научная статья по теме ХАРАКТЕРНЫЕ ПАТТЕРНЫ ИМПУЛЬСНОЙ АКТИВНОСТИ НЕЙРОНОВ РЕЛЕЙНЫХ И НЕСПЕЦИФИЧЕСКИХ ЯДЕР ТАЛАМУСА У БОЛЬНЫХ СПАСТИЧЕСКОЙ КРИВОШЕЕЙ Биология

Текст научной статьи на тему «ХАРАКТЕРНЫЕ ПАТТЕРНЫ ИМПУЛЬСНОЙ АКТИВНОСТИ НЕЙРОНОВ РЕЛЕЙНЫХ И НЕСПЕЦИФИЧЕСКИХ ЯДЕР ТАЛАМУСА У БОЛЬНЫХ СПАСТИЧЕСКОЙ КРИВОШЕЕЙ»

ФИЗИОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА, 2015, том 41, № 3, с. 63-73

УДК 612.82

ХАРАКТЕРНЫЕ ПАТТЕРНЫ ИМПУЛЬСНОЙ АКТИВНОСТИ НЕЙРОНОВ РЕЛЕЙНЫХ И НЕСПЕЦИФИЧЕСКИХ ЯДЕР ТАЛАМУСА У БОЛЬНЫХ СПАСТИЧЕСКОЙ КРИВОШЕЕЙ

© 2015 г. Д. А. Деветьяров, Ю. Н. Семенова, Л. И. Бутяева, А. С. Седов

ФГБУНИнститут химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, Москва E-mail: dmitriy.devetyarov@gmail.com Поступила в редакцию 02.09.2014 г.

Проанализирована импульсная активность 50 нейронов неспецифических (Rt, MD) и релейных (Voi, Voa) ядер таламуса человека, экстраклеточно зарегистрированная с помощью микроэлектродной техники в ходе 14 стереотаксических нейрохирургических операций у больных спастической кривошеей. Применение методов отображения Пуанкаре и Gap-статистики позволило выделить три основных паттерна нейронной активности: нерегулярные одиночные разряды, короткие пачечные Са2+-зави-симые ритмические (3—5 Гц) разряды, а также смешанный паттерн, представленный последовательностью одиночных и пачечных импульсов. В ряде случаев наблюдался групповой (в ядрах Voi, Rt) паттерн, характеризующийся разряженными группами импульсов с тенденцией к периодичности в диапазоне 1—1.5 Гц, а также длиннопачечный (в ядре Voa) паттерн активности с инвариантным межпачечным интервалом.

В результате параметрического анализа были получены основные численные оценки параметров трех наиболее распространенных паттернов активности. Было показано, что при сохранении средней частоты разрядов, исследуемые ядра таламуса человека отличались характеристиками пачечной активности. Эти данные могут иметь важное прикладное значение для функциональной идентификации ядерных структур таламуса в ходе стереотаксических нейрохирургических операций у больных с двигательными нарушениями.

Ключевые слова: человек, нейрон, таламус, микроэлектрод, пачечная активность, осцилляция, спастическая кривошея.

Б01: 10.7868/80131164615020046

Таламус — одно из ключевых звеньев нервной системы, участвующих в обработке сенсорных сигналов, формировании поведенческих реакций, организации движения и других важных функций мозга человека и животных. Подобная полифункциональность обусловлена многочисленными эфферентными и афферентными связями таламических ядер как с различными отделами коры больших полушарий, так и с подкорковыми образованиями, спинным мозгом, ретикулярной формацией ствола мозга и другими структурами [1].

Электрофизиологические исследования отдельных ядер таламуса выявили многообразие форм импульсной активности, однако в настоящее время нет единой классификации клеток та-ламуса по характеру их электрической активности [2—9]. В работах на животных были выделены два основных паттерна нейронной активности: тоническая одиночная активность и пачечная активность, связанная с генерацией низкопорогового Са2+-зависимого тока [2, 3, 10]. Наблюдае-

мые в этих экспериментах ритмические формы пачечной активности, по мнению авторов, были связаны с погружением животных в состояние глубокого сна или анестезии. В ходе исследований мозга обезьян были обнаружены пачечные разряды в некоторых таламических ядрах в состоянии бодрствования, часто в ответ на зрительные стимулы [11—13]. Эти результаты дают основания предположить, что пачечная активность нейронов может являться одним из способов передачи информации.

Работы в области выделения типовых паттернов велись и применительно к импульсной активности нейронов таламуса человека, отводимой в ходе стереотаксических нейрохирургических операций на пациентах с различными заболеваниями (паркинсонизм, дистония, хроническая боль, психические расстройства и др.). Так, в ряде работ была произведена классификация нейронной активности некоторых таламиче-ских зон (центрального латерального ядра, пара-фасцикулярного комплекса и задней группы ядер

таламуса) на следующие типы: ритмические и неритмические пачечные формы активности, одиночную нерегулярную активность и одиночную нерегулярную активность, реагирующую на предъявление соматосенсорных стимулов или реализацию произвольных движений [4, 14]. Сравнительный анализ не выявил значимых отличий в распространенности выделенных нейронов относительно диагноза, однако наличие пачечных форм активности авторы связали с патологическим состоянием пациентов. В работах, посвященных исследованию нейронной активности центрального латерального, центрального медиального и парафасцикулярного ядер таламуса пациентов с хронической болью, было описано присутствие двух паттернов пачечной активности: коротких плотных пачек и длинных групп импульсов [5].

По результатам анализа импульсной активности вентральной группы ядер таламуса у больных паркинсонизмом пачечные формы активности были классифицированы на несколько типовых паттернов в зависимости от величины межимпульсных интервалов в пачках [15]. Для импульсной активности нейронов таламуса больных паркинсонизмом также было показано наличие паттерна с пачечными разрядами, по частоте коррелирующими с тремором [15, 16].

В целом, согласно литературным данным, та-ламические ядра характеризуются тремя основными паттернами нейронной активности: одиночной нерегулярной активностью, пачечной Са2+-зависимой активностью и нейронной активностью, представленной одиночными разрядами в совокупности с пачками. Было показано, что соотношение этих паттернов для вентральных (Vc, Vo, Vim) ядер таламуса различно и отражается на некоторых параметрах нейронной активности [7, 17].

В наших предыдущих исследованиях были описаны особенности фоновой импульсной активности нейронов неспецифических [8, 9, 18] и релейных [19, 20] ядер таламуса у больных паркинсонизмом и спастической кривошеей. Настоящее исследование, являясь продолжением этих работ, посвящено анализу нейронной организации и классификации импульсной активности нейронов релейных (Voi, Voa) и неспецифических (Rt, MD) ядер таламуса.

МЕТОДИКА

Экспериментальные данные были получены в ходе проведения стереотаксических нейрохирургических операций у больных спастической кривошеей с применением микроэлектродной техники в Институте нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко РАМН (хирурги М.Р. Меджидов, В.А. Шабалов). Нейронная активность отводи-

лась экстраклеточно с помощью вольфрамовых микроэлектродов (диаметр активного кончика — 1 мкм, сопротивление — 1—5 МОм). После усиления и аппаратной фильтрации данные были оцифрованы с использованием аналого-цифрового преобразователя L-Card 1250 (частота дискретизации нейрограммы — 20 кГц) [21].

В процессе операций проводилось микроэлектродное исследование для функциональной идентификации подкорковых структур, расположенных вдоль траектории микроэлектрода. Траектории микроэлектрода, направленные от пре-моторной коры к точкам хирургических мишеней (ядро Кахала и/или ядро Voi), контролировались по данным рентгеновских снимков или компьютерной томографии с использованием атласа мозга человека Бейли и Шальтенбранда [22]. От больных было получено письменное согласие на проведение операции. Данное исследование было одобрено этическим комитетом Института нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко РАМН.

Предварительная обработка данных включала в себя фильтрацию сигналов от наводок и артефактов, а также дискриминацию нейронной активности по форме и амплитуде. Дальнейший анализ включал в себя выделение типовых паттернов нейронной активности и вычисление их количественных характеристик.

Для классификации нейронной активности на характерные типы проводилось построение отображения Пуанкаре (ОП) (Poincare maps) распределения межимпульсных интервалов [17]. ОП представляет собой набор точек, абсцисса которых соответствует десятичному логарифму от текущего межимпульсного интервала n, а ордината — десятичному логарифму от следующего межимпульсного интервала (n + 1) (рис. 1, В). Отнесение нейрона к тому или иному типу проводилось с помощью оценки количества кластеров на ОП. В случае преимущественно одиночной активности на отображении присутствует один большой центральный кластер. При групповых формах активности на ОП можно выделить два и более кластера. В случае пачечной активности выделяются четыре кластера, расположенные по углам квадрата ОП.

Для получения оценки оптимального количества кластеров на ОП был применен метод Gap-статистики (рис. 1, Г) [23].

В основе метода Gap-статистики лежит подсчет суммы квадратов внутри кластерных расстояний:

Dr = Е Е - xii2=

i е Cr j е Cr

=2nr Е ||xi - x||2,

i е Cr

где xi и Xj элементы кластера; nr — число элементов кластера r, Cr — множество индексов r-ного кластера.

Полученная сумма расстояний позволяет получить меру компактности кластера:

Wk

= У — Dr,

У 2я '

4

.1....

А

i

Б

где к — число кластеров.

Оценочный параметр — зазор (Gap) — определяется как разница между средней логарифмической ожидаемой компактностью кластера и логарифмической наблюдаемой компактностью кластера:

в

Gap(к) = B X lQg Wkb - logWk,

b = 1

где Wkb — ожидаемая компактность кластера, полученного на основе случайной выборки из равномерного распределения; Wk — наблюдаемая компактность кластера, B — число выборок из равномерного распределения.

Оптимальным числом кластеров является минимальное к, удовлетворяющее условию:

0.5 c

Gap(k)> Gap(k + 1 ) - sk

+ ь

где Sk +1 — ошибка симуляции.

Ошибка симуляции определяется для кластеров, полученных выборкой из равномерного распределения:

sk = V1 + 1 /B х sd(к),

где sd(k) — стандартное отклонение.

Выделение пачек внутри импульсной дорожки осуществлялось шаблонным методом со следующими параметрами: минимальное количество импульсов в пачке равно двум; межимпульсный интервал, предшествующий первому потенциалу действия в пачке, должен иметь длительность не менее 30 мс; значение первого внутрипачечного интервала не должно превышать 6 мс. Все последующие потенциалы действия считались частью пачки в том случае, если их межимпульсный интервал изменялся не более чем на 3 мс по сравнению с предшествующим. Максимальное значение межимпульсного интервала внутри пачки равно 16 мс [24].

Для количественного анализа выделенных форм активности был рассчитан ряд параметров: частота разрядов (FR), частота

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.

Показать целиком