Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 10
1.1. Структурная организация таламо-кортикальной системы 10
1.1.1. Общие принципы организации таламуса 11
1.1.2. Таламо-кортикальные проекции в кору 20
1.1.3. Кортико-таламические связи 25
1.2. Генерация ритмической активности 30
1.2.1. Альфа-ритмическая активность 30
1.2.2. Веретенообразная активность 31
1.2.3. Ритмические разряды последействия 38
1.3. Перспективы исследования механизмов генерации ритмической активности мозга 41
Глава 2. Объект и методы исследования 47
2.1. Объект исследования 47
2.2. Операционная подготовка животных 48
2.3. Электроды 49
2.4. Приборы и оборудование 51
2.5. Методы анализа экспериментальных данных 53
2.5.1. Методы анализа фоновой фокальной биоэлектрической активности 53
2.5.2. Методы анализа вызванной фокальной биоэлектрической активности 53
Глава 3. Результаты исследования 54
3.1. Таламо-кортикальные отношения в условиях спонтанной веретенообразной активности 54
3.1.1. Особенности развития спонтанной ВА в S1 и таламусе 54
3.1.2. Фазовые отношения спонтанной ВА в S1 и таламусе 66
3.1.3. Роль разных слоев S1 в организации спонтанной ВА 76
3.2. Таламо-кортикальные отношения в условиях вызванных ритмичных разрядов последействия 83
3.2.1. Развитие РРП в S1 при различных типах стимуляции 84
3.2.2. Послойная организация РРП в S1 92
3.2.3. Зависимость развития РРП от фонового состояния 101
3.3. Таламо-кортикальные отношения в условиях развития реакции усиления и реакции вовлечения 108
3.3.1. Послойные особенности развития РУ и РВ в S1 108
3.3.2. Зависимость развития РУ и РВ от фонового состояния 112
Глава 4. Обсуждение результатов исследования .123
Выводы 133
Список сокращений 135
Список литературы 136
- Общие принципы организации таламуса
- Кортико-таламические связи
- Особенности развития спонтанной ВА в S1 и таламусе
- Роль разных слоев S1 в организации спонтанной ВА
Введение к работе
Актуальность исследования. Благодаря наличию специфических и неспецифических ядерных образований, выполняющих модулирующие, интегративные и регулирующие функции, таламус является важнейшим посредником афферентных и эфферентных взаимосвязей коры больших полушарий. В различных функциональных состояниях мозга, таких как сон и бодрствование, формируются определенные таламо-кортикальные отношения, организация которых во многом определяется неспецифическими образованиями таламуса (Morison, Dempsey, 1942; Jasper, 1960; Гусельников, Супин, 1968; Буриков, 1971, 1985; Steriade, et al., 1984-1991, и др.).
На современном этапе изучения таламо-кортикальной системы одним из наиболее принципиальных вопросов является вопрос о функциональной организации взаимовлияний различных слоев коры и таламических ядер, поскольку вертикальная морфо-функциональная неоднородность коры может являться основой многих механизмов, участвующих в регуляции состояний бодрствования и сна. Долгое время основой многих исследований служили взгляды Лоренте де Но (Lorente de No, 1938) о послойном распределении таламо-кортикальных афферентов, согласно которым специфические терминали оканчиваются в 3-4 слоях, а неспецифические в 1 и 6. Однако позже стало известно, что таламические (в особенности, неспецифические) связи организованы значительно сложнее. Так, согласно Херкенхэм (Herkenham, 1986), распределение таламических проекций по слоям неокортекса зависит от того, в каком корковом поле они оканчиваются, а Джонс (Jones, 1998) предложил вообще отказаться от классических взглядов, обнаружив, что поверхностные слои коры получают проекции практически от всех таламических нейронов, вне зависимости от их ядерных границ.
Противоречивые данные имеются также относительно механизмов генерации и пространственно-временной организации ритмической активности альфа-частотного диапазона в таламо-кортикальной системе, в то время, как ЭЭГ-феноменам такой активности (спонтанные сонные веретена, вторичные вызванные ритмичные разряды, реакции вовлечения и усиления) многие исследователи отводят важнейшую роль в регуляции потока афферентной информации (Серков, Казаков, 1980), механизмах квантования сенсорной информации (Гусельников, Супин, 1968; Данилова, 1985; Сухов, 1995, и др.), а также в механизмах обработки информации мозгом (Ливанов, 1967; Уолтер, 1969; Шевелев с соавт., 1991).
Для объяснения механизмов генерации и синхронизации ритмичной альфа-подобной активности, в частности, сонных веретен, был разработан ряд «нейросетевых пейсмекерных гипотез», объясняющих формирование ритмической активности в коре мозга за счет водителей ритма, или «пейсмекеров». При этом, ряд исследователей (Andersen, Eccles, 1962; Нарикашвили, 1975, и др.) считают, что возникновение ритмичных осцилляции в коре мозга обусловлено активностью релейных нейронов специфических ядер таламуса, в то время как другие авторы указывают на преимущества нейронных популяций неспецифических структур таламуса (Буриков, 1971, 1985; Вербицкий, 1980; Steriade, et al., 1984-1991, и др.), либо внеталамических источников (Бутхузи, 1971; Чаянов, 1986; Сунцова, 2000, и др.), либо коры, которая сама может выступать ведущим звеном в организации ритмичной активности (Дуринян, 1975; Lopes da Silva et al., 1978; Кратин, Сотниченко, 1987; Contreras, Steriade, 1996; Timofeev, Steriade, 2004 и др.).
Таким образом, многие вопросы, связанные с механизмами, лежащими в основе генерации ритмической активности в таламо-кортикальной системе, остаются дискуссионными. Кроме этого, весьма противоречивы и малочисленны исследования, касающиеся
взаимоотношений ритмичной активности различных слоев соматосенсорнои коры с таламическими ядрами в состояниях сна и бодрствования, в то время как изучение подобных взаимодействий может прояснить многие вопросы относительно механизмов бодрствования и сна, а также регуляции и обработки сенсорной информации при различных уровнях активации мозга.
Цель и задачи исследования. Целью работы являлось исследование таламо-кортикальных влияний на различные слои соматосенсорнои коры крысы в состояниях бодрствования и медленноволнового сна.
В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи:
Исследовать закономерности пространственно-временной организации веретенообразной активности в первичной соматосенсорнои коре, в специфических и неспецифических ядрах таламуса в состояниях бодрствования и медленноволнового сна.
Изучить особенности функционального взаимодействия различных слоев соматосенсорнои коры и таламических ядер при спонтанной веретенообразной активности.
Проанализировать свойства ритмичных разрядов последействия, реакций усиления и вовлечения в различных слоях соматосенсорнои коры под влиянием одиночной и ритмичной стимуляции специфических и неспецифических ядер таламуса.
Оценить роль верхних и нижних слоев соматосенсорнои коры при формировании кортико-таламических взаимоотношений в состояниях бодрствования и медленноволнового сна.
Научная новизна результатов исследования. Проведенное исследование пространственно-временной организации спонтанной и вызванной веретенообразной активности с учетом послойного распределения специфических и неспецифических таламических влияний на первичную
соматосенсорную (SI) кору крысы в состояниях сна и бодрствования показало, что в фоновой активности различных слоев коры может иметь место как сопряженное, так и не сопряженное развитие веретенообразной активности в коре и таламусе.
Впервые показано, что при переходе от бодрствования к начальным стадиям медленноволнового сна изменяется характер специфического и неспецифического таламо-кортикального взаимодействия, проявляющийся в существенном увеличении согласованности развития ритмической активности в таламических (медиальных и вентральных) ядрах и нижних (5-6) слоях соматической коры. Показано, что нижние слои коры в условиях спонтанной веретенообразной активности могут иметь тесные, сравнимые с внутрикорковыми функциональные связи с медиальными неспецифическими ядрами таламуса.
Выявлены различия в послойной организации таламо-кортикальных отношений и их зависимость от функционального состояния мозга. Обнаружено, что в условиях вызванной фокальной активности первичные, а в особенности вторичные ответы соматосенсорной коры крысы в результате одиночной, парной и ритмичной стимуляции таламических структур связаны как с тангенциальной, так и с вертикальной нейронной организацией соматической коры крысы. При этом частотно-фазовые характеристики вызванных ответов в существенной степени зависят от параметров стимуляции.
Теоретическое и практическое значение работы. Результаты исследования расширяют существующие представления о морфо-функциональной организации таламо-кортикальной системы и механизмах лежащих в основе генерации ритмической активности мозга, что представляет интерес для решения нейрофизиологических проблем, связанных, в частности, с изучением таламо-кортикальных и
внутрикорковых отношений, регуляцией цикла бодрствования-сон, взаимодействия регуляторных систем мозга. Результаты работы использованы при выполнении грантов РФФИ № 00-04-48804, INTAS № 97-10090, РФФИ№ 04-04-58546
Основные положения, выносимые на защиту.
Спонтанная биоэлектрическая активность характеризуется достаточно независимыми уровнями - таламическим и корковым - в организации веретенообразной ритмической активности в пределах таламо-кортикальной системы.
Изменение функционального состояния мозга при переходе от бодрствования к медленноволновому сну приводит к трансформации лабильности соматосенсорной коры и, как следствие, к изменению свойств реакций усиления и вовлечения, которые обладают характерными послойными особенностями и проявляются в повышении порога вызванных ответов, понижении частоты усвоения ритма стимуляции и развитии процессов трансформации ритма.
Нижние слои соматосенсорной коры и неспецифические медиальные структуры таламуса обладают тесной функциональной связью, закономерно изменяющейся при переходе от бодрствования ко сну.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены: на I Российской школе-конференции «Сон - окно в мир бодрствования» (Москва, 2001), в материалах IX Всероссийского семинара "Нейроинформатика и ее приложения" (Красноярск, 2001), в сборнике «Проблемы нейрокибернетики» (Ростов-на-Дону, 2002), в сборнике Всероссийской конференции «Пластичность и структурно-функциональная взаимосвязь коры и подкорковых образований мозга» (Москва, 2003), в материалах II Российской школы-конференции «Сон -окно в мир бодрствования» (Москва, 2003), в материалах научно-
практической конференции «Проблемы общей биологии» (Ростов-на-Дону, 2003), в материалах XIX съезда физиологического общества им. И.П. Павлова (Екатеринбург, 2004), на докладах 6-й международной школы ISN "Responses to Trauma in the CNS: Genes to Ethics" (Avignon, 2004), 17th Congress of the European Sleep Research Society (Prague, 2004), International Summer School in Behavioural Neurogenetics (Moscow, 2005), XIV Международной конференции по нейрокибернетике (Ростов-на-Дону, 2005) и First Congress of World Association of Sleep Medicine (Berlin, 2005).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, личный вклад автора 68,6 %.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, обзора литературы, описания методов исследования, трех разделов, содержащих собственные результаты, обсуждения полученных результатов, выводов и библиографического указателя, включающего 59 отечественных и 162 зарубежных источников. Диссертация изложена на 155 страницах машинописного текста, содержит 3 таблицы и 32 рисунка.
Общие принципы организации таламуса
В процессе изучения таламуса, его ядерные образования объединялись в разные группы, в зависимости от подхода к их классификации. Было предложено объединять клеточные скопления в группы на основании сходства фило- и онтогенетического развития, или сходства в цитоархитектонике (Rose, 1942), на общности афферентных связей (Walker, 1938; и др.), или по характеру связей с корой больших полушарий.
Подобные классификации и их комбинации не всегда совпадают с ролью исследуемых структур, выясненной в результате электрофизиологического эксперимента, а стремление установить наиболее точные отличия в цито- и миелоархитектонике, зачастую приводит к выделению до 150 ядер (Hassler, 1959) в таламусе (у человека), что уменьшает не только практическую значимость, но и демонстрируют односторонний подход подобных классификаций.
Большое распространение получили классификации, основанные на топографии таламических ядер. Так, Уолкер (Walker, 1938) выделял в таламусе шесть ядерных групи, границами которых являлись внешняя и внутренняя медулярные пластинки, внутренняя капсула и эпиндема желудочка. Однако, Т.А. Леонтович (Леонтович, 1978) считала, что образования таламуса следует делить только на две группы - вентральная и дорзальная, так как ею было показано, что все ядра дорзального таламуса, так же, как и все ядра вентрального, имеют принципиально единый план нейронной организации, совершено отличный для каждого из них. Местные особенности строения нейронов в разных ядрах этих двух отделов таламуса, отражающие их некоторые функциональные различия, не выходят за пределы основных принципов организации каждого из этих отделов.
Согласно же Хаслер (Hassler, 1959), наиболее надежной функциональной характеристикой таламических ядер является особенность их проводниковых связей, в связи с чем он предложил разделить таламус на три основные группы: специфические, ассоциативные и неспецифические. Подобный принцип классификации оказался наиболее оптимальным и, претерпевая у разных авторов некоторые изменения, касающиеся в основном номенклатуры, сохранился до сегодняшнего дня. Наибольшее признание в нейрофизиологии получила функциональная классификация Аймон-Марсан (Ajmone-Marsan, 1965), согласно которой, таламические ядра подразделяются на три большие группы (табл. 1).
Специфические ядра: 1) имеют локальные проекции в определенные участки коры больших полушарий; 2) связи с корой имеют моносинаптическии характер и заканчиваются преимущественно на нейронах 3-4 слоев коры аксосоматическими синапсами; 3) в ядре переключается афферентная импульсация непосредственно от периферических рецепторов или от первичных воспринимающих ядер нижележащих стволовых структур (первичные специфические ядра) или несенсорных внеталамических источников (вторичные переключающие несенсорные ядра); 4) основную клеточную массу ядра составляют нейроны с длинным аксоном и слаборазвитыми дендритами, так называемые «релейные» клетки,, которые окружены мелкими короткоаксонными «интернейронами», имеющими предположительно тормозную функцию.
Ассоциативные ядра: 1) эфферентные волоіша направляются к ассоциативным областям коры, а также к специфическим прекционным областям; 2) связь с ассоциативными областями коры моносинаптическая, волокна идут к 1 и 2 слоям, отдавая по пути коллатерали в 4-5 слои, образуя контакты с пирамидными нейронами посредством аксосоматических синапсов; 3) основная масса афферентных волокон приходит из других таламических ядер; 4) преобладают мультиполярные нейроны (40%) округлой формы, а также имеются биполярные и трехотросчатые клетки с короткими аксонами.
Неспецифические ядра: 1) проекции в кору более диффузны, чем у специфических ядер; 2) связь с корой полисинаптическая, хотя могут быть и моносинаптические связи; волокна направляются во все слои коры, контакт с пирамидными клетками аксодендритного типа; 3) афферентные волокна, главным образом из ретикулярных структур мозгового ствола, гипоталамуса, специфических ядер, а также некоторое количество специфической восходящей афферентации; 4) клетки преимущественно с длинными, слабоветвящимися дендритами.
Кортико-таламические связи
Первоначально, кора рассматривалась только как нейрональный субстрат, формирующий обратные реципрокные связи с таламическими ядрами. Позже однако выяснилось, что характер этих связей не столь однозначный и подчиняемый, а морфофункциональная гетерогенная организация коры, и в частности ее послойное строение, играет важную роль в формировании особых кортико-таламических отношений.
У крыс, как и у всех млекопитающих, кортико-таламические проекции возникают преимущественно из 5-6 слоев пирамидных клеток. Особенно велико число кортико-таламических нейронов, посылающих свои аксоны в таламические ядра на уровне 6 слоя коры мозга, причем показано, что они отличаются от других клеток этого слоя, которые дают начало проекциям к другим корковым или подкорковым областям (Katz, 1987; Levay, Sherk, 1981; Zhang, Deschenes, 1997). Во многих исследованиях сообщается также, что в первичных сенсорных областях коры существует строгая послойная специализация кортико-таламических клеток, проецирующихся к различным таламическим ядрам (Bourassa, Deschenes, 1995; Catsman-Berrevoets, Kuypers, 1978; Conley, Diamond, 1990; Gilbert, Kelly, 1975; Good, Killackey, 1991;Usrey,Fitzpatrick, 1996).
Основываясь на результатах многочисленных морфологических исследований внутриталамического распределения аксонов и их окончаний (Bourassa, Deschenes, 1995; Guillery, 1966; Hoogland et al., 1991; Levesqueetal., 1996; Ojima, 1994; Rockland, 1994; Rouilleret al., 1991; Rouiller, Welker, 1991), кортико-таламические волокна зрительной, соматосенсорных, слуховой и моторной областей у большинства млекопитающих можно разделить на два типа: 1) Первый тип кортико-таламических связей возникает в 5 клеточном слое и включает в себя длинные аксоны посылающие свои окончания преимущественно в ствол и спинной мозг. Эти аксоны не дают коллатерали ни к ретикулярному ядру, ни к специфическим ядрам таламуса, однако образуют небольшие скопления терминален в интраламинарных и ассоциативных ядрах (Hoogland et al., 1991; Ojima, 1994; Rouiller, Welker, 1991). Более подробное распределение корковых афферентов этого типа в таламусе остается пока неизвестным. 2) Второй тип кортико-таламических волокон, являющийся более многочисленным, берет начало в 6 корковом слое, дает коллатерали к ретикулярному ядру а также образует обширные терминали в большинстве таламических ядер. Основной характерной чертой этих кортико-таламических окончаний является способность к формированию пресинаптических контактов с дендритами таламических релейных клеток. (Jones, Powell, 1969; Liu, Honda, Jones, 1995; Majorossy, Kiss, 1976; Somogyi etal., 1978). Среди перечисленных кортико-таламических связей, особо следует выделить обширную систему нисходящих корковых путей в срединный центр, образующий вместе с парафасцикулярным ядром единый комплекс CM-PF. Волокна этой системы по сравнению с теми, которые идут от коры к специфическим ядрам таламуса, отличаются тонкостью и длительными сроками дегенерации. Так, в исследованиях на кошках, выполненных с помощью метода ретроградного транспорта пероксидазы хрена (ПХр), было выявлено большое число нейронов, проецирующихся в CM-PF из лобной и двигательной коры (Кратин и др., 1981), а также значительное число нейронов обнаружено в орбитальной, передней сильвиевой извилинах и в теменных полях. Сравнительно мало меченых нейронов содержится в височной коре, а также в переднем и заднем отделах лимбической области. В зрительной коре таких нейронов обнаружено не было(Яоусе, 1983).
Исследование локализации и типов нейронов, проецирующихся в СМ-PF, показало, что они в подавляющем большинстве являются пирамидами 5 слоя коры, и лишь одиночные встречаются в 6 слое. Эти нейроны не образуют скоплений, а располагаются на определенном интервале друг от друга, представляя собой вкрапления среди других клеток, внешне ничем от них не отличаясь. Только в 4 поле эти нейроны образуют специализированную мелкоклеточную нейрональную систему. Аналогичные результаты были получены ранее и на обезьянах (Catsman-Berrevoets, Kuypers, 1978), когда нейроны 4 поля, проецирующиеся в СМ, имели небольшие размеры и располагались в верхней части 5 слоя в виде двойного ряда над пирамидами Беца, в то время как нейроны, посылающие волокна к вентральному латеральному ядру таламуса, лежали под клетками Беца. В эксперименте на кошках с применением двойного ретроградного мечения в ряде полей коры были выявлены нейроны 5 и 6 слоев, имеющие коллатеральные проекции к хвостатому ядру и к CM-PF (Royce, 1983).
У грызунов, кортико-таламические проекции S1 коры оканчиваются прежде всего в Rt, в медиальной и латеральной частях вентрального заднего ядра (VPM и VPL), а также в задней группе ядер (Ро). Эти проекции были обнаружены еще в ранних исследованиях, когда применялась антероградная дегенерация (Rinvik, 1972) и экспериментах, использующих антероградный транспорт радиоактивно меченных аминокислот (Price, Webster, 1972; Wise, Jones, 1977). Более поздние методы позволили точнее выявить морфологию кортико-таламических проекций и их топологическую организацию.
Особенности развития спонтанной ВА в S1 и таламусе
Анализ развития спонтанной фокальной веретенообразной активности (ВА) в S1 и таламических ядрах выявил разнообразное соотношение корково-корковых и таламо-кортикальных связей, в зависимости от текущего функционального состояния (ФС) подопытных животных. Прежде всего, была отмечена возможность появления ВА еще до перехода в начальные стадии медленноволнового сна, в пассивном ненаркотизированном состоянии, когда регистрируемая биоэлектрическая активность обладала всеми частотными характеристиками, соответствующими состоянию бодрствования. Кроме этого, было обнаружено, что веретенообразная активность у крыс имеет более широкий частотный диапазон, и нередко наблюдаются так называемые «медленные» веретена с частотой внутриверетенного ритма 5-7 Гц.
В пассивном бодрствовании (ПБ), периодически возникающая ВА (до 10-15 % эпохи анализа) наблюдалась как в коре, так и в таламусе, однако, в данном ФС ее выраженность по амплитуде и длительности была выше в S1, где были отмечены также и послойные отличия (Рис. 4, 5). В верхних (1-3), супрагранулярных слоях соматической коры регистрировались высокоамплитудные ритмичные потенциалы, модулированные в характерные «веретена», длительность которых составляла от 700 мс до 2 сек с частотой внутриверетенных волн 7-10 Гц и межверетенными интервалами от одной до нескольких секунд. В нижних (5-6), инфрагранулярных, слоях S1 таюке наблюдалась модулированная в веретёна, однако меньшая по амплитуде, осцилляторная активность, как: правило, строго согласованная по частоте с активностью верхних слоев коры, В специфических (VPL, VPM) и неспецифических (nuclei intralaminaris) ядрах таламуса в данном состоянии пассивного бодрствования ВА характеризовалась тем же частотным диапазоном (7-10 Гц), что и в коре, но, в то же время, существенно отличалась от ВА корковых областей амплитудными характеристиками. Прежде всего, нарастающе-убывающая амплитудная модуляция внутриверетенных волн в таламических отведениях была менее выражена, либо вообще отсутствовала. Кроме этого, сама амплитуда таламических внутриверетенных волн могла быть в два раза меньше величины корковых потенциалов. Существенно также и то, что регистрируемая в различных таламических отведениях ВА обладала (как и в случае с корково-корковой регистрацией) высокой внутриталамической согласованностью, когда развитие веретена в специфическом ядре таламуса происходило одновременно с его появлением в неспецифическом ядре, в то время как взаимная согласованность развития веретен между таламусом и корой носила нерегулярный характер. Так, у животного, находящегося в состоянии ПБ, в короткий временной интервал, исходные записи фокальной активности исследуемых структур демонстрируют периоды достаточно высокой согласованности и синхронизации веретен между различными слоями неокортекса и таламическими ядрами (Рис. 4), сменяющиеся периодами рассогласования их активности (Рис. 5). Кроме S1 S1
Синхронное развитие веретенообразной активности в S1 коре и таламусе в состоянии пассивного бодрствования (S1 - верхний слой S1 коры, S1j - нижний слой S1 коры, Тс -специфическое ядро таламуса, Тн -неспецифические ядра таламуса) Тс 4Л ДО ч1ЫлМ\ДО Рис. 5 Асинхронное развитие веретенообразной активности в S1 коре и таламусе в состоянии пассивного бодрствования (S1 - верхний слой S1 коры, Sir - нижний слой S1 коры, Тс -специфическое ядро таламуса, Тн -неспецифические ядра таламуса) этого, могло варьировать количественное соотношение веретен в соматической коре и таламусе. Таким образом, в состоянии пассивного бодрствования ВА регистрируемая в коре и таламусе характеризовалась близким частотным диапазоном внутриверетенных волн, но различными амплитудными показателями и формой веретен. Особенно же следует отметить, что ВА в S1 и различных таламических ядрах, имела более высокую степень взаимосогласованности и синхронизации в пределах одного уровня, таламического или коркового, чем между ними. Подобное рассогласование таламо-кортикальных отношений при развитии ВА наблюдалось и в процессе дальнейшего перехода к начальным стадиям медленноволнового сна (Рис. 6), что достигалось путем дозированного, поэтапного введения раствора нембутала. Как и в естественных условиях, начало фармакологически вызванного медленноволнового сна (МС) сопровождалось характерным увеличением доли ВА (до 30-40% эпохи анализа) в регистрируемой активности S1 и таламических ядер, прежде всего, за счет укорочения межверетенных интервалов. Также постепенно возрастала интенсивность сонных веретен, что проявлялось в росте амплитуды внутриверетенных волн и длительности веретен, которая варьировала от 900 мс до 5 сек. Как и в пассивном бодрствовании, ВА была более выражена по форме и амплитуде в верхних слоях соматической коры, чем в нижних, и в два раза превышала соответствующую активность в таламусе (Рис. 6; Рис. 9). В большинстве случаев сонные веретена наблюдались в коре и таламусе одновременно (Рис. 6, А), но часто с разной степенью взаимосогласованности развития начала веретена или его завершения (Рис. 9; Рис. 10). В то же время, была отмечена возможность асинхронного развития ВА (Рис. 6, Б), к огда на фоне выраженного веретена в S1, происходило смещение «1 А Ю ЧЛ Ы Синхронное (А) и асинхронное (Б) развитие веретенообразной активности в S1 коре и таламусе в начальных стадиях медленноволнового сна. (S1А - верхние слои соматосенсорной коры, S1r- нижние слои соматосенсорной коры, Тр - ретикулярное таламическое ядро, Тс - специфическое ядро таламуса, Тн - неспецифическое ядро таламуса) соответствующей ритмичной активности в специфических и неспецифических ядрах таламуса. Проведенный статистический анализ спектров мощности и спектров когерентности, позволил подтвердить обнаруженные закономерности, а также выявить дополнительные особенности организации ВА в соматической коре, и таламических ядрах в состояниях пассивного бодрствования и медленноволнового сна. Так, согласно полученным спектрам мощности, в состоянии ПБ (Рис. 7, слева), биоэлектрическая активность верхних и нижних слоев S1, специфического (VPL) и неспецифических (Rt, n.intralaminaris) ядер таламуса, характеризовалась широким диапазоном частот, однако в таламусе в большей степени доминировали составляющие медленных (1-2 Гц) ритмов, а в S1, преобладал диапазон 3-5 Гц, более выраженный в верхних слоях, что соответствует ранее отмеченным особенностям организации ВА в разных структурах.
Роль разных слоев S1 в организации спонтанной ВА
Как демонстрируют проведенные исследования, в таламо-кортикальной системе существует два достаточно независимых уровня организации ВА - корковый и таламический. Что касается коры мозга, в состояниях как ПБ, так и МС, также могут проявляться и послойные особенности развития ритмической веретенообразной активности.
Так, в пассивном бодрствовании, эпизоды ВА могли наблюдаться и в коре, и в таламусе, однако в большинстве случаев выраженность веретен по амплитуде была максимальна в верхних слоях S1. В нижних слоях коры, меньшая по амплитуде осцилляторная активность часто была и менее модулирована в форму веретена. В то же время, супра- и инфрагранулярные слои S1 были как правило строго согласованны по частоте, длительности веретен, которая колебалась от 700 мс до 2 сек, а также межверетенным интервалам.
Характерно, что переход в медленноволновые стадии сна, хотя и сопровождался увеличением доли и интенсивности веретен в регистрируемой активности S1, однако не отражался на амплитудных характеристиках внутриверетенных волн, не влиял на частотную сонастройку активности верхних и нижних слоев коры, а также на фазовую согласованность внутриверетенных волн и одновременность начала и завершения веретен в пределах S1.
Таким образом, в состояниях ПБ и МС в пределах S1, на фоне строгой частотно-фазовой согласованности супра- и инфрагранулярного модулей, наблюдаются послойные отличительные особенности, которые проявляются прежде всего в различиях амплитуд ритмичных волн верхних слоев коры от нижних, а также в способах амплитудной модуляции ВА. Вероятно, что эти послойные отличия обусловлены не только, и не столько восходящими таламо-кортикальными влияниями, функционирование которых, согласно полученным нами результатов и многочисленных данных литературы, зачастую мало согласовано с корковыми элементами, сколько собственными, внутрикорковыми структурно-функциональными особенностями строения первичной соматосенсорной коры мозга. Вероятно также, что в тех случаях, когда наблюдается доминирующая роль коры в организаци-и В А (например, когда ВА наблюдается только в S1, или превосходит таламическую по амплитуде внутриверетенных волн и/или опережающему фазовому сдвигу ритмичных осцилляции), можно предполагать различное участие того или иного структурно-функционального уровня (слоя) коры в организации наблюдаемой ритмичной активности.
Соответственно, для выяснения степени таламо-кортикального соотношения активности, был проведен статистический анализ спектров мощности, спектров когерентности и фазовых кросскорреляционных спектров биоэлектрической активности верхних (1-3), супрагранулярных, нижних (5-6) инфрагранулярных слоев S1, а также специфических и неспецифических ядер таламуса в состояниях пассивного бодрствования и медленноволнового сна.
В состоянии ПБ (Рис. 17), согласно полученным спектрам мощности, в регистрируемой фокальной активности коры, особенно в ее верхних слоях, присутствует более широкий и мощный диапазон частот, чем в активности таламуса. Кроме этого, в верхних слоях S1 наиболее выражены медленные тета- и дельта-частоты и в меньшей степени альфа-диапазон. В нижних слоях коры, альфа-частоты, соответствующие ВА выражены неявно, а в
Послойные особенности таламо-кортикальных отношений в состоянии пассивного бодрствования таламусе практически полностью отсутствуют. Это согласуется с описанными выше наблюдениями (Рис.7 и 11), которые также продемонстрировали различия в особенностях частотной организации активности верхних слоев S1, по сравнению с активностью нижних слоев и таламических ядер.
Сравнительный анализ спектров когерентности активности исследуемых структур, подтвердил отмеченные ранее закономерности, касающиеся более высокой внутрикорковой согласованности, и показал высокие значения когерентности между верхними и нижними слоями S1. В анализируемом диапазоне 1-15 Гц наблюдалось два пика - в диапазоне медленных (1-5 Гц) частот и частот соответствующих ВА (8-12 Гц). В то же время, интересно отметить, что в паре «нижние слои коры - таламус» также наблюдались достаточно высокие значения когерентности в тех частотных диапазонах, по сравнению с парой «верхние слои коры -таламус», где когерентность на этих частотах практически равна нулю.
Эти же закономерности были выявлены при построении фаз усредненного кросспектра, которые показали чрезвычайно высокую, сравнимую с внутрикорковой, фазовую согласованность между нижними слоями коры и таламусом по всему диапазону анализируемых частот, в отличии от слабой согласованности между верхними слоями коры и таламусом, что может свидетельствовать о тесном кортикоталамическом взаимодействии, возможно за счет кортикофугальных влияний.
Переход от состояния ПБ к медлениоволновому сну, вызвал изменения в частотно-фазовых характеристиках активности таламо-кортикальных структур мозга. По показателям спектров мощности, развитие сна сопровождалось появлением и усилением активности в диапазоне 10—12 Гц, соответствующем ритму внутриверетенных волн, которые доминируют в этом состоянии. Также как и в ПБ, этот ритм был лучше выражен в соматической коре, особенно в ее верхних слоях, и в меньшей мере в таламусе (Рис. 18).
