ЖУРНАЛ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, 2014, том 64, № 5, с. 542-550
ФИЗИОЛОГИЯ ПОВЕДЕНИЯ; ОБУЧЕНИЕ И ПАМЯТЬ
УДК 612.812.6
ДЛИТЕЛЬНАЯ ПОТЕНЦИАЦИЯ И СИНХРОНИЗАЦИЯ АКТИВНОСТИ В ГИППОКАМПО-КОРКОВЫХ СВЯЗЯХ
© 2014 г. А. Н. Серков1, К. Б. Лебедева-Георгиевская2, В. И. Майоров1
1 Кафедра высшей нервной деятельности МГУ имени М.В. Ломоносова, 2 Институт медико-биологических проблем РАН, Москва, e-mail: a@neurobiology.ru Поступила в редакцию 30.01.2014 г. Принята в печать 19.05.2014 г.
Длительная потенциация моносинаптических проекций вентрального гиппокампа в медиальную префронтальную кору сопровождалась усилением мощности и синхронизации тета-ритма коры и гиппокампа. Независимо от изменения мощности усиление синхронизации в тета- и дельта-диапазонах наблюдалось при минимальной выраженности тета-ритма.
Ключевые слова: гиппокамп, префронтальная кора, длительная потенциация, синхронизация.
Long-Term Potentiation and Oscillation Synchrony in the Ventral Hippocampal-Prefrontal Pathways
A. N. Serkov1, K. B. Lebedeva-Georgievskaya2, V. I. Maiorov1
1 Department of higher nervous activity Lomonosov Moscow State University, 2 Institute of Biomedical Problems RAS, Moscow, e-mail: a@neurobiology.ru
The results of the present study show the augmentation of hippocampal-cortical coherence and phase synchronization in theta-frequency and wider (1—15 Hz) low frequency range, during the time-period of LTP of monosynaptic prefrontal cortex focal potentials. The augmentation was detectable only in that activity segments with low to near-zero hippocampal theta frequency power. No definite changes in amplitude correlation of theta-rhytm envelops has been established.
Keywords: hippocampus, prefrontal cortex, long-term potentiation, synchronization. DOI: 10.7868/S0044467714050104
Моносинаптические проекции вентрального гиппокампа в медиальную префронтальную кору [Jay et al., 1989; Parent et al., 2010; Thierry et al., 2000] характеризуются способностью к длительной потенциации [Izaki et al., 2002; Izaki et al., 2003; Jay et al., 1995; Laroche et al., 1990]. Тета-ритм, регистрируемый в префронтальной коре, частично синхронизирован с гиппокампальным тета-ритмом [Adhikari et al., 2010a, b; Benchenane et al., 2010; Colgin, 2011; Gordon, 2011; Sirota, Buzsaki, 2005]. Однако соотношение между пластичностью и синхронизацией активности в гиппокампо-корковых связях остается
неизвестным. Целью настоящей работы было исследование влияния длительной потенциации гиппокампо-корковых проекций на уровень синхронизации тета-ритма между этими структурами.
МЕТОДИКА
Опыты проведены на 6 взрослых крысах-самцах линии Вистар массой 300—450 г, полученных из питомника "Пущино". Во время содержания животные имели неограниченный доступ к корму и воде, при 12-часовом цикле
смены освещения. Опыты проводили в соответствии с директивой Евросоюза № 86-609.
Для регистрации активности и электрической стимуляции в медиальную префрон-тальную кору (AP +3.3; L 0.9; H 3—5, координаты относительно брегмы) и вентральный гиппокамп (AP —6.4; L 5.5; H 4.5—5.5) под хлоралгидратным наркозом (350 мг/кг) устанавливали монополярные нихромовые электроды диаметром 200 мкм [Paxinos, Watson, 2009]. Гиппокампальный электрод фиксировали в той точке, стимуляция которой вызывала максимальный фокальный ответ в пре-фронтальной коре. В качестве земляного и референтного электродов использовали стальные винты диаметром 0.8 мм, вкрученные в затылочную кость над мозжечком.
Опыты начинали через неделю после операции. Во время опыта животные находились
в свободно-подвижном состоянии. Тестовое раздражение гиппокампа производилось с периодом 30 с одиночными негативными импульсами длительностью 0.2 мс (стимуляторы ЭСЛ-2, ЭС-50) через линейный изолятор DL-360 "Нейробиолаб". Величину стимуляции выбирали так, чтобы амплитуда ответа в префронтальной коре составляла 40% максимальной. Тетанизацию гиппокампо-корко-вых связей осуществляли двумя сериями импульсов такой же амплитуды, как тестовые с интервалом между сериями 10 мин. Каждая серия состояла из 10 пачек (0.1 Гц) по 50 импульсов (250 Гц) в пачке. Для регистрации ЭЭГ использовали усилители DL-304 ("Нейробиолаб"), коэффициент усиления 3000, полоса пропускания фильтра 0.1—1000 Гц. Регистрация активности и электрическое раздражение гиппокампа выполняли через один и
Рис. 1. А — пример длительной потенциации вызванных потенциалов префронтальной коры. По оси y — величины потенциалов, измеренных от пика до пика, относительно среднего значения до потенциации; по оси х — время в минутах до (х < 0) и после (х > 0) тетанизации. Кружками справа обозначены средние относительные величины ответов после тетанизации в каждом из 6 опытов. На вставке усредненные ответы до (пунктирная линия) и после (сплошная линия) тетанизации, калибровка — 10 мс, 100 мкВ;
Б — последовательность значений (относительно максимального) мощности тета-ритма гиппокампа (рис. 1, И) в том же опыте;
В — пиковые значения когерентности в тета-диапазоне;
Г, Д — усредненные кривые когерентности (Г) и спектральной мощности (Д) для сегментов с низкой и высокой мощностью тета-ритма до (пунктирные линии) и после (сплошные) тетанизации, подробности в тексте;
Е — примеры искусственной активности при соотношении сигнала (синусоида 7 Гц) и шума 1 : 2.5 (верхняя кривая) и 1 : 0.5 (нижняя кривая);
Ж — изменение когерентности на частоте 7 Гц (по вертикали) в зависимости от коэффициента связи между источником и приемником (по горизонтали) при высоком (сплошная линия) и низком (пунктирная) отношении сигнала к шуму;
З — графики когерентности при коэффициентах связи 0.4 — пунктирная линия, 0.8 — сплошная линия при высоком (верхняя пара графиков) и низком отношении сигнала к шуму (нижняя пара графиков);
И — измерение мощности тета-ритма, описание в тексте.
Fig. 1. A — an example of long-term potentiation of the prefrontal cortex evoked potentials. On vertical axes — peak to peak potential amplitude relative to the mean pre-tetanization value; on horizontal axes — time in min before (х < 0) and after (х > 0) tetanization. The circles to the right — mean relative response amplitudes after potentiation in each of 6 experiments. On the insert — averaged focal potentials before (dotted line) and after (solid line) tetanization, calibration — 10 ms, 100 mkV;
Б — the hippocampal theta-rhythm power (relative to the maximal value) in the same experiment; В — peak coherence values in theta range;
Г, Д — averaged curves of coherence (Г) and spectral power (Д) for the segments with low and high theta power before (dotted lines) and after (solid lines) tetanization, see the text for details;
Е — artificial activity examples with 7 Hz signal to noise ratio 1 : 2.5 (upper curve) and 1 : 0.5 (lower curve); Ж — 7 Hz coherence (vertical axes) relative to input-output coupling coefficient (horizontal axes) for high (solid line) and low (dotted line) signal to noise ratio;
З — coherence plots for the coupling coefficients 0.4 (dotted line), 0.8 (solid line) and high (two upper curves) and low (two lower curves) signal to noise ratio; И — the measurement of theta-rhythm power, see the text for details.
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0 0
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0 0
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0 0
А
_|_I_I_I_I I I I
.01
0.1 Б
. . -¡¿Ж
и
J_I_I_I_I I I I
.01
0.1 В
I
г
—i_i_i_i_iii"
!_|_I_I_I_I I I I
Г
Д
* л ч V, ^ \
0.4 0.3 0.2 0.1
0
0.20 0.15 0.10 0.05 0
5000
5000
-5000 И
0 К
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
ф
0.5 -0.4 0.3 0.2 0.1
5000 Л
0.5 I-
0.4 0.3 0.2 0.1
.01
0.1
1
0
З
1
1
тот же электрод с помощью коммутационной схемы ("Нейробиолаб"), отключавшей вход усилителя от электрода на время стимуляции. Сигналы с выходов усилителя оцифровывались с частотой 1 кГц и вводились в компьютер с помощью платы АЦП Ь-791 ("Ь-Сагё") и программы "ЬОгарЬ 2". Общее время записи ЭЭГ составляло 4-8 часов. Для всех животных было проведено по одному опыту.
Амплитуду вызванных потенциалов на тестовую стимуляцию измеряли от негативного
пика с латентным периодом 15-22 мс до позитивного (18-26 мс). В каждом отрезке ЭЭГ длительностью 30 с между тестовыми стимулами определяли мощность спектральной плотности (спектральную мощность) и когерентность. Для узкополосных сигналов, выделенных в диапазоне тета-ритма (4-10 Гц), вычисляли фазовую синхронизацию и корреляционную функцию амплитуд огибающих. Спектральную мощность вычисляли с помощью функции МАТЪАВ рш1ш с параметрами
Рис. 2. А—В по горизонтальной оси — спектральная мощность тета-ритма гиппокампа, логарифмическая шкала, по вертикальной оси — когерентность (А), фазовая синхронизация (Б), максимальное значение корреляционной функции огибающих (В) в тета-диапазоне. Горизонтальной линией отмечен диапазон мощности тета-ритма, в котором значения когерентности (синхронизации, корреляции) до и после тетанизации статистически значимо различаются, подробности в тексте; Г — искусственный сигнал;
Д — выделенный узкополосный сигнал и огибающая;
Е — фаза (сплошная линия) узкополосного сигнала (штриховая линия), подробности в тексте; Ж, З — корреляционные функции амплитуд огибающих тета-ритма гиппокампа и префронтальной коры до (пунктирная линия), после тетанизации (штриховая линия) и их разность (сплошная линия), усредненные по отрезкам активности, попавшим в окна с достоверным усилением амплитудной корреляции (Ж) и по всем отрезкам, попавшим в окна с достоверным усилением когерентности (З). По вертикальной оси — значение корреляционной функции, по горизонтальной — временная задержка в мс; на вставках — те же графики в диапазоне ±200 мс;
И—Л — статистически значимые изменения когерентности (И), фазовой синхронизации (К) и амплитудной корреляции (Л) при выработке длительной потенциации в отдельных опытах. Fig. 2. A—В — coherence (А), phase synchronization (Б) and envelope correlation function maximal value (В) in the theta-range (vertical axes), relative to hippocampal theta-rhythm spectral power (horizontal axes, logarithmic scale); the theta-power segment wit
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.