ЖУРНАЛ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, 2010, том 60, № 1, с. 80-89
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПАТОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
УДК 612.825.54
МЕХАНИЗМЫ СИНХРОНИЗАЦИИ В ЛОКАЛЬНЫХ НЕЙРОННЫХ СЕТЯХ НЕОКОРТЕКСА. МОДЕЛЬНЫЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
© 2010 г. В. Г. Марченко, К. А. Салтыков
Учреждение Российской академии наук Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН,
Москва, e-mail: vgmarchenko@hotbox.ru Поступила в редакцию 23.12.2008 г. Принята в печать 28.04.2009 г.
На нейронах зрительной коры кошки исследовали параметры возбуждения и торможения, а на сенсомоторной коре крыс — временные параметры эпилептиформной активности. Полученные результаты были использованы для построения имитационной модели нейронной сети в программной среде "Нейроимитатор", с помощью которой изучали механизмы синхронизации. Нейронная сеть состояла из 30 нейронов, временные параметры возбуждения и торможения которых были неодинаковы. Исследования были проведены при двух состояниях нейронной сети модели. В первом случае активность каждого нейрона была спонтанной, а во втором представляла собой циклы возбуждения — торможения. Синхронизация (одновременная активность нейронов) при упорядоченной временной структуре (циклы возбуждение — торможение, которые начинались одновременно) была значительно выше, чем при спонтанной активности или если циклы начинались не одновременно. Полученные результаты показывают, что в локальных нейронных сетях синхронизация усиливается в основном за счет короткого торможения и большая амплитуда суммарного потенциала (полевого) может являться отражением синхронной работы непосредственно не связанных друг с другом элементов нервной системы.
Ключевые слова: крысы,кошки, неокортекс, синхронизация, эпилептические потенциалы, модель.
Mechanisms of Synchronization in Local Neural Networks of Neocortex. Modelling and Experimental Researches
V. G. Marchenko, K. A. Saltykov
Institution of Russian Academy of Sciences, Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology,
Russian Academy of Sciences, Moscow e-mail: vgmarchenko@hotbox.ru
We investigated parameters of excitation and inhibition in neurons of a visual cortex of a cat. On somatosensory cortex of rats temporary parameters of epileptiform activity were investigated. The experimental results received have been used for construction of imitating model of a neural network by means of program of "Neuroimitator" for research of mechanisms of synchronization in a neural network. The neural network consisted from 30 neurons. The temporary parameters of excitation and inhibition were different. Two conditions of a neural network in the model were used. In the first case activity of every neuron was spontaneous, and in the second case the activity represented cycles of excitation — inhibition. Synchronization (simultaneous activity of the neurons) at the ordered time structure of excitation and inhibition cycles was considerably higher, than during the spontaneous activity. The results received show, that at strengthening the inhibition, the synchronization in local neural networks increases. The greater amplitude of field potential can be a direct reflection of synchronous activity of the elements of nervous system not connected with each other.
Key words: rats, cats, neocortex, synchronization, epileptiform field potentials, model.
В хронически изолированном участке коры после 21 дня изоляции начинается уменьшение числа связей. Через 3 мес. переживания изолированной структуры число морфологических и функциональных связей резко уменьшается [2, 3]. Хотя в такой дезинтегрированной коре связи сильно нарушены, главным образом горизонтальные, при аппликации конвульсантов на кору в локальном участке возникают эпилептиформные потенциалы, амплитуда которых достигает нескольких милливольт, а интервал между ними составляет несколько сот миллисекунд [2, 3]. Очевидно, что большая амплитуда такого полевого потенциала является результатом одновременного (синхронного) действия большого числа нейронов коры в локальном пуле нейронной сети [14]. Еще одним из проявлений синхронизации потенциалов в мозге являются осцилляции. Предполагается, что осцилляции ЭЭГ генерируются посредством осцилляторной активности большого числа корковых нейронных ансамблей [14]. Эпи-лептиформные потенциалы имеют похожие (близкие) временные параметры с медленными осцилляциями [8, 26].
За последние десятилетия торможение рассматривалось в качестве механизма синхронизации электрических потенциалов. В последнее время появились исследования, которые дают основание предполагать, что интернейроны играют важную роль в генерации синхронной активности [8, 9, 16, 28]. ГАМКергические интернейроны, имеющие проекции на перисоматическую область пирамидных клеток, обеспечивают ритмическое торможение, а сами интернейроны синхронизированы посредством возвратного возбуждения. Такие возвратные возбудительно-тормозные петли, по-видимому, достаточны для генерации гамма-осцилляций в гиппокампе [21]. Результаты экспериментов на срезах мозга дают основания предполагать ведущую роль торможения не только в такой высокочастотной, но и низкочастотной синхронизированной активности [12].
Важным свойством нейронных сетей коры является наличие периодов возбуждения и торможения в спонтанной активности нейронов [22, 24, 26, 27]. У животных, находящихся в состоянии наркоза, при регистрации спонтанной активности как внутриклеточно, так и при регистрации множественной экстраклеточной активности наблюдаются периоды возбуждения — торможения частотой
менее 1 Гц [8, 18, 29]. Как правило, период возбуждения представляет собой пачку разрядов независимо от того, имеет ли такая активность спонтанный или вызванный стимуляцией характер. Циклы торможения — возбуждения (восстановления) наблюдаются и в подкорковых структурах и отражают характеристики торможения нейронов подкорковых структур [6, 13], а также индивидуальные свойства нейронов в сенсорной, моторной и ассоциативной областях коры [26]. Предполагается, что такие спонтанные циклы возбуждения — торможения в корковых нейронных сетях в слое V зрительной коры [22, 24] возникают в результате действия возвратного торможения, а в слое IV — прямого торможения на возбудительные нейроны [27]. Хотя уже сейчас многое известно о сетевых и ионных механизмах синхронизации при осцил-ляциях [22], но до сих пор неясно, каким образом тормозные системы в коре обеспечивают синхронную работу нейронов через длительные промежутки времени, как это имеет место при медленных осцилляциях и эпилептиформных разрядах.
В связи с тем, что детальное исследование синхронизации в коре in vivo или in vitro [10, 14, 17, 20], так же как и других сложных функций коры [4, 5], представляет определенную сложность, такие исследования часто проводятся на моделях.
Основная цель настоящей работы состояла в том, чтобы на имитационной модели нейронной сети определить, какие временные параметры входных воздействий на локальную популяцию нейронов обеспечивают их синхронную активность, сходную с эпи-лептиформными разрядами ЭЭГ.
Крайне важно для проведения нашей работы было то, что параметры торможения в зрительной коре кошки и в сомотосенсорной коре крыс схожи [11].
МЕТОДИКА
Опыты были проведены на 7 крысах линии Вистар массой 180—250 г и на 20 взрослых кошках обоего пола. При манипуляции с животными соблюдалась Директива 86/609/ЕЕС о защите животных, используемых для экспериментальных исследований.
Экспериментальная процедура. При проведении хирургической процедуры места разрезов и точки фиксации головы в стереотаксиче-ском приборе инфильтрировались 2%-ным
А
О о Б о о о о
о о о о о о
о о о о о о
о о о о о о
о о о о о о
I_I_I_I_I_I
0 1 2 3 4 5 с
В
I_I_I_I_I_I
0 1 2 3 4 5 с
Рис. 1. Имитационная модель нейронной сети. А — паттерн активности 3 нейронов в виде циклов возбуждения (пачка импульсов) — торможения (тормозная пауза), задержка 0 мс. Б — матрица из 30 нейронов модельной сети. В — паттерн активности 2 нейронов в виде спонтанной импульсной активности, задержка 0 мс. На А и В по горизонтали — время работы модели, с.
Fig 1. Imitation model of the neural network. A — pattern of 3 neurons activity in the form of excitation cycles (a burst discharge) — inhibition (an inhibition pause), delay — 0 ms, B — pattern of 2 neurons activity in the form of spontaneous impulse activity, delay 0 — ms. A and B on x axis — operating time of the model in seconds. Б — matrix of 30 neurons of the model network.
новокаином или 0.5%-ным лидокаином подкожно. Использовали нембуталовый наркоз в соответствии с руководством по использованию. Наркоз вводили перед хирургической процедурой и добавляли во время регистрации электрической активности. Кошек обездвиживали раствором д-тубокурарина ("АН/О Нео-фарма", Финляндия) и переводили на искусственное дыхание. Ректальная температура поддерживалась на уровне 37—38° С. Световую стимуляцию проводили круглым пятном света размером 1 град. в диаметре надпорого-вой интенсивности (2200 троландов), расположенным в центре рецептивного поля, с помощью светового стимулятора проекционного типа на белом экране с коэффициентом отражения 0.89 и рассеиванием по закону Ламберта. Длительность стимула для определения числа и частоты импульсов в пачке составляла 400 мс. Исследование времени восстановления реакции проводили на короткие (15 мс) парные вспышки с интервалом 20, 30, 50, 75, 100, 150, 200, 300, 500, 750 мс, предъявляемые в рецептивном поле нейронов. По 10—30 предъявлениям стимула строили пери-
стимульные гистограммы с эпохой 1200 мс. С помощью оригинальной компьютерной программы выделялись ответы нейронов, определялось число импульсов в ответе и его длительность.
Регистрацию и обработку эпилептических потенциалов проводили в острых опытах на крысах. Для длительной и непрерывной регистрации (2 ч и более) использовали золетило-вый (Zoletil 50, "Virbac", Франция) наркоз в соответствии с руководством по использованию. В черепе на расстоянии 4 мм друг от друга просверливали отверстия диаметр
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.