Содержание к диссертации
Введение
CLASS Глава I. Обзор литературы . CLASS 7
Заключение 50
Глава II. Объект и методика исследования 52
Глава III . Первичные формы организации синхронизированных потенциалов развиващегося мозга 68
3.1. Двигательная активность кроликов во время опыта .. 68
3.2. Биоэлектрическая активность структур головного мозга 69
а) непрерывная форма медленноволновых потенциалов 70
б) периодическая форта организации биоэлектричес кой активности 81
3.3. Влияние нембутала на периодическую активность коры головного мозга 100
Заключение III
Глава ІV. Рефлекторно вызываемая периодическая активность кош больших полушарий 112
4.1. Действие ритмического света 112
4.2. Действие ритмического звука 127
4.3. Совместное действие света и звука 131
Заключение 147
Глава V. Обсуждение полученных результатов 149
Выводы 164
Список литературы 165
- Двигательная активность кроликов во время опыта
- Биоэлектрическая активность структур головного мозга
- Действие ритмического света
- Совместное действие света и звука
Введение к работе
Актуальность исследования. В настоящее время физиологам из-естно множество фактов, указывающих на большую роль, которую иг-ают ауторитмические механизмы в осуществлении моторных функций ервной системы беспозвоночных животных (Kandei, 1976). Не менее звестно и участие этих механизмов в сократительной активности ладкомышечных аппаратов висцеральных органов и сердечно-сосудис-ой системы позвоночных животных, включая теплокровных. Имеются казания на способность к ауторитмической активности и нейронов, іходящих в состав нервных сплетений полостных органов теплокров-щх (Wood, 1970). Вопрос же о возможности участия аутогенных іеханизмов в нормальной деятельности структур ЦНС теплокровных ю времени исследования И.М.Сеченова (1882) остается неясным. Ис-слючением является дыхательный центр. Между тем, результаты современных электрофизиологических исследований, выполненных на изолированных структурах ЦНС и на культурах нервных тканей, взятых j эмбрионов и новорожденных теплокровных, свидетельствуют о способности и центральных нейронов к аутогенному возбуждению. Однако эти факты не могут быть безоговорочно перенесены на нейроны целостных систем мозга, так как они получены в искусственно создаваемых условиях.
Очевидно, наиболее прямой путь для выяснения вопроса об участии ауторитмических механизмов в деятельности ЦНС теплокровных может открыть эволюционная физиология, и, в первую очередь, ее онтогенетических метод (Орбели, 1958). В начале шестидесятых годов одновременно А.В.Войно-Ясенецким и А.В.Бурсианом (1963) в нашей лаборатории и Гамбургером (Hamburger, 1963) в США были опубликованы результаты исследования на куриных эмбрионах, пока-
- 4 -авшие, что активность моторных центров незрелого спинного мозга одчинена периодическому режиму. Последующие исследования этих абораторий позволили показать, что периодические вспышки двига-ельного возбуждения есть характерный признак активности не реф-екторных, а аутогенных механизмов.
Периодическая активность характерна и для структур головного газга. Известно, например, что у взрослых теплокровных и человека ,о время медленноволновой стадии сна в неокортексе, в неспецифи-:еских ядрах таламуса и в других структурах головного мозга, ре-'истрируются периодические вспышки высокоамплитудных потенциалов. [, хотя в литературе в течение трех последних десятилетий неодно-:ратно высказывалось предположение об аутогенном механизме этого юномена, убедительных доказательств тому нет. К онтогенетическо-іу методу исследования не обращались. Между тем, указанный факт їелает вероятным, что в основе развития функций головного мозга, сак и спинного мозга, лежат ауторитмические механизмы. Необходи-ю, следовательно, подвергнуть анализу процесс развития в онто-'енезе спонтанной биоэлектрической активности структур головного юзга и ее взаимодействие с рефлекторными механизмами.
Цель исследования заключалась в выяснении участия собственных механизмов неокортекса, неспецифических ядер таламуса и афферентных систем в формировании периодической активности типа зонных веретен. В связи с поставленной целью задача исследования зостояла в том, чтобы проследить в процессе раннего постнаталь-зого онтогенеза эволюцию спонтанной периодической активности и веретен вовлечения в коре больших полушарий головного мозга и звязь этой активности с поведением животного.
Научная новизна. Электроэнцефалографический анализ эволюции периодической формы активности неокортекса, проведенный в пост-
- 5 -атальном онтогенезе кроликов, впервые показал генетическую связь гевду периодическими вспышками высокоамшштудных полиморфных по-'енциалов независимых от поведения новорожденных крольчат и ана-югичными вспышками у взрослых спящих животных.
В процессе онтогенеза параметры феномена периодичности не [ретерпевагот существенных изменений, однако, высокоамплитудные ютенциалы, составляющие периодические вспышки, изменяются вместе ) составом непрерывной медленноволновой высокоамплитудной актив-юсти, а веретенообразную форму они приобретают только с 16 дня юстнатального развития, когда созревают неспецифические ядра таламуса. Собственно феномен периодичности на всем протяжении юстнатального развития оказывается более устойчивым к действию іембутала, нежели слагающие его потенциалы и форма.
Результаты исследования в сочетании с литературными данны-ли, позволяют рассматривать феномен периодичности как проявление деятельности собственных ауторитмических механизмов неокортекса. Это не исключает возможности синаптической активации периодического феномена в неокортексе импульсами, исходящими из, таламуса іосле созревания его неспецифических структур. Подтверждение это-яу получено в реакциях вовлечения, вызываемых ритмическими световыми и звуковыми стимулами.
Научно-практическое значение. Проведенное исследование необходимо не только для углубления понимания механизмов деятельности мозга высших животных и человека и обогащения теории эволюции функций, но и для выяснения природы некоторых заболеваний нервной системы человека, связанных с расстройством управления ауторитмическими механизмами периодических процессов в ЦНС.
Разработанный в данном исследовании способ введения глубинных электродов и метод безартефактной регистрации биоэлектричес-
сой активности структур головного мозга теплокровных, начиная с [ерюда новорожденности в условиях их свободного поведения, может )ыть использован в лабораториях, занимающихся изучением развития зункций головного мозга в раннем онтогенезе (рацпредложение $37).
Двигательная активность кроликов во время опыта
Несмотря на перенесенную операцию, производившуюся под наркозом накануне и ограничение передвижения, налагаемое кабелем, поведение крольчат во время опытов было сходным с поведением ин-тактных животных одинаковых возрастов вне гнезда.
В двигательной активности животных 3-4-дневного возраста преобладают движения общего характера. В это время крольчата крайне неустойчивы: при ползании они падают то на один, то на другой бок; покачивают головой вверх-вниз и всем телом - из стороны в сторону.
На 5-6 день крольчата активно ползают, пытаются лезть на стенку камеры, перебирая по ней передними лапками, а задними опираясь в дно камеры. Обычно такие попытки кончаются падением на спину. Крольчатам этого возраста трудно держать голову приподнятой, и во время неподвижности она медленно опускается на подстилку.
С 7 дня крольчата становятся способными опираться на передние лапки и держать приподнятой голову более длительное время. При неподвижности они принимают стереотипную позу: вентральная сторона туловища и ростральная часть годовы прижаты к опоре, лапки прижаты к телу. Так как поведенческие признаки сна крольчат первых дней постнатальной жизни неопределенны, то неподвижность нельзя с уверенностью рассматривать как признак сна. Они становятся ясными лишь после 9-Ю дня, когда наступит прозревание. С этого момента неподвижность с открытыми глазами достоверно можно -отнести к бодрствованию, а с закрытыми глазами - к состоянию сна. После прозревания усложняется картина общего двигательного поведения: крольчата ходят, нюхают стенки камеры, прыгают. Все движения их становятся координированными.
Кроме разнообразных общих движений большое место в поведении крольчат занимают движения очищения - чесания, лизания, умывания, отряхивания. В первые дни наблюдаются отдельные чесательные движения, реже - лизания и еще реже - отряхивания и умывания. Достигнув максимума на 13-14 день, количество чесаний постепенно снижается, а лизаний увеличивается, и лизательные движения становятся преобладающей формой среди очистительных движений. Такая динамика развития очистительных движений описана в литературе при изучении нормального развития двигательной активности крольчат (Малаховская, 1961).
Иногда крольчата (особенно в возрасте трех и четырех недель) буквально впадают в состояние очистительного автоматизма. По несколько десятков секунд они чешутся и лижутся. Короткие движения чесания сменяются сериями лизаний, после чего снова возникают чесания и т.д. В некоторых случаях регистрируются только пачки чесаний без перехода в лизание. При всех этих вариантах ярко выявляется периодичность пачек, и вся картина свидетельствует о том, что животное действительно находится во власти механизмов ауторитмического возбуждения. Тех самых механизмов, с помощью которых, как показано К.В.Баевым и П.Г.Костюком (1981) (см.обзор у литературы), осуществляются чесательные движения и у взрослых животных.
Биоэлектрическая активность структур головного мозга
Крольчата рождаются в то время, когда в коре больших полушарий уже совершаются сложные биоэлектрические процессы. Эти про цессы, как показала электроэнцефалография, проявляются в двух основных формах: в виде кратковременных, периодически повторяющихся "параксизмальных" вспышек и в виде непрерывных, длительно поддерживающихся высокоамплитудных медленных колебаний потенциалов в дельта и тета-ритме. Какой-либо зависимости в переходе от периодической к непрерывной форме и наоборот установить не удалось. По несколько десятков минут в коре регистрируется то одна, то другая форма активности.
Хотя целью исследования является периодическая форма биоэлектрической активности, нельзя исключить из внимания и непрерывную, так как на начальных стадиях постнатального онтогенеза, да и позже, между ними имеется много общего в отношении к двигательной активности.
а) Непрерывная Форма медленноволновых потенциалов в разные сроки развития крольчат по-разному относится к движениям. Со дня рождения и до середины второй недели жизни крольчат, когда происходит прозревание, во время двигательной активности отчетливо увеличивается количество тета-волн и повышается их амплитуда. Дельта-волны, которые преобладают в состоянии неподвижности, во время движений не претерпевают каких-либо существенных изменений (рис.3.1 и 3.2). Создается впечатление, что увеличение выраженности тета-волн связано с поступлением в неокортекс проприоцептивных импульсов.
После прозревания крольчат, что происходит на 9-Ю день, медленноволновые непрерывные колебания потенциалов во время движений претерпевают изменения другого рода. Вплоть до 15 дня можно наблюдать постепенный переход от обогащения частотного состава ЭЭГ при движениях к реакции уплощения и десинхронизации. Но этот переход неустойчивый, и полная десинхронизация наступает лишь после 15 дня постнатального развития (рис. 3.3; 3.4; 3.5; 3.6 и 3.7).
Особого рода реакции наблюдаются у кроликов всех возрастных групп в то время, когда они впадают в состояние очистительного автоматизма. В таких случаях в коре и других структурах мозга наблюдаются высокоамплитудные потенциалы, идущие в ритме движений. Сначала мы думали, что это не что иное как артефакт движений, однако от такого предположения пришлось отказаться. Нетрудно видеть (рис.3.8), что в одном и том же опыте эти высокоамплитудные потенциалы, возникающие при чесании с частотой 6-8 в I с, ведут себя по-разному. В одних случаях, как при чесании с левой, так и с правой стороны потенциалы, идущие в ритме чесания, наблюдаются в хвостатом ядре и скорлупе, но их нет в сенсомоторной коре. В другом случае они, возникая в тех же структурах, начинаются и заканчиваются позже, чем само чесание. В третьем случае они охватывают все регистрируемые структуры, но в хвостатом ядре и скорлупе высокоашжтудные потенциалы начинаются раньше, чем появилось само чесание, а в коре позже.
Сдвиги во времени между движениями чесания и высокоамплитудными потенциалами в ритме чесания можно видеть на рис.3.9. Форма этих потенциалов не одинакова в разных опытах. В большинстве случаев они двуфазные, но встречаются и только отрицательные. Какой-либо возрастной закономерности проследить не удалось.
Во время ритмического лизания в ЭЭГ отчетливо регистрируБТ-ся тета-ритм, совпадающий с ритмом движений. Как и в случае чесания, потенциалы, идущие в ритм движений, наблюдаются не в каких-либо определенных областях мозга. Если тета-ритм появился сначала в одной структуре, то, при продолжающемся лизании, он может возникнуть и в других структурах.
Действие ритмического света
Как было сообщено в обзоре литературы, периодические вспышки высокоамплитудных потенциалов могут наблюдаться у взрослых животных при прямом раздражении электрическим током неспецифических ядер таламуса и при адекватном ритмическом раздражении рецепторов в секундном или близком к нему ритме. В качестве адекватных раздражителей в данном исследовании были избраны световые и звуковые раздражители и именно в секундном ритме. Эксперименты выполнены на кроликах трех возрастных групп.
Предварительно нужно сказать, что если в предыдущем разделе спонтанно возникающие периодические феномены у кроликов двух первых возрастных групп назывались "вспышками", то теперь они будут называться "спонтанными комплексами", а рефлекторно вызываемые -"рефлекторными комплексами" или просто "комплексами".
4.1. Действие ритмического света. У 13 кроликов первой группы ни в одном опыте не была зарегистрирована реакция коры на световые стимулы. При этом параметры текущей спонтанной периодической высокоамплитудной активности на фоне длительного (до нескольких минут) применения раздражителя не претерпевали каких-либо изменений (табл.4.1). Во второй возрастной группе кроликов реакция на ритмическое световое раздражение обнаруживается в зрительной коре в 43% применения света, в слуховой - в 31% и сенсомоторной - в 18%. Однако форма реакций не оставалась одинаковой во всех случаях.
Самая ранняя реакция зарегистрирована у 12-дневного кролика. Проявляется она в виде периодически возникающих комплексов [іотенциалов положительной полярности, характерных для реакции усиления. Такие комплексы обнаруживаются лишь в зрительной коре (рис.4.1). Первые признаки созревания неспецифических ядер таламуса наблюдаются с 13-дневного возраста, когда в ответ на световые стимулы в зрительной области возникают комплексы, составленные положительно-отрицательными и отрицательными потенциалами, в беспорядке сменяющими друг друга (рис.4.2). Смешанный тип периодических комплексов у кроликов 14-16 дней наблюдается в зрительной коре неоднократно. В сенсомоторной коре он отсутствует, а в слуховой - наблюдается только у одного кролика из 20-ти.
Этот состав комплексов следует, вероятно, рассматривать как результат одновременного возбуждения специфических и неспецифических ядер таламуса, когда между ними еще не установились отно-пения, присущие зрелому мозгу. Очевидно, отрицательные потенциалы принадлежат неспецифическим ядрам, а положительно-отрицательные потенциалы есть результат активности специфических ядер таламуса.
Комплексы, содержащие потенциалы только отрицательной полярности, появляются с 14 дня развития. Вплоть до 16 дня они случаются не часто (три в слуховой коре и один в зрительной коре) и не очень -четко отграничены друг от друга (рис.4.3). В этом же возрасте появляются реакции в виде непрерывных, более или менее равномерных по амплитуде, отрицательных потенциалов, возникающих на каждую вспышку света (рис.4.4). Такая форма реакции во всех областях коры наиболее многочисленна.
В те же дни реакция на мелькающий свет могла выражаться в виде комплексов, которые формируются путем периодического повышения амплитуды полиморфных потенциалов фона. Причем частотный состав потенциалов в комплексах остается тем же, что и состав потенциалов медленноволновой непериодической активности, предшествовавшей стимуляции (рис.4.5).
Сводка по всем формам реакций неокортекса на мелькающий свет дана в таблице 4.2.
Весьма важно, что параметры всех типов периодических реакций повторяют параметры спонтанной периодической активности коры у кроликов этой же возрастной группы (табл.4.3).
Необходимо особенно подчеркнуть, что ни периодические рефлекторные комплексы чисто отрицательных или смешанных потенциалов, ни периодические комплексы полиморфных потенциалов ни в одном случае у кроликов второй группы не имели веретенообразной формы.
В третьей возрастной группе реакции на световые ритмические раздражения были зарегистрированы в большем числе случаев, нежели во второй группе. Увеличивается количество всех форм периодических реакций за исключением смешанного типа, число которого, наоборот, уменьшается, и типа усиления, исчезнувшего совсем.
Совместное действие света и звука
Так как у кроликов первой группы не было выявлено реакций на световые и звуковые ритмические раздражения, то опыты с их одновременным синхронным воздействием выполнялись только на кроликах второй и третьей возрастных групп.
Опыты на кроликах второй группы показали, что звуковые сигналы не вносят существенных изменений в общее количество эффективных стимуляций, присущих действию одних мельканий света. Однако, при сравнении цифрового материала, содержащегося в таблице 4.2 и 4.7, можно видеть, что. в сенсомоторной коре при сочетании света и звука зарегистрировано два случая возникновения комплексов потенциалов отрицательной полярности, каких не наблюдалось при стимуляции одним светом. Эффективность добавления звуковых стимулов к световым показана на рисунке 4.10. В данном случае световые стимулы были включены позже звуковых. В результате отрицательный потенциал появился с первой же вспышкой света. Это произошло благодаря тому, что раньше включенный ритмический звук произвел уплощение фоновой медленноволновой актив- ности.
Оба эти факта дают указание на то, что уже во второй группе кроликов звуковые сигналы не безразличны для эффективности световых мельканий. Однако это относится лишь к кроликам не моложе 15-го дня развития. Как и во всех случаях раздельного применения света и звука, параметры периодики комплексов, возникающих при синхронном ритмическом действии света и звука, остаются такими же, как и при спонтанной периодической активности коры крольчат второй группы (табл.4.8).
При одновременном действии света и звука на кроликов третьей группы роль звука становится особенно заметной. Увеличивается не только общее количество реакций, но и количество их отдельных форм. Заметно возрастает число случаев появления в зрительной и слуховой коре веретен вовлечения, состоящих из потенциалов отрицательной полярности, а в сенсомоторной - веретен вовлечения полиморфного состава (табл.4.9). И, что особенно важно, те и другие формы реакции вовлечения приобретают веретенообразность еще более выраженную, чем при действии одного света.
Как и в опытах с одним светом, в разных областях коры могут появляться веретена разного состава. Однако сенсомоторная область в реакции вовлечения, содержащей отрицательные потенциалы, вместе с другими областями, как правило, не участвует (рис.4.II). Возможно, что это зависит от поведения животного во время эксперимента. Особенное значение, вероятно, имеет интенсивность про-приоцептивных потоков. Допущение такой возможности опирается на факт несовместимости периодической суммарной биоэлектрической активности с двигательной, о чем говорилось в главе о спонтанной периодике. Конечно, вопрос о значении проприоцептивных потоков и уровня функционального состояния животного для реакции на действие световых и звуковых ритмических стимулов решить далеко не просто. Однако, во многих опытах содержится материал, позволяющий подойти к нему, хотя бы в первом приближении.
В качестве примера обратимся к опыту на 27-дневном кролике (рис.4.12). Во время длительной неподвижности животного электроэнцефалограф регистрирует высокоамплитудные потенциалы, характерные для медленноволновой стадии сна без веретен. Включение звукового стимулятора сразу меняет картину. В результате пробуждения кролик проявляет небольшое двигательное беспокойство, а в его коре происходит десинхронизация. Причиной десинхронизации может быть как резкое усиление проприоцептивных потоков, так и ориентировочная реакция на звук. Но ритмический звук вносит в реакцию десинхронизации новое качество, выявляющееся, когда к нему присоединяется световое ритмическое раздражение. На рисунке видно, что в промежутке между движениями световые стимулы вызвали четыре отрицательных потенциала. Возобновившиеся затем движения предотвратили очередные реакции на вспышки света. Можно заметить, что немного позже влияние проприоцептивных импульсов стало ослабевать, в результате чего в слуховой коре начали обнаруживаться, хотя и слабые, отрицательные потенциалы на световые стимулы. Только полное прекращение движений позволило слуховой коре перейти на периодический режим, да и то не сразу: для этого понадобилось около 20 секунд синхронного действия света и звука. Может быть это было необходимо для преобразования десинхронизирующего действия звука в новое качество, необходимое ему для перевода коры на периодический режим. После выключения обоих дистантных раздражений слуховая кора еще некоторое время продолжала находиться под властью периодического режима, проявляемого в форме полиморфных веретен. Нельзя не заметить, что эти веретена, хотя и имеют низкую амплитуду, содержат тот же состав, что и медденноволновал фоновая активность. Указание на то, что звук в начале вызывает обычную десинхронизацию, а затем приобретает качественно новое действие, и заставляет неокортекс переходить на периодический режим, дает рисунок 4.13. В этом опыте свет, включенный раньше звука, не смог преодолеть фоновую высокоамплитудную медленновол-новую активность коры. Добавление звукового раздражителя вызывает десинхронизацию, сменившуюся через 4 секунды, реакцией вовлечения. Веретено вовлечения, достигнув максимума, резко обрывается и появляются потенциалы фона. Вмешался какой-то другой процесс, который в течение последующих II секунд был сильнее ритмического возбуждения дистантных афферентов. Затем кора стала отвечать полноценными веретенами вовлечения. После выключения звука остающиеся одни световые вспышки некоторое время оказываются способными вызывать реакции вовлечения, составленные отрицательными потенциалами. По мере же ослабления следового действия звуковых стимулов, содержание веретен вовлечения меняется на полиморфное. Позже световые вспышки (в данном случае) теряют способность вызывать и такие веретена. Описанный опыт в особенно яркой форме демонстрирует сущность взаимодействия между синхронно действующими ритмическими импульсами, исходящими из разных дистантных рецепторов. После нескольких повторений в течение опыта звук теряет (в силу привыкания) свое десинхронизирующее действие. В результате этого применение его на фоне ранее включенного, но неэффективного света немедленно ведет к появлению веретенообразно изменяющихся отрицательных потенциалов.
