Введение к работе
t.Актуальность исследования. Пространственно-временная .каріЧїна мира является основой, на которой происходит формирование и развертывание деятельности живых существ. Согласно представлениям академика П.К.Анохина, вписанность живущих организмов в неорганическую природу была непременным условием их выживания. При этом разнообразные фактори окружающей среды отражяатся в полном соответствии с компонентами пространственно-временного континуума в протоплазме клеток специализированного органа отражения - головного мозга. С современник позиций весь континуум поведенческой деятельности любого живого существа может быть расчленен на отдельные дискретные отрезки - "кванты", имеющие системную организацию и завершающиеся различной степенью удовлетворения той или иной потребности (К.В.Судаков, 1979, 1984).
В связи с этим встает вопрос о физиологических закономерностях и тонких нейрохимических механизмах формирования импульсной активности отдельных нервных клеток при осуществлении живым организмом соответствующих поведенческих "квантов" целенаправленной деятельности. Одним из возможных путей решения этого вопроса является системный под-худ и разработанная на его основе концепция и н т е г-активной деятельности нейрона с представлением о "степенях свободы" его реагирования, иначе - "... специфической конфигурации возбуждений, которая выходит на аксон и представляет собой выявление какого-то специфического интегративного состояния, соответствующего количеству и качеству входных возбуждений от данной динамической ситуации в масштабах целого мозга" (П.К.Анохин, 1974). Интегративная деятельность нейрона заключается, таким образом, в выборе из обширного диапазона степеней свободы нейрона лишь обеспечивающих, сочетанно со степенями свободы других нейронов,.результативную поведенческую деятельность организма, В этом отношении поведение требует для своей ре.'чизации подбора соответствующих
степеней свободы реагирования многих нейронов различных отделов мозга в рамках той или иной интеграции, а вариации импульсной активности отдельного нейрона есть варианты способов его вовлечения различными степенями свободы в узловые механизмы какой-либо функциональной системы. Интег-ративная деятельность нейрона представляется, таким образом, последовательной непрерывной сменой его внутренних состояний, каждое из которых создается своеобразной комбинацией гетерогенных синаптических входов за определенный интервал времени. Поскольку именно с интегративным состоянием нервной клетки должны быть непосредственно связаны степени свободы ее реагирования в виде генерации потенциалов действия на ее аксоне, возникает вопрос о механизмах формирования нейроном таких степеней свободы, которые необходимы для построения целенаправленного поведенческого акта, а также механизмов, обеспечивающих смену одних степеней свободы другими.
Согласно П.К.Анохину, формирование необходимых степеней свободы нейрона представляется в несколько этапов: первый из них - конвергенция на нейроне разнородных возбуждений; второй - создание специфического интегративного состояния на основе химической интеграции с использованием наличной памяти нейрона; третий - генерация аксональной им-пульсации. Решающим, ключевым пунктом отих процессов является внутринейрональная обработка возбуждений. В настоящее время считается установленным, что в основе работы нервных клеток лежат метаболические реакции, протекающие в протоплазме и ядре нейрона (П.К.Анохин, 1974; H.Hyden, 19301 В.В.Шерстнев, 1982; И.П.Ашмарин, 1982,1967; О.Х.Коштоянц, и соавт.,1987; Р.И.Кругликов и соавт. ,1986; B,V»Agranof, 1981). Эти процессы должны сопровождаться комплексом метаболических изменений во всем объеме нейрона, начиная от субсинаптических мембран и заканчиваясь генераторным пунктом. "Именно здесь - по мнению П.К.Анохина -раскрываются законы выбора степеней свободы нейрона, вхождение его в определенные узловые механизмы целой функциональной системы". Таким образом, можно предполагать, что механизмы, предетерминирующие устранение избыточности в способах
вовлечения нейрона на этапах поведенческого акта, имеют химическую природу и затрагивают медиаториый и белковый обмены, прямо связанные с физиологической функцией нервно!'. клетки.
Цели и задачи исследования. Основной целью работы явилось изучение нейрохимических механизмов вовлечения нейронов корн головного мозга на последовательных этапах пищедо--бывательного поведения.
Конкретные задачи исследования заключались в следующем:
-
Разработать экспериментальную модель целенаправленной пищедобывателыюй деятельности кошек с регистрацией и микроионофоретическим подведением биологически активных веществ к отдельным нейронам коры головного мозга, а также с внутрикелудочковым введением блокатора белкового синтеза в условиях свободного поведения животных. .
-
Изучить динамику импульсной активности гейронов коры мозга на последовательных этапах инструментального пищедобыв&тельиого поведения.
-
йсследевгть химическую чувствительность нейронов коры мозга к биологически активным веществам на последовательных этапах инструментального поведения кошек.
-
Выявить и изучить факторы, определяющие смену химическое чувствительности корковых нейронов в целенаправленном поведении.
-
Исследовать особенности влияния микроионофоретиче-ски подводимых веществ на характер импульсной активности нейронов коры ноэга на разных этапах инструментальной пи-ведобывательной деятельности.
Концепция. - Характер разрядной деятельности и химической чувствительности нейронов зрительной области коры головного мозга на отдельных этапах целенаправленного поведенческого акта оп-репйляется системными процессами (афферентный синтез, реализация программы действия, акцептор результатов действия и оценка параметров результата на основе обратной афферен-таг.ии), в которые вовлечен каждый нейрон в данный момент вр-зпени ,
Вовлечение нейронов коры мозга в системную организацию пищедобывательного поведения осуществляется путем опережающего избирательного изменения их хеморецептивных свойств при участии собственного белок-синтезирующего аппарата.
Каждому этапу пищедобывательного инструментального поведения соответствует центральная интеграция реагирующих и ареактивных клеток в зрительной области коры, имеющая свою нейрохимическую природу.
Отдельные нейропептиды (лизилвазопрессин) организуют центральную интеграцию нейронов в зрительной коре мозга; ли-зилвазопрес;:н после подведения к нейронам блокатора синтеза белка циклогексимида восстанавливает участие нервных клеток в системных процессах пищедобывательного поведения.
Научная новизна работы.
- Впервые проведен анализ химической чувствительности нейро'
нов зрительной области коры головного мозга на различных
этапах системной организации пищедобывательного поведения
у кошек.
Показано, что широта вовлечения нейронов зрительной коры в центральной архитектонике целенаправленного поведенческое го акта связана с уровнем их химической чувствительности К нейромедиатораы.
Установлено, что последовательному развертыванию отдельных этапов целенаправленного поведения соответствует смена различных химических состояний корковых нейронов. Причем отдельные этапы поведенческого акта характеризуются избирав тельной химической чувствительностью нейронов к ацетияхоли-ну и норадреаналину. Показано, что катехолаыинергический механизм преимущественно обеспечивает вовлечение нейронов на стадии реализации программы действия, оценки этапного и. конечного полезного результатов, а холинергический - форми-1 рование предпусковой интеграции, аппарата предвидения и восприятия зрительных параметров подкрепления и самого под* крепления.
Выявлена зависимость химической чувствительности нейронов коры мозга к нвйроыедиаторам на разных этапах пищедобывательного поведения от уровня функционирования белок-синтезирующего аппарата клетки. При этом на фоне введения блока-
тора синтеза белка циклогексимида наблюдалось уменьшение числа клеток, реагирующих на асех этапах инструментального поведения, а также их низкая чувствительность к ацетил-холину и норадреналину на этих этапах поведенческого акта. -Установлено, что микроионофоретически подведенный нейро-пептид лизилвазопрессин после апплицируемого циклогексиг/и-да восстанавливает уровень частоты разрядов отдельных нейронов коры на последовательных этапах г.ицедобывательного поведения.
Практическая значимость 'работы.
Результаты проведенного исследования дают возможность глубже понять механизмы участия нейронов коры головного мозга в осуществлении целенаправленной поведенческой деятельности. Полученные данные об особенностях химической чувствительности корковых нейронов в поведении и характере влияний блокаторов белкового синтеза, антагонистов нейро-медиаторов и нейропептида лизилвазопрессина на импульсную активность клеток коры могут быть использованы как основа для дальнейшего научения данных биологически активных веществ з этиологии, патогенезе и лечения ряда нервно-психических заболеваний. Теоретический материал, представленими в диссертации, нашел применение в лекционном курсе физиологии для студентов и слушателей 4І1К I ММй им.И.М.Сеченова МЗ СССР, биологического и философского факультетов Киевского государственного университета им.Т.Г,Шевченко, МГТУ .:!...Н.Э.Баумана, Всесоюзной школы "Опыт преподавания теории функциональных систем в медицинских и технических высших учебных заведениях" (г.Москва, 1983) . Разработанные автором методики используются в Ленинградском институте физиологии :; биохимии АН СССР.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на: симпозиуме "Механизмы системной деятельности мозга", Горький, 1978; ХХУ, ХХУІ, ХХУП, ХХУШ "Со-вешаниях по проблемам высшей нервной деятельности" Ленинград, 1977, 1981, 1984, 1989: ХШ Съезде Всесоюзного физиологического общества, Алма-Ата, 1979; Ш Берлинском
- б -
нейрофизиологическом симпозиуме Университета им.Гумбольдта (ГДР), 1984; симпозиуме "Интегративная деятельность нейронов: молекулярные основы", Ялта, 1988; на Итоговых научных сессиях Института нормальной физиологии им.П.К.Анохина АМН СССР, Москва, 1977, 1978, 1981, 1982, 1989, 1990; сов' местных научных конференциях кафедры нормальной физиологии I Ш им.И.Ы.Сеченова МЗ СССР, Москва, 1985, 1988, 1989.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 20 печатных работ.
Объем и і труктура диссертации. Диссертация изложена на 303 страницах машинописного текста и состоит из "Введения", "Обзора литературы", "Материалов и методов", шести глав "Результатов исследования", "Обсуждения результатов", Общих выводов. В списке литературы содержится <#5 наименований работ. Диссертация иллюстрирована II таблицами и 60 рисунками.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ Опыты были проведены на 30 взрослых кошках. Эксперименты ставились на животных, помещенных в специальную камеру, на одной из сторон которой были смонтированы кормушка и печаль, которую можно было отодвигать от кормушки ка расстояние до 40 см. Источники светового и звукового сигналов находились прямо над кормушкой на высоте 30 см. Мясо или молоко подавались в кормушку автоматически с помощью специального устройства.
Методика микроионофоретической аппликации веществ . в условиях свободного поведения животного
Работа проводилась при помощи разработанной нами (В.В.Андрианов, Н.Д.Захаров, Ю.А.Фадеев, 1977) методики микроионофоретического подведения биологически активных веществ к отдельным нейронам коры мозга. Регистрацию импульсной активности осуществляли внеклеточно с использованием микроэлектродов, выполненных иа стекла "пирекс",' заполненных З М раствором хлористого натрия или калия и имевших сопротивление порядка 10 - 40 Мом. Форетическое подведение веществ осуществлялось многоканальными стеклянными
микроэлектродами, изготовленными по методике В.П.Белого и В.В.Шерстнева (1973). Для предотвращения шунтирования между каналами микроэлектрода его торцевая поверхность покрывалась эмалью. Для фореза использовались следующие вещества: 2 М раствор норадреналин битартрата (рН 5,2), З М раствор ацетилхолян хлорида (рН 5,3), Z U раствор атропина сульфата (рН 5,3). 2 М раствор пропранолола гидрохлорида (рН 5,2), 2 х 10- и 2x10 М растворы лизилваэопрессина (рН 5,4 - 5,6), 2x10 М и 2x10 М растворы циклогексимида (рН 9,4 - 9,6) на трис-фосфатном буфере. Канал компенсации токового эффекта заполнялся 0,15 И раствором хлорида натрия и имел отрицательную полярность. Величина форетических положительных токов составляла 30 - 50 нА.
Методика введения веществ в желудочки мозга в условиях свободного поведения животного
Внутрижелудочковое введение раствора циклогексимида (на трис-фосфатном буфере, рН 9,4 - 9,6) осуществляли в условиях свободного поведения животного с помощь» микроинъек-торя, имеющего шприц объемом 25 мкл фирмы "Hamilton" (Швейцария), в котором поршень жестко фиксировался с винтом микрометра. При помощи микроинъектора внутрь желудочка вводили циклогвксимид в дозе 30,0 мкг/кг веса животного, й качестве контроля другим животным вводили физиологический раствор. Экспозиция введения составляла 5 - 10 минут перед се&чсом обучения, который начинался спустя 30 минут. Динамику поведенческих эффектов введенного вещества регистрировали в течение последующих 40 - 60 минут.
После экспериментов с. микроионофореэом и регистрацией импульсной активности животных забивали, а мозг фиксировали в 10% растворе формалина с целью последующего определения локализации канюли в желудочке мозга.
Аппаратура Для отведения биоэлектрических потенциалов использовались: УБПІ-0І, УБФ-4, осциллограф "Диза-электроник". Фоко-фотостимуляция осуществлялась комплексом формы "Расия" и "Альвар-электроник''. Для проведения дискретного анализа поведенческого к^нтину>..іа и импульсной активности нейронов
нами было разработано специальное устройство, способное выделять отдельные узловые точки, которые могли бы стать отправными пунктами для сопоставления импульсной активности нейрона с элементами поведения (В.В.Андрианов, В.Ф.Волков, В.С.Карманный, Ю.А.Фадеев, 1981).
Программа экспериментов
В качестве экспериментальной модели была использована инструментальная пищедобывательная реакция. С введением инструментального звена появлялась реальная возможность некоторого "расчленения" целостного поведенческого акта на отдельные этапы, удобные для анализа нейронной активности и фрагментов поведения; кроме того, при инструментальной реакции отчетливо выявляется целенаправленный характер деятельности животного. Нами были выбраны две модели инструментального поведения: первая - условно-рефлекторная инструментальная реакция нажатия животным педали на включение светового или звукового раздражителей и вторая - спонтанные нажатия животным педали, приводящие к подаче подкрепления.
Дискретной единицей деятельности животного был избран поведенческий "квант" с выраженным полезным результатом. В перво"1 экспериментальной модели "квант" состоял из следующих этапов: I - восприятие включения условного сигнала, II - латентный период условной двигательной реакции, III -нажатие животным на педаль, ІУ - "период ожидания" подкрепления, У - восприятие появления молока в кормушке, УІ -лакание молока животными. Во второй экспериментальной модели - I - исходное состояние животного, II - нажатие на педаль, III - "период ожидания" подкрепления, ІУ - восприятие появления молока в кормушке, У - лакание животными молока. Пищедобывательная деятельность кошек представляла непрерывную последовательность "квантов".
Анализ разрядной деятельности нейронов проводился посредством построения пре- и постстимульных гистограмм с шириной канала 50, 70, 100 мс по 5 - 10 реализациям. В экспериментах исследовались нейроны зрительной области коры головного мозга кошек, поскольку у этих животных при формировании и осуществлении различных видов поведенческой деятельности зрительная афферентация является одной из ведущих.
В опытах с микроионофоретическим подведением веществ при выполнении животным инструментального пищедобнватель-ного поведения импульсная активность каждого нейрона регистрировалась последовательно в трех сериях одного эксперимента: без подведения веществ, на фоне непрерывного подве-. дения вещества А, на фоне непрерывного подведения вещества Б. Достоверность различий в реакциях нейронов оценивалась по критерию Стъюдента. Обработка данных проводилась на ЭВМ СМ-4 и Электроника-60.
Похожие диссертации на Иммунологические и иммуногенетические механизмы формирования аллергических заболеваний дыхательных путей
