Мультисенсорные механизмы переработки информации в первичных корковых представительствах сенсорных систем головного мозга с участием сверхмедленных колебаний потенциалов Пугачев, Константин Сергеевич

Введение к работе

Актуальность. Перспективным направлением современной нейрофизиологии сенсорных систем является поиск новых механизмов и принципов переработки сенсорной информации в центральной нервной системе (ЦНС). Традиционное подразделение различных отделов коры, связанное с классическими представлениями И.П. Павлова об анализаторах, подразумевает наличие четких границ, очерчивающих различные области неокортекса, которые состоят исключительно из модально-специфических нейронов (отвечающих на действие стимулов одной модальности). В последние годы эта схема все чаще рассматривается как подлежащая пересмотру, в свете появившихся доказательств того, что сенсорные отделы коры влияют друг на друга, а сами сенсорные области (особенно их границы) содержат полимодальные нейроны (Wallace et al., 2004). В этой связи, существовавшая вплоть до недавнего времени точка зрения о том, что первичные сенсорные отделы коры специализируются на мономодальной переработке стимулов и жестко связаны с переработкой исключительно стимулов определенной модальности, рассматривается как малосостоятельная, являясь, по мнению ряда авторов, не более чем одним из догматов нейрофизиологии (Shimoj о, Shams, 2001; Collignon et al., 2009). В пользу подобных взглядов говорят данные о том, что первичные корковые отделы в ряде случаев могут отвечать на действие стимулов других модальностей (Brosch et al., 2005). Существуют и непосредственные доказательства интегративной мультисенсорной (кроссмодальной) переработки информации в первичных корковых представительствах сенсорных систем; все это позволяет говорить о выраженном характере мультисенсорной интеграции на уровне подкорковых и корковых (в том числе первичных) представительств сенсорных систем (Zald et al., 1998; Bronchti et al., 2002; Piche et al., 2007; Eckert et al., 2008; Kayser et al., 2008; Kayser, Logothetis, 2007; Landgrebe et al, 2008).

В этом контексте, следует отметить, что наряду с хорошо изученными быстрыми формами биоэлектрической активности, в ЦНС существует сверхмедденная биоэлектрическая активность с частотами менее 0,5 Рц (Аладжалова, 1962, 1979; Илюхина, 1977, 1986, 2004), которую принято классифицировать на сверхмедденные колебания потенциалов и потенциал(ы) милливольтового диапазона. В современной литературе существуют данные о связи сверхмедденных колебаний потенциалов подкорковых и корковых представительств сенсорных систем со специфическими процессами анализа и переработки афферентной информации (Filippov, 2003, 2005; Filippov et al., 2002; 2004; 2007, 2008; Филиппов и др., 2006 а, б; Филиппов, 2007 а, б, в; Филиппов и др., 2007; Филиппов и др., 2008, 2011, 2012). В этой связи, обоснованным выглядит предположение о том, что перестройки динамики сверхмедденных колебаний потенциалов (СМКП) в областях первичной зрительной, слуховой и вкусовой коры могут быть связаны (в том числе) и с мультисенсорными механизмами переработки информации. В данной работе была предложена гипотеза о том, что СМКП головного мозга могут быть вовлечены в мультисенсорные механизмы переработки афферентной информации, т.е. в процессы переработки зрительной информации в слуховых и вкусовых областях коры, слуховой - в зрительных и вкусовых, а также вкусовой - в зрительной и слуховой областях коры.

Анализ существующей литературы показывает, что подобная проблематика остается неисследованной, а единичные косвенные публикации по ней основаны исключительно на анализе быстрых форм биоэлектрической активности головного мозга, тогда как механизмы мультисенсорной переработки информации в первичных корковых представительствах сенсорных систем головного мозга с участием динамических перестроек СМКП остаются неизвестными до настоящего времени. Все эти объективные предпосылки послужили стимулом для проведения данного исследования и экспериментальной проверки представленной выше гипотезы, что предопределило цель и задачи настоящей работы.

Цель исследования - выявить и проанализировать перестройки динамики сверхмедденных колебаний потенциалов в первичной зрительной, слуховой и вкусовой коре при предъявлении различных типов сенсорных стимулов разных сенсорных модальностей у крыс в условиях хронического эксперимента.

В соответствии с целью работы, основными задачами исследования явились следующие:

1. Выявить и провести сравнительный анализ перестроек динамики сверхмедденных колебаний потенциалов первичной зрительной коры головного мозга при действии различных типов зрительных, слуховых и вкусовых стимулов.

2. Установить, проанализировать и сопоставить перестройки сверхмедденных колебаний потенциалов первичной слуховой коры головного мозга при действии различных слуховых, зрительных и вкусовых стимулов.

3. Выявить, сравнить и провести анализ изменений сверхмедденных колебаний потенциалов вкусовой коры головного мозга при действии различных вкусовых, зрительных и слуховых стимулов.

4. Установить способность первичной зрительной, слуховой и вкусовой коры дифференцированно отвечать на действие сенсорных стимулов различных типов и модальностей посредством характерных изменений спектральных паттернов сверхмедденных колебаний потенциалов.

Основные положения, выносимые на защиту. В целом, на основании полученных результатов на защиту выносятся следующие положения:

4. 1. Установлено, что первичная зрительная кора принимает участие в мультисенсорных механизмах анализа и переработки не только зрительных, но и слуховых и вкусовых стимулов посредством перестроек волн секундного (0,1-0,5 Гц) и многосекундного (0,0167-0,05 Гц) диапазонов СМКП.

   2. Выявлено, что первичная слуховая кора участвует в мультисенсорных механизмах переработки не только слуховой, но и зрительной и вкусовой информации, опосредованных изменением свойств волн секундного (0,1-0,5 Гц) и многосекундного (0,0167-0,05 Гц) диапазонов СМКП.

   3. Продемонстрировано участие вкусовой коры в мультисенсорных механизмах переработки афферентной вкусовой, слуховой и зрительной информации, основанных на характерных преобразованиях динамики волн секундного (0,1-0,5 Гц) и многосекундного (0,0167-0,05 Гц) диапазонов СМКП.

   Научная новизна исследования. В результате проведения исследования впервые получена совокупность новых результатов.

   4. 3. 1. Впервые установлено участие первичной зрительной коры в мультисенсорных механизмах анализа и переработки не только зрительной, но и слуховой и вкусовой сенсорной информации, опосредованное динамическими перестройками секундных и многосекундных СМКП. В частности, в первичной зрительной коре возникают статистически значимые перестройки волн секундного (0,1-0,5 Гц) и многосекундного (0,0167-0,05 Гц) диапазонов при действии стимулов различных модальностей (зрительных - фотостимуляция, слуховых - фоностимуляция и вкусовых - раствор глюкозы и раствор папаверина гидрохлорида).

         2. Впервые выявлено участие первичной слуховой коры в мультисенсорных механизмах анализа и переработки не только слуховой, но и зрительной и вкусовой сенсорной информации при участии перестроек волн секундного и многосекундного диапазонов. Это проявлялось статистически значимыми изменениями волн секундного (0,10,5 Гц) и многосекундного (0,0167-0,05 Гц) диапазонов первичной слуховой коры в ответ на предъявление стимулов слуховой (фоностимуляция), зрительной (фотостимуляция) и вкусовой (раствор глюкозы и раствор папаверина гидрохлорида) сенсорных модальностей.

         3. Впервые обнаружено участие вкусовой коры в мультисенсорных механизмах анализа и переработки не только вкусовой, но и зрительной и слуховой сенсорной информации посредством изменений секундных и многосекундных СМКП, что проявлялось в виде статистически значимых характерных перестроек секундных (0,1-0,5 Гц) и многосекундных (0,0167-0,05 Гц) СМКП вкусовой коры в ответ на действие вкусовых (раствор глюкозы и раствор папаверина гидрохлорида), зрительных (фотостимуляция) и слуховых (фоностимуляция) раздражителей.

         4. Впервые в первичной зрительной, слуховой и вкусовой коре обнаружено явление дифференцировки сенсорных стимулов различных типов и модальностей друг от друга, проявляющееся в виде амплитудно-частотных изменений спектральных свойств секундных (0,1-0,5 Гц) и многосекундных (0,0167-0,05 Гц) СМКП.

         Научно-практическая значимость работы. Несмотря на то, что настоящая работа носит фундаментальный характер, на основании полученных данных раскрыта и доказана разная роль различных диапазонов сверхмедденных колебаний потенциалов в мультисенсорных механизмах переработки афферентной сенсорной информации в ЦНС. Результаты и выводы исследования в дальнейшем могут быть использованы в учебном процессе как биологических, так и медицинских факультетов различных вузов для более детального понимания нейрофизиологических механизмов, лежащих в основе интегративных ассоциативных сенсорных процессов. Полученные результаты могут быть использованы в клинической практике. Данная работа позволяет обосновать необходимость широкого использования метода неинвазивной регистрации сверхмедденной активности с поверхности головы для клинического использования в качестве дополнения к методике классической электроэнцефалографии (ЭЭГ). Это позволит оценить не только функциональное состояния лобных, височных и затылочных отделов коры больших полушарий, но и выявить степень их участия в интегративных мультисенсорных механизмах переработки информации, что может иметь значение для оценки компенсаторных перестроек активности вкусовой, слуховой и зрительной коры у пациентов с поражением сенсорных систем.

         Апробация работы и публикации. Материалы работы представлены и обсуждены на 15 различных Всероссийских и международных конференциях, конгрессах, съездах. В числе наиболее важных научных мероприятий: IV школа-конференция, посвященная 100- летию со дня рождения чл.-корр. АН СССР Г.В. Гершуни «Физиология слуха и речи» (Санкт- Петербург, 2005 г.); XX Съезд физиологического общества имени П.П. Павлова (Москва, 2007 г.); Всероссийская конференция с международным участием «Структурно- функциональные, нейрохимические, и иммунохимические закономерности асимметрии и пластичности мозга» (Москва, 2007 г.); 11 Всероссийская медико-биологическая конференция молодых исследователей «Человек и его здоровье» (Санкт-Петербург, 2008 г.); XIII Школа-конференция молодых ученых по физиологии высшей нервной деятельности и нейрофизиологии (Москва, 14-16 октября 2009 г.); Мировой конгресс по нейротехнологиям (Италия, Рим, 2010 г.).

         По теме диссертационного исследования опубликовано 24 печатных работы, в том числе 5 статей в журналах, входящих в список ведущих рецензируемых научных журналов рекомендованных ВАК РФ. Из указанных статей - 3 статьи опубликовано в отечественных рецензируемых научных журналах, 2 статьи опубликованы в зарубежных рецензируемых научных журналах.

         Структура и объем диссертационного исследования. Диссертация изложена на 142 страницах машинописного текста и состоит из введения; обзора литературы (глава 1); описания материалов и методов (глава 2); изложения результатов исследования и их обсуждения (глава 3); заключения; выводов и списка использованной литературы. Работа проиллюстрирована 24 рисунками и 3 таблицами. Список литературы содержит 232 источника, из которых - 35 отечественных и 197 иностранных.

         МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ (МЕТОДИКА)

         Электроды. Как показано в целом ряде работ, одним из факторов, оказывающих существенное влияние на амплитудно-временные характеристики сверхмедденных колебаний потенциалов, являются поляризационные эффекты на границе раздела электрод - ткань мозга. Тем не менее, существует большое количество отечественных и зарубежных публикаций, подтверждающих целесообразность и применимость использования золотых электродов для записи сверхмедденных колебаний потенциалов головного мозга (Аладжалова, 1979; Cooper 1980; Илюхина, 1977, 1986, 2004; Ikeda et al., 1998; Tallgren et al., 2005). Достоинством золотых интрацеребральных электродов является то, что при длительном контакте с головным мозгом они, не подвергаются коррозии, не вступают в реакции с тканями, не токсичны, электрически стабильны и обладают высокой электропроводностью (Илюхина, 1977, 1986, 2004; Илюхина и др., 1982; Stensaas, Stensaas, 1978). На основании изложенных фактов, в настоящем исследовании при хронической регистрации различных видов СМКП корковых представительств сенсорных систем головного мозга применялись долгосрочные золотые интрацеребральные электроды, изготовленные из проволоки (98% золото), покрытые фторопластовой изоляцией, диаметром 0,3-0,4 мм, длиной от 2 мм до 6 мм, с площадью активной рабочей поверхности 0,1-0,2 мм².

         Способы отведения, усиления и регистрации сверхмедленных колебаний потенциалов изученных структур головного мозга. В настоящей работе применялся монополярный способ регистрации СМКП относительно референтного электрода, располагавшегося в области лобных костей. С целью унификации и стандартизации исследований в настоящей работе использованы следующие способы коммутации (подключения) электродов ко входам (клеммам) усилителя: активные электроды, расположенные в исследуемых структурах головного мозга, подключались к положительной (+), а референтный электрод сравнения - к отрицательной (-) входным клеммам усилителя.

         В данном исследовании для усиления и регистрации СМКП были использованы высокоимпедансные универсальные усилители тока типа УУ-93 (производства ЭПМ НИИЭМ РАМН, г. С.-Петербург). Усиленные СМКП с выходов усилителя подавались на вход восьмиканального 12-битного аналого-цифрового преобразователя (KPCI-3101, Keithley Instruments Inc., Cleveland, Ohio, USA), который преобразовывал аналоговый сигнал в цифровую форму в режиме реального времени и направлял этот сигнал в персональный компьютер при помощи специализированного программного обеспечения для визуализации, хранения, дальнейшей математической обработки и анализа. В настоящей работе частота дискретизации СМКП при помощи аналого-цифрового преобразователя составляла 1 Гц.

         Объект исследований и подготовка животных к эксперименту. Работа проведена на 30 самцах взрослых нелинейных крыс альбиносов с массой тела 230-280 гр. (п=720 повторных экспериментальных наблюдений). На протяжении всего экспериментального периода животные содержались в стандартных условиях вивария, а опыты проведены в строгом соответствии с существующими общепринятыми международными принципами гуманного обращения с лабораторными животными (директива совета Европейского Союза от 24.11.1986 г., 86/609/ЕЕС). Первоначально проводилась нейрохирургическая стереотаксическая операция имплантации долгосрочных золотых интрацеребральных электродов в исследуемые структуры головного мозга, что осуществлялось под уретановым (1 г/кг внутрибрюшинно) наркозом, в соответствии с атласом головного мозга крыс (Swanson, 1998). После окончания операции животным проводилась инъекция сульфалена (0,2 мл 1% раствора внутримышечно) с целью профилактики послеоперационных септических осложнений, и затем крысы помещались в стандартные условия вивария.

         Исследования динамики СМКП первичной зрительной, слуховой и вкусовой коры головного мозга крыс при действии различных сенсорных стимулов. В соответствии с планом исследований каждому экспериментальному животному первоначально проводилась имплантация золотых интрацеребральных электродов во все указанные структуры ЦНС (первичная зрительная, слуховая и вкусовая кора). Через 14 суток с момента имплантации электродов, проводились ежедневные многократные монополярные регистрации СМКП в условиях хронического эксперимента на легконаркотизированных уретаном животных (0,2-0,3 г/кг внутрибрюшинно). Для этого животные во время проведения исследований помещались в изолированный индивидуальный контейнер, располагавшийся в экранированной камере. Конструкция контейнера была разработана таким образом, чтобы максимально изолировать животное от сенсорных стимулов различных модальностей (слуховых, зрительных, вкусовых) за исключением тех, которые использовались в каждой конкретной серии экспериментов.

         Исследования проведены в трех различных условиях наблюдения:

         1. Зарегистрирована динамика различных диапазонов СМКП первичной зрительной коры при действии: зрительных стимулов; слуховых стимулов; вкусовых стимулов. Эксперименты проведены на 30 крысах, п=240 повторных экспериментальных наблюдений.

         2. Зарегистрирована динамика различных диапазонов СМКП первичной слуховой коры при действии: слуховых стимулов; зрительных стимулов; вкусовых стимулов. Эксперименты проведены на 30 крысах, п=240 повторных экспериментальных наблюдений.

         3. Зарегистрирована динамика различных диапазонов СМКП вкусовой коры при действии: вкусовых стимулов; зрительных стимулов; слуховых стимулов. Эксперименты проведены на 30 крысах, п=240 повторных экспериментальных наблюдений.

         Сенсорная стимуляция. Все указанные сенсорные стимулы (зрительные, слуховые и вкусовые) воздействовали на экспериментальных животных в соответствии со случайной (рандомизированной) схемой предъявления стимулов, когда один стимул сменял другой неожиданно для самого животного, без возможности прогнозируемого ожидания или угадывания его применения. Использованы следующие типы нормированных сенсорных стимулов: (1) зрительные - темнота и ритмическая фотостимуляция, представленная стробоскопическими вспышками с интенсивностью 0-2500 люкс, частотой 4 Гц, длительностью вспышки менее 50 мкс; (2) слуховые - тишина и ритмическая фоностимуляция, представленная «щелчками», уровень интенсивности звука 80 децибел, частота звукового тона 2000 Гц, частота предъявления стимулов 8 Гц; (3) вкусовые - растворы, обладавшие различными вкусовыми свойствами: нейтральный вкусовой раздражитель (дистиллированная вода); раствор, имевший горький вкус - водный раствор папаверина гидрохлорида (0,06 M раствор или 2% раствор C₂OH₂₂O₄NCl); раствор, имевший сладкий вкус - водный раствор глюкозы (0,55 M раствор или 10% раствор C₆H₁₂O₆). Вкусовая сенсорная стимуляция осуществлялось при помощи специальной канюли, из которой постепенно, равными порциями капельно (5 мл/час) на протяжении всего периода эксперимента растворы поступали в ротовую полость испытуемого животного.

         Верификация локализации электродов в неокортексе. После завершения экспериментальных исследований осуществлялся забой животных путем внутрибрюшинного введения уретана (в дозировке 3 г/кг). Затем проводилась декапитация животных, выделялся головной мозг. После фиксации изготавливались серийные срезы приэлектродных областей, которые исследовались с целью морфологической верификации расположения треков электродов. Всего проведено 30 исследований.

         Методы анализа динамики сверхмедленных колебаний потенциалов структур головного мозга. При анализе в настоящей работе визуально оценивали форму, регулярность и амплитудно-временные характеристики различных видов СМКП из фрагментов электрограмм. При выделении фрагментов записей СМКП руководствовались следующими правилами. Длительность подобных фрагментов составляла: 256 секунд для анализа динамики СМКП секундного диапазона и 1024 секунды для анализа динамики СМКП многосекундного и минутного диапазонов. Это были те временные фрагменты СМКП, которые предшествовали смене одного сенсорного стимула другим, т.е. последние 256 и 1024 секунды перед сменой темноты фотостимуляцией, перед сменой тишины фоностимуляцией, перед сменой нейтрального вкусового стимула сладким/горьким, а затем это были те фрагменты, которые были зарегистрированы сразу после смены одного сенсорного стимула другим, т.е. первые 256 и 1024 секунды с момента смены темноты фотостимуляцией, смены тишины фоностимуляцией, смены нейтрального вкусового стимула сладким/горьким вкусовым сенсорным стимулом. Таким образом, анализировались те фрагменты СМКП, которые были отделены друг от друга только 15 секундным интервалом, т.е. временем, необходимым для смены стимула, при этом СМКП в этот период времени не регистрировалась.

         Проведен амплитудно-временной анализ СМКП различных диапазонов. В качестве основного был использован метод оценки спектральных характеристик различных диапазонов СМКП с применением алгоритма быстрого прямого преобразования Фурье (при помощи программного обеспечения PSI-Plot 7.5 for Windows, Poly Software International, Inc., NY, USA). Полученные в ходе анализа различных диапазонов СМКП спектрограммы для каждой структуры в различных условиях наблюдения многократно арифметически усреднялись: индивидуально для каждого животного, а затем проводилось усреднение спектрограмм для всей группы наблюдения в целом.

         Статистический анализ полученных данных включал построение и аналитическую оценку усредненных спектральных графиков различных видов СМКП. Статистическая значимость межгрупповых и внутригрупповых отличий оценивалась с использованием однофакгорного дисперсионного анализа (one-way ANOVА), проводившегося при помощи персонального компьютера и программного обеспечения (PSI-Plot 7.5 for Windows & ProStat 3.5 for Windows, Poly Software International, Inc., NY, USA). При этом отличия с р<0,05 рассматривались как статистически значимые (Урбах, 1975).

         Похожие диссертации на Мультисенсорные механизмы переработки информации в первичных корковых представительствах сенсорных систем головного мозга с участием сверхмедленных колебаний потенциалов

         

         Механизмы переработки зрительно предъявляемой вербальной информации в обычных условиях и в ситуации экзаменационного стрессаРебрейкина Анна Борисовна

         Модулирующие влияния нейромедиаторных центров на динамику сверхмедленных колебаний потенциалов первичных корковых представительств сенсорных систем головного мозгаКребс Артем Андреевич

         

         Нейромодуляторные центры как компоненты сенсорных систем головного мозга: электрофизиологическое исследование динамики сверхмедленных колебаний потенциаловКребс Артём Андреевич

         

         Исследование потенциал-зависимых механизмов влияния постоянного электрического тока на функционирование колонок соматической коры мозга крысЛысенко, Лариса Валерьевна

         

         Роль цитоскелета сердечных фибробластов в механизме генерации механоиндуцированных потенциаловКазанский Виктор Евгеньевич

         

         Механизмы электрогенеза мембранного потенциала покоя в клетках соматической мускулатуры дождевого червя Lumbricus terrestrisНуруллин Лениз Фаритович

         

         Свободнорадикальный потенциал нейтрофилов и его роль в механизме реализации специфических функций фагоцитирующих клетокСтарикова Марина Алексеевна

         Механизмы влияния гаммааминомасляной кислоты на мембранный потенциал покоя соматической мускулатуры дождевого червя Lumbricus terrestrisСабирова Айгуль Ринатовна

         Переработка информации о признаках сигнала в зрительной системе лягушки Алейникова Татьяна Вениаминовна

         Сверхмедленная биоэлектрическая активность головного мозга в процессах переработки информации в сенсорных системахФилиппов, Игорь Владимирович