На правах рукописи
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание степени кандидата биологических наук
НЕЙРОННАЯ АКТИВНОСТЬ СКОРЛУПЫ МОЗГА ОБЕЗЬЯНЫ, ОБУЧЕННОЙ ОПЕРАНТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ.
03.00.13 - физиология человека и животных
Филатова Елена Владимировна Российская Академия Наук.
Санкт-Петербург 2006
Работа выполнена в лаборатории интегративных функций мозга (заведующий-профессор доктор медицинских наук Б.Ф. Толкунов) института эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН.
Научный руководитель: Доктор медицинских наук, профессор Б.Ф.Толкунов
Официальные оппоненты:
Доктор биологических наук, профессор М.Н. Цицерошин
Доктор медицинских наук, профессор А.Ф.Якимовский
Ведущее учреждение: Институт физиологии им.И.П.Павлова РАН
Защита состоится 16 января 2007 года в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 002.127.01 при институте эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН, по адресу: 194223 Санкт-Петербург, пр. М.Тореза, д. 44, конференц-зал.
С диссертацией можно ознакомится в библиотеке института эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН.
Автореферат разослан 2007г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор биологических наук М.Н.Маслова
Общая характеристика работы
Актуальность проблемы. Исследование нейрофизиологических особенностей различных структур мозга, в частности структур входящих в состав базальных ганглиев представляет несомненный интерес. 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 (обзор: Якимовский 2006). В связи с этим, 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 миндалевидное тело, черное вещество, бледный шар и ядра таламуса со стриатумом. С другой стороны, перекрывающиеся проекции практически из всех зон коры создают возможности широчайшей интеграции на уровне стриатума.(Parent & Hazrati 1995, Nambu et al 2002).
Исследования нейронной активности стриатума в разнообразных экспериментах обнаруживают участие данной структуры помимо 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 поведения (обзор: 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.
Многочисленные работы указывают на наличие в стриатуме 2х типов функционально специализированных нейронов, которые преимущественно участвуют в тех или иных формах поведения (Alexander & DeLong.1985, Kimura et al.1984). Нейроны с низкой частотой фоновой активности (1-2имп/с) первого типа относят к проекционным нейронам, составляющим около 95% нейронов стриатума, а клетки с более высокой частотой (3-10имп/с) второго типа 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 (обзор: 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, вовлечение нейронов в формирование поведенческого ответа не однозначно зависит от их принадлежности к тому или иному типу. В экспериментах, где не было специального отбора того или иного типа клеток, было показано, что в ходе выполнения обезьяной последовательно разнородных этапов поведенческой программы при переходе от одного этапа к другому преимущественно вовлекаются одни и те же клетки (Толкунов с соавт. 2002).
Это позволяет предположить, что если бы за выполнение разного рода деятельности отвечали бы разные типы клеток, то на последовательных этапах активировались бы разные клетки. В связи с этим возникает вопрос, каким образом достигается специфичность выполнения разнообразных поведенческих моментов.
Цель работы. Исследовать характер нейронной активности скорлупы мозга обезьяны, обученной выполнению многокомпонентной поведенческой программы и выявить особенности специализированных и неспециализированных нейронных реакций.
Задачи работы.
1. Исследовать 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, находит ли отражение в нейронной активности целостность выполняемого поведения.
Научная новизна результатов исследования.
Обнаружены функционально специализированные реакции, присутствующие у большинства исследованных нейронов, относимых к различным функциональным типам.
К таким реакциям относятся тонические и физические 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.
1. Количество вовлекаемых нейронов скорлупы не отражает специфику этапов выполняемой программы. Оба типа, выделенных по частоте фоновой активности нейронов, активны на всех этапах программы.
2. 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.
3. 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 задачи.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Подробное исследование специализированных реакций нейронов скорлупы 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 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 опубликовано 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), выводов, списка литературы (включает 203 источника). Диссертация иллюстрирована 27 рисунками и 1 таблицей.
Материалы и метод. Работа выполнена на двух самцах обезьян (Macaca nemestrina и Macaca mulatta). В процессе эксперимента обезьяна находилась в приматологическом кресле. Поведенческая программа представляла собой цепной инструментальный рефлекс пространственного альтернативного выбора, состоящий из ряда последовательных действий и операций. После предупреждающего сигнала и паузы открывался экран, закрывающий доступ к рычагам и обезьяна выполняла поведенческое задание, в случае успешного выполнения которого получала пищевое подкрепление. Для сопоставления выполняемых действий и параллельно регистрируемой активности нейронов использовали следующие отметки. 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. 1. Ответ на предупреждающий сигнал; 2. Ожидание пускового сигнала; 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. Принятие решения и инициация движения; 9. Снятие выбранной руки с рычага и начало ее движения к манипулятору включения кормушки при одновременном удержании другого рычага; 10. Конец движения выбранной руки; 11.Включение пальцами этой руки манипулятора, управляющего кормушкой; 12. Щелчок автомата подкрепления; 13.Ожидание появления подкрепления (хлебный шарик); 14. Захват пищи и перемещение ее ко рту; 15. Поедание приманки.
Когда животное было обучено выполнять поведенческую программу, под кетаминовым наркозом производили хирургическую операцию по вживлению микроэлектродной системы. Координаты введения направляющей в 1серии эксперимента - правая скорлупа (А 16,5; L 8; H 4,5-8), во 2 серии - левая скорлупа (А 16,5; L 8; H 5-7,5) , в 3 серии -левая скорлупа (А 15,5; L 8; H 6,5-8.) (атлас Sneider S. A. and Lie J. C. 1961). Микроэлектродная система состояла из микроманипулятора, посредством которого независимо перемещались семь платиноиридиевых заточенных микроэлектродов в кварцевой изоляции (d=60мкм) и направляющей, представляющей из себя гребенку склеенных микрокапилляров в каждом из которых располагается микроэлектрод (Орлов А.А. и др.1989: Калмыков И.Ф., Орлов А.А. 1994).
Через миниатюрный предусилитель сигналы подавались на входы усилителей и через восьмиканальный АЦП фирмы “Юпитер” (время преобразования 125мс) накапливались on line в памяти компьютера. Амплитудная дискриминация нейронной активности и запись проводилась под контролем осциллографа. В анализ нейронной активности вошли только правильные реализации программы, при которых животное получало подкрепление. Отдельно рассматривалась нейронная активность, зарегистрированная во время выполнения лево и право - стороннего рефлексов. Анализ нейронной активности проводился путем построения релятивных гистограмм (Толкунов Б.Ф.1997.). Для каждой группы клеток производилась запись импульсной активности в течение 30-40 предъявлений экспериментальной программы. Перед каждой программой регистрировалась фоновая активность нейронов. Реакцией считалось статистически значимое (P<0,05) повышение или снижение частоты импульсной активности клетки по сравнению с фоновой по t-критерию Стьюдента. Отклонения в большую сторону классифицировались как возбудительные реакции, в меньшую как тормозные. Были выделены два типа реакций - фазический и тонический. Первый, когда реакция клетки ограничена пределами одного этапа программы, второй, когда активность охватывает два и более этапов подряд.
Реакции каждой клетки сравнивались при право- и лево - стороннем задании на каждом этапе поведенческой программы отдельно. Если клетка, на конкретном этапе, одинаково реагировала при правых и левых реализациях то такая реакция считалась недифференцирующей. Дифференцирующей на этапе, считалась реакция, когда клетка при правых и левых реализациях реагировала различным образом, сюда входили случаи, когда реакция наблюдалась только при реализациях на одну сторону или когда они носили разный характер (возбуждение и торможение). Если при сравнении левых и правых реализаций частота импульсной активности на отдельном этапе была выше, когда сторона подкрепления была противоположной исследуемому полушарию, то такое превышение считалось контралатеральным, в противном случае - ипсисилатеральным.