клинике при прогнозировании или анализе причин возникновения психосоматических заболеваний, в патогенез которых вовлечены ядра этой структуры (гипертоническая болезнь, язвенные поражения желудка), а также при диагностировании нарушений в висцеральной сфере, сопутствующих развитию эпилепсии, болезней Альцгеймера и Паркинсона, последствиям инсультов - патологий, каждая из которых характеризуется свойственной ей мозаикой структурных и функциональных повреждений в пределах различных ядер миндалевидного комплекса Ряд полученных в работе результатов может служить в качестве теоретической базы для использования нитроергических препаратов при
лечении этих заболеваний Кроме того, несомненный интерес для неврологической практики представляют данные экспериментов со стимуляцией центрального отрезка блуждающего нерва, являющиеся одним из немногочисленных экспериментальных обоснований использования такой стимуляции для купирования эпилептических приступов
Основные положения и выводы работы могут быть использованы в лекционных курсах по физиологии висцеральных систем и теоретическим основам психосоматической медицины для студентов биологических и медицинских специальностей
Апробация материалов диссертации. Результаты работы представлены автором на XVIII Съезде Физиологического Общества им И П. Павлова (Казань, 2001), на VIII Международном симпозиуме «Базальные ганглии и поведение в норме и при патологии» (Санкт-Петербург, 2002), XVI Конгрессе по анатомии (София, Болгария, 2003), на III Всероссийской конференции с международным участием «Механизмы функционирования висцеральных систем» (Санкт-Петербург, 2003), на XIX съезде Физиологического Общества им И П Павлова (Екатеринбург, 2004), на международном симпозиуме «Central and peripheral synaptic transmission» (Варна, Болгария, 2005), на Всероссийской конференции с международным участием, посвященной 80-летию акад А М Уголева, «Актуальные проблемы физиологии пищеварения и питания» (Санкт-Петербург, 2006) и опубликованы в ведущих физиологических журналах
Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 научных работ в отечественной и зарубежной печати, из них 11 статей в рецензируемых журналах
Структура и объем диссертации Диссертация написана в форме монографии и состоит из введения, главы, в которой представлены основные методические приемы, использованные в работе, трех глав с изложением экспериментальных результатов (каждая содержит литературную справку, описание особенностей используемой методики, полученные результаты и их обсуждение), а также общего заключения, выводов и списка литературы Работа содержит 264 страницы Из них - 41 рисунок и 3 таблицы Список литературы включает 643 источника 120 отечественных и 523 зарубежных
