ЖУРНАЛ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, 2015, том 65, № 4, с. 446-455
ФИЗИОЛОГИЯ ПОВЕДЕНИЯ; ОБУЧЕНИЕ И ПАМЯТЬ
УДК 812.621
ХАРАКТЕРИСТИКА ОДИНОЧНОЙ И СЕТЕВОЙ АКТИВНОСТИ НЕЙРОНОВ СУБТАЛАМИЧЕСКОГО ЯДРА ПРИ ПРОЯВЛЕНИИ ИМПУЛЬСИВНЫХ И ЗАДЕРЖАННЫХ (САМОКОНТРОЛИРУЕМЫХ) РЕАКЦИЙ В УСЛОВИЯХ "ПРАВА ВЫБОРА" ПОДКРЕПЛЕНИЯ
© 2015 г. В. В. Сидорина, Ю. А. Герасимова, Е. П. Кулешова, Г. Х. Мержанова
Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва
e-mail: vikywa85@mail.ru Поступила в редакцию 21.05.2014 г.
Принята в печать 04.03.2015 г.
В экспериментах на кошках исследовали активность нейронов субталамического ядра при разных типах поведения в ситуации выбора подкрепления в зависимости от его ценности и доступности. В хронических опытах была зарегистрирована нейронная активность в субталами-ческом ядре и орбитофронтальной коре и проанализирована активность нейронов по их частоте и сетевым свойствам. Показано, что нейроны субталамического ядра реагировали учащением или торможением разрядной деятельности, как на условный раздражитель, так и на подкрепления разной ценности. Однако один и тот же нейрон субталамического ядра отвечал учащением нейронной активности на ожидание хлебо-мясной смеси и урежением — на ожидание мяса. Было выявлено, что число кросскорреляционных возбудительных взаимодействий между нейронами субталамического ядра достоверно больше при импульсивном, чем самоконтролируемом выборе поведения. Число кросскорреляционных взаимодействий между клетками орбитофронтальной коры и субталамического ядра с интервалами в пределах 0—30 мс достоверно больше при проявлении импульсивного, по сравнению с самоконтролируемым поведением. Результаты настоящего исследования электрофизиологически подтверждают предположение об участии STN в организации сетей, связанных с принятием решения в выборе импульсивного или самоконтролируемого поведения.
Ключевые слова: поведение, импульсивность, нейрон, межнейронные взаимодействия, подкрепление, выбор.
Single and Network Neuron Activity of Subthalamic Nucleus at Impulsive and Delayed
(Self-Control) Reactions in Choice Behavior
V. V. Sidorina, Yu. A. Gerasimova, E. P. Kuleshova, G. Kh. Merzhanova
Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology Russian Academy of Sciences, Moscow
e-mail: vikywa85@mail.ru
During our experiments on cats was investigated the subthalamic neuron activity at different types of behavior in case of reinforcement choice depending on its value and availability. In chronic experiences the multiunit activity in subthalamic nucleus (STN) and orbitofrontal cortex (FC) has been re^rded. Multiunit activity was analyzed over frequency and network properties of spikes. It was shown, that STN neurons reaction to different reinforcements and conditional stimulus at short- or long-delay reactions was represented by increasing or decreasing of frequency of single neurons. However the same STN neurons responded with increasing of frequency of single neuron during expectation of mix-bread-meat and decreasing — during the meat expectation. It has been revealed, that the number of STN interneuron interactions was authentic more at impulsive behavior than at self-control choice of behavior. The number of interactions between FC and STN neurons within intervals of 0—30 мs was authentic more at display impulsive than during self-control behavior. These results suppose that FC and STN neurons participate in integration of reinforcement estimation; and distinctions in a choice of behavior are defined by the local and distributed interneuron interactions of STN and FC.
Keywords: behavior, impulsiveness, neuron, interneuron interaction, reinforcement, choice. DOI: 10.7868/S0044467715040127
В поведенческих моделях с возможностью "права выбора" стратегии поведения различают два варианта оценки импульсивности — "импульсивное действие" и "импульсивный выбор" [Зайченко, Мержанова, 2010; Мержанова и др., 2006; Ban, Robbins, 2013; Baunez, Lardeux, 2011; Eagle, Baunez, 2010; Merzhano-va, 2012]. При токсическом выключении суб-таламического ядра (STN) исследовали поведение крыс с использованием методик go-no-go, пятирукавного лабиринта (5-SRSTT) при выработке классического условного рефлекса и наблюдали преждевременные, ошибочные реакции, что характеризует, в большей степени, "импульсивное действие", невозможность затормозить двигательные реакции [Eagle et al., 2008]. Ключевая роль STN в торможении двигательных реакций "holding response" показана в работе с применением компьютерной модели [Frank et al., 2007]. При использовании методики выбора подкрепления в зависимости от его ценности и возможности получения (delay-discounting task), животное исходно делает выбор стратегии, прогнозируя качество подкрепления, и в этом случае быстрые реакции являются "импульсивным выбором". Было показано [Win-stanley et al., 2005], что при билатеральных выключениях STN, крысы преодолевали моторную импульсивность и задерживали реакции, чтобы получить более ценное подкрепление. Это согласуется с данными [Baunez et al., 2002], указывающими на усиление пищевой мотивации, побеждающей импульсивное действие. Таким образом, выключение STN усиливало "импульсивное действие" и подавляло "импульсивный выбор" [Uslaner, Robinson, 2006]. Повреждение или опухоль STN у людей вызывают гиперфагию, гиперсексуальность, лунатизм.
Исследования клеточной активности STN у обезьян показали активацию нейронов при получении подкрепления [Matsumura, 1992]. Наблюдалось учащение нейронов как во время двигательной реакции, так до и после получения подкрепления [Darbaky at al., 2005], что авторы связывают с процессом обработки мотивационной информации. В работе [Teagarden, Rebec, 2007] клетки STN крысы активировались на предсказывающий стимул и при получении подкрепления. Используя методики с варьированием величины и задержки подкрепления, С. Лардекс [Lardeux etal., 2013] приходит к выводу, что клетки STN кодируют ценность подкрепления. В ис-
следованиях на кошках после выработки коротко- и длинноотставленных рефлексов было показано, что нейроны STN вовлечены в подготовку и инициацию инструментального движения, осуществляемого на условный раздражитель [СИегае1 е! а1., 1996]. Таким образом, показано участие STN в оценке подкрепления на клеточном уровне. Работ, проясняющих роль STN в ситуации, в которой возможен выбор типа поведения, особенно его роль в организации торможения при задержанных рефлексах, нет.
Цель настоящего исследования — выявить:
— организацию деятельности нейронов STN при "импульсивном" и "самоконтролируемом" поведении,
— в какую сеть мозговых структур включены нейроны STN при выборе ценности пищевого подкрепления с разной его доступностью.
МЕТОДИКА
Опыты проводили на четырех беспородных кошках обоего пола массой 3.5—4.5 кг. Предварительно у всех животных вырабатывали пищевой инструментальный условный рефлекс нажатия на педаль. После успешного обучения базовому рефлексу присоединяли свет в качестве условного раздражителя. Далее, когда последовательная связь свет-педаль-кормушка закреплялась, приступали к основным опытам. После включения света животному предоставлялся выбор: либо нажать на педаль быстро, через 1—2 с и получить малоценное подкрепление (хлебо-мясная смесь), либо выждать с действием и нажать на педаль спустя 8—9 с и получить ценное подкрепление (мясо). Подробно процедура опытов была описана нами ранее [Мержанова, Берг, 1991; Мержанова и др., 2006; Сидорина и др., 2013]. В течение одного опыта условный раздражитель предъявляли 30 раз. Опытный день для каждой кошки начинался с того, что животное помещали в камеру со свободным доступом к двум видам подкрепления (мясо и хлебо-мясная смесь). Во все опытные дни абсолютным выбором для всех кошек являлось мясо, а не хлебо-мясная смесь. Массу тела животных, питание в виварии и время голодания контролировали ежедневно.
Четырем обученным кошкам, показавшим устойчивую стратегию поведения на протяжении длительного периода времени (30—
Рис. 1. Срез мозга кошки (слева) и область STN (на схеме справа), куда были вживлены электроды у четырех кошек. Fig. 1. A cut of cat's brain (to the left) and STN area (on the scheme to the right) where electrodes were implanted in four cats.
40 дней экспериментов), в операциях под наркозом были вживлены пучки нихромовых полумикроэлектродов (с диаметром каждого канала 50 мк) во орбитофронтальную кору (РС) и субталамическое ядро ип-
силатерально в левое полушарие по координатам атласа мозга [Кет080^иаге2, 1967]: (STN - Ж = 8; Ь = 4.5; Н = 7-8; РС - Ж = 2830; Ь = 4; Н = 9-12). У всех кошек была проведена прижизненная рентгенография, подтверждающая локализацию электродов в область STN. Морфологический контроль мозга одной кошки был сделан с помощью МРТ (лаборатория магнитной томографии и спектроскопии, факультет фундаментальной медицины Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова) и была показана локализация пучка электродов в STN (рис. 1).
Через неделю после вживления электродов приступали к многодневной регистрации мультинейронной активности (МНА) на миографе фирмы "Медикор" (Венгрия, полоса пропускания 200-10000 Гц). МНА записывали в память компьютера (РС АТ 586) для последующей обработки. В течение 1-2 мес. у каждого животного производили запись нейронной активности из указанных областей мозга в сигнальный период действия условного раздражителя (постоянный свет
сохранялся вплоть до подачи кормушки) при коротко- и длинноотставленных реакциях и при ошибках (преждевременных нажатиях на педаль или пропусках времени эффективной педали). Первые 10 мс действия света (включение) из анализа исключались для того, чтобы избежать синхронизирующего влияния момента включения света на корреляционные межнейронные взаимодействия. В зависимости от реализации формировали файлы данных, которые обрабатывали по отдельности. Анализировали одиночную и сетевую (межнейронные взаимодействия) активность нейронов при разных типах поведения животных.
Статистический анализ
Анализ МНА проводили с помощью программ,
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.