Введение к работе
Актуальность проблемы. За последние десятилетия одним из наиболее фундаментальных вопросов, возникающих в сфере нейронауки, является вопрос о том, как отдельные нейронные круги (сети) группируются для создания больших нейронных систем с целью контроля движения, памяти, познания и т.д. В частности, проблеме центральной организации, программированию и контролю движений посвящено множество исследований (Гранит, 1973; Шаповалов, I975;Fompeiano, I975;I99I; Козловская, 1976; Лиманский, 1976; I987;Wilson,Jones, 1979; Майский, I983;Ito, 1984; Аматуни, 1987; Gahery, 1987; Фанардхян, Ман-велян, 1992; Фанарджян, Саркисян, 1992). Двигательная деятельность организма реализуется благодаря комплексно действующим центрам головного мозга, которые посредством нисходящих проекций оказывают пусковые и модулирующие влияния на соинальныэ нейронные системы координации движений. К числу супраспинальных центров, регулирующих позу и локомоцию, относится и вестибулярная система, которая осуществляет восприятие и анализ информации о положении и движении тела в пространстве.
За последнее время внимание физиологов было направлено на изучение механизмов спинальной моторной регуляции, обеспечиваемой ве-стибулоспинальными (ВС) путями. Эти пути, с точки зрения сенсорной нейрофизиологии, достаточно сложно устроены, поскольку на мотонейронном уровне происходит взаимодействие лабиринтных, зрительных и мышечных проприоцептивных входов. Были также изучены спЕнальные нейронные круги и су пра спина льны в структуры, вовлеченные в вестибулярный контроль позы и движений.
Работы по изучению ВС рефлексов, проведенные на людях, были посвящены выяснению того, как сегментарные и супрасегмвнтарные механизмы вовлекаются в вестибулярный постуральный и двигательный контроль и как они подвергаются регуляции со стороны других структур ШС. Исследование механизмов взаимодействия различных структур мозга с вестибулярными ядрами представляется актуальным для понимания феномена вестибулярного дефицита и адаптации, возникающей в ми-крогравитационных и патологических условиях.
У позвоночных вестибулярная система состоит из периферического отдела (собственно вестибулярного аппарата) и вестибулярного ядерт ного комплекса в стволе мозга. Все эфферентные вестибулярные ядерные нейроны могут Сыть разделены на шесть различных функциональных групп: I) вестибуло-глазодвитательныв нейроны; 2).весгибуло-спи-нальные нейроны; 3) вестибуло-мозжечковые нейроны; 4) вестибуло-
ретикулярные нейроны; 5) вестибулярные коммиссуральные нейрона и 6) вестибуло-таламические нейроны ( lto,I984). НЗ нейроны ядра Дейтерса составляют основной компонент одной из наиболее древних и эволюционно закрепленных систем надсегментараого контроля ( Ка-ррега et al,I960; Шаповалов, 1975). В отличие от других нисходящих трактовых клеток, они оказывают преимущественно возбуждающее влияние на мотонейроны экстензорных мышц и угнетают моторные клетки флексорных мышц (Wilson, Koshida, I969;Brillner et el., 1970; Akaike et el., 1973 a,b ; Шаповалов, 1975; Wilson, Jones, 1979).
К настоящему Бремени выполнено много исследований, подробно характеризующих структурную и функциональную организацию афферентных и эфферентных связей ядра Дейтерса. Показано, что основные афферентные входы в ЛЕЯ поступают из вестибулярного аппарата ( shima-zu, Precht, 1965;Ito et el., 1969a ; WalDerg, Mugnaini, 1*969; nrodal, 1974; Wilson, Jones, 1979; Carpenter, 1988), мозжечка ( v-alberg, jansen,I96I; Ito et al.,1970a ; Akaike et al., 1973c; Uorvaja, Fompeiano, 1979; Wilson, oones, 1979; Carpenter, 1988) и ИЗ СПИННОГО мозга (flrodal, Pompeiano, 1957a ; Brodal, Angaut 1967; Boyle, Fompaiano, 1981; Carpenter, 1988). Для лабиринтного и мозжечкового входов ядро Дейтерса играет исключительно важную роль в интеграции вестибулярных и церебеллярннх влияний и в передаче их в спинной мозг.
Информация относительно других афферентных и эфферентных связей ядра Дейтерса со структурами ствола мозга, среднего мозга и коры мозга представлена в основном морфологическими исследованиями (Бродал, 1971; Кулешова, 1971; Brodal, 1974;.Pompeiano et al.,I97B; Ito J.ef al.,I982; Carpenter, 1988; Погосян, Фанарджян, 1988).
Надо полагать, что злектрофизиологическое исследование нейронных механизмов взаимодействия япра Дейтерса о образованиями перечисленных отделов мозга, имеющими определенные отношения к двигательным функциям организма, даст более целостную картину участия ядра Дейтерса в программировании, центральной организации и контроле различных двигательных актов.
В отношении центральной регуляции движений представляет большой интерес изучение механизмов взаимодействия ядра Дейтерса с такими структурами как I) ядра ретикулярной формации (Pffl) ствола мозга, J2) нижняя олива (НО) и ретикулярное ядро покрышки моста (ЕЯЇЇМ), 3) интерстициальное ядро Кахаля (ИЯК) и ядро Даркшевича ' (ЯД), 4) ядерный комплекс черепных нервов, 5) Красное ядро (КЯ),
6) заднее гипоталамическое ядро (ЗГЯ), 7) кора переднего червя и фастигиальное ядро (ФЯ) мозжечка и 8) кора мозга.
Исследование отмеченных вопросов даст возможность расширить наши представления об интегративной деятельности ядра Дейтарса. Полученные данные могут быть использованы в неврологии для лучшего понимания расстройств движений при вестибулярных нарушениях.
Цель и задачи работы. Общей целью данной работы было систематическое электрофизиологическое исследование спнаптичэских механизмов функционирования афферентных и эфферентных проекций ядра Дейтерса и взаимоотношений последнего со структурами ствола мозга, мозжечка, среднего мозга, подкорковых образований и коры мозга. В соответствии с поставленной целью были определены следующие основные задачи:
-
Изучить особенности распределения представительства первичных вестибулярных афферантов (ПВА) при стимуляции вестибулярного (УШ пара) нерва.
-
Исследовать эффекты стимуляции ядер 1 ствола мозга на активность нейронов ядра Дейтерса.
-
Изучить синаптические механизмы взаимоотношений ядра Дейтерса о различными отделами НО и ЕЯПМ.
-
Исследовать синаптические механизмы взаимоотношений ядра Дейтерса с ИЯК и ЯД.
-
Исследовать эффекты стимуляции ядерного комплекса черепных нервов (Ш, ІУ, У, УП и ХП пары) на активность нейронов ядра Дейтерса.
-
Изучить синаптические процессы, возникающие в нейронах ядра Дейтерса при раздражении КЯ.
-
Исследовать синаптические механизмы взаимоотношений ЗГЯ с ядром Дейтерса.
-
Изучить пространственную организацию вестибулярных влияний на нейроны фастигиального ядра.
-
Посредством стимуляции различных областей коры мозга определить ее функциональное значение в активности нейронов ядра Дейтерса.
Основные результаты и их новизна. Впервые методом внутриклеточного отведения исследованы эффекты стимуляции латерального (ЛЕЯ), мелкоклеточного (МЕЯ), гигантоклэточного (ГРЯ) и парамедианного (ПРЯ) ретикулярных ядер ствола мозга на активность нейронов ядра Дейтерса. Показано, что стимуляция отмеченных структур приводит к антидромной и синаптической активации BG нейронов. ЛВЯ. Электрофи-
- 4 -зиологически выявлены коллатерэли аксонов ВС нейронов, достигающие указанных ретикулярных ядер. Установлено, что стимуляция ЛРЯ и ооооенно МЕЯ вызывает моно- и полисинаптические ВПСП и ТПСП в нейронах ядра Дейтерса. Стимуляция ГРЯ и ПРЯ вызывала в нейронах ЛЕЯ преимущественно антидромные потенциалы действия (ПД). Выявлена конвергенция влияний из ретикулярных ядер ствола мозга на нейронах ядре Дейтерса.
Впервые показано, что стимуляция рострального отдела НО вызывает в нейронах ядра Дейтврса преимущественно антидромные ответы, тогда как при стимуляции его рострального отдела чаще регистрируются синаптические ответы. Стимуляция рострального и особенно каудального отделов НО, а также РЯПМ вызывала моно- или олигосинапти-ческие и полисинаптические ТПСП в нейронах ЛЕЯ. На раздражение каудального отдела НО в нейронах ядра Дейтерса возникали моно- или олиго- и полисинаптические ВПСП, а также последовательность ВПСП-ТЕСП. Показана конвергенция влияний из рострального и каудального отделов НО и РЯПМ на нейроны ядра Дейтерса.
Установлено, что стимуляция ИЯК и ЯД приводит к антидромной и синаптичеокой активации нейронов ядра Дейтерса. Электрофизиологи-чески выявлены восходящие к отмеченным структурам мозга коллатерэли аксонов вестибулярных нейронов. Установлено, что стимуляция ИЯК и ЯД вызывает моно- и полисинаптические ВПСП и ТПСП в нейронах ядра Дейтерса. Показана конвергенция влияний из ИЯК и ЯД на исследованные нейроны ЛВЯ.
Впервые выявлено, что стимуляция глазодвигательного (ЯГН) (Ш пара), блокового (ЯБН) (ІУ пара), каудального тройничного (КТЯ) (У пара), лицевого (ЯІН) (УП пара) и подъязычного (ЯПН) (ХП пара) ядер соответствующих черепных нервов сопровождается антидромной и синаптичеокой активацией нейронов ядре Дейтерса. Выявлены нисходящие и восходящие к этим структурам коллатерэли аксонов вестибулярных нейронов. Установлено, что стимуляция ЯГН и ЯБН обусловливает появление в нейронах ядра Дейтерса возбукдащих олиго- и полисинап-тических реакций, а стимуляция КТЯ и ЯЛН - моно- и полисинаптичес-ких ВПСП. Впервые показано, что стимуляция КТЯ приводит к моно- и яолисинаптическому торможению и дисфацилитации нейронов ядра Дейтерса, ТПСП в части вестибулярных нейронов зарегистрированы также при стимуляции ЯПН. Показана конвергенция влияний из указанных структур на нейроны ядра Дейтерса.
Электрофизиологически впервые исследованы взаимоотношения КЯ и ЗГЯ с ядром Дейтерса. Показано, что стимуляция КЯ в основном при--
водит к антидромной, а также мого- или олиго- и полисинаптической активации нейронов ядра Дейгерса. Тормозных реакций на стимуляцию КЯ в нейронах ЛВЯ но было обнаружено. Наряду с антидромными ответами, раздражение ЗГЯ в нейронах ядра Дойтерса вызывало также моноси-наптическое возбуждение. Показано наличие восходящих аксонных холла-тералей ВС нейронов ядра Деитерса к ЗГЯ и КЯ.
Показано, что более 2/3 нейронов, синаптически активируемых раздражением ипсилатерального УШ нерва, локализовано в каудальной половине фастигиального ядра. Более половины из этих фастигиальных нейронов антидромно активировались при раздражении контралатераль-ного ЛВЯ. Обнаружено, что большинство нейронов, антидромно активированных раздражением вентральной области контралатерального ядра Деитерса, распределены в каудальной половине ФЯ. Раздражение дорсального отдела обоих ядер Дейгерса антидромно активировало фасти-гиальные нейроны, расположенные в медиальной и ростральной областях ядра. Вентральная половина ипсилатерального ЛВЯ лишена проекции от ФЯ. Раздражение ипсилатерального ЛВЯ вызывало ортодромные ПД в нейронах ростральной части ФЯ.
Методом внутриклеточной регистрации впервые изучены эффекты стимуляции различных участков сенсомоторной коры на активность нейронов ядра Деитерса. Показано, что стимуляция коры мозга приводит к антидромной и синаптической активации нейронов ЛВЯ. Вызванные из коры синаптические потенциалы имели моно- и полисинаптичэскуго природу. Стимуляция коры мозга вызывала в нейронах ЛВЯ ыоно- и полиси-наптичвские ВПСП. Выявлены восходящие коллатералв ВС нейронов ядра Деитерса, достигающие различных участков коры, а также широкая конвергенция влияний из указанных участков на нейроны ЛВЯ. Редко раздражение коры мозга обусловливало появление тормозных эффектов полисинаптической природы. Обнаружена топическая корреляция между ядром Деитерса и различными участками коры мозга.
На основании полученных результатов предлагается схема нейронной организации входов и выходов ядра Дейгерса. Научно-практическое значение работы. Работа относится к числу фундаментальных исследований. Результаты исследования могут быть включены в специальные лекционные курсы по нейрофизиологии в вузах медико-биологического профиля. Электрофизиологическиа данные, полученные по функциональной организации ядра Дейгерса, расширяют наши представления о роли последнего в центральных механизмах организации в управления движениями. Они могут быть использованы в клинической практике при диагностике и лечении вестибулярных нарушений
и болезни движения, связанных с поражением как собственно ядра Дей-терса, так и лабиринта и других структур мозга, контролирующих его деятельность. Полученные результаты могут быть использованы в космической биологии, учтены при разработке обучающих автоматических систем управления, а также при построении моделей механизмов движений различных типов роботов-манипуляторов. Основные положения, выносимые на защиту.
-
Вестибулярные нейроны, испытывающие моносинаптические лабиринтные влияния, распределяются в вентральной половине ядра, тогда как полисинаптически активируемые- нейроны обнаруживаются ео всех его отделах. Верхние уровни спинного мозга находятся под большим контролем вестибулярного аппарата, чем его нижние отделы.
-
Ядро Дейтерса взаимодействует с ретикулярными ядрами ствола мозга, НО, ЕЯПМ, ИЯК, ЯД, ядрами черепных нервов, КЯ и ЗГЯ. Стимуляция указанных структур приводит к антидромной моно- или оли-го- и полисинаптической активации нейронов ядра Дейтерса. Стимуляция МРЯ, ЛРЯ, НО, РЯПМ, ИЯК, ЯД, КТЯ и ЯПН обусловливает возникновение тормозных моно- и полисинаптических ТПСП в нейронах ядра Дейтерса. Стимуляция КТЯ приводит к дисфацилитаторной гиперполяризации вестибулярных нейронов.
-
Нейроны, получающие первичные вестибулярные ЕХОДЫ из ип-силатерального лабиринта и вторичные вестибулярные входы из ядер Дейтерса обеих сторон, имеют четкое топографическое распределение в фастигиальном ядре мозжечка.
-
Стимуляция различных областей сенсомоторной коры мозга модифицирует активность ядра Дейтерса. Имеется топическая корреляция между ядром Дейтерса и различными областями коры. Восходящие коллатерали аксонов ВС нейронов ядра Дейтерса достигают различных областей коры мозга.
-
Существует широкая конвергенция влияний из структур ствола мозга, мозжечка, подкорковых образований и различных областей коры мозга ла вестибулярные нейроны, расположенные в функционально четко разграниченных дорсокаудальном и ростровентральном отделах ядра Дейтерса.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены на: Годичных научных сессиях Института физиологии им. Л.А.Орбели АН АрмССР, Ереван, 1977 и 1985; ІУ Всесоюзном симпозиуме по проблеме "Структурная и функциональная организация мозжечка", Ереван, 1977; УІ Международном симпозиуме по проблеме "Мозг и поведение", Дилижан, 1977; П Конференции молодых физиологов Закавказья, Баку, 1979; Международ-
ном симпозиуме по проблеме "Локализация и организация церебральных функций", Москва, 1978; Ш и ІУ съездах Армянского физиологического общества, Ереван, 1979, 1987; У Всесоюзном симпозиуме по проблеме "Структурная и функциональная организация мозжечка", посвященном 100-летию со дня рождения Л.А.Орбели, Ереван, 1982; Всесоюзной конференции, посвященной 40-летию образования Института физиологии им. Л.А.Орбели АН АрмССР, Ереван, 1984; Научном совете кафедры физиологии университета им. Зеымельвейса, Будапешт, 1985, 1991; Всесоюзной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения И.С.Бериташвили на тему "Современные проблемы физиологии нервной и мышечной системы", Тбилиси, 1985; ПУ и ХУ съездах Всесоюзного физиологического общества им. И.П.Павлова, Баку, 1983, Кишинев, 1987; П Всемирном конгрессе по нейронаукам, Будапешт, 1987; УІ Всесоюзном симпозиуме по проблеме "Структурная и функциональная организация мозжечка", Ереван, 1988; Научном совете кафедры физиологии Пизанского университета, Пиза, 1989; Всесоюзном симпозиуме по проблеме "Регуляция сенсорных функций", Винница, 1989; Ш Всесоюзной конференции по нейронаукам, Киев, 1990.
Публикации. Материалы диссертации изложены в 30 научных работах, опубликованных в отечественных и зарубежных изданиях. _ Объем и структура диссертации. Работа изложена на 2ЧЪ страницах машинописного текста, иллюстрирована 46 рисунками. Диссертация состоит из введения, обзора литературы по основным вопросам затронутых проблем, главы описания методов исследования, четырех глав изложения результатов исследований, общего заключения и общих выводов. В конпе каждой экспериментальной главы дается обсуждение полученных результатов. Библиографический указатель включает 95 отечественных и 569 иностранных источников.