С целью сравнения активности клеток, отличающихся по своим базовым параметрам были выделены две группы клеток: высоко и низкочастотные нейроны. Критериями отбора служили принятые в литературе признаки, присущие TANs (тонически активным нейронам) и PANs (фазически активным нейронам). (Alexander GE & DeLong MR 1985, Kimura M, et al 1984, 1990, Wilson CJ 1993). Основным критерием отбора являлась частота фоновой активности. К низкочастотным нейронам относили клетки с частотой ниже 3имп/сек, к высокочастотным - от 3имп/сек и выше. Дополнительными критериями служили интервальные гистограммы.
нейронный активность скорлупа мозг
Результаты и обсуждение
Была зарегистрирована активность 148 нейронов в трех областях скорлупы. Из них - в одной области правого полушария- 36нейронов (группа А) и в двух областях левого полушария - 53нейрона (группа B) и 59нейронов (группа С) .
Средняя частота импульсной фоновой активности зарегистрированных нейронов скорлупы варьировала в диапазоне от 0,1 имп/с до 25 имп/с. В каждой группе клеток, зарегистрированных в трех зонах скорлупы двух полушарий присутствуют как высоко так и низкочастотные клетки. В целом, из 148 нейронов 51 клетка обладала низкой частотой фоновой активности (до 3имп/сек) и 97 - высокой (выше 3имп/сек).
Для анализа динамики изменения нейронной активности по этапам поведенческой программы использовали релятивные постстимульные гистограммы. Эти гистограммы строятся в относительных единицах времени, обусловленных реальной длительностью выполнения животным последовательных действий.
Анализ релятивных гистограмм показал, что клетки проявляют как тормозные, так и возбуждающие реакции, причем на одном и том же этапе программы одни клетки возбуждаются, а другие тормозятся. Также наблюдаются отличия в активности одних и тех же клеток при правых и левых реализациях (дифференцирующие и недифференцирующие реакции). Кроме того, наблюдаемые достоверные реакции присутствуют как на отдельных этапах поведения, так и продолжаются в течение нескольких последовательных этапов (фазические и тонические реакции). Анализ динамики изменения от этапа к этапу числа активных нейронов показал, что активные клетки присутствуют на всех этапах поведенческой программы. При этом реактивность клеток скорлупы к отдельным этапам программы мало отличается на всем ее протяжении (рис.1).
Рис.1. Общая динамика распределения числа реактивных нейронов по этапам поведенческой программы. Среднее по трем экспериментальным сериям (148 нейронов). По оси ординат - процент реактивных клеток на каждом этапе программы от числа зарегистрированных. По оси абсцисс - этапы программы.
Средний уровень численности отвечающих на поведенческих этапах клеток в разных зонах регистрации колеблется около половины от числа зарегистрированных нейронов. При сравнении числа реакций при правых и левых реализациях, при незначительных отличиях в численности реакций, обнаруживается корреляция для всех трех исследованных зон в динамике колебаний численности реакций при правых и левых реализациях от этапа к этапу (коэффициент корреляции -0.6 в 1 и второй группах - 0.6, в третьей -0.9).
Проведенный анализ показал, что как низко, так и высокочастотные нейроны участвуют во всех этапах поведенческой программы, причем в сравнимых процентных соотношениях по отношению к их числу.
Высокий уровень числа активных клеток на всех этапах программы, по- видимому, свидетельствует об участии исследуемой структуры во всех моментах поведения. Наличие ответов у обоих типов клеток на разнородных этапах, связанных как с целенаправленным движением, так и с появлением условного сигнала или получением подкрепления указывает на то, что любой момент поведения требует участия всех клеточных элементов. Отсутствие значимых отличий в численности активных клеток по этапам программы дает возможность предположить, что при очевидном участии структуры в исследуемом поведении, реактивность как таковая, не отражает специфичности этого участия в тех или иных моментах поведения. В связи с этим был проведен более детальный анализ активности нейронов, с учетом наблюдаемых различных типов реакций.
Обнаружено, что все типы наблюдаемых изменений клеточной активности присутствовали как у низко - так и у высокочастотных фоновоактивных нейронов, причем во всех трех зонах регистрации в сравнимых количественных соотношениях.
Исследование динамики изменения по этапам программы возбуждающих и тормозных реакций показало, что на всех этапах программы встречаются оба типа ответов, при этом возбуждающих реакций значительно больше, чем тормозных. Динамика тормозных и возбуждающих реакций различна в трех разных точках регистрации. Сравнение тормозных и возбуждающих реакций при правых и левых реализациях выявляет более дифференцированное отношение к задаче, чем картина реактивности. Обнаруживается отличие в числе тех или иных реакций после появления условного сигнала. При этом среди возбуждающих реакций правого полушария преобладание имеют ответы, наблюдаемые при левых реализациях, а среди тормозных - при правых реализациях.
Сравнение динамики тонических и фазических реакций во всех трех точках регистрации показал, что процент тонических реакций на всех этапах поведенческой программы в трех зонах регистрации выше, чем фазических. Динамика численности тонических и фазических реакций по этапам программы не одинакова.
Для двух исследованных групп клеток наблюдается повышение числа фазических реакций в начале и в конце программы и некоторое понижение в средней части, связанной непосредственно с выполнением задачи. В третьей группе клеток помимо начала и конца программы наблюдается повышение числа фазических реакций также на этапах связанных с принятием решения и движением руки. Тонические же реакции распространены по этапам программы более равномерно. При этом в их динамике наблюдаются три волны, причем это отмечается для всех исследованных зон. Таким образом, тонические и фазические реакции, очевидно, играют различную роль в вовлечении клеток скорлупы в формирование эфферентного потока, при этом тонический тип реагирования является преобладающим в количественном отношении.
Соотношение числа дифференцирующих и недифференцирующих реакций показывает преобладание численности недифференцирующих реакций в первой части программы и обратное соотношение во втором периоде. После предъявления условного сигнала наблюдается рост дифференцирующих реакций на определенных этапах (рис.2).
Рис.2. Соотношение недифференцирующих (левые столбики) и дифференцирующих (правые столбики) реакций. Среднее по трем экспериментальным сериям (148 нейронов). По оси ординат - процент клеток с данным типом реакции на каждом этапе программы. По оси абсцисс - этапы программы. Стрелкой обозначен момент предъявления условного сигнала.
Необходимо отметить два типа дифференцирующей активности на поведенческих этапах: есть реакция - нет реакции и наличие реакций разного знака при правых и левых заданиях. Причем последних было значительно меньше. Такого рода реакции во всех трех зонах отведения наблюдались исключительно во второй части программы (рис.3).
Рис. 3. Динамика дифференцирующих реакций разного знака (реакция возбуждения при левостороннем рефлексе и торможения при правостороннем и наоборот). Среднее по трем экспериментальным сериям (148 нейронов). По оси ординат - процент клеток с данным типом реакции на каждом этапе программы. По оси абсцисс - этапы программы. Стрелкой обозначен момент предъявления условного сигнала.
Отдельно проведено сравнение активности низко и высокочастотных нейронов по признаку дифференцирования стороны подкрепления. Оказалось, что количество дифференцирующих реакций в обеих клеточных популяциях не отличается на всех этапах программы. Напротив, число недифференцирующих реакций для группы нейронов с высокой фоновой частотой, начиная с 7 этапа, значительно превышает количество таких реакций для группы низкочастотных нейронов с высокой степенью достоверности (Р<0,008) по критерию Вилкоксона. Можно предположить, что механизмы выполнения поведенческой программы связаны с двумя процессами, протекающими одновременно с участием одних и тех же нервных элементах скорлупы. Один из них связан с закрепленной в памяти последовательностью сложных оперантных навыков и к этому, по-видимому, имеет непосредственное отношение недифференцирующая активность нейронов скорлупы, которая в большей степени связана с морфологическими особенностями структуры. В отличие от этого дифференцирующая активность связана с пространственной ориентировкоой по поводу условного сигнала, которая формирует направление текущей деятельности. Таким образом, в мозаики реагирования, связанные с текущей задачей вовлекаются все типы клеток, как низко, так и высокочастотные, но после 7 этапа среди высокочастотных сохраняется значительный процент клеток проявляющих недифференцирующие реакции, а реакции низкочастотных клеток становятся преимущественно дифференцирующими. Это согласуется с представлениями о том, что к низкочастотным нейронам относятся проекционные клетки, активность которых связывают с подготовкой и выполнением движений (Kimura et al. 1990, Kimura et al. 1996), в отличие от высокочастотных нейронов, активность которых связывают с когнитивными процессами, таким как обучение и оценка подкрепления (Apicella 2002, Yamada et al. 2004, Aosaki et al. 1994).
В связи с наблюдаемыми отличиями в динамике тонических и фазических реакций, был проведен анализ исследования дифференцирующей правую и левую сторону отдельно тонической и отдельно фазической активности. Этот анализ показал, что динамика тонических и фазических дифференцирующих реакций достоверно отличается во всех трех изученных группах клеток по критерию Вилкоксона с уровнем значимости для всех групп нейронов (A - 0.023, В - 0.015, С - 0.0015). При этом достоверные отличия между фазическими и тоническими реакциями отсутствуют до появления условного сигнала и имеют место после него с высокой степенью достоверности для всех трех групп (Р <0.008; Р<0.008; Р <0.007). Для сравнения по критерию Манна-Уитни было выделено два периода. Первый период объединяет цепь действий направленных на вызов левого или правого условного сигнала (1-6 этапы); второй период связан с действиями по поводу конкретного условного сигнала (7-15 этапы). Обнаружены достоверные отличия тонических реакций для всего массива выделенных по этому признаку клеток, в отличие от фазических (рис.4), где этого не наблюдается.
Рис.4. Соотношение фазических (левые столбики) и тонических (правые столбики) дифференцирующих реакций. По оси ординат - процент клеток с данным типом реакции на каждом этапе программы. Среднее по трем экспериментальным сериям (148 нейронов). По оси абсцисс - этапы программы.
Разделение нейронов с тоническим характером реагирования по признаку контра - и ипсилатеральности условного сигнала показало для контралатеральных реакций, в отличие от ипсилатеральных во всех трех случаях высоко достоверные различия между периодами до и после появления условного сигнала (этап7) (для группы А -0.001, В-0.017, С-0,005-уровень значимости по Манну-Уитни). Вместе с тем, общее соотношение контра- и ипсилатеральности реагирования нейронов всех зон отведения демонстрирует выраженное преобладание контралатеральности начиная с 7этапа программы с уровнем значимости 0,008 по критерию Вилкоксона.
Рис.5. Соотношение тонических ипсилаторальных (левые столбики) и тонических контралатеральных (правые столбики) дифференцирующих реакций. По оси ординат - процент клеток с данным типом реакции на каждом этапе программы. Среднее по трем экспериментальным сериям (148 нейронов). По оси абсцисс - этапы программы.
Для трех исследованных зон скорлупы обнаружены черты сходства в свойствах нейронных ответов. К ним относятся численное преобладание реакций возбуждения над реакциями торможения, преобладание количества тонических реакций над фазическими, а также динамика тонических ответов. Различная динамика в тормозных и возбуждающих реакциях в трех разных зонах скорлупы возможно является следствием морфологической организации структуры и соматотопически организованных корковых входов (Crutcher et al. 1984, Alexander, DeLong 1985). Обнаруженная разница в количестве и динамике тонических и фазических реакций свидетельствует об их различном вкладе в формирование мозаик реагирования. Фазические реакции выделяют начало и конец целостного поведенческого акта и не обладают выраженной латерализацией. Тонические, напротив, сопровождают весь поведенческий акт и дифференцирующая их часть обладает выраженной контралатеральностью. Литературные данные свидетельствуют о наличии билатеральных проекций из моторных зон неокортекса в скорлупу с преобладанием ипсилатеральных входов. В связи с тем, что моторные зоны коры отражают представительство контралатнеральных частей тела, то входы из этих зон в ипсилатеральную скорлупу также несут информацию о контралатреральных частях тела (Flaherty, Graybiel 1993, Takada et al. 1998). Наши эксперименты, показали преобладание контралатеральных реакций над ипсилатеральными во втором периоде программы. Т.о. обнаруженные общие свойства различных типов реакций для трех исследованных зон, такие как динамика тонических реакций и отражение специфики выполняемой поведенческой программы именно в контралателальных тонических дифференцирующих реакциях, в состав которых входят как возбуждающие так и тормозные реакции позволяет сделать вывод о том, что тонические контралатеральные дифференцирующие реакции отражают как способ вовлечения исследуемой структуры в целостную систему поведенческого акта, так и специфику морфологической организации. В связи с такой ролью тонических реакций возникает задача дополнительного анализа, направленного на выяснение их соотношения с отдельными этапами выполнения многоэтапной поведенческой программы.
Число тонических реакций возникающих и завершающихся на разных этапах программы было различным. Оказалось, что тонические реакции, начавшиеся на разных последовательных этапах программы, имеют отчетливую тенденцию заканчиваться преимущественно к определенным этапам. Так в двух группах, три четверти из числа реакций, начавшихся на этапах 1-4, закончились к пятому этапу, три четверти реакций с началом на этапах 6-9 завершаются к 10-му этапу, а большинство реакций начавшихся на 8-12 этапах завершается к 13, 14 этапам. В третьей группе нейронов, где тестирование проводилось с использованием программы без предупреждающего сигнала, также видно преимущественное завершение тонических реакций к определенным моментам программы. Более 70% реакций возникающих с момента открытия экрана (этап 3) до периода удержания двух рычагов (этап 6),завершаются к моменту появления условного сигнала (этап 7). Следующая группа реакций формируется из возникших на этапах с 7 по 10 с преимущественным завершением к 11этапу (завершающие пальцевые манипуляции). Также как и в других двух группах к периоду связанному с ожиданием получения подкрепления (этап13) завершается очередная группа ранее возникших тонических реакций. Такое распределение моментов завершения тонических реакций выявляет их отчетливый ступенчатый характер.
Группировка тонических реакций еще с большей отчетливостью видна на кривых, показывающих динамику моментов завершения тонических реакций, начинающихся на каждом из этапов программы. Для сравнения группировки реакций нейронов в двух вариантах поведенческой программы - с предъявлением предупреждающего сигнала (15 этапов) и без предупреждающего сигнала (13этапов) данные двух первых серий приведены совместно (рис. 6). В первом случае (рис. 6А) кривые соответствующие начальным четырем этапам группируются к 5этапу (конец нажатия на два рычага), образуя единый блок. Динамика активности, возникшей на 5-м этапе, имеет свой ход кривой, но более 60% возникших здесь реакций завершаются к моменту появления условного сигнала (этап 7). Кривые затухания тонических реакций, возникших с 6 по 9 этап, также объединились в единую группу к моменту завершения движения выбранной по условному сигналу руки (этап 10). Отдельным блоком представлены реакции, возникшие на 10, 11 и 12 этапах. Действия, выполняемые на этих этапах связанны с завершением работы животного по программе опыта и получением сигнала о корректном выполнении задания. Группировка этих трех кривых совпадает с периодом ожидания подкрепления (этап 13), после которого, наконец, следует появление пищи, его захват и еда.