Содержание к диссертации
Введение
2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 11
2.1 Морфологическая организация скорлупы 11
2.1.1 .Место и роль стриатума в системе базальных ганглиев мозга. 11
2.1.2. Клеточный состав скорлупы и ее мозаичная структура. 13
2.1.3.Организация афферентных входов скорлупы. 17
2.1 АЭфферентные системы скорлупы. 23
2.2. Участие скорлупы в поведении. 26
2.2.1. Роль скорлупы в различных формах поведения. 26
2.2.2. Функциональные типы клеток и их различная роль в поведении. 29
2.2.3. Специфика нейронных ответов скорлупы. 33
3. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 36
3.1 Объекты исследования 36
3.2 Поведенческая процедура. 38
3.3 Хирургическая операция. 41
3.4 Микроэлектродная техника. 42
3.5 Техника регистрации нейронной активности. приборы и оборудование. 44
3.6. Гистологический анализ. 46
3.7Анализ нейронной активности. 47
3.8 Экспериментальные серии. 51
4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 52
4.1. Общие закономерности активности нейронов скорлупы обезьяны. 52
4.1.1 Фоновая активность нейронов скорлупы. 52
4.1.2 Релятивные постстимульные гистограммы. 54
4.1.3 Общий анализ реактивности клеток. 56
4.1.4 Сравнение числа активных нейронов среди популяций низко и высокочастотных клеток. 59
4.1.5. Обсуждение главы 4.1. 61
4.2. Типы наблюдаемых клеточных реакций и их распределение по этапам поведенческой программы. 65
4.2.1 Нейронные ответы разного типа среди популяций низко и высокочастотных клеток. 65
4.2.2. Возбуждающие и тормозные реакции. 67
4.2.3. Тонические и фазические реакции. 70
4.2.4. Реакции, дифференцирующие сторону выполнения задания 73
4.2.5. Анализ тонических и фазических дифференцирующих Реакций. 79
4.2.6. Анализ тонических дифференцирующих реакций по признаку контра и ипсилатеральности. 81
4.2.7. Обсуждение главы 4.2. 83
4.3. Анализ тонической активности нейронов скорлупы. 89
4.3.1 Протяженность тонических реакций по этапам программы. 91
4.3.2 Распределение числа начал и концов тонических реакций по этапам программы. 91
4.3.3 Распределение по этапам программы реакций начинающихся на последовательных этапах поведенческой программы. 94
4.3.4. Кривые затухания тонических реакций. 96
4.3.5. Обсуждение главы 4.3. 99
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 104
6. ВЫВОДЫ 107
7. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 108
- Морфологическая организация скорлупы
- Объекты исследования
- Общие закономерности активности нейронов скорлупы обезьяны.
Введение к работе
Исследование нейрофизиологических особенностей различных структур мозга и их роли в регуляции поведения представляет несомненный интерес. В частности, это относится к структурам входящим в состав базальных ганглиев. Это связано с ключевой ролью стриатума и связанных с ним структур в формировании и выполнении нормальных форм поведения (Толкунов 1978, Шуваев 2001, Grayble 1995). Нарушения в работе базальных ганглиев приводят к необратимым в первую очередь, двигательным патологиям (Albin et al. 1995). В связи с этим, исторически сложились представления об экстрапирамидной системе и первостепенной роли стриатума именно в двигательной сфере. Современные представления о базальных ганглиях базируются на морфологических исследованиях, с одной стороны, формирующих представления о базальных ганглиях, как системе открытых и закрытых функционально сегрегированных петель, замкнутых на различные отделы коры и связывающие черное вещество, бледный шар, миндалевидное тело и ядра таламуса со стриатумом. С другой стороны, перекрывающиеся проекции практически из всех зон коры и высокая плотность коллатералей аксонов проекционных нейронов, обеспечивающие наличие эфферентных копий отправляемых к разным мишеням создают возможности широчайшей интеграции на уровне стриатума (Parent & Hazrati 1995, Nambu et al. 2002).
В состав стриатума входят скорлупа и хвостатое ядро, причем у высших приматов и человека скорлупа является самым крупным ядром базальных ганглиев.
Исследования нейронной активности стриатума в разнообразных экспериментах обнаруживают участие данной структуры помимо
6 двигательной сферы в эмоциональных и когнитивных аспектах поведения. Эксперименты показывают корреляции нейронной активности стриатума с поведением, связанным с оценкой подкрепления, с памятью, с обучением новым формам поведении (Packard et al. 2002). Также показано изменение ответов клеток в зависимости от условий опыта, степени обученности животного (Jog et al. 1999). По-видимому, это связано с различными методическими подходами и моделями экспериментов с одной стороны и широким спектром активности исследуемых нейронов с другой. В связи с этим при исследовании нейронной активности стриатума представляется целесообразным использовать поведенческую программу, включающую в себя этапы, связанные с различными аспектами поведения. Таким требованиям отвечает цепной бимануальный инструментальный рефлекс альтернативного пространственного выбора, поскольку при этом животное осуществляет целостный поведенческий акт, состоящий из последовательной цепи разнородных этапов. Исследования нейронной активности скорлупы обезьяны, выполняющей последовательные этапы такой поведенческой программы, показали, что нейроны скорлупы вовлекаются в организацию как сенсорно-когнитивных, так и моторных этапов поведения, при этом одни и те же клетки могут входить в состав нейронных мозаик разных конфигураций, соответствующих разным моментам поведения (Толкунов с соавт. 1998). Последующие эксперименты с использованием той же поведенческой модели показали, что число реагирующих нейронов от этапа к этапу меняется незначительно. Меняется состав реактивных клеток. При этом на каждом этапе он формируется преимущественно из числа клеток активных на предыдущем этапе (Толкунов с соавт. 2002).
Использование подобной поведенческой программы позволяет исследовать как специфические клеточные реакции, связанные с конкретным действием животного, так и неспецифические, охватывающие разнородные действия животного. В связи с этим встает вопрос о роли различного типа клеточной активности в механизмах формирования мозаик реагирования.
В стриатуме выделяют два типа функционально специализированных нейронов, которые преимущественно участвуют в тех или иных формах поведения (Alexander & DeLong.1985, Kimura et al.1984). Нейроны с низкой фоновой частотой относят к проекционным нейронам, а высокочастотные клетки относят к холинэргическим интернейронам. Активность первого типа клеток связывают с подготовкой и исполнением движения различных частей тела и глаз при ориентировочных реакциях и подкреплении (DeLong 1972). В активности клеток второго типа такие реакции не наблюдаются, в то время как в процессе обучения эти клетки приобретают способность к координированным реакциям на условный сигнал (Apicella 2002). Несмотря на выделение функциональных классов нейронов, исследователи показывают наличие в скорлупе клеток, одинаково реагирующих в различных условиях эксперимента и отвечающих более чем на одном этапе поведенческой программы (Kimura et al.1992, Inase et al. 1997). Кроме того, в связи с наличием различных реакций у клеток одного типа, исследователи вынуждены выделять разнообразные подтипы участвующие в тех или иных формах поведения (Yamada et al 2004). Таким образом, остается открытым вопрос, каким образом достигается специфичность выполнения разнообразных поведенческих моментов.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ Цель работы
Исследовать характер нейронной активности скорлупы мозга обезьяны, обученной выполнению многокомпонентной поведенческой программы и выявить особенности специализированных и неспециализированных нейронных реакций.
Основные задачи исследования
1. Изучить характер реагирования нейронов скорлупы. Определить типы клеточных реакций и наличие специфического участия разных типов клеток.
2. На основе сравнения импульсной активности, зарегистрированной во время выполнения животным правостороннего и левостороннего задания выявить роль различных типов реагирования в дифференцировке задачи.
3. Выяснить, каким образом в нейронной активности скорлупы отражается целостность выполняемого поведения.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА ИССЛЕДОВАНИЯ
Обнаружены функционально специализированные реакции, присутствующие у большинства исследованных нейронов, относимых к различным функциональным типам. К таким реакциям относятся тонические и фазические реакции, играющие различную роль в формировании нейронного ответа. Показанная в данной работе роль тонических реакций, присущих большинству клеток скорлупы, в формировании блоков, входящих в состав целостного акта позволяет по-новому взглянуть на вопрос о функциональной специализации клеток. Блоки нейронной активности формируются в связи с близлежащими целями, промежуточными по отношению ко всей задаче и охватывают не просто набор движений, а именно целенаправленные действия входящие в состав целостного акта.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ
Количество вовлекаемых нейронов скорлупы не отражает специфику этапов выполняемой программы. Оба типа, выделенных по частоте фоновой активности нейронов, активны на всех этапах программы.
Все обнаруженные типы реакций присутствуют как у высокочастотных, так и у низкочастотных нейронов. Реакции различного типа: возбуждающие, тормозные, фазические, тонические, дифференцирующие и недифференцирующие, контра и ипси-латеральные обладают спецификой в отношении различных периодов поведенческой программы.
С поведенческими аспектами программы наиболее тесно коррелирует дифференцирующая активность клеток, в особенности, их тоническая часть и, в еще большей мере, контралатеральные тонические реакции.
4. Установлено, что тонические реакции группируются в отдельные блоки, приуроченные к ключевым моментам поведения, связанным с достижением промежуточных целей в рамках общей его задачи.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ
Подробное исследование специализированных реакций присущих как низко так и высокочастотным нейронам скорлупы обезьяны позволило приблизиться к пониманию нейрофизиологических механизмов, лежащих в основе осуществления целостного поведения, состоящего из отдельных действий. Результаты работы показали приоритетную роль способа вовлечения клеточных элементов в формирование нейронного ответа над типом участвующих клеток.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ Основные материалы диссертации были доложены и обсуждены на VIII Международном симпозиуме «Базальные ганглии и поведение в норме и патологии» (Санкт Петербург 2002), XIX Съезд Физиологического общества им. И.П. Павлова (Екатеринбург 2004), на I Съезде физиологов СНГ (Дагомыс, 2005), XIII международное совещание и VI школа по эволюционной физиологии (Санкт-Петербург 2006), на второй международной конференции по когнитивной науке (Санкт-Петербург 2006). По материалам диссертации опубликованы 7 научных статей в рецензируемых журналах и 7 тезисов докладов на российских конференциях.
СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ Диссертация изложена на 130 страницах и состоит из введения, трех глав (обзора литературы, материалов и метода исследования, результатов и обсуждения), заключения, выводов и списка литературы (включает 203 источника). Диссертация иллюстрирована 27 рисунками и 1 таблицей.
11 2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
2.1. МОРФОЛОГИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ СКОРЛУПЫ.
2.1.1. Место и роль стриатума в системе базальных ганглиев мозга.
Скорлупа, является одним из компонентов стриопаллидарного комплекса конечного мозга и входит в систему базальных ганглиев. В отличие от бледного шара, имеющего более древнее происхождение и рассматриваемого как палеостриатум, скорлупа и хвостатое ядро, имеющие общее эмбриональное происхождение, сходное нейронное строение и организацию связей, объединяются в неостриатум или стриатум. Анатомически хвостатое ядро и скорлупа у приматов разделяются внутренней капсулой. К вентральным структурам стриатума относятся прилежащее ядро и обонятельный бугорок. Бледный шар представлен двумя сегментами - внутренним и наружным члениками, разделенными внутренней медуллярной пластинкой (Андреева 2003). К базальным ганглиям помимо ядер конечного мозга (хвостатое ядро, скорлупа, бледный шар, миндалевидное тело, ограда), также относят структуры анатомически принадлежащие промежуточному мозгу (субталамическое ядро) ( Shink et al. 1996) и среднему мозгу (черная субстанция, педункуло-понтийные ядра), но функционально с ними связанными ( Мепа-Segovia et al. 2004.).
В функциональном смысле стриатум в соответствии с кортикостриатными связями разделен натри взаимосвязанных области: вентромедиальный (лимбический), центральный (ассоциативный) и дорзолатеральный (моторный) (Kunzle 1975, 1977; Selemon , Goldman-Rakic 1985, Parent, Hazrati 1995.). Такая топографическая сегрегация подтверждается соматотопической организацией стриатума (Crutcher, DeLong MR 1984, Alexander, DeLong 1985) таламостриатальными (Gimenez-Amaya et al. 1995, McFarland et al. 2000), амигдало стриатальными (Russchen, et al. 1985), стриатопаллидарными (Hazrati, Parent 1992) и стрионигральными проекциями (Lynd-Balta, Haber 1994a, Haber et al. 2000).
На основании того что, базальные ганглии получают топографически организованные входы из различных областей коры было сделано предположение об организации параллельных функциональных петель (Alexander et al. 1986) Эти петли связывают различные корковые отделы с базальными ганглиями, миндалевидным телом, черной субстанцией и через ядра таламуса возвратно фокусируются на кору. Выделяют два моторных (моторное и окуломоторное), два ассоциативных и одно лимбическое кольцо. (Alexander GE et al. 1990). Наличие конвергенции в стриопаллидарных, стрионигральных и кортикостриатных проекциях (Горбачевская 1997, Чивилева 1997, Lynd-Balta, Haber 1994) свидетельствует о взаимодействии различных функциональных зон стриатума, обеспечивая конвергенцию функций необходимую для организации целостного поведения (Шаповалова с соавт. 1992). Широкий спектр нейротрансмиттерного обеспечения деятельности стриатума лежит в основе его полифункциональности (Якимовский 1998).
Окончание афферентов из разных зон коры на разных группах нейронов неостриатума и расположение этих групп в виде перекрывающейся мозаики обеспечивает взаимодействие разномодальных сигналов. На основании исследования активности нейронов скорлупы у животных, обученных выполнению многокомпонентной поведенческой программы было показано, что активность отдельного нейрона отражает не столько специфику производимого животным действия или поведенческий контекст его выполнения, сколько работу нейрона, как элемента нейронной сети (Толкунов с соавт. 1995, Орлов с соавт. 1994, Афанасьев с соавт. 1997). Это позволило сформировать представления о стриатуме как о нейронной сети, интегрирующей пространственно распределенные и функционально специализированные кортикофугальные сигналы в обобщенную форму, используемую многими системами мозга для организации соответствующего моторного реагирования (Толкунов с соавт. 1997).
Стриатуму отводится важная роль в обеспечении моторных, когнитивных, мнемонических, сенсомоторных функций. (Graybiel 1995, Brown et al. 1997,Kawagoe et al. 1998.). Показана его роль в процессах выполнения и планирования движений (Monchi 2006, Hollerman et al. 1998), внимании (Boussaoud, Kermadi 1997, Shapovalova KB. 1999.), обучении и памяти (Packard et al. 2002), восприятия и эмоционального состояния (Williams 1993, Brown et al.1997).
2.1.2. Клеточный состав скорлупы и ее мозаичная структура.
Скорлупа и хвостатое ядро в силу общего эмбрионального происхождения обладают сходным нейронным составом и цитоархитектоникой . Электронная микроскопия и метод Гольджи показывают наличие 2х основных классов стриатальных нейронов. Один тип наиболее многочисленный, представлен густоветвистыми шипиковыми нейронами мелкого и среднего размера (10-18мкм). Эти клетки обладают длинным аксоном, что указывает на их проекционный характер (Grofova 1975, Kawaguchi et al. 1990, Леонтович, Михальченко 1997) Второй немногочисленный тип представлен клетками среднего (10-25) и крупного (20-50мкм) размера без шипиков с коротким аксоном, относимыми к интернейронам (DiFiglia et al.. 1976, 1980, Kawaguchi 1992,1993, Леонтович, Михальченко 1997). Соотношение численности проекционных клеток к интернейронам у крыс составляет 9:1, а у приматов 3:1 (Graveland, DiFiglia 1985).
У обезьян различают два типа шипиковых проекционных нейронов, обозначаемых обычно как SI и SII. Более многочисленными являются нейроны SI среднего размера, которые имеют округлую форму и сферическое дендритное поле диаметром 200мкм. Шипики располагаются лишь на дендритах этих нейронов. Аксоны клеток SI прежде чем покинуть пределы ядра дают многочисленные коллатерали, ветвящиеся рядом с телом клетки или на значительном расстоянии, контактирующие с соседними нейронами. SII клетки более крупной формы. Они составляют 1-4% всей клеточной популяции стриатума. Аксоны этих клеток мало ветвятся. Основным медиатором проекционных клеток стриатума является ГАМК (гамма-аминомаслянная кислота) (Oertel, Mugnaini, 1984), при этом шипиковые клетки в качестве сомедиаторов экспрессируют различные нейропептиды, такие как субстанция Р, энкефалин, динорфин, нейротензин, нейрокинин и тахикинин ( Graybiel 1990). Обнаружено, что клетки, содержащие различные пептиды различаются своими мишенями. Так клетки, проецирующиеся моносинаптически в во внутренний сегмент бледного шара и ретикулярную часть черной субстанции содержат субстанцию Р и динорфин и образуют так называемые "прямые пути". Предполагается что они могут облегчать движения через активацию таламокортикальных кругов, посредством двойного тормозного механизма. Нейроны, проецирующиеся в другие структуры базальных ганглиев через наружный сегмент бледного шара и субтапамическое ядро, экспрессируют энкефалин. Они образуют "непрямые пути". Предполагается, что через них движения могут тормозиться посредством модуляции механизма дезингибиции ( Gerfen 1992, Alexander, Crutcher 1990.) Эти нейроны также различаются соотношением экспрессии DI и DII рецепторов дофамина (Gerfen С et al. 1990). Однако такое нейрохимическое разделение проекционных клеток не является абсолютным. У части нейронов стриатума имеется экспрессия как энкефалина, так и субстанции Р. Также есть определенный процент нейронов экспрессирующих оба типа дофаминовых рецепторов (Penny et al. 1988, Surmeier 1992). Очень незначительны процент (2%) стриатальных нейронов имеют проекции как во внутренний, так и во внешний сегмент бледного шара (Flaherty, Graybiel 1993.). Более поздние исследования показали высокий уровень коллатерализации аксонов проекционных нейронов, благодаря чему около 2/3 клеток стриатума имеют своими мишенями две или три структуры (Wu et al. 2000) Безшипиковые клетки малочисленны, но весьма разнообразны по размеру и геометрии дендритов. Дендриты большинства нейронов этого класса коротки, изогнуты, варикозны, без шипиков (Леонтович, Михальченко 1997). На основании различной нейрохимии разделяют 4 больших класса безшипикоых интернейронов. 1-крупные холинергические нейроны, 2 - ГАМКергические нейроны, которые содержат парвалбумин, 3- ГАМКергические нейроны, которые содержат калретинин и 4-соматостатин-содержащие клетки, которые также показывают содержание нейропептидаУ, окиси азота , а также
16 содержат энзим никотинамид аденин динуклиотидфосфат-диафоразу (NADPH-d) (Kawaguchi et al. 1995.)
Несмотря на то, что большую часть (до 96%) клеточной популяции стриатума составляют шипиковые нейроны средних размеров, эту структуру нельзя считать гомогенной. Накоплено много данных, свидетельствующих о морфологической, биохимической и физиологической гетерогенности стриатума (Арушанян, Отеллин 1976, Graybiel 1990, Parent, Hazrati 1995, Шаповалова 1989, Леонтович, Михальченко 1997)
Шипиковые нейроны SI образуют основную сеть неостриатума, так называемый матрикс ("matrix")(Gerfen 1992). Гетерогенность стриатума проявляется в виде разбросанных по матриксу стриосом (striosoma) - небольших участков с низкой активностью АХЭ (ацетилхолинэстеразы), высоким содержанием энкефалина и нейротензина (Gimenez-Amaya, Graybiel 1991, Graybiel 1990, Goldman-Rakic, Selemon 1990). Матрикс и стриосомы различаются между собой по характеру связей, что позволяет говорить о функциональном различии между этими двумя компартментами, где матрикс связывается с сенсомоторными процесами, а стриосомы с лимбической системой (Gerfen 1992, Graybiel 1990). Так стриосомы получают обширные лимбические проекции (из префронтальной и лимбической коры, миндалины, латерального гипоталамуса, черной субстанции, преоптических областей, ядер шва и др) и посылают свои эфференты к компактной зоне черной субстанции, лимбическим структурам и вентральным отделам бледного шара (Brown et al. 1998, Gerfen et al. 1985). Матрикс получает преимущественные проекции из премоторной, сенсомоторной, теменной и фронтальной коры, от ядер таламуса, вентральной тегментальной области, ретробульбарной области черной субстанции, а его мишениями являются бледный шар и ретикулярная часть черной субстанции (Gimenez-Amaya, Graybiel 1990, Kawaguchi et al. 1990, Parthasarathy et al. 1992). Матрисомальный компартмент также не является гомогенной структрои. В пределах матрикса выделяют небольшие кластеры, называемые "матриосомы", в которых заключены нейроны, проецирующиеся на внутренний и внешиний сегмент бледного шара. При этом клетки, имеющие разные мишени располагаются в пределах одних матриосом (Flaherty, Graybiel 1993).
2.1.3. Организация афферентных входов скорлупы.
Скорлупа и хвостатое ядро являются входными структурами системы базальных ганглиев. Наиболее значимые с функциональной точки зрения и наиболее массивные входы стриатум получает из различных отделов коры, таламических ядер, черной субстанции и миндалевидного комплекса.
Неостриатум получает проекции практически от всех отделов коры (Kemp, Powell 1970, Goldman-Rakic, Selemon 1986, Чивилева 1997, Takada et al. 1998). Кортикофугальные волокна проходят через него диффузно и (особенно у приматов) в виде внутренней капсулы. Показаны прямые кортикостриатные пути, образованные пирамидными клетками V слоя и непрямые, формируемые коллатералями к скорлупе от аксонов кортикостриатных нейронов (Parent, Parent 2006). Медиатором корковых проекций является глутамат. Корковые проекции в стриатум образуют ассиметричные синаптические контакты с шипиками шипикових нейронов среднего размера. Также с помощью гистохимических методов показаны прямые синаптические входы к гамкергическим (Lapper et al. 1992) и хожнергическим интернейронам (Thomas et al. 2000).
Характерными свойствами корковых входов является их топографическая организация и обширная конвергенция (Selemon, Coldman-Rakic 1985). Установлено, что группы клеток, получающие терминали от таких пространственно разделенных зон коры, как лобная, теменная и лимбическая формируют мозаичные паттерны в одних и тех же отделах стриатума, структурно обеспечивая взаимодействие исходящих из этих корковых зон импульсных потоков (Goldman-Rakic, Selemon 1986.)
Основные входы в скорлупу образованы из моторных зон коры: первичной моторной коры(М1), сапплиментарной моторной области (SMA) и премоторной коры(РМ) (Alexander, Crutcherl990, Kunzle 1975, 1978, Takadaet al., 1998). На основе моторных ответов, вызванных микростимуляций различных зон скорлупы (Alexander, DeLong 1985), а также нейронных ответов, связанных с движением, была показана соматотопическая организация моторных входов (Crutcher, DeLong 1984). Входы из соматосенсорных зон коры (SI и SII) также соматотипически организованы и образуют сильно перекрывающиеся входы в скорлупу (Flaherty, Graybiel 1991а). Отдельная кортикальная колонка посылает проекции более чем в одну область стриатума (Alloway et al. 1998). Показаны два типа входов. Один организован перекрывающимися соматотопическими проекциями из ипсилатеральных Ml и SI, другой из контралатеральной Ml. При этом за исключением проекций области лица эти входы не перекрываются. На основании этого был сделан вывод, что скорлупа скорее сегрегирует информацию об ипси- или контралатеральной частях тела, чем моторную и соматосенсорную информацию. Кроме того, показано, что обширнее представлены входы из Ml, касающиеся аксиальных частей тела, по сравнению с дистальными (Flaherty, Graybiel 1993). Сапплиментарная (SMA) моторная область посылает билатеральные проекции в стриатум (McGuire et al. 1991). Эти проекции перекрываются с проекциями из МІ контралатерального полушария сильнее, чем из ипсилатерального (Takada М et al. 1998).
Обнаруживают как сегрегированные входы в скорлупу из SMA и Ml, так и конвергентные (Kaneda et al. 2002). При этом в вентролатеральной части сколрупы преимущественно расположены нейроны отвечающие на стимуляцию МІ, а в дорзомедиальной части на стимуляцию SMA. Около 20% клеток расположенных в средней зоне отвечали на стимуляцию обеих зон коры (Nambu et al. 2002).
Помимо моторных и соматосенсорных зон стриатум получает входы из ассоциативных зон коры (Selemon et al. 1992, Yeterian, Pandya 1993). При этом преимущественно в хвостатое ядро и ростральную часть скорлупы приходят проекции из дорзолатеральной префронтальной коры (DLPFC), pre-SMA и других ассоциативных областей (Selemon , Goldman-Rakic 1985, Selemon et al. 1992). Показано, что входы из задней орбитофронтальной коры, передней инсулярной и медиофронтальной цингулярной коры оканчиваются в стриосомах, а все остальные области префронтальной коры в матриксе (ЕЫеп, Graybiel 1995). Обнаружены билатеральные кортикостриатальные проекции из различных областей заднетеменной коры у резусов. При этом одни зоны преимущественно проецируются в различные части хвостатого ядра, а другие в скорлупу. Так 7Ь проецируется преимущественно в скорлупу, в зоны представительства дистальных конечностей и головы (Cavada, Goldman-Rakic. 1991). Обнаружены связи с сенсорными полями коры (Lopez-Figueroa et al. 1995). У приматов в стриатум малочисленны входы из первичной зрительной области, но хорошо представлены из вторичных (Saint-Cyr et al. 1990).
Таламостриатные проекции относятся к числу количественно выраженных и топографически организованных (Суворов 1980, Fenelon et al. 1991). Главный таламический вход берет начало в интраламинарных ядрах (парафасцикулярном ядре (Pf) и срединном центре таламуса (СеМ). Также выявлены входы от ядер вентральной (VA, VL,VM), латеральной (LP, LD0 и медиальной (MD) групп (Mengual et al. 1999, Горбачевская, вилeвa 2001, Sadikot et al. 1992). Таламические входы носят возбуждающий характер. Нейромедиаторами таламических прооекций преимущественно являются глутамат и аспартат (Fuller et al. 1987). Также как и для кортикостриатных проекций, основными мишенями таламических входов служат шипиковые клетки средних размеров, локализованные в экстрасомальном матриксе стриатума (Flaherty, Graybiel 1993). Однако, в отличие от кортикальных входов, которые оканчиваются на шипиках дендритов, таламические имеют окончания на самих дендритах (Smith et al. 1994). Благодаря такому расположению, таламические входы могут модулировать активность шипиковых стриатальных клеток, получающих корковые входы. Также обнаружены таламические окончания на интернейронах стриатума (Sidibe, Smith 1999). Хорошо показано, что таламические входы обладают определенной специфичностью. Так входы из СМ, также как и из сенсомоторных областей коры проецируются преимущественно в пост-коммисуральную часть скорлупы, в то время как входы из Pf и ассоциативных областей коры оканчиваются избирательно в хвостатом ядре и ростровентральном стриатуме. VA и VL дают большое число терминален, распределенных во всех областях хвостатого ядра (Parent 1990, Sadikot et al. 1992, Горбачевская, Чивилева 2001)
Выявлена топическая организация таламических проекций. Ядра средней линии прецируются преимущественно к стриосомам, в то время как интраламинарные ядра к матриксу (Ragsdale, Graybiel 1991).
Нейрофизиологические и нейрохимические исследования свидетельствуют, что в CM-Pf комплекс по многим каналам поступает информация от соматической, висцеральной, вестибулярной, слуховой и зрительной систем. Таким образом на уровне стриатума встречаются потоки импульсации от двух качественно различных входов: информационно обработанная - кортикальная и диффузная -таламическая. Взаимодействие этих двух потоков является основой интегративной деятельности стриатума (Толкунов 1978).
Основные стриатные афференты из ствола мозга образованы аксонами дофаминовых нейронов компактной зоны черной субстанции, вентральной тегментальной области, ретрорубральной области и дорзальным ядром шва (Gerfen et al. 1982, Lynd-Balta, Haber 1994, Горбачевская, Чивилева 2003). Нигростриатная система оказывает существенное влияние как на моторные так и на мотивационные аспекты поведения (Отеллин, Арушанян 1989, Шаповалова, Якимовский 1987, Саульская 1988).
Афференты заканчиваются главным образом в ипсилатеральном стриатуме, но были описаны и билатеральные проекции (Gerfen et al. 1982).
Показана различная иннервация матрикса и стриосом. Входы из дорзальной части компактной зоны черной субстанции заканчиваются в стриарном матриксе, а из вентральной в стриосомах( Gerfen 1984).
Дофаминергические нейроны вентральной тегментальной области, компактной зоны черной субстанции и ретрорубральной области проецируются по-разному в дорзальную и вентральную часть стриатума. Хотя рад дофаминергических нейронов проецируется в обе стриатальные территории. Предполагается что такая дивергенция проекций может позволять черной субстанции быть связующим звеном между разными стриатальными территориями (Lynd-Balta, Haber 1994, Горбачевская, Чивилева 2003).
Помимо основных (корковых, таламических и дофаминергических входов) в стриатум посылает свои афференты миндалина (Nauta 1982), бледный шар (Spooren et al. 1996, Sato et al. 2000), педункулопонтийное ядро покрышки (Lavoie, Parent 1994) и субталамическое ядро (Parent, Smith 1987).
Морфологические и функциональные отношения стриатума с амигдалой играют значительную роль в обеспечении мотивационного состояния, влияющего на процессы обучения и памяти (Шуваев 1993). Амигдалярные проекции в стриатум организованы в основном из базолатеральной группы ядер миндалевидного комплекса (Nauta 1982) и оканчиваются они преимущественно в стриосомах (Ragsdale, Graybiel 1988). Преобладание проекций лимбичеких структур и в частности базального ядра миндалевидного тела наблюдается в вентральных сегментах хвостатого ядра и скорлупы (Горбачевская 2002).
Палеостриатальные пути широко представлены у обезьян. Показано, что в целом они организованы в топографическом порядке, но нет строгой медиолатеральной и вентродорзальной организации. Не граничащие области бледного шара посылают волокна в перекрывающиеся области стриатума, подтверждая конвергенцию терминалей из различных паллидарных областей (Spooren et al. 1996).
2.1.4. Эфферентные системы скорлупы.
В отличие от разнообразных афферентных входов, основные эфференты стриатума ограничены двумя сегментами бледного шара : наружным (GPe) и внутренним (GPi) (у не приматов носит название энтопедункулярного ядра) и черной субстанцией. При этом у приматов было показано, что проекции к разным мишеням происходят из разных клеточных популяций стриатума (Selemon, Coldman-Rakic 1990, Parent et al. 1984). Бледный шар и черная субстанция получает входы как из хвостатого ядра, так и из скорлупы, но скорлупа посылает более мощные, эфференты к бледному шару, в отличие от хвостатого ядра проецирующегося преимущественно в ретикулярную часть черной субстанции (Levesque, Parent 2005).
В рамках концепции о сегрегированных петлях, связывающих базальные ганглии, ядра таламуса и зоны неокортекса, моторная петля включает в себя "прямой" и "непрямой" путь посредством которых базальные ганглии осуществляют контроль движения. К "прямым" путям относят эфференты стриатума, которые моносинаптически заканчиваются тормозными ГАМК-эргическими контактами на нейронах внутреннего сегмента бледного шара и ретикулярной части черной субстанции. Активация этой системы приводит к растормаживанию и облегчению прохождения информации через подкорковые структуры, в первую очередь ядра таламуса (VA, VL), которые находятся под тормозным контролем GP и SNr. К "непрямым" путям относят полисинаптические проекции, направляемые к внешнему сегменту бледного шара через внутренний сегмент и субталамическое ядро (DeLong et al. 1998). Стрио-паллидарные проекции у приматов организованы в основном во внестриасомальном матриксе, хотя небольшой процент клеток стриасом также имеет эти проекции. (Gimenez-Amaya, Graybiel 1990). В пределах матрикса были обнаружены небольшие кластеры, названные матриосомами, включающие в себя популяции стриопаллидарных проекционных нейронов. Было показано, что разные клетки, дающие проекции во внутренний или наружный сегмент бледного шара, располагаются внутри каждой матриосомы (Flaherty, Graybiel 1993). Медиатором эфферентных проекций является ГАМК. Нейроактивные пептиды выступают в роли комедиаторов. При этом нейроны, проецирующиеся в GPe содержат энкефалин, а в GPi и ретикулярную часть черной субстанции - субстанцию Р и динорфин. Также было обнаружено, что большинство нейронов, проецирующихся к разным мишеням экспрессируют различные типы дофаминовых рецепторов (Gerfen 1992). С концепцией "прямых" и "непрямых" путей связана модель, описывающая дисфункции на уровне базальных ганглиев. В рамках этой концепции тонкий баланс между тормозным влиянием на выходные структуры базальных ганглиев (внутрений сегмент бледного шара и ретикулярную часть черной субстанции) посредством "прямых" путей и возбуждающим влиянием через "непрямые" пути обеспечивает нормальную моторную функцию. Дофаминергические нейроны компактной зоны черной субстанции играют критическую роль в регуляции этого баланса. Дофамин действует на стриатум, подавляя трансмиссию через непрямые пути (D2 рецепторы) и усиливая активность через прямые пути (D1 рецепторы). Нарушение баланса между потоками поступающими по "прямым" и "непрямым" путям, приводят, в рамках этой концепции, к развитию моторных нарушений, включая болезнь Паркинсона и Гантингтона (Wichmann, DeLong 1998).
Однако более поздние исследования, обнаружившие большое число коллатералеи аксонов проекционных нейронов, обеспечивающее наличие эфферентных копий, отправляемых к разным мишеням, а также равномерное распределение всех типов проекционных клеток в стриатуме заставляет исследователей сомневаться в четкой сегрегации "прямых" и "непрямых" эфферентных путей и рассматривать стриатум как распределенную нервную сеть (Wu et al. 2000).
Хотя все стрионигральные эфференты оканчиваются в ретикулярной части черной субстанции, небольшая часть из них оканчивается также и в компактной зоне. Обнаружена различная организация стриатонигральных проекций для вентрального и сенсомоторного стриатума, разделяемых в связи с топографией кортикальных входов. Так вентральный стриатум иннервирует значительную территорию черной субстанции, включая медиальную часть ретикуляной области и часть компактной. Сенсомоторный стриатум иннервирует ограниченные области вентролатеральной части черной субстанции. При этом стрионигральные проекции из вентрального и сенсомоторного стриатума не перекрываются в черной субстанции. Однако, области стриатума, получающие перекрывающиеся кортикальные входы отправляют конвергентные проекции в черную субстанцию (Lynd-Balta, Haber 1994). Ранее предполагалось, что нейроны, принадлежащие матриксу, посылают свои проекции в ретикулярную часть черной субстанции, в то время как стриосомы проецируются в компактную зону (Gerfen 1984). В более поздних экспериментах было обнаружено, что аксоны стриосомальных нейронов оканчиваются также и в ретикулярной части черной субстанции (Levesque, Parent 2005).
Помимо основных, наиболее мощных стрио-паллидарных и стрио-нигральных проекций показаны менее значительные связи стриатума с субталамическим и красными ядрами, нижней оливой, голубым пятном и ядрами шва (Отеллин, Арушанян 1989). Показана пространственная организация стриоталамических проеций. Ростральные отделы скорлупы проецируются в основном на ядра медиальной и латеральной групп. Каудальные ее отделы связаны только с латеральной группой таламических ядер (Jonson 1961, Горбачевская 1977).
2.2. УЧАСТИЕ СКОРЛУПЫ В ПОВЕДЕНИИ.
Морфологическая организация скорлупы
Скорлупа, является одним из компонентов стриопаллидарного комплекса конечного мозга и входит в систему базальных ганглиев. В отличие от бледного шара, имеющего более древнее происхождение и рассматриваемого как палеостриатум, скорлупа и хвостатое ядро, имеющие общее эмбриональное происхождение, сходное нейронное строение и организацию связей, объединяются в неостриатум или стриатум. Анатомически хвостатое ядро и скорлупа у приматов разделяются внутренней капсулой. К вентральным структурам стриатума относятся прилежащее ядро и обонятельный бугорок. Бледный шар представлен двумя сегментами - внутренним и наружным члениками, разделенными внутренней медуллярной пластинкой (Андреева 2003). К базальным ганглиям помимо ядер конечного мозга (хвостатое ядро, скорлупа, бледный шар, миндалевидное тело, ограда), также относят структуры анатомически принадлежащие промежуточному мозгу (субталамическое ядро) ( Shink et al. 1996) и среднему мозгу (черная субстанция, педункуло-понтийные ядра), но функционально с ними связанными ( Мепа-Segovia et al. 2004.).
В функциональном смысле стриатум в соответствии с кортикостриатными связями разделен натри взаимосвязанных области: вентромедиальный (лимбический), центральный (ассоциативный) и дорзолатеральный (моторный) (Kunzle 1975, 1977; Selemon , Goldman-Rakic 1985, Parent, Hazrati 1995.). Такая топографическая сегрегация подтверждается соматотопической организацией стриатума (Crutcher, DeLong MR 1984, Alexander, DeLong 1985) таламостриатальными (Gimenez-Amaya et al. 1995, McFarland et al. 2000), амигдало стриатальными (Russchen, et al. 1985), стриатопаллидарными (Hazrati, Parent 1992) и стрионигральными проекциями (Lynd-Balta, Haber 1994a, Haber et al. 2000).
На основании того что, базальные ганглии получают топографически организованные входы из различных областей коры было сделано предположение об организации параллельных функциональных петель (Alexander et al. 1986) Эти петли связывают различные корковые отделы с базальными ганглиями, миндалевидным телом, черной субстанцией и через ядра таламуса возвратно фокусируются на кору. Выделяют два моторных (моторное и окуломоторное), два ассоциативных и одно лимбическое кольцо. (Alexander GE et al. 1990). Наличие конвергенции в стриопаллидарных, стрионигральных и кортикостриатных проекциях (Горбачевская 1997, Чивилева 1997, Lynd-Balta, Haber 1994) свидетельствует о взаимодействии различных функциональных зон стриатума, обеспечивая конвергенцию функций необходимую для организации целостного поведения (Шаповалова с соавт. 1992). Широкий спектр нейротрансмиттерного обеспечения деятельности стриатума лежит в основе его полифункциональности (Якимовский 1998).
Окончание афферентов из разных зон коры на разных группах нейронов неостриатума и расположение этих групп в виде перекрывающейся мозаики обеспечивает взаимодействие разномодальных сигналов. На основании исследования активности нейронов скорлупы у животных, обученных выполнению многокомпонентной поведенческой программы было показано, что активность отдельного нейрона отражает не столько специфику производимого животным действия или поведенческий контекст его выполнения, сколько работу нейрона, как элемента нейронной сети (Толкунов с соавт. 1995, Орлов с соавт. 1994, Афанасьев с соавт. 1997). Это позволило сформировать представления о стриатуме как о нейронной сети, интегрирующей пространственно распределенные и функционально специализированные кортикофугальные сигналы в обобщенную форму, используемую многими системами мозга для организации соответствующего моторного реагирования (Толкунов с соавт. 1997).
Объекты исследования
Работа выполнена на двух самцах обезьян (Масаса nemestrina и Масаса mulatta), возрастом 2-3 года, весом 4-5 кг. Эксперименты проводились в специальной камере, изолирующей животное от посторонних внешних воздействий. В процессе эксперимента обезьяна находилась в приматологическом кресле, которое ограничивало передвижение животного, но позволяло производить манипуляции конечностями и свободно поворачивать голову. Кресло представляет собой металлический каркас с пластмассовым оформлением. В верхней части кресла расположен съемный воротник из органического стекла. В передней выдвижной части сделано отверстие для захвата пищи. В нижней части кресла находится втулка, которая ограничивает вращение туловища вокруг собственной оси. Движения в плечевом поясе не ограничены (рис.1).
Пищевой депривации обезьян не подвергали, но меняли режим кормления. Основной корм они получали после экспериментальной сессии. Потребление жидкости не ограничивали.
Порядок выполнения эксперимента состоял в предварительном обучении животных поведенческой программе, состоящей из следующей последовательности действий. После предупреждающего сигнала и паузы открывался экран, закрывающий доступ к рычагам. Обезьяна должна была захватить обеими руками рычаги, нажатие и удержание которых вызывало появление условного сигнала, сигнализирующего о стороне подкрепления. В качестве условных сигналов использовали два светодиода красного цвета, которые были расположены в 70 см друг от друга симметрично относительно середины экспериментальной установки на расстоянии 50 см от головы обезьяны. Далее, животное снимало с рычага выбранную по условному сигналу руку и при одновременном удержании другого рычага, производило пальцевые нажатия манипуляторов управления кормушкой. При правильно выбранной руке раздавался щелчок соленоида кормушки, который предварял появление хлебного шарика. Если рука была выбрана неверно, то происходило автоматическое закрытие экрана. Для сопоставления выполняемых действий и параллельно регистрируемой активности нейронов использовали 7 следующих отметок. Начало предупреждающего сигнала, открытие экрана, момент, когда обезьяна нажимала обеими руками на два рычага, появление условного сигнала, который включался автоматически после паузы в 300 мс, снятие одной из рук с рычага, момент прикосновения пальцев этой руки к рычажкам включения кормушки, включение кормушки. По этим меткам выделяли 15 этапов выполнения поведенческой программы (рис. 2). 1. Ответ на предупреждающий сигнал (400мс); 2. Ожидание пускового сигнала (1600мс); 3. Ответ на пусковой сигнал (открытие экрана); 4. Начало движения двух рук к рычагам; 5. Захват и нажатие двух рычагов; 6. Ожидание условного сигнала (УС), который появляется через 300 мс после того, как оба рычага нажаты. 7. Реакция на УС (загорание лампочки слева или справа). 8. Период от завершения этой реакции до начала движения руки, выбранной для дальнейших действий; 9. Снятие выбранной руки с рычага и начало движения руки к манипулятору включения кормушки (другая рука при этом продолжает удерживать свой рычаг); 10. Конец движения выбранной руки; 11.Включение пальцами этой руки манипулятора, управляющего кормушкой; 12. Щелчок автомата подкрепления, предваряющий появление пищи, и сигнализирующий о правильном выборе руки; 13.Ожидание появления подкрепления; 14. Произвольный захват пищи то же рукой, которая выполняла движение; 15. Поедание хлебного шарика.
Общие закономерности активности нейронов скорлупы обезьяны
Средняя частота импульсной фоновой активности зарегистрированных нейронов скорлупы варьировала в диапазоне от 0,1 имп/с до 25 имп/с. К низкочастотным нейронам относили клетки с частотой фоновой импульсации до 3 имп/с. К высокочастотным от 3 до 25 имп/сек. В каждой группе клеток, зарегистрированных в трех зонах скорлупы двух полушарий присутствуют как высоко так и низкочастотные клетки. На рисунке 8 показано распределение фоновых частот нейронов для каждой из трех исследованных групп.
В первой группе (рис. 8А) были клетки с частотой от 0.1 до 24 имп/сек. При этом из 36 нейронов -16 низкочастотных (до 3 имп/сек) и 20 высокочастотных (выше 3 имп/сек). Во второй группе (рис.8В) нейроны имели частоту в диапазоне от 0.1 до 23 имп/сек. Из 53 зарегистрированных нейронов - 24 низкочастотных и 29 высокочастотных. В третьей группе (рис. 8С) фоновая частота была от 0.2 имп/сек до 25 имп/сек, за исключением двух клеток с очень высокой частотой- 37 и 51 имп/сек. Из 59 зарегистрированных в этой группе клеток И было низкочастотными и 48 клеток с высокой фоновой частотой.
Для анализа нейронной активности использовали релятивные постстимульные гистограммы. Эти гистограммы строятся в относительных единицах времени, обусловленных реальной длительностью выполнения животным последовательных действий.
В качестве образца на рисунке 9 представлены релятивные гистограммы одной из зарегистрированных групп клеток при правильном выполнении обезьяной задачи на левый (рис. 9.1) и на правый сигнал (рис. 9.2). На гистограммах затемненными участками выделены бины, в пределах которых число спайков статистически значимо (Р 0,05) отличалось от фонового уровня по t-критерию Стьюдента. Достоверное превышение частоты разрядов клеток над фоновой рассматривалось как реакция возбуждения, достоверное снижение - как реакция торможения. Рисунок распределения реакций по этапам программы был уникален для каждого нейрона. На гистограммах видно, что клетки проявляют как тормозные, так и возбуждающие реакции. На одном и том же этапе программы одни клетки возбуждаются, а другие тормозятся. Также очевидно отличие в активности одних и тех же клеток при правых и левых реализациях. Кроме того, следует отметить, что наблюдаемые достоверные реакции присутствуют как на отдельных этапах поведения, так и продолжаются в течение нескольких последовательных этапов.
